CC BY
26
КОРАБЛЕСТРОЕНИЕ. Физические поля корабля, океана и атмосферы
D0I.org/10.5281/zenodo.1286026 УДК 534.222
А.В. Кирьянов
КИРЬЯНОВ АЛЕКСЕЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ - старший преподаватель кафедры приборостроения Инженерной школы, e-mail: kirianov.av@dvfu.ru Дальневосточный федеральный университет Суханова ул., 8, Владивосток, 690091
Влияние мелкомасштабных неоднородностей скорости звука на зональную структуру акустических полей в океанических волноводах
Аннотация: Работа посвящена влиянию мелкомасштабных неоднородностей скорости звука на зональную структуру акустических полей подсветки в океанических волноводах. В применяемых ранее аналитических методах расчета вертикальное распределение скорости звука описывалось детерминированной функцией, но такой подход не объяснял расхождение между численными и натурными экспериментами. В данной работе мы предприняли попытку численным методом стохастического моделирования определить динамику изменения координат границ зон конвергенции в зависимости от уровня случайной компоненты поля скорости звука. Приведены результаты численного эксперимента (с использованием лучевой программы стохастического моделирования) по распространению звука в Гвианском районе Атлантического океана. Результаты расчета сравнивались с экспериментальными данными, полученными ранее сотрудниками Акустического института им. Н.Н. Андреева. В численных экспериментах случайная компонента поля скорости звука изменялась дискретно, для каждого значения случайной компоненты поля скорости звука определялись координаты границ первой зоны конвергенции на глубинах приёма 190, 300 и 400 м. С увеличением уровня случайной компоненты поля скорости звука для всех указанных глубин приёма координаты границ первой зоны конвергенции изменялись по линейному закону. Для фиксированных значений случайной компоненты поля скорости звука абсолютное смещение координаты начала первой зоны конвергенции меньше, чем смещение координаты конца первой зоны конвергенции.
Ключевые слова: океанический волновод, Атлантический океан, зона конвергенции, стохастическое моделирование.
Введение
Несмотря на многолетнюю историю проведения акустических экспериментов по дальнему распространению звука в глубоком море, до сих пор остаётся открытым вопрос адекватности расчётных моделей экспериментальным результатам. В частности, одной из актуальных проблем гидроакустики остаётся расхождение между экспериментальными и расчетными значениями границ зон конвергенции. В работах [1-6] расчет звуковых полей производился в лучевом приближении с учетом кривизны земной поверхности с введением волновых поправок в области каустик. Такой подход уменьшил расхождение теории и эксперимента, но не устранил его полностью.
© Кирьянов А.В., 2018
О статье: поступила: 20.02.2018; финансирование: бюджет ДВФУ.
В работе [6] рассмотрены вопросы влияния тонкой структуры поля скорости звука на смещение границ зон конвергенции. Численные расчёты производились как лучевым, так и волновым методами. Возмущения профиля скорости звука выше оси подводного звукового канала моделировались ступенчатой структурой. Приведённые расчёты показали, что в зависимости от глубины начало первой зоны конвергенции начинается ближе к источнику на Ах = 0,15-0,90 км. Однако в морском эксперименте [5] эти значения в 2-3 раза больше. Начало первой зоны конвергенции по сравнению с данными расчета ближе к источнику на величину Ах ~ 2 км на глубине приёма 190 м и на 2,5-3 км для глубины 880 м. В [4] приведены результаты экспериментальных исследований структуры акустических полей в тропическом районе центральной Атлантики от источника непрерывного псевдошумового излучения в диапазоне частот 0,5-4,0 кГц. Начало первой зоны конвергенции в экспериментах находилось примерно в 1,1-1,4 км к источнику: ближе, чем даёт расчёт по лучевой программе.
