Моделирование трёхмерной структуры звукового поля на арктическом шельфе с неоднородным дном Текст научной статьи по специальности «Физика»

^лодыГучеЕ 19-21 октября 2021 г

-------------1Е НЕДЕЛИ»

Моделирование трёхмерной структуры звукового поля на арктическом шельфе с неоднородным дном

12 12 Сидоров Д.Д. ' , Луньков А.А. '

1- Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Москва 2- Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Москва

Е-mail: sidorov. dan. dmit@gmail. com

В работе рассмотрено распространение низкочастотного звука в мелководной области Карского моря с неоднородным распределением скорости звука в дне и постоянной глубиной водного слоя. В таких зонах скорость звука в дне сь может снижаться до скорости звука в воде с„, что связано с наличием газа в осадках или их водонасыщенностью [1]. Здесь возможно проявление трёхмерных эффектов, под которыми подразумевается отклонение траекторий распространения звука от прямолинейных в горизонтальной плоскости.

Трёхмерные акустические эффекты в мелководных волноводах, в том числе горизонтальная рефракция, уже наблюдались при наличии наклона дна или неоднородностей в водной толще. Совместное влияние неровностей поверхности дна и неоднородного распределения скорости звука в дне на Атлантическом шельфе США было рассмотрено в работе [2].

Для анализа 3D-эффектов в данной работе используется подход «вертикальные моды — горизонтальные лучи» и метод модовых параболических уравнений [3]. Для вычисления акустического поля в точке (г, г), где г = [х, у} - радиус-вектор в горизонтальной плоскости, разложим поле на совокупность нормальных волн (мод) М с номерами / = 1, М:

м

Ч(х,у,г) = ^Р1(г)4>1(г,г),

1=1

^г(^) — модовые амплитуды, фг(г, г) — собственные функции (моды).

РАДИОФИЗИКА И АКУСТИКА

Для изучения трёхмерных эффектов при распространении акустических волн рассмотрим мелководную область с неоднородным распределением скорости звука в дне в Карском море (рис. 1).

100 40

X, кт

Рис. 1. Результаты скоростного анализа данных 3D-сейсморазведки

для Карского моря.

На рис. 1 и 2 представлены яркостные картины, изображающие скорость звука в воде и дне. Видно, что скорость звука в некоторых областях дна равняется скорости звука в воде сь ~ с„ (чёрные участки). Плотность дна считаем постоянной 1800 кг/м3, т.к. взятие проб данного грунта показало, что изменение плотности незначительное. На рис. 2 изображен разрез в горизонтальной плоскости. Кружком отмечено положение источника звука с частотой излучения/= 137 Гц.

Рис. 2. Разрез дна в области Карского моря по глубине г = 55 м и h = 27 м от границы вода — дно.

Результаты вычисления модовых амплитуд и траекторий модовых лучей (белые линии) для первых трёх мод показаны на яркостных картинах на рис. 3. Неоднородность, расположенная перпендикулярно распространению звука и связанная с особенностями структуры поля скорости звука в дне, оказывает значительное влияние на траектории лучей и распределение

ШКОЛА-КОНФЕРЕНЦИЯ МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ

-------------1Е НЕДЕЛИ»

19-21 октября 2021 г.

амплитуд в горизонтальной плоскости. Лучше всего видно проявление горизонтальной рефракции на рис. 3 (в) - для высшей моды. Влияние неоднородности приводит к тому, что углы горизонтальной рефракции достигают 10°. При этом изменение модовой амплитуды за счёт горизонтальной рефракции может достигать 4 дБ для первой моды и «30 дБ — для второй и третьей.

Для наблюдения горизонтальной рефракции используют вертикальные и горизонтальные антенны. Путём выделения каждой

моды можно оценить влияния эффекта на результирующее поле.

-2000

0 2000 4000 6000 8000 10000 X, m

а)

2000

-2000

0 2000 4000 6000 3000 10000 X, m

-2000

0 2000 4000 6000 8000 10000 X, m

б) в)

Рис. 3 Траектории модовых лучей и распределения модовых амплитуд в дБ для первой (а), второй (б) и третьей (в) моды.

Авторы выражают благодарность главному научному сотруднику лаборатории гидрофизики НЦВИ ИОФ РАН Петникову В.Г., а также научному сотруднику Воронежского государственного университета Григорьеву В.А.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект № 19-0200127.

1. Григорьев В.А., Петников В.Г., Росляков А.Г., Терёхина Я.Е. Акуст. журн. 2018, 64(3), 342-358.

2. Ballard Megan S., Lin Ying-Tong, Lynch James F. J. Acoust. Soc. Am. 2012, 131(4), 2587-2598.

3. Collins M.D., Westwood E.K. J. Acoust. Soc. Am. 1991, 89(3), 10681075.