АКУСТИКА ОКЕАНА, ^^^^^^^^^^^^ ГИДРОАКУСТИКА
551.46.23
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКА В СЕВЕРНОМ МОРЕ
© 2008 г. Н. К. Абакумова
Акустический институт им. H.H. Андреева РАН 117036 Москва, ул. Шверника 4
E-mail: galkin@akin.ru Поступила в редакцию 12.11.06 г.
Приведены результаты экспериментальных исследований звуковых полей в диапазоне частот 112— 3200 Гц на трассе протяженностью 150 км для условий мелкого моря. Выполнен сравнительный анализ опытных данных с результатами расчета. Оценены величина потерь, обусловленных затуханием в дне, и параметры грунта применительно к модели дна в виде однородного жидкого поглощающего полупространства. Рассмотрена вертикальная интерференционная структура поля на частоте 112 Гц вблизи источника.
АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2008, том 54, № 4, с. 559-564
УДК
РЛСБ: 43.30.Xm, 43.30.Cq
Распространение звука в мелком море является важной проблемой с большим числом приложений в океанологии, геофизике, сейсмологии [1-10]. Интерес к исследованию звуковых полей в мелководных районах океана проявлялся как ранее, так и в настоящее время. Модель мелкого моря можно рассматривать как горизонтально-неоднородный волновод с изменяющимися вдоль дистанции глубиной и профилем скорости звука. Существуют модели дна как в виде однородного жидкого поглощающего полупространства [1, 5, 6], так и в виде жидких поглощающих слоев, лежащих на однородном поглощающем полупространстве [3, 5, 11-14]. Методы численного моделирования позволяют разрабатывать различные геолого-акустические модели дна мелкого моря, адекватно объясняющие экспериментальные результаты [3, 4-12, 13].
В одной из экспедиций, организованных Акустическим институтом, были проведены в летнее время экспериментальные исследования с тональными сигналами на частотах от 112 Гц до 3.2 кГц. В результате были получены интерференционные картины и усредненные законы спадания силы звука в Северной котловине Северного моря. В качестве источников звука использовались электродинамические излучатели. Для изучения закономерностей распространения звука в мелком море применялся метод численного моделирования, использующий лучевую программу расчета. Анализировались звуковые поля с учетом влияния дна и поверхности моря. Сравнение опытных данных с результатами расчетов позволило, применительно к модели дна в виде однородного жидкого поглощающего полупро-
странства, оценить параметры грунта и коэффициент потерь в дне. Настоящая работа является продолжением исследований [3], направленных на выработку модели дна в условиях отсутствия информации о характеристиках грунта.
Глубина моря в районе исследований полого увеличивалась от 56 до 87 м на трассе длиной более 150 км. Источники тонального излучения звука дискретных частот 112, 312, 614, 992, 3200 Гц располагались на глубине 35 м, прием осуществлялся на горизонте 30 м. Излучающее судно стояло на якоре в исходной точке трассы. Путем маневрирования приемного судна удавалось осуществлять подробную непрерывную регистрацию сигналов на каждой из исследуемых частот. Так, в интервале расстояний от 0.5 до 5 км приемное судно несколько раз повторяло переход на близкие расстояния, снова ложась в дрейф. При таких маневрах удавалось проводить непрерывную регистрацию сигналов вдоль данного участка трассы. На расстояниях ~ от 0.5 до 2.3 км от источника проводились измерения вертикальной интерференционной структуры звукового поля частоты 112 Гц. В исследуемом районе, как известно, придонные осадки содержат в поверхностном слое до 50% фракцию песка диаметром более 0.1мм. При проведении расчетов грунт рассматривался как "песок" и "илистый песок" [2].
Примеры измеренных профилей скорости звука с(г, г) для ряда расстояний г от источника приведены на рис. 1. При данной гидрологии, как показали численные расчеты, подводный звуковой канал захватывал лишь часть лучей, отразившихся под малыми углами от дна, и удерживал их в волноводе на участке от 30 до 90 км. На дальних
С (г), км/с
1.472 1.474 1.476 1.478 1.480
г, м
Рис. 1. Зависимость скорости звука с от глубины г для нескольких расстояний г.
1 - на расстоянии г ~ 0 км от излучающего судна; 2 -г ~ 57 км; 3 - на расстоянии г ~ 180 км.
I, дБ
г, км
Рис. 2. Экспериментальные усредненные данные спадания уровня звукового поля I с расстоянием г для частот 112, 312, 614, 1000 и 3200 Гц (точки), аппроксимированные аналитическими функциями (сплошные линии). Сплошная прямая линия - уровень сферического закона спадания.
расстояниях отражались от дна только те лучи, угол выхода которых из источника превышал 4°. В конце трассы из-за рефракции водных лучей, обусловленной отрицательным приповерхностным градиентом, на глубинах 30-35 м появилась зона тени, где уровень звукового поля определялся сигналами, отраженными от дна моря.
Горизонтальные разрезы звукового поля (спадание интенсивности в зависимости от расстояния) во всем указанном диапазоне вышеперечисленных частот проводились на расстояниях от 0.5 км до 150 км. На рис. 2 показаны точками экспериментальные усредненные данные силы звука 1(г) для пяти исследуемых частот 112, 312, 614, 1000 и 3200 Гц. Экспериментальные значения аппроксимировались аналитическими функциями 1с(г) (сплошные линии), параметры которых определялись методом наименьших квадратов исходя из условия, что они не противоречат физической модели волновода. Сплошной прямой линией показан сферический закон спада 1(г) = -20 ^ (г), характерный для безграничного однородного пространства.