Постановка задачи и исходные данные для моделирования
Целью работы является исследование влияния мелкомасштабных неоднородностей скорости звука на зональную структуру акустических полей подсветки в океанических волноводах. Необходимость учета влияния эффектов мелкомасштабной изменчивости для решения задачи дальнего распространения звука в океане отмечена в [11, 12, 14]. Методом стохастического моделирования определялась динамика изменения координат границ зон конвергенции в зависимости от уровня случайной компоненты поля скорости звука. Неоднородности скорости звука представляют собой вытянутые в горизонтальном направлении случайно-анизотропные образования. Горизонтальные масштабы флуктуаций больше вертикальных, как правило, в 10-100 раз [10].
В качестве математической модели использовалось численное решение уравнения лучевых траекторий в переменном поле скорости звука, полученное непосредственно из принципа Ферма
где С(х, ъ) - вертикальное распределение скорости звука (ВРСЗ), Сдет(х, ъ) - детерминированная компонента ВРСЗ, измеренная в результате гидрологической съемки акватории или полученная на основании исторического массива гидрологических данных; АС~(х, ъ) - случайная компонента для моделирования стохастичности поля скорости звука, х, ъ - соответственно координаты по дальности и глубине волновода.
Для моделирования стохастичности гидрофизических параметров водной среды использовался метод Монте-Карло. Анизотропная стохастичность моделировалась путём разбиения вертикальной плоскости модельного волновода на прямоугольные ячейки, в центр которых генератором случайных чисел распределялись максимальные значения АС~(х, ъ), не превышающие наперёд заданные [9]. Присвоенное значение АС~(х, ъ) снижалось до нуля к границе ячейки.
Результаты численного эксперимента обрабатывались методом усреднения «по пространству». Этот метод заключается в усреднении результатов моделирования по дискретным интервалам глубин прихода лучевых траекторий. Такой подход позволяет оценить структуру звуковых полей подсветки в рамках единой математической модели и выявить основные закономерности влияния случайной компоненты поля скорости звука при любом уровне стохастичности.
Предложенный алгоритм обработки результатов стохастического моделирования является развитием методов расчета акустических полей на основе построения подробной лучевой картины без вычисления амплитуды звукового поля на луче [8].
[7, 9, 13]:
(1)
где поле скорости звука С(х,ъ) описывается выражением С(х, ъ)=Сдет(х, ъ)+АС^(х, ъ),
(2)
В нашем случае процедура вычисления усредненного поля вертикального разреза на фиксированной дальности х в дискретных отсчетах глубины п сводится к простому суммированию лучей, пересекающих п-й интервал глубины Az, без вычисления их фактора фокусировки. Такой подход в отличие от классического лучевого метода позволяет корректно вычислить усредненное поле в точках заворота лучей и на каустиках.
Численное моделирование проводилось для гидрологических условий Гвианского района Атлантического океана. Выбор района обусловлен возможностью сопоставления результатов моделирования с экспериментальными результатами, приведенными в [5].
Исходные данные для численного моделирования выбраны следующие: длина полигона -240 км, источник излучения на глубине 200 м. Угол раскрыва источника ±8° с дискретностью выхода лучевых траекторий равной 0,05°, что соответствовало водному распространению лучевых траекторий без переотражения от дна и поверхности для всех выбранных значений случайной компоненты поля скорости звука. Для моделирования мелкомасштабных неоднородностей скорости звука полигон разбит на прямоугольные ячейки с размерами 25 м по глубине и 500 м по дальности. Случайная компонента поля скорости звука ДС"^, z) дискретно изменялась от 0,05 до 0,40 м/с. Для каждого значения ЛС"^, z) было проведено по 1000 экспериментов. На рис. 1 представлена зональная структура акустического поля для ВРСЗ Гвианского района Атлантического океана [5].
Рис. 1. Зональная структура акустического поля для невозмущенной гидрологии. В правой части рисунка представлен ВРСЗ в районе проведения морского эксперимента [5].
Результаты численного моделирования
Зональная структура акустического поля исследовалась с дискретностью по дальности 100 м в диапазоне 44-64 км, что соответствовало расположению первой зоны конвергенции (см. рис. 1). Интервал усреднения акустического поля по глубине был выбран в 10 м.
