АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2015, том 61, № 1, с. 76-89
АКУСТИКА ОКЕАНА. ^^^^^^^^^^^^ ГИДРОАКУСТИКА
УДК 534.232
ВЛИЯНИЕ НАКЛОННОГО ДНА НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКА
© 2015 г. А. Н. Рутенко, С. Б. Козицкий, Д. C. Манульчев
Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН 690041 Владивосток, ул. Балтийская 43 E-mail: rutenko@poi.dvo.ru Поступила в редакцию 19.04.2014 г.
Приводятся результаты натурных измерений акустических полей, формируемых в осенних гидрологических условиях шельфа Японского моря автономным излучателем сигнала ТОН-320ГЦ, установленным в море глубиной 34 м, и низкочастотным импульсным пневмоизлучателем, опускаемым с борта судна на горизонт 10 м. Прием осуществлялся с помощью гидрофона, установленного на глубине 41 м цифрового радиогидроакустического буя и гидрофона автономного акустического регистратора, опускаемого вместе с автономным гидрологическим зондом с борта дрейфующего судна. Моделирование распространения звука от данных источников проведено с помощью широкоугольного параболического уравнения с учетом упругих свойств пород, слагающих дно, и 3-D мо-дового параболического уравнения в адиабатическом приближении для "жидкого" дна.
Ключевые слова: неоднородный геоакустический волновод, акустические волны на шельфе, моделирование распространения звука на шельфе.
DOI: 10.7868/S0320791915010116
ВВЕДЕНИЕ
Интерес к распространению звука в неоднородных акустических волноводах, характерных для шельфа, обусловлен влиянием дна и сезонного пикноклина, параметры которого зависят от времени года. Например, в работах [1, 2] показано, как благодаря наклонному дну и сезонному пикноклину, формирующему в водном слое отрицательный градиент в вертикальном распределении скорости звука, образуется придонный звуковой канал, обеспечивающий на кромке шельфа согласованный переход энергии акустических волн из мелководной области шельфа в морской подводный звуковой канал, который может быть расположен на глубине 100—200 м в Японском море [1] и на глубине 800 м вблизи Гавайских островов [2].
При распространении над поднимающимся дном низкочастотных относительно широкополосных импульсных сигналов, с одной стороны, имеет место отсечка водных мод, но, с другой стороны, энергия акустического сигнала концентрируется в сужающемся водном слое. Влияние дна на распространение энергии низкочастотных импульсов ярко выражено в значении групповой скорости распространения водных и особенно
водно-донных мод ип (где и — групповая скорость распространения, п — номер моды), волновое число кп которых приближается к критическому. Это приводит к "затягиванию" принимаемого
акустического импульса даже на относительно коротких трассах.
В предшествующих работах [3, 4] мы уже представляли некоторые результаты акустических экспериментально-теоретических исследований, проведенных в данном районе шельфа Японского моря, в которых были успешно применены данный измерительный комплекс аппаратуры и программное обеспечение для моделирования распространения сейсмоакустических волн в приближении широкоугольного параболического уравнения. В этих работах исследовались особенности распространения энергии низкочастотных сейсмоакустических волн в неоднородных геоакустических волноводах, характерных для шельфа, в том числе с сухопутными участками. С помощью согласованного с экспериментальными данными численного моделирования показана возможность расширения результатов натурных измерений на другие гидрологические условия, частоты и трассы распространения.
В данной работе приводятся результаты специальных экспериментально-теоретических исследований, проведенных на шельфе Японского моря в районе полуострова Гамова, целью которых было изучение влияния рельефа дна на распространение поперек шельфа энергии тонального сигнала с частотой 320 Гц и энергии низкочастотных импульсов на равноглубинной (40 м) и с наклонным (уклон равен 0.002) дном трассах протяженностью 7 км.
Рис. 1. Карта района с указанием точек излучения ТОН-320ГЦ, т.1, т.2 и приема р.1, ..., р.7, ЦРБ.
МЕТОДИКА И АППАРАТУРА
На рис. 1 приведена карта района, в котором были проведены акустические эксперименты, результаты которых обсуждаются в данной работе. Акустическая трасса Т0Н-320ГЦ—р.7 сориентирована примерно перпендикулярно шельфу и имеет перепад глубины с 34 до 85 м при протяженности 18 км, т.е. дно имеет средний уклон, равный 0.003. На этой трассе проводились натурные измерения с помощью тонального (320 Гц) автономного резонансного излучателя электромагнитного типа [5], установленного на дне в точке, отмеченной на рис. 1 как Т0Н-320ГЦ. В точкахр.1, ..., р.7 акустические измерения проводились с помощью автономного акустического регистратора [6], объединенного с автономным зондом MIDAS CTD +500, опускаемым с борта дрейфующего судна "Малахит".
