CC BY
37
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гаврилов AM., Тарасов С.П., Пояркова В.А., Новиков Б.К Работа параметриче-
ской антенны в условиях мелкого моря // Прикладная акустика. Таганрог: ТРТИ, 1985. Вып. XI. С. 110-116.
2. Воронин В А., Тарасов С.П., Тимошенко В.Н. Гидроакустичес кие параметрические системы. - Ростов-на-Дону: Ростиздат, 2004. - 400 с.
3. Кириченко И.А., Раскита М.А. Задача синтеза адаптивных акустических систем.
Нелинейная гидроакустика // Труды конференции. - Ро стов-на-Дону: Ростиздат, 2006. - С.40-46.
4. Краечук ДА. Куценко AM. Экспериментальное исследование модового распро-
странения сигнала в мелком море // XVIII сессия Российского акустического общества. 2006. Т.2. - С.214-217.
Кравчук Денис Александрович
Технологический институт Южного Федерального университета в г.Таганроге E-mail: [email protected]
347928, Россия, г.Таганрог, ГСП 17А, пер. Некрасовский, 44 Тел.: 8(8634) 37-17-91
Kravchuk Denis Alexsandrovich
Taganrog Institute of Technology - Southern Federal University E-mail: [email protected]
44, Nekrasovsky, Taganrog, GSP-17-a, Russia, Ph.: +7 (8634)-37-17-95 УДК 534.23
Б. А. Касаткин, H. В. Злобина, JI. Г. Стаценко, Д.В. Злобин
ПРИДОННАЯ ВОЛНА И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ВЕРХНЕГО СЛОЯ МОРСКОГО ДНА
На основе обобщенной теории отражения сферической волны от импеданс-ной границы раздела доказано существование пограничного звукового канала и локализованной в нем придонной волны. Определены характеристики придонной волны и оптимальные условия ее возбуждения. Показана возможность использования придонной волны для визуализации верхнего слоя морского дна на определен, -чения над дном.
Нормальная волна; полное внутреннее отражение; обобщенная теория отражения; придонная волна; пограничный звуковой канал.
B.A. Kasatkin, N.V. Zlobina, L.G. Statsenko, D.V. Zlobin SUBBOTTOM WAVE AND PROSPECTS OF ITS APPLICATION FOR ECOLOGICAL MONITORING THE TOP LAYER OF SEA BOTTOM
On basis of generalized theory of reflection of spherical wave from impedance interface the existence of boundary sound channel and subbottom wave localizing in it is
proved. Characteristics of subbottom wave and optimal conditions of its excitation are determined. The capability of using of subbottom wave for visualization of seabed top layer on specific horizon, which location is defined by sourse location above sea bottom, are shown.
Normal wave; total internal reflection; generalized theory of reflection; subbottom wave; boundary sound channel.
Принципиальное значение для возможности исследования верхнего слоя морского дна имеет открытие пограничного звукового канала на границе раздела “вода - морское дно” осадочного типа и придонной волны, затекающей в этот ка.
теории полного внутреннего отражения, которая впервые была предложена в работе [1], а более строго изложена в монографии [2].
Обобщенная теория полного внутреннего отражения является математическим и физическим обоснованием гипотезы Ньютона о полном внутреннем отражении. Принципиальное отличие обобщенной теории от классической заключается в том, что само полное описание процессов отражения и преломления при за-критических углах падения содержит регулярную и обобщенную составляющие. Регулярная составляющая суммарного решения имеет тот же смысл, что и в клас, -странстве при закритических углах падения. Обобщенная составляющая допускает представление только в классе обобщенных функций с финитной областью определения, а ее амплитуда экспоненциально растет, принимая максимальное значение на горизонте полного внутреннего отражения. Сам горизонт полного внутреннего отражения играет роль каустической границы, ограничивающей область существования обобщенной составляющей (обобщенной придонной волны) снизу. Именно обобщенная придонная волна, соответствующая полюсу коэффициента отражения границы раздела “вода - морское дно” в модельном представлении, реализует гипотезу Ньютона о полном внутреннем отражении и полностью ей со.