Результаты моделирования показывают, что при увеличении уровня случайной компоненты поля скорости звука координата начала первой зоны конвергенции смещается к источнику (рис. 2). В свою очередь координата конца первой зоны конвергенции смещается от источника (рис. 3). Таким образом, с увеличением уровня случайной компоненты поля скорости звука наблюдается расширение зоны конвергенции.
Согласно результатам морского эксперимента, на глубине приёма 190 м начало первой зоны конвергенции ближе к источнику на величину Дx ~ 2 км по сравнению с рассчитанной для невозмущенной гидрологии [5]. Такому значению абсолютного смещения границ начала первой зоны конвергенции, полученному методами стохастического моделирования, соответствует уровень случайной компоненты поля скорости звука 0,23 м/с (рис. 4).
Абсолютное смещение конца первой зоны конвергенции для ДС~(х,2) = 0,23 м/с составляет 3,6 км. К сожалению, сравнение с экспериментальными данными не может быть проведено, так как в работе [5] они не представлены.
50
48
43
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45 м/с
Рис. 2. Динамика изменения координаты начала первой зоны конвергенции от уровня случайной компоненты поля скорости звука на горизонтах 190, 300 и 400 м по результатам численного моделирования.
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
м/с
Рис. 3. Динамика изменения координаты конца первой зоны конвергенции от уровня случайной компоненты поля скорости звука на горизонтах 190, 300 и 400 м по результатам численного моделирования.
1 конец зоны
У = 14,964х К2 = 0,9 - 0,018 929
♦ начало зоны
У = 8,4435 х - 0,0069 конверг гнции
К2 = 0,9969 1
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45 м/с
Рис. 4. Зависимость абсолютного смещения границ первой зоны конвергенции от уровня случайной компоненты поля скорости звука на горизонте 190 м по результатам численного моделирования.
км
49
47
44
0
км
0
7
км
6
5
4
3
2
0
Выводы
Метод стохастического моделирования, использованный в работе, позволяет объяснить природу влияния мелкомасштабных неоднородностей скорости звука на структуру акустических полей подсветки в реальных океанических условиях. Отличие данного численного метода расчета акустических полей в океане от существующих в том, что результатом численного эксперимента является набор решений для различных уровней случайной компоненты поля скорости звука. Сопоставление результатов численного моделирования и морских экспериментов позволяет определить уровень стохастичности поля скорости звука для конкретного района океана. В рассматриваемом районе при заданных исходных данных для моделирования случайная компонента поля скорости звука AC~(x, z)=0,23 м/с.
Результаты численного моделирования показывают, что изменение координат границ и ширины первой верхней зоны конвергенции от уровня случайной компоненты поля скорости звука, вне зависимости от горизонта приема, происходит по линейному закону, что позволило для известного значения AC~(x, z) района определить значение абсолютного смещения конца первой верхней зоны конвергенции.
В дальнейшем предполагается проведение численных экспериментов с использованием метода стохастического моделирования для проверки предположения о смещении границ зон конвергенции пропорционально их номеру.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вадов Р.А. Нестабильность звукового поля в первой зоне конвергенции // Акуст. журн. 1995. Т. 41, № 2. С. 202-208.
2. Вадов Р.А. О предсказуемости местоположения зон конвергенции в океане // Акуст. журн. 2005. Т. 51, № 3. С. 323-329.
3. Вадов Р.А. Суточные наблюдения за энергетической структурой звукового поля в районе первой зоны конвергенции // Акуст. журн. 2003. Т. 49, № 2. С. 278-280.
4. Галкин О.П., Харченко Е.А., Швачко Л.В. Структура акустического поля в океане на различных частотах звукового диапазона // Акуст. журн. 2000. Т. 46, № 3. С. 325-335.
5. Галкин О.П., Швачко Л.В. Исследование структуры звуковых полей в океане при глубоководном приеме // Акуст. журн. 2003. Т. 49, № 6. С. 768-777.
