О возможности дистанционного определения импеданса донных отложений Текст научной статьи по специальности «Физика»

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Акултев В.А., Буланов В.А., Клепин С.А. Акустическое зондирование газовых пузырьков в морской среде // Акуст. журн. 1986. Т. 32. №3. С.289-295.

2. Руденко О.В., Чиркин А.С. Теория нелинейного взаимодействия монохроматических и шумовых волн в слабодиспергирующих средах // ЖЭТФ. 1974. Т. 67. Вып. 5(11). С.1903 - 1911.

3. . . // .

журн. 1969. Т. 15. №1. С.25 - 27.

4. . ., . .

для проведения экологического мониторинга водной экосистемы / Известия ТРТУ, №2. 2001. С.100 - 104.

5. Акустика океанаШод ред. Бреховских Л. М. - М.: Наука, 1974. 694 с.

6. . ., . ., . ., . . -ского вихря направленным параметрическим излучением // Акуст. журн. 1993.

Т. 39. №1. С.173 - 176.

О ВОЗМОЖНОСТИ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИМПЕДАНСА ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

АЛ. Куценко

Мировой океан (порядка 60% поверхности нашей планеты) притягивает все большее внимание со стороны человечества. Его минеральные и биоресурсы намного превышают освоенные человечеством ресурсы суши. Именно поэтому в программах дальнейшего индустриального развития многих стран мира заложена долгосрочная программа освоения ресурсов Мирового океана. Подобно гонке вооружений сейчас наблюдается гонка средств, позволяющих проводить разведку морского дна и разработку природных ископаемых, находящихся на дне океана.

Первостепенной и наиболее актуальной на нынешний момент является задача картографирования морского дна. На основе подробных карт производится оценка наличия полезных ископаемых и закрепление этого места за стороной, нашедшей эти залежи. Такое картографирование на нынешний момент производится, как правило,

. : контактное и бесконтактное. В случае контактного исследования производится забор грунта и его химический и физический анализ, что делает эту методику весьма трудоемкой и дорогостоящей. Исследования же бесконтактными методами позволяют значительно сократить время анализа, уменьшить количество заборов грунта и т.д. В основе таких методов лежит использование акустических волн, которые хорошо распространяются в водной среде и имеют ряд преимуществ по сравнению с другими . -роакустической аппаратуры, предназначенной для исследования дна (профилогра-).

В подобных гидроакустических приборах излученный акустический сигнал изменяет свою структуру после отражения, и по анализу этих изменений в сигнале судят о физических свойствах исследуемых донных осадков. Поэтому одной из приоритетных задач при создании гидроакустической аппаратуры такого класса является задача исследования взаимодействия акустических волн с границами раздела. Особо, ,

. -, ,

принцип работы которых основан на формировании волн рабочей частоты при взаимодействии волн конечной амплитуды. Такие профилографы имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными. Обладая узкой характеристикой направлен-( ), , установке таких систем на малотоннажных суднах. Такие приборы с успехом используются в целях профилирования дна и в различных экологических исследованиях.

, -стной частоты (ВРЧ), образованной в результате взаимодействия волн накачки, при наличии в области взаимодействия границы раздела, была описана в работе [1]. Эта математическая модель была опробована на примере описания поля звукового давления ВРЧ при наличии в области взаимодействия абсолютно мягкой и абсолютно жесткой границ раздела. В [1] было показано, что результаты математического моделирования хорошо совпадают с экспериментально полученными кривыми пространственного распределения звукового давления ВРЧ, отраженного от абсолютно мягкой и абсолютно жесткой границы раздела. На практике приходится встречаться со случаем наличия в области взаимодействия импедансных границ раздела. В этом случае уравнение, описывающее отраженное поле ВРЧ, будет иметь следующий вид:

Р (Г, 2) =

£ • ^ • Ьр ---------::--------

2 • С0 • р0

£ • ^ • Тр

------------::------------

2 • С0 • р0

,ехр

— V---

л + 1(у - 23) + у • В • 23

л + 1(у - 23) + у • В • 23

4 у + 1^В^у)

тЗу, 2 < к;

к ехр

•I-

d + 1(у - 23) + у • В • 23

d + 1(у - 23) + у • В • 23

(1)

ч$у +

зеХР

— V--

Г2 у + ‘^•у)

d + 1(у - 23) + у • В • 23

d + 1{у - 23) + у • В • 23

лу

2 > к

Здесь й = Ьр. ; В = Тр /з ; Г 2 = 2 Г 2т = 2 - относительная продольная коор-

1 1 1 4 ~ 2 7 23 = ;

‘з "01 Р2 а '1з ‘з

дината; / = 1/ - расстояние затухания; т = а - длина области дифракции волны

’ /а Ьр 4 • с0

2

разностной частоты; / = а ю - длина области дифракции для волн накачки; Р !• С

¥нч = \¥ (р ^ ехР[-1 )] и V,,, = V(/0) - коэффициенты отражения для НЧ и ВЧ

составляющих. Изменение фазы волн накачки при отражении здесь не учитывается, поскольку фазовый фронт формируемой ВРЧ будет полностью совпадать с фазовым фронтом волны накачки, т.е. дифракционный набег фаз, учитываемый в данном вы, , .