Интерференционное взаимодействие обеих сопряженных составляющих приводит к образованию интерференционного минимума в поле отраженных волн с оценкой эффективного коэффициента отражения сферической волны V J = 0,5
I cq>lmin
и интерференционного максимума в поле прошедших волн. Формирование окна энергетической прозрачности при закритических углах падения обеспечивает, в
,
полного внутреннего отражения в виде обобщенной придонной волны как неоднородной волны пограничного типа.
Существование волн обобщенного типа впервые было подтверждено экспериментально в работе французских акустиков [3] в 1999 г. на примере погранич-
,
сопряжённых полупространств экспоненциально растёт при удалении от границы раздела. Такие волны были обнаружены на границах раздела вода-плексиглас, вода-поливинилхлорид и получили в этой работе название обобщённых волн Рэлея.
В соответствии с результатами работы [2] придонная волна, реализующая полное внутреннее отражение, состоит из трех волновых составляющих или пар: , ,
“ - ”, -. -
ставляет 1450-1500 м/с, скорость распространения обобщенной придонной волны для грунтов осадочного типа составляет 1350-1400 м/с, скорость распространения грунтовой волны для грунтов того же типа составляет 1650-1750 м/с. Распростра-, , характерные крупномасштабные интерференционные структуры, которые уверенно обнаруживаются при локационной съемке морского дна локатором бокового обзора, как в глубоком, так и в мелком море [4].
Лучевая трактовка первой пары нормальных волн в неоднородном модельном , , поясняется рис. 1. В предельном случае достаточно высоких частот и больших расстояний от источника первая нормальная волна 1(2), принадлежащая классу обобщенных нормальных волн п(2), вырождается в обобщенную придонную вол,
2П. Вторая нормальная волна 2(1), принадлежащая классу регулярных нормальных волн п(1), вырождается в водную волну, локализованную в волноводе. Интерференционное взаимодействие первой пары нормальных волн как раз и реализует циклическое затекание энергии звуковой волны на горизонт полного внутреннего отражения с последующим ее возвратом в волновод
Горизонт полного внутреннего отражения и оптимальный угол скольжения, соответствующий максимуму энергетической прозрачности границы раздела вода
- морское дно, описываются формулами [2]
*п = ^12, Ртт= агссов
1 + р12с12
1 + Р122
(1)
где = Ъ - 20 , г0 - вертикальная координата источника, р12 = р / р2,
с12 = с1 / с2 , р1 и р2 - плотность водной среды и дна, с1 и с2 - скорость звука в воде и в грунте соответственно. Энергетическая прозрачность границы раздела в области закритических углов падения является принципиально необходимой и определяет оптимальный диапазон углов скольжения р = 0 -15° для возбуждения .
О
131
Рис. 1. Лучевая трактовка придонной волны: 1(2) - первая обобщенная придонная волна, 2(1) - вторая регулярная нормальная волна, 3 - боковая (грунтовая) волна, 4 - высокоскоростной луч придонного звукового канала, В Г, ГГ - водный и
грунтовый гидрофоны
Групповая скорость спр совместного волнового движения, каким является
придонная волна, определяется алгоритмом усреднения обратных групповых скоростей парциальных составляющих совместного волнового движения
1 = Р1 -+-р^+^, Р1+Р2+р=1, сп=ст'1 р2
2 ^2 : 12
с„р С1(И) С2(И) Съ ' 1 ' 2 ' “ “ - "у! Р\2С\[
где рх,р2,рп - весовые коэффициенты, пропорциональные удельной мощности, приходящейся на каждую волновую составляющую; сп- скорость обобщенной
придонной волны; ^(Л) - скорость распространения водной волны в придонной области; р12 = р/р2, с12 = с1(Л)/с2(Л); р, с1(Л), р2, с2(Л) - плотноеть и ско-
рость звука в придонной области в воде и грунте соответственно; Л - глуби на мо.
