АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2008, том 54, № 6, с. 939-948
АКУСТИКА ОКЕАНА. ^^^^^^^^^^^^ ГИДРОАКУСТИКА
УДК 534-14
ПОДВОДНЫЕ ШУМЫ ПРИБОЯ У МОРСКИХ ПОБЕРЕЖИЙ РАЗНЫХ ТИПОВ
© 2008 г. В. И. Бардышев
Акустический институт им. Н.Н. Андреева 117036 Москва, ул. Шверника 4
E-mail: lekomtsev@akin.ru Поступила в редакцию 8.06.07 г.
Приводятся результаты измерения подводных шумов прибоя у каменистых, скалистых и песчаных побережий Черного моря и Тихого океана в диапазоне частот 0.03-16 кГц на расстояниях от берега 0.01-30 км. Показана зависимость частотно-энергетических спектров и значений эксцесса распределения мгновенных значений давления шумов прибоя от типа береговой зоны. При высоте волны 0.5-0.8 метров на звуковых частотах шум прибоя у галечного побережья превосходил но уровню шум открытого моря на расстояниях до 10 км от берега, а значения эксцесса были выше нуля на расстояниях до 2.7 км от берега.
PACS: 43.30.NB
Подводные шумы прибоя вблизи морских побережий создают помехи работе гидроакустических приборов и поэтому давно привлекают внимание исследователей. Можно отметить ряд экспериментальных работ, посвященных этой проблеме [1] -[14]. Немногочисленные теоретические работы [15, 16] выполнялись с использованием полученных ранее решений задачи о поле точечного источника звука в клиновидной области. В общем виде решение этой задачи получено Зоммер-фельдом [17] и Малюжинцем [18]. Сахарова [19] и Кузнецов [20], а затем Тужилин [21] и Харрисон
[22] получили выражения для границы зоны акустической тени в клиновидной области. Бакингем
[23] описал поле шумящей поверхности в клиновидной области. Мальцев и Некрасов [24] предложили лучевой алгоритм для вычисления звукового поля в трехмернонеоднородной среде, в том числе и в клиновидной области. Комиссарова [25] применяла лучевой метод для расчета звукового поля в прибрежной зоне с произвольным рельефом дна. Однако зачастую теоретические модели оказывались чрезмерно упрощенными.
Отмечалось расхождение результатов расчетов с экспериментальными данными [6].
Натурные измерения подводных шумов прибоя [1-5], [9-14] дают более надежные данные, но объем их пока недостаточен. В частности, не уделялось внимания особенностям донного грунта береговой зоны. Ниже показано, что структура наносов в береговой зоне в значительной мере определяет характеристики шумов прибоя.
Для определенности будем использовать термины, принятые в океанологии при описании морских берегов [26]. Линия соприкосновения во-
ды с сушей в конкретный момент времени называется линией уреза воды. Мелководная часть морского дна, примыкающая к берегу, рельф которой создан волнами при современном уровне моря, называется подводным береговым склоном. Подводный береговой склон, прибойная зона и собственно берег вместе образуют береговую зону. Наносами называется весь подвижный материал, перемещаемый волнами и течением в береговой зоне, независимо от его крупности, от мелкодисперсного ила до крупных глыб.
Воспользуемся методом классификации морских грунтов и наносов по крупности преобладающих частиц, применяющимся при обозначении грунтов на морских картах согласно таблице 1 [26]. По характеру наносов будем различать илистые, песчаные, каменистые и скалистые береговые зоны. Илистые береговые зоны сравнительно редки. Они встречаются в закрытых акваториях, где ил не размывается морскими волнами
Таблица 1. Классификация морских грунтов и наносов по крупности частиц
Типы наносов и грунтов Размеры преобладающих частиц в метрах
глыбы >1
валуны 1-10-1
галька 10-1-10-2
гравий 10-2-10-3
песок 10^-т-4
илистый песок содержат более 5% частиц
и илы с размерами менее 10-5 м
Таблица 2. Классификация каменистых береговых зон
Тип береговой зоны Размеры преобладающих частиц наносов в метрах
мелкогалечная 10-2-5 х 10-2
крупногалечная 5 х 10-2-10-1
крупнокаменистая >10-1
коралловый риф 10-4-10-1
скалистая -
(например, в Каркинитском заливе Черного моря и в устьях крупных рек, таких, как Днепр или Дунай, где убыль ила восполняется речными выносами). Наиболее распространены береговые зоны трех других типов, подводные шумы которых исследовались автором.
Принимая, во внимание особенности частотных спектров подводных шумов прибоя, о которых пойдет речь ниже, каменистые береговые зоны можно подразделить на типы, указанные таблице 2. Галечные береговые зоны сложены морской галькой и гравием, крупнокаменистые -валунами и глыбами, между которыми обычно находится небольшое количество гальки и гравия. Скалистые берега образованы скалами, круто обрывающимися в море. Наносы здесь отсутствуют, либо в небольших количествах отложены в выбоинах и расщелинах скал. Коралловые рифы, окаймляющие тропические побережья, сложены пористым коралловым известняком. Наносы представлены обломками кораллов, раковин и кораллового известняка. Рифы обычно заселены обильной и разнообразной донной фауной, порождающей интенсивные биогенные шумы [14].
