CC BY
6А ш
Am.",
молодых учёных
24-26 октября 2023 г.
РАДИОФИЗИКА И АКУСТИКА
Применение метода кластеризации для определения типа дна в мелководных районах арктического шельфа по данным о потерях при распространении низкочастотного звука
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 рассмотрена возможность определения трех типов дна с различными концентрациями сильно поглощающих осадков: низкая, средняя и высокая — с помощью кластерного анализа для одного из мелководных районов Карского моря [1]. Исходный массив данных включал в себя среднюю скорость звука в дне с^ и средние по глубине потери при распространении ^ низкочастотного звука на фиксированном удалении от источника. Ошибка классификации оценивалась с помощью параметра Q — процентное содержание водоподобных осадков. В результате для каждого типа дна были получены оценки средних по глубине потерь при распространении ТЬ , а также оценки процентного содержания водоподобных осадков в дне Q.
Для рассматриваемого региона характерно присутствие областей, где скорость звука в дне Cb может снижаться до скорости звука в воде cw (водоподобное дно). Наличие таких, сильнопоглощающих участков на акустической трассе влияет на потери при распространении низкочастотного звука [2]. Процентное содержание Q таких осадков может варьироваться в зависимости от выбранной трассы.
^ определялись при численном моделировании поля акустического давления p(r, z) методом широкоугольного параболического уравнения [3].
Для кластеризации применялся метод к-средних, а расстояние определялось как косинусное (1):
Сидоров Д.Д.1, Луньков А.А.1'2, Боджона С.Д.:
2
DOI: 10.24412/cl-35673-2023-1-202-204
(1)
ШКОЛ А-КОНФЕРЕНЦИЯ ~ . Г /^/Л ЛЛ
_ молодых учёных 24—26 октября 2023 г.
А -ПрохоровеКИЕ НЕДЕЛИ-
где А1 = А^.ТЬ)^ = В^.ТЬ).
Для формирования массива данных случайным образом было выбрано N = 100 стационарных трасс протяженностью 5 км в одной из областей Карского моря. При некоторых ориентациях трасс средняя скорость звука в дне о, может слабо отличаться от скорости звука в воде, ск = 1470 м/с (рис. 1), но также и быть на всей трассе больше. На всей исследуемой области средняя глубина волновода была равной Я « 28 м.
60
■
л А .4
д
(а)
40
Л
а
Л
20
-20
И
ч
-40
-60
-80
(б)
X >■ X #
X ■■■■ X
к.: х
1500 1550 1600 С^ м/с
1500 1550 1600 СЪ м/с
Рис. 1. Геоакустические характеристики для N = 100 трасс.
На рис. 1а представлены потери при распространении ТЬ при частоте 85 Гц в зависимости от средней скорости звука в дне с^. Источник находился на глубине 14 м. В ходе исследования были рассмотрены частоты от 55 до 255 Гц с шагом 10 Гц и только для частоты 85 Гц удалось минимизировать ошибку классификации типа дна до 4,4 %.
В результате кластеризации (рис. 2 (а)) было установлено, что с точки зрения акустики дно является водоподобным (сильпоглощающим), если Q > 34,8% и средние по глубине потери при распространении 'Л, на частоте 85 Гц Л < -62,25 дБ на расстоянии 5 км от источника. Дно не содержит водоподобные осадки, если Q < 7,9% и Л < -43,41 дБ. Все промежуточные значения для Л, Q соответствуют дну, где присутствуют отдельные участки водоподобных осадков. Данные классической статистической обработки показаны на рис. 2 (б).
ШКОЛ А-КОНФЕРЕНЦИЯ
молодых учёных
^f А -ПРОХОРОвСКИЕ НЕДЕЛИ»
РАДИОФИЗИКА И АКУСТИКА
Рис. 2. Результаты кластеризации (а) для трех типов дна (концентрация сильно поглощающих осадков: 1 тип — высокая, 2 тип — низкая, 3 тип — средняя) и классической статистической обработки (б) — гистограмма потерь TL.
В мелководных областях, где дно соответствует типу 1 или типу 3, могут наблюдаться трехмерные акустические эффекты, что было продемонстрировано в работе [4]. Данные эффекты следует учитывать при построении границ безопасных зон, а также в задачах пеленгации подводных акустических источников.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-72-10121.
1. Petnikov V.G. et al. The Journal of the Acoustical Society of America. 2022. 151(4). 2297-2309.
2. Сидоров Д.Д., Луньков А.А., Петников В.Г. Тезисы докладов 7-ой Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов, Москва, 26-27 мая 2022 г / МГТУ им. Н.Э. Баумана Акустика среды обитания 2022, 206-214.
3. Collins M.D., Westwood E.K. The Journal of the Acoustical Society of America. 1991. 89(3). 1068-1075.
4. Сидоров Д.Д., Луньков А.А. Тезисы докладов Школы-конференции молодых ученых «Прохоровские недели». -Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр «Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук». 2021. 1. 132-134.