[2] -
вых коэффициентов:
1
Р1 =
2
Тогда нормированная групповая скорость совместного волнового движения, каким является придонная волна, оценивается выражением
сФ = сноР с1(Л); (2)
2 Л(р)
Л(в =
1 + соэв
2cosв
Множитель А(в) , (Р - угол скольжения водных лучей в придонной области) учитывает возможную рефракцию звуковых лучей в придонной области и увеличение за счет этого эффективной скорости распространения водной волны.
На рис. 2 приведены результаты расчета нормированной групповой скорости распространения придонной волны в типичном для осадочного слоя диапазоне изменения параметров р с12, которые показывают, что для реальных значений
параметров осадочного слоя скорость придонной волны отличается от скорости водной волны на десятые доли процента даже при значительной вариации параметров осадочного слоя.
Несмотря на близкое соответствие
,
волна принципиально отличается от .
водной волны вдоль границы раздела под малыми углами скольжения отражение является противофазным, отраженная волна гасит падающую, а амплитуда сигнала в суммарном поле убывает с , -ется эффект мягкого экрана (эффект зер-).
,
примерно с той же групповой скоростью, имеет сложную структуру, но механизм затекания энергии на горизонт полного внутреннего отражения с возвратом разрушает эффект мягкого экрана и предотвращает вырождение амплитуды придонной волны. Численные расчеты звукового поля в волноводе и придонном слое поясняются рис. 3 для случая к1к = 400 (часто-
Рис. 2. Нормированная скорость распространения придонной волны на границе раздела вода - морское дно осадочного типа
та 2,5 кГц при глубине моря 40 м) и придонного горизонта излучения (г01 = / к = 0,95 ) в нормированных координатах г1 = г / И, = г / к .
Рис. 3. Структура звукового поля точечного источника в волноводе (а) и пограничном звуковом канале (б); к1И = 400, г01 = 0,95
Физические характеристики сопряженных сред, принятые в расчетах, соответствуют песчаному дну с параметрами р12 = 1/1,6, с12 = 1,5/1,75. Компьютерное моделирование выполнено с использованием обобщенной теории волновода Пеке-риса [2], которая в отличие от классической теории позволяет описать процесс полного внутреннего отражения с затеканием энергии на горизонт полного внутреннего отражения г = к + . Результаты моделирования подтверждают домини-
рующую роль придонной волны в суммарном звуковом поле при придонном расположении излучателя и присутствие боковой волны в дальнем поле излучателя, которой соответствует система волновых фронтов с углом скольжения в = 30°.
Достаточно точные оценки скорости распространения придонной волны по (1) , -
- , -. -ния придонной волны и определения её кинематических характеристик в 20052007 .
( ).
.
придонной волны в исследованном диапазоне частот 369-2526Гц [5].
Обобщенная придонная волна имеет ножевидный профиль вертикального распределения давления в грунте. Максимальное значение звукового давления достигается на нижней границе пограничного звукового канала, глубина которого пропорциональна высоте излучателя над дном 2 = 2ор1 /р2). В силу такой
особой пространственной локализации обобщенная придонная волна чрезвычайно привлекательна для томографии морского дна и его послойного зондирования. Обобщенная придонная волна, распространяясь в придонном слое, трансформируется на неоднородностях грунта и отражается обратно грунтовой волной, которая может быть принята антенной, расположенной в водной среде. Поскольку профиль вертикального распределения обобщенной придонной волны в придонном слое имеет ярко выраженный максимум, то фактически томограф дает горизонтальный разрез морского дна на заданном горизонте. При изменении горизонта лоцирования можно выполнить томографическую съемку объекта на различных горизонтах с последующей сшивкой разрезов для получения объемного изображе-.
Опытный образец морского акустического томографа был создан в Институте проблем морских технологий ДВО РАН и прошел натурные испытания, которые показали его высокую эффективность.
Основные результаты обобщенной теории и натурных экспериментов можно сформулировать в виде следующих положений.
Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено наличие пограничного звукового канала и локализованной в нем придонной волны как нового вида пограничного волнового движения на границе раздела вода - морское дно . , впервые обнаруженных в фундаментальной работе французских акустиков [3], а скорость ее распространения близка к скорости звука в воде вблизи дна.
