научная статья по теме ЗАТУХАНИЕ ЗВУКА В МЕЛКОВОДНЫХ АКВАТОРИЯХ С ГАЗОНАСЫЩЕННЫМ ДНОМ Физика

Текст научной статьи на тему «ЗАТУХАНИЕ ЗВУКА В МЕЛКОВОДНЫХ АКВАТОРИЯХ С ГАЗОНАСЫЩЕННЫМ ДНОМ»

АКУСТИКА ОКЕАНА. ^^^^^^^^^^^^ ГИДРОАКУСТИКА

691.463.21

ЗАТУХАНИЕ ЗВУКА В МЕЛКОВОДНЫХ АКВАТОРИЯХ С ГАЗОНАСЫЩЕННЫМ ДНОМ © 2015 г. В. А. Григорьев*, А. А. Луньков**, В. Г. Петников**

*Воронежский государственный университет 394006 Воронеж, Университетская пл. 1 **Научный центр волновых исследований Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН

119991 Москва, ул. Вавилова 38 E-mail: petniko@kapella.gpi.ru Поступила в редакцию 23.05.2014 г.

Исследованы особенности распространения низкочастотного (50—300 Гц) звука в мелководных акваториях на относительно небольших расстояниях r « 3H—50H от источника звука, где H — глубина волновода. Дно акваторий предполагалось жидкой однородной газосодержащей средой. Сравнивались ситуации, когда скорость звука в дне больше и меньше, чем в водном слое (жесткое и мягкое дно). Подтверждено в эксперименте, что средняя эффективная скорость звука в дне может иметь весьма низкие значения «100 м/с. При расчетах использовалось модовое описание звукового поля, учитывались как распространяющиеся, так и вытекающие моды, включая квазимоды. Получены усредненные зависимости спадания интенсивности поля с расстоянием при различных частотах и скоростях звука в дне. Найдены коэффициенты в затухания звука в волноводе как функции частоты и скорости звука в дне. Показано, что для мягкого дна величина в монотонно растет при увеличении скорости звука в дне, а для жесткого дна — монотонно падает. Максимум в зависит от частоты звука и достигается при примерном равенстве скоростей звука в воде и дне.

Ключевые слова: акустика мелкого моря, затухание звука в мелководных акваториях. DOI: 10.7868/S0320791915010025

УДК

ВВЕДЕНИЕ

Верхний слой осадков в мелководных акваториях, как правило, представлен рыхлыми отложениями, в которых энергией сдвиговых звуковых волн по сравнению с энергией продольных волн можно пренебречь. По этой причине в данной работе будет использоваться модель жидкого дна, характеризующаяся в случае однородной среды тремя параметрами: продольной скоростью звука с1, плотностью р1 и параметром затухания а.

Если грунт представляет собой двухкомпо-нентную среду (вода и минеральные частицы), то скорость звука в дне достаточно хорошо описывается эмпирической формулой Эйкала [1]: с1 =

= сн (1.631 - 1.78к + 1.2к2), где сн — скорость звука в воде у поверхности дна, к — пористость грунта. Согласно этой формуле при к = 0.6—0.9 (тонкий алеврит, илы, глины) скорость звука в дне становится меньше скорости звука в воде. Минимум достигается при к ~ 0.75 и равен с1 = 0.97сн, что при сн = 1500 м/с соответствует с1 = 1455 м/с.

В случае трехкомпонентной среды (вода, минеральные частицы и газ) оказывается, что даже незначительное присутствие третьей газовой фракции в морском грунте существенно уменьшает ве-

личину скорости звука в дне. Так, при объемном содержании газа всего 0.1% скорость звука в дне принимает непривычно низкие значения 100— 300 м/с [2], что меньше скорости звука в воздухе. Газонасыщенность грунтов наблюдается в различных акваториях [3] и, в частности, в местах сосредоточения залежей природных углеводородов. На Баренцево-Карском шельфе, например, в подобных районах скорость звука составляет 800— 1200 м/с [4]. Известны также примеры газонасыщенных грунтов для акваторий крупных искусственных водохранилищ, образованных при затоплении территории, покрытой растительностью [5]. Здесь скорость звука уменьшается до 150 м/с. Заметим, что приведенные экспериментальные значения скорости звука в дне получены либо при однократных (в одной точке) измерениях отражения звука от дна, либо при регистрации времени распространения сейсмических волн в осадочных породах. В первом случае речь фактически идет о локальных (в одной точке) измерениях скорости звука, в другом — об определении эффективной средней скорости звука во всей толще осадочных пород. В то же время для акустики мелководных акваторий важна эффективная средняя скорость звука для верхнего слоя осадочных пород с тол-

0 10 20 30 40 50 60 70 1465 1470 1475 Расстояние, м Скорость звука, м/с

Рис. 1. Профиль дна вдоль акустической трассы (а) и вертикальный профиль скорости звука (б). Звездочки — экспериментальные точки, серая линия — результат интерполяции.

щинами, сравнимыми с длиной звуковой волны в осадках.

Целью настоящей работы является экспериментальное подтверждение гипотезы о том, что эффективная скорость с1 в верхнем слое осадочных пород может действительно иметь весьма малые значения, меньшие, чем скорость звука в воздухе. Справедливость этой гипотезы указывает на достаточно широкий диапазон возможных значений величины с1 в зависимости от концентрации газа в дне. Это, в свою очередь, может существенно влиять на распространение звука в водном слое на мелководье. В связи с этим в настоящей работе также исследовалось влияние скорости звука в мягком (с1 < сн) и жестком (с > сн) морском дне на затухание низкочастотных акустических волн в мелком море. При этом основное внимание уделялось относительно небольшим расстояниям г~ 3Н—50Н (Н — глубина акватории) от источника звука.

ИЗМЕРЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ СКОРОСТИ ЗВУКА НА СТАЦИОНАРНОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ ТРАССЕ

Натурный эксперимент проводился на базе Физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова на Клязьминском водохранилище. Стационарная акустическая трасса протяженностью 71 м была организована между одиночным широкополосным излучателем звука, установленным на глубине 5 м, и вертикальной 12-элементной приемной цепочкой гидрофонов, перегораживающей большую часть волновода. Профиль дна вдоль акустической трассы, зарегистрированный с помощью эхолота со встроенным GPS-прием-ником, представлен на рис. 1а. Скорость звука в водном слое с(г), измеренная с помощью специального зонда, слабо изменялась с глубиной г (см. рис. 1б). Расстояние между элементами приемной цепочки равнялось 0.85 м. Общая длина цепочки составляла 9.4 м, нижний гидрофон распо-

лагался в 1 м от дна. Источник звука излучал сигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) от / = 500 до 1500 Гц длительностью 5 с. Интервал между циклами излучения также равнялся 5 с.

Первый этап анализа заключался в корреляционной обработке принятых акустических сигналов (свертка с излучаемым ЛЧМ-сигналом), которая позволила существенно повысить отношение сигнал/шум. Результат такой обработки и усреднения по 30 циклам излучения для всех приемных элементов (модуль корреляционной функции Вехр(т, г)) представлен на рис. 2а. (Здесь т — временная задержка, определяющая время распространения звуковых сигналов.) На этом рисунке прослеживается достаточно явная пространственно-временная структура приходов по отдельным лучам — "аккордеон" — причем в течение длительного времени по сравнению с шириной автокорреляционной функции излучаемого сигнала тизл = 10-3 с. Значительное время затягивания сигнала говорит о сильных отражающих свойствах дна для большого диапазона углов скольжения, что может быть свойственно дну либо с очень низкой, либо с очень высокой скоростью распространения звука.

Усредненный по глубине спектр принятого сигнала с учетом нормировки на спектр излученного приведен на рис. 3. Как видно, амплитудные значения спектра почти не меняются с частотой /, что свидетельствует об очень слабой частотной зависимости коэффициента отражения в рассматриваемом диапазоне частот 500—1500 Гц. В таком случае модельный расчет широкополосного звукового поля упрощается, и его удобно проводить в рамках лучевого подхода [6]. На рис. 2б и 2в показаны результаты численного моделирования, а именно распределения величины |Втой(т, г)| аналогичной |В®хр(т, г)| в волноводе с очень низкой (100 м/с) и очень высокой (2500 м/с) скоростями звука в дне соответственно. Эти значения выбирались из наилучшего совпадения экспериментальных и модельных данных. Дно рассмат-

0.5

1.0

0.005

0.010

0.015

св Я

и

ю ^

0 П

5 -О

«\)У 1 г

и.Ш Я' \

0.020 0.025 0.030 Временная задержка, с

0.035

10 4

а н и

ю ^

10 4

0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030

Временная задержка, с

11»' ш ® ' Х

ттЖЮ'

ТПИЛГ \y Vv- V/ V« V»

0.035

54

0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030

Временная задержка, с

0.035

0.040

0.040

0.040

0.045

0.045

0.045

Рис. 2. Результат корреляционной обработки принимаемых сигналов: (а) экспериментальная зависимость, (б, в) модельные зависимости при скоростях звука в дне 100 и 2500 м/с соответственно.

500 600 700 800

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 Частота, Гц

Рис. 3. Нормированный экспериментальный спектр принимаемого сигнала.

0

ривалось как однородное жидкое поглощающее полупространство, плотность которого равна рх = = 1600 кг/м3. Отметим, что если скорость звука в дне много меньше скорости звука в воде, то коэффициент отражения звука от нижней границы волновода практически не зависит от коэффициента поглощения звука в донном слое. Мнимая часть показателя преломления

п = с (1 +1 а

(1)

для жесткого дна выбиралась таким образом, чтобы зависимость коэффициента отражения звука от угла скольжения была близка к аналогичной зависимости для мягкого дна. В нашем случае а = 0.1.

Сравнивая рис. 2а с рис. 2б и 2в, невозможно сразу сделать однозначный вывод о том, какого типа дно в рассматриваемой акватории. Картина проясняется, если сопоставить усредненные по глубине экспериментальные и модельные огибающие принимаемых сигналов (рис. 4). Все огиба-

W

4

д"

н о о я <ч

5 о Я

В

Я

И

-25 -

-30

-.С! = 100 м/с, Р! = 1600 кг/м3, а = 0.1

q = 2500 м/с, Р1 = 1600 кг/м3, а1 = 0.1 — Эксперимент

0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 Временная задержка, с

0.035

Рис. 4. Экспериментальная и модельные зависимости средней интенсивности звукового сигнала от времени задержки.

ющие сглажены по времени на 0.005 с и нормированы на максимальное значение. Видно, что для дна, имеющего высокую скорость звука, характерно наличие момента времени, после которого происходит резкое спадание амплитуды огибающей. Это время отвечает приходу лучей, имеющих угол выхода из источника, близкий к углу полного внутреннего отражения. Когда скорость звука в дне меньше, чем в водном слое, полное внутреннее отражение

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»