При выходе морской волны на подводный береговой склон с глубинами Н ~ 4Н, где Н - высота волны от гребня до подошвы, происходит первичное разрушение ее гребня с образованием буруна [27]. При этом под гребнем волны образуется скопление пульсирующих и кавитирующих воздушных пузырьков, излучающих шум, который можно назвать пневматическим. Его частотный спектр максимален на частотах 0.4-0.5 кГц [12], [14].
Еще ближе к линии уреза воды на глубинах Н = 1.3Н - 2Н волна опрокидывается и полностью разрушается [27]. При этом происходит гидравлический удар массы воды по грунту, возбуждающий в нем интенсивный акустический импульс. Волновые движения воды на мелководье создают интенсивную турбулентность. Турбулентные пульсации давления генерируют низкочастотный шум в воде. Если гидрофон находится в зоне турбулентности, то пульсации давления непосредственно воздействуют на него. Такое воздействие называется псевдозвуком. Его интенсивность значитель-
но превышает интенсивность акустического шума турбулентности. Гидравлические удары, псевдозвук и шум турбулентности будем называть гидродинамическими шумами.
Воздействуя на подводный береговой склон, морские волны перемещают по нему наносы, обычно гальку и более мелкие, а при сильном волнении даже валуны и глыбы. При соударениях частиц наносов возникают звуковые импульсы. Этот шум назовем механическим.
К местным шумам можно отнести шумы прибрежного судоходства, биогенные шумы морской фауны и технические шумы береговых объектов. Технические шуми береговых объектов распространяются по грунту и выходят в воду в виде неоднородных волн.
Рассмотрим генерацию механического шума. Волков и Ионин [28] приводят эмпирическую формулу для: "неразмывающей волновой скорости" VH, то есть скорости водного потока, соответствующей началу трогания частиц наносов и следовательно началу генерации механического шума:
VH = 1.15jgd = 5.48 Jd, (1)
где VH - в м/с, g = 9.8 м/c2 - гравитационное ускорение, d - диаметр частиц в м. Таким образом, при скорости потока VH соударяются частицы с диаметрами
d < 3.33 х 10-2 V2H. (2)
Максимальное значение Vm скорости волновых движений воды у поверхности дна можно оценить по эмпирической формуле Лонгинова [29]:
Vm = 1.98Л iJH, (3)
где h, H - в м, Vm - в м/с.
Считая VH = Vm и используя формулы (2), (3), получим выражение для. диаметра частиц, приводимых в движение волнами высотой h на глубине H:
d < 0.13h2lH. (4)
Так, при высоте волны 1 м мелкая галька с диаметрами d < 5 х 10-2 м приходит в движение на глубине H < 2.6 м, или при уклоне дна 2° на расстоянии r < 74 м от линии уреза воды. Разрушение гребней волн и генерация пневматического шума начинаются дальше от береговой черты, в данном примере при H ~ 4 м и r ~ 114 м. Излучение звука в воздухе при упругом столкновении стальной сферы диаметром d, движущейся со скоростью V0, с такой же неподвижной сферой исследовано Коссом и Алфредсоном [30]. Излучение импульса дипольное, звуковое давление p ~ cos б (~ здесь и далее знак пропорциональности). Ча-
стотный спектр импульса имеет максимум на частоте
/т = 152.2/4 (5)
где /т - В Гц, й - в м.
Максимальная амплитуда импульса выражается безразмерной формулой:
рт = 1.29 х 10-6Е(г/а)-107(У0/с)125, (6)
где Е - модуль упругости стали, а - радиус сферы, У0 - скорость сферы при столкновении, с - скорость звука в среде.
Процесс соударения частиц наносов на морском дне сложнее. В соударении участвуют две или более частиц разных форм и размеров. Соударения могут быть как лобовыми, так и касательными и происходят они в воде, где скорость звука и плотность значительно больше, чем в воздухе. Торн [31] выполнил лабораторные исследования в условиях, близких к условиям генерации подводного механического шума прибоя. Большое количество стеклянных сфер помещалось во вращающийся в воде барабан, заполненный водой. Исследовался шум соударений сфер, пересыпающихся при вращении барабана. Спектр этого шума максимален на частоте
/т = 224/й09, (7)
несколько отличающейся от определяемой формулой (5). Так, при й = 0.05 м согласно (5) /т = = 3040 Гц, а согласно (7) - 3320 Гц. Формулу (7) можно переписать в виде:
й = 423//т11. (8)
Торн считает, что выражение (7) подходит и для морской гальки. Натурные измерения подводных шумов прибоя и обмеры преобладающих диаметров гальки в береговой зоне (впрочем, нуждающиеся в уточнении), выполненные автором, подтверждают пригодность выражений (7), (8) и для механического шума прибоя.
Согласно Торну, при диаметре сфер й = 9 мм среднеквадратическое давление шума их соударений
Ра = 5.7508, (9)
где ра - в Па, 5 - скорость вращения барабана в м/с. Он полагал, что средняя скорость соударения
сфер У0 ~ 5а5, и тогда ра ~ у0'6 . В соответствии с
(6) Рт ~ У0.25 .
Наиболее надежные данные о зависимости интенсивности подводного шума прибоя от силы волнения получены Шороховой в результате полугодовых наблюдений [13]. Она использовала стационарный гидрофон, установленный на расстоянии 2.8 км от линии уреза воды. Тип берего-
Таблица 3. Значения максимума /т спектра механического шума прибоя и глубина моря Нт, начиная с которой он генерируется при высоте
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.