Для мелководных районов спадание силы звука 1(г) с расстоянием г в общем случае определяется геометрическим расхождением, потерями при отражении от границ моря и дополнительным поглощением и рассеянием звука в водной среде. При этом доминирующую роль играют потери при отражении от дна и поверхности моря. На больших расстояниях г от источника спадание интенсивности поля принято описывать цилиндрическим законом г-1, характеризующим распространение звука в однородном волноводе с абсолютно отражающими границами, с дополнительным экспоненциальным затуханием
т ! \ 10г0 1А-0.1Рг .
1с(г) =-х 10 , г > г0, (1)
г
где 10 - интенсивность звукового поля на переходном расстоянии г0; в = в1 + во эффективный коэффициент потерь, в1 - коэффициент потерь, обусловленный неполным отражением от границ моря, в0 - коэффициент затухания звука в воде. В различных акваториях Мирового океана коэффициент затухания на частотах 0.2-5.0 кГц удовлетворительно описывается зависимостью во = = 0.028/3/2 дБ/км, где частота / определяется в кГц [1, 8, 9, 11]. Экспериментальные значения коэффициента затухания во определялись по различиям между экспериментальным спадом силы звука и цилиндрическим законом на малых расстояниях, где полем донных отражений можно пренебречь. Опираясь на измеренные значения интенсивности поля 1(г), методом наименьших квадратов находилось значение параметра в аппроксимирующей функции (1), которое принималось в каче-
I, дБ
Рис. 3. Зависимость интенсивности I звукового поля от расстояния г с учетом наклона дна и изменения профиля скорости звука по трассе для двух состояний поверхности моря. Прямоугольники (□) - ровная поверхность; сплошная линия - волнение 5 баллов. Грунт - илистый песок: т = 1.8, и0 = 0.9, П = 0.015. Звездочки - опытные данные. Цифрами 1, 2 показаны цилиндрический и сферический законы спада.
стве экспериментального значения эффективного коэффициента потерь. Располагая полученными таким образом значениями в и в0, определялся коэффициент потерь в1. По отклонениям в1 от соответствующих значений на разных расстояниях вычислялась среднеквадратичная ошибка ар1 коэффициента потерь. Значения в1, ар1 и в0 для анализируемых частот /, представленных на рис. 2, приведены в таблице.
С увеличением частоты, как и ожидалось, возрастает значение коэффициента потерь в1. Это объясняется совместным действием неполного отражения и рассеяния от дна и поверхности моря [1, 8, 9]. В области частот 112-1000 Гц значения коэффициентов потерь в 1 существенно превышают значения коэффициентов затухания в0. В области частоты / ~ 3.2 кГц значения в1 и в0 сопоставимы, что объясняется релаксацией бора в морской воде [11].
Экспериментальная и расчетные усредненные зависимости силы звука от расстояния для частоты 112 Гц представлены на рис. 3, 4. Экспериментальные значения усреднялись по пространственным интерференционным биениям. Модель дна выбиралась в виде однородного жидкого поглощающего полупространства, характеризуемого параметрами т = р1/р0 отношение плотностей
I, дБ
Рис. 4. Зависимость интенсивности I звукового поля от расстояния r для ровной поверхности моря при разных значениях параметров грунта. Сплошная линия (6) - m = 2.1, Hq = 0.81, п = 0.03. Штриховая линия (5) -m = 1.9, Hq = 0.93, п = 0.0078. Сплошная тонкая линия (4) - m = 1.8, н0 = 0.85, п = 0.01. Прямоугольники (□) (3) - m = 1.8, Hq = 0.9, п = 0.015. Звездочки - опытные данные. Цифрами 1, 2 показаны цилиндрический и сферический законы спада.
сред, р1 и р0 плотности грунта и воды; n = n0(1 + + г'п) - комплексный показатель преломления в , Jm n „
дне где h =-. Верхняя граница задавалась в ви-
Ho
де взволнованной поверхности со среднеквадратичной высотой неровностей а, определяемой поверхностным волнением. Расчеты горизонтальных разрезов звукового поля проводились по программе А.В. Вагина. Экспериментальные данные горизонтального разреза звукового поля нанесены в виде "звездочек". Цифрами I и 2 (сплошные линии) показаны законы спада звукового поля, соответствующие цилиндрическому и сферическому законам. За значение 0 дБ взят уровень звукового поля на расстоянии r = 1 км. При проведении численных расчетов по лучевой программе учитывался генеральный рельеф дна
Частотная зависимость коэффициентов потерь в1 и затухания в0 в воде для дискретных частот излучения
f, Гц ß1, дБ/км ар1, дБ/км ß0, дБ/км
112 0.087 0.04 0.004
312 0.087 0.05 0.006
614 0.14 0.08 0.014
1000 0.22 0.07 0.028
3200 0.20 0.11 0.148
I, дБ
-10 0 10 20 0 10 20 -10 0 10 20-10 0 10 0
10
20
£ N
30
40
50 L
(а)
~1-1-1-г
(б)
~1-1-г
(в)
~1-1-1
(г)
Рис. 5. Экспериментальная за
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.