Научная статья на тему 'Скорость распространения звуковых колебаний в пористых водонасыщенных средах'

Скорость распространения звуковых колебаний в пористых водонасыщенных средах Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
814
224
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Скорость распространения звуковых колебаний в пористых водонасыщенных средах»

Af = А/п .

/l3” Af46 -A/,3 + 1 (15)

6n

,

третьим элементами в случае малых скоростей источника сигнала, определяемая в соответствии с выражениями (13) и (15), позволяет существенно снизить влияние одного из источников погрешности определения координат подводного аппарата -эффекта Доплера.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Милн П.Х. Гидроакустические системы позиционирования. - Л.: Судостроение, 1989. - 232с.

2. Бор один В.И.,Смирнов Г.Е.,Толстякова Н.А.Яковлев Г.В. Гидроакустические навигационные средства. - Л.: Судостроение, 1983. - 264с.

3. .. . .2. - .: . . . .- . ., 1988. -

496 .

4. Иро дов И.Е. Задачи по общей физике. - М.: Лаборатория базовых знаний. 2001.

5. Roberts J.L.(1975) An Advanced Acoustic Position Reference System. Proc. 7-th Ann. Offshore Technol. Conf., Houston, Vol. 1. P. 65 -76.

СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ В ПОРИСТЫХ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ СРЕДАХ

МЛ. Чернов

Среди наиболее интересных и актуальных исследований последнего времени, проводимых акустическими методами, является исследование пористых водонасыщенных донных структур естественных водоемов. Наиболее распространенными объектами исследования при этом выступают шельфовые зоны морей и океанов, а также неглубокие водоемы.

Сложность таких исследований всегда заключалась в том, что не удавалось найти , -ем распространяющейся в среде звуковой волны процессы, а провести точные изме-in situ .

распространения звуковых колебаний проводят в предварительно отобранном образце грунта в лабораторных условиях, не обращая внимания на изменения, происходящие в пористой водонасыщенной среде в ходе грунтоотбора, транспортировки и хра-.

, , , частот, характерных для используемых гидроакустических антенн, и не учитывалась способность звука распространяться по стенкам сосуда, ограничивающего взятый .

В настоящее время наибольшее распространение в области математического моделирования процессов распространения акустических колебаний в пористых га-зо- и водонасыщенных средах получила теория Био [1]. Данная теория рассматривает соотношения напряжений и деформаций, вызываемых внешними силами, в частности силой акустической волны, в сложных многокомпонентных средах и процессы изменения структуры скелета пористого материала и акустических параметров ис.

Исходя из рассматриваемой теории плотность р и модуль объемной упругости K пористой водонасыщенной среды являются комплексными и частотно-

зависимыми величинами. На основе данной теории было выполнено математическое моделирование процесса распространения акустического сигнала в одном из наиболее распространённых типов донного грунта мелких морей и шельфовой зоны океана - -стик [2,3]. Расчёт скорости звука выполнялся по следующему выражению:

где р - комплексная, частотно-зависимая эффективная плотность пористой водонасыщенной среды; Кт - комплексная, частотно-зависимая величина модуля объемной упругости пористой водонасыщенной среды.

Рассчитанная по формуле (1) зависимость скорости распространения звуковых колебаний в песчаной водонасыщенной структуре от частоты, для средних значений параметров среды, приведена на рис.1. Из графиков видно, что значение скорости звука в среде неодинаково для различных частот. Это вызвано тем, что с изменением частоты меняется плотность и сжимаемость среды. Распространение звука на низких частотах лишь по раме пористого материала (без участия заполняющей раму ) . , составляют около 100 - 150 м/с. Но, как видно из графиков, заполнение песчаной рамы жидкостью приводит к значительному росту значения скорости распростране-.

Это указывает на то, что звук в основном распространяется в жидкой среде, , . , соответственно уменьшением длины волны, эффективность такой передачи растёт. Чем больше количество длин волн, укладывающихся на определённом отрезке сре-, .