На двух акустических трассах протяженностью ~7 км — примерно равноглубинной трассе т.1— ЦРБ (см. рис. 1) и трассе с наклонным дном т.2— ЦРБ, где уклон дна равен 0.002, — исследовалось
распространение энергии низкочастотных акустических импульсов, генерируемых с помощью оригинального пневмоизлучателя [7], опускаемого с борта судна на глубину 10 м. Формируемые им акустические импульсы контролировались с помощью опорного гидрофона, расположенного на горизонте 10 м в 22 м от излучателя. Таким образом, синхронные акустические измерения проводились с помощью гидрофонов двух цифровых радиогидроакустических буев (ЦРБ) [5]: опорного гидрофона на расстоянии 22 м от излучателя и приемного гидрофона ЦРБ (см. рис. 1), установленного в 20 см над дном в море глубиной 41м.
Численное моделирование распространения тонального акустического сигнала с частотой 320 Гц проводилось с помощью известной программы RAMS [8], основанной на приближении широкоугольных параболических уравнений для водного слоя и упругого дна. Трехмерное распространение тональных и импульсных акустических сигналов моделировалось с помощью оригинальной программы МПУ, разработанной в ТОИ
ДВО РАН. Для моделирования распространения тональных компонент использовано модовое параболическое уравнение, выведенное в статьях [9, 10] обобщенным методом многомасштабных разложений для слоистой среды с произвольным количеством слоев. На границах раздела слоев поставлены интерфейсные условия, которые явно учитывают разрывный характер параметров среды по вертикали, влияют на вид модовых функций и входят в формулы для коэффициентов МПУ. Кроме того, данное уравнение учитывает медленное изменение глубин слоев вдоль трассы.
Как правило, в работах по моделированию трехмерных акустических полей методом МПУ, как, например, в [11], используется адаптированный вариант уравнения из статьи [12], который выведен методом факторизации оператора Гельм-гольца. В нем интерфейсные условия на границах слоев явно не сформулированы и не учитываются. Кроме того, в статье [11] использована линейная фаза, которая не позволяет при моделировании адекватно учитывать изменение параметров среды вдоль трассы. Подход к выводу МПУ на основе метода многомасштабных разложений представляется более корректным математически и в сочетании со слоистой моделью среды гораздо лучше подходит для задач акустики мелкого моря.
Акустические измерения проводились с помощью гидрофонов, прошедших метрологическую поверку, и откалиброванных цифровых измерительно-регистрационных средств, поэтому на рисунках приводятся графики вариаций акустического давления рЦ) в паскалях, а графики спектров О (/) — в децибелах относительно 1 мкПа2/Гц. При построении оценки спектра измеренного акустического импульса применялось сглаживание по девяти частотам. Таким образом, все оценки спектров импульсных сигналов, представленные в этой статье, имеют 18 степеней свободы. Соответственно, для доверительной вероятности 90% истинное значение спектральной плотности находится в интервале от —2 до +3 дБ [13].
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПОПЕРЕК ШЕЛЬФА
На рис. 1 видно, что акустическая трасса ТОН-320Гц—р.7 имеет протяженность 18 км и семь точек, в которых проведены измерения вертикального распределения интенсивности 1(г) акустического поля, формируемого тональным автономным донным излучателем, установленным в точке ТОН-320Гц. На рис. 2а приведены графики вертикального распределения скорости звука Сж(г) (кривая 1) и интенсивности акустического поля I(г) (кривая 2), экспериментально измеренные в точках р.5, р.6 и р.7, показанных на рис. 1.
На рис. 2б показано пространственное распределение значений функции потерь TL( f = 320 Гц, г, r), полученное с помощью модернизированной программы RAMS [8] в модельном геоакустическом волноводе, параметры которого также показаны на рис. 2б.
На рис. 2б видно, что значения этих параметров зависят от г в соответствии с вертикальным градиентом данной физической величины. Поясним это на примере величины скорости распространения продольных волн Cp. На рис. 2б видно, что в слое 0—120 м величина Cp растет от 1620 до 2000 м/с, т.е. имеется градиент, равный 3.17 с-1. В водном слое Cp = CW, а на дне 1620 + 3.17H м/с, где H — глубина моря. Глубже горизонта 120 м градиент становится равным 0.57 с-1. Отметим, что коэффициент поглощения ap для продольных волн в дне до горизонта 120 м имеет отрицательный вертикальный градиент, равный —0.0004 дБ/X м-1, где X -длина волны, а глубже 120 м градиент становится положительным. Геоакустические параметры пород, слагающих дно, представленные на рис. 2б, подобраны с помощью согласования модельных значений, рассчитанных с помощью программы RAMS и показанных на рис. 2а (кривая 3), с натурными значениями Iexp(f = 320 Гц, r = p.N,г) — кривая 2 на рис. 2а.
В работе [4] было показано, что в модельном геоакустическом волноводе, пересекающем б. Витязь (см. рис. 1), при изменениях значений Cp на ±100 м/с искажалась только интерференционная картина, а при изменениях Cp на ±200 м/с изменения усредненных значений TL(f = 52 Гц, r) достигали 5 дБ.
Интенсивность эквивалентного автономному излучателю модельного точечного источника сигнала ТОН-320Гц была получена с помощью натурных измерений, проведенных на расстоянии 2 км в точке р.1, и чис
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.