При изменении фазы коэффициента отражения изменяется характер поля звукового давления ВРЧ, отраженного от границы раздела. На рис. 1 представлены теоретически рассчитанные кривые осевого и поперечных распределений звукового давления ВРЧ при наличии в области взаимодействия границ раздела с модулем ко, -жения. Здесь кривая 1 - для фазы коэффициента отражения 0°=360°; кривая 2 - для фазы коэффициента отражения 40°; кривая 3 - для 90°; кривая 4 - для 135°; кривая 5 - для 180°; кривая 6 - для 220°; кривая 7 - для 270°; кривая 8 - для 315°. Из приведенных теоретических кривых видно, что амплитуда звукового давления ВРЧ на оси ПИ после отражения от границы раздела может быть больше амплитуды звукового

давления ВРЧ в свободном пространстве. Это обуславливается тем, что на границе раздела происходит изменение фазы ВРЧ, сформированной до границы раздела, которое компенсирует дифракционный набег фазы, т.е. по сути дела происходит изменение фронта отраженной ВРЧ. Отраженная ВРЧ суммируется с ВРЧ, сформированной в результате взаимодействия отраженных волн накачки, дифракционный набег , . интерференции отраженной ВРЧ и вновь сформированной ВРЧ, за счет изменения фазы коэффициента отражения, помимо описанного выше случая превышения амплитуды звукового давления ВРЧ, отраженной от границы раздела, амплитуды волны ВРЧ в свободном пространстве, может наблюдаться случай наличия нулевых минимумов в пространственном распределении звукового давления ВРЧ, отраженной от .

О / 2 4

4 у У >С\\ ЧЛ 1 6 7 8

Л ..

ч \ ✓

■3-2-10 I 2 г/а

^

—

к — ——**

’Л-/ // /

1 / 1 / .— 4

V 7 8

1.0 I.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 гЛ.

а б

Рис. 1. Осевые (а) и поперечные (б) распределения звукового давления ВРЧ для разных фаз коэффициента отражения

Для проверки правильности математической модели были проведены экспериментальные исследования отраженного поля звукового давления ВРЧ, отраженной от различных границ раздела. Границы раздела подбирались таким образом, чтобы фазы коэффициентов отражения отличались от фаз коэффициента отражения для абсолютно мягкой и жесткой границ раздела. На рис. 2 приведены экспериментально полученные (а) и теоретические (б) кривые поперечного распределения звукового давления ВРЧ, отраженной от границы раздела вода - олово. В качестве границы раздела здесь использовалась оловянная пластина толщиной 10 мм, для которой теоретически была оценена фаза коэффициента отражения ф=145°. Здесь кривая 1 соответствует расстоянию 0,6-1д от границы раздела, кривая 2 - 0,75-1Д, кривая 3 - 0,9-1Д, кривая 4 - 1,5-1д. Видно качественное совпадение теоретически рассчитанных и экспериментально полученных кривых поперечного распределения звукового давления ВРЧ, отраженной от исследуемой границы. Таким образом, зная расстояние от преобразователя до границы раздела и расстояние до точки, в которой проводится измерение по полученной экспериментально кривой поперечного распределения, можно оценивать величину модуля и фазы коэффициента отражения от исследуемых границ .

быть определен комплексный акустический импеданс, что может быть использовано как дополнительный классификационный признак при акустическом мониторинге .

и. в

2.3 2.0 1.6

1.3 1.0 0.6 0.3

О

д -1 2

/ р 4 ЧІ -1 / \ V - \Д 'л\ - 3

\ \ \ • 4

4 ■ ■ V \ \ \\ н

/ /, // г Г

'у \

/У V \

00 -НО 0 -4 0 О 20 0 6 0 0 г..и

Р»

1.4

1,2

1.0

ОН

0.6

0.4

0.2

\ і 1 *-• 3 ........ 4

[ \ -

І \

( N

41

.•••' / / ' / V \ ч \

/ / \ \

-0.1 -О.ОН -0.04

О.Н г, мм

б

Рис.2. Экспериментальные (а) и теоретические (б) кривые поперечного распределения звукового давления ВРЧ, отраженной от границы раздела вода - олово

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. - Л.: Судостроение. 1989. - 256 с.

а

СВЯЗЬ СПЕКТРОВ СОБСТВЕННЫХ ШУМОВ ЗЕМЛИ И ОКЕАНА С.Ф. Черепанцев, АХ. Черепанцев

Естественные акустическое поле Океана и сейсмоакустическое поле Земли представляют собой важные для исследования физические поля. Актуальность таких исследований определяется наряду с рассмотрением их как помех при регистрации полезного сигнала, также и получающей в настоящее время развитие концепцией рассмотрения шумов как самостоятельного геофизического поля, содержащего информацию о свойствах среды.

Одной из важнейших характеристик шума является его спектр. К настоящему времени накоплен большой экспериментальный материал по спектральным характеристикам шума в различных областях и при различных условиях как в океане, так и на суше [1 - 6]. Основными источниками шумов океана принято считать нелинейное поверхностное волнение, судоходство, биологические источники, донные . -ются ветровое воздействие на поверхность Земли, антропогенный фактор, связанный с человеческой деятельностью, влияние штормовых условий в морской прибрежной .

Наряду с перечисленными факторами воздействия, существует и эндогенная компонента шумового поля, свойственная этим средам. Каждой из них присуща неоднородность, что определяет наличие разномасштабных процессов, пространственной структуры организации как в виде блоковой структуры литосферы, так и в виде характерных масштабов турбулентного движения водных масс. Нелинейный характер взаимодействия подобных структур и образующееся при этом шумовое поле является неотъемлемой эндогенной характеристикой каждой из сред в целом.

В данной работе сделана попытка проанализировать спектральные характеристики шумового поля Океана и Земли в условиях минимальных внешних воздействующих факторов с целью их сравнения. На рис.1 представлены кривые спектральной плотности шумов Земли по имеющимся литературным данным [1 - 3] в наиболее «тихих» точках регистрации, вдали от активной антропогенной деятельности при заглублении не менее 30 м. Представленные кривые, начиная с частот выше 0,3 Гц, имеют практически линейную зависимость в двойном логарифмическом масштабе.