Придонная волна является доминирующей составляющей в суммарном звуковом поле при придонном расположении излучателя и приемника. Скорость ее распространения и отсутствие частотной зависимости в исследованном диапазоне частот 369 - 2526 Гц хорошо соответствуют расчетной формуле (2) и обобщенной теории полного внутреннего отражения [2].
Показана возможность применения обобщенной придонной волны для детек, .
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Касаткин Б.А. Аномальные эффекты при прохождении звуковых волн через границу раздела вода - морской песок // Сб. трудов VII школы-семинара акад. Л.М. Бреховских. - М.: ГЕОС, 1998. - С. 112-116.
2. Касаткин Б.А., Злобина Н.В. Некорректные задачи и обобщенные волны в аку-
стике слоистых сред. - Влади восток: Дальнаука, 2005. - 408 с.
3. Padilla F., de Billy M., Quentin G. Theoretical and experimental studies of surface waves on solid-fluid interfaces when the value of the solid velocity is located between the shear and the longitudinal ones in the solid // J. Acoust. Soc. Am. 1999. V.106 (2). P. 666-673.
4. . .
// . ., 2002. . 48. 4. . 437-446.
5. . ., . ., . ., . .
на шельфе и перспективы ее использования // Труды IX всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики». - С Пб., 2008.
- С.540-544.
Касаткин Борис Анатольевич Институт проблем морских технологий ДВО РАН E-mail: [email protected] 690091, Россия, г. Владивосток, ул. Суханова, 2, кв.8 .: 8(4232) 43-25-78 Злобина Надежда Владимировна E-mail: [email protected] Стаценко Любовь Григорьевна Дальневосточный технический университет E-mail: [email protected]
690002, , . , , 83, . 30
.: 8 (4232) 45-89-34
Злобин Дмитрий Владимирович E-mail: dimanuel@mail. ru
Kasatkin Boris Anatolyevich
Institute of Marine Technology Problems FEB RAS E-mail: [email protected]
Flat 8, 2, Suchanova Street,Vladivostok, 690091, Russia, Ph.:(4232) 43-25-78
Zlobina Nadeshda Vladimirivna
E-mail: [email protected]
Statsenko Lubov Grigirievna
Far Eastern State Technical University
E-mail: [email protected]
Flat 30, 83, Okeanskiy, Vladivostok, 690002, Russia, Ph.: (4232) 45-89-34 Zlobin DmitriyVladimirovich E-mail: dimanuel@mail. ru
УДК 551.463.621.391
В. И. Каевицер, В. М. Разманов, А. В. Элбакидзе, И. В. Смольянинов
НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ НИЗКОЧАСТОТНОГО ЛЧМ-ПРОФИЛОГРАФА
Исходными данными для интерпретации результатов исследования структуры морского дна с помощью акустического профилографа являются профшо-граммы - зависимость мощности отраженного сигнала от задержки (глубины) вдоль трассы измерений. Использование в профилографах когерентных широкопо-, -ность использования дополнительно к .мощности (амтитуде) также спектральных характеристик отраженных сигналов для целей исследования структуры .
ЛЧМ-сигнал; морские осадки; профилограф.
V. I. Kaevitser, V. M. Razmanov, A. V. Elbakidze, I. V. Smolyaninov
SOME RESULTS OF ACOUSTIC SIGNALS CHARACTERISTICS INVESTIGATION OF LOW FREQUENCY LFM-PROFILER
Profilograms are the source data for the interpretation of investigation ocean floor results using acoustic profilograph. Profilogram is the dependence of echoic signal power on the time delay along measuring route. Using in profilographs wide-band signals and full signal digital data logging make it possible add spectral characteristics of reflected signals to the power (amplitude) ones for sea soil structure investigation.
LFM - signal; marine sediments; profiler.
Акустические профилографы в настоящее время являются одним из основных инструментов дистанционного исследования подповерхностной структуры . , -тов профилирования являются профилограммы - зависимость мощности отражен-