Одними из наиболее существенно изменяющихся в реальных условиях характеристик являются пористость рамы среды и вязкость заполняющей её жидкости. В связи с этим было выполнено исследование изменения скорости распространения звука в среде при различных значениях этих характеристик в широком диапазоне частот звуковых колебаний для песчаной водонасыщенной среды.

На рис.2 представлена зависимость скорости звука от частоты для различных величин пористости рамы.

Из графиков видно, что с увеличением пористости среды наблюдается некоторое снижение скорости распространения звука в области низких частот.

Это вполне объяснимо, так как из-за большей длины волны происходит крупномасштабное колебание пористой структуры, а в условиях большей пористости передача колебаний от одного фронта волны к другому происходит более медленно. На высоких же частотах, когда передача импульса происходит практически от частички к частичке, эта разница мала, и скорость распространения звуковых колебаний для разной пористости среды примерно одинакова.

Графики изменения скорости распространения звука в пористой водонасыщенной среде от частоты, для различных значений вязкости заполняющей её жидкости, представлены на рис.3. Из графиков видно, что влияние вязкостных потерь ведёт к снижению скорости распространения акустического сигнала в среде из-за снижения подвижности частичек скелета и самой жидкости.

Как видно из полученных результатов, скорость распространения акустического сигнала в песчаных водонасыщенных грунтах величина не постоянная и зависит от частоты звуковых колебаний. Более того, полученные в расчётах значения , ,

(1)

с результатами лабораторных измерений, что может быть погрешностью, вызванной распространением звука по стенкам ограничивающего исследуемую пробу сосуда.

Яе С, м/с

1400г

1200

1000

800

600

400

102

Іт с, м/с

10 £ Гц

. 1.

в песчаной водонасыщенной структуре от частоты

Яе С, м/с

Іт с, м/с

. 2.

от частоты для различных значений пористости среды

10

Основными достоинствами использования при проведении акустических исследований данной теоретической модели является появившаяся возможность предсказания основных акустических параметров среды по известным характеристикам её компо-, -ния донных грунтов.

Re c, м/с

Im с, м/с

Рис. 3. Зависимость скорости распространения звука в среде от частоты для различных значений вязкости жидкости

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Biot M.A. Acoustics, elasticity and thermodynamics of porous media./twenty-one papers by Maurice Anthony Biot; Ivan Tolstoy, editor. Published by the Acoustical Society of America, 500 Sunnyside Boulevard Woodbury, New York. 1992. - 265 p.

2. . .

// . « -нейные акустические системы НЕЛАКС - 2003»: Материалы научно-технической конференции. Таганрог. 2003. №6(35).

3. . . -

// . -ский выпуск «Нелинейные акустические системы НЕЛАКС - 2003»: Материалы научно-технической конференции. Таганрог: 2003. №6(35).

МОДЕЛЬ МОНОСТАТИЧЕСКОЙ ДОННОЙ РЕВЕРБЕРАЦИИ, ОБУСЛОВЛЕННОЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКИМ ИСТОЧНИКОМ ЗВУКА АХ. Борисов, С.А. Борисов

В последние годы заметно вырос интерес к решению задач экологического мониторинга донной поверхности и верхнего слоя донных осадков различных водоемов, т.е. к решению задач поиска, обнаружения и распознавания малоразмерных , . объектами могут быть, например, нефтепроводы, газопроводы, кабельные линии, затонувшие жизнеопасные объекты, обломки летательных аппаратов, различных плавсредств и др. Наиболее эффективно эти задачи решаются путем комплексирова-ния различных методов и средств, но основными средствами при этом являются гидроакустические системы поиска, обнаружения и классификации малоразмерных донных и заиленных объектов. Обнаружение малоразмерных объектов на донной поверхности и в толще грунта гидроакустическими средствами происходит на фоне шумов и помех. Особенно сильное влияние оказывают реверберационные помехи.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.