6. Лысанов Ю.П., Плоткин А.М. Акустический эффект тонкой структуры поля скорости звука в океане // Акуст. журн. 1987. Т. 33, вып. 6. С. 1079-1082.
7. Пискарев А.Л. О расчете усредненных распределений интенсивности звуковых полей в океане // Акуст. журн. 1989. Т. 35, вып. 4. С. 724-731.
8. Распространение звука во флуктуирующем океане: пер. с англ. / под ред. С. Флате. М.: Мир, 1982. 336 с.
9. Сальников Б.А., Сальникова Е.Н. Гидроакустическая система обнаружения порывов подводных магистральных трубопроводов // Известия ЮФУ. Технические науки. 2009. № 6. С. 36-44.
10. Сальников Б.А., Сальникова Е.Н. Моделирование и исследование зональной структуры акустических полей в случайно-неоднородных подводных волноводах // Подводные исследования и робототехника. 2008. № 1. С. 47-57.
11. Dushaw B.D. Estimating temperature in Fram Strait using DAMOCLES and ACOBAR acoustic tomography data by exploiting small-scale variability, NERSC Technical Report 378, Nansen Environmental and Remote Sensing Center, Bergen, Norway, 6 November 2017, pp. 1-43.
12. Dushaw B.D., Gaillard F., Terre T. Acoustic tomography in the Canary Basin: Meddies and tides. J. Ge-ophys. Res. 2017, 26 Septem. https:// doi.org/10.1002/2017JC013356.
13. Kiryanov A.V., Salnikova E.N., Salnikov B.A., Slesarev N.Yu. Modeling and study of main regularities of the formation of sound fields in randomly inhomogeneous underwater waveguides. Proc. of Meetings on Acoustics. 2015, Vol. 24, N 1, 23 September, 5th Pacific Rim Underwater Acoustics Conference, PRUAC 2015.
14. Van Uffelen L.J., Worceste P.F., Dzieciuc M.A., Rudnic D.L., Colos J.A. Effects of upper ocean soundspeed structure on deep acoustic shadow-zone arrivals at 500- and 1000-km range, J. Acoust. Soc. Am. 2010;127:2169-2181.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
Physical Fields of Ship, Ocean and Atmosphere
D0I.org/10.5281/zenodo.1286026
Kiryanov A.
ALEXEY KIRYANOV, Senior Lecturer, Department of Instrument Engineering, School of Engineering, e-mail: kirianov.av@dvfu.ru Far Eastern Federal University 8 Sukhanova St., Vladivostok, Russia, 690091
The effect of the small-scale variability of sound velocity on the zonal structure of acoustic fields in oceanic waveguides
Abstract: The article deals with the effect of the small-scale variability of sound velocity on the zonal structure of acoustic fields in oceanic waveguides. In the previously used analytical methods of calculation, the vertical distribution of the sound speed was described by the deterministic function which made it impossible to explain the discrepancy between numerical and field experiments. The present work is an attempt to determine the dynamics of the coordinate changes of the convergence zone boundaries depending on the level of the random component of the sound-speed field using the numerical method of stochastic modeling. Presented are the results of the numerical experiment on the propagation of sound in the Guiana region of the Atlantic Ocean carried out with the use of the radial programme of stochastic modelling. The results of the calculation were compared with the experimental data obtained earlier by N.N. Andreyev Acoustics Institute. In the numerical experiments the random component of the sound-speed field varied discretely. For each value of the random component of the sound-speed field we determined the coordinates of boundaries of the first convergence zone at the depths of reception of 190 m, 300 m and 400 m. At the same time, the boundary of the convergence zone which was closest to the source was decreasing, while the distant one was increasing. For fixed values of the random component of the sound velocity field the absolute displacement of the closest boundaries was less than that of the distant ones. Key words: oceanic waveguide, Atlantic Ocean, convergence zone, stochastic modelling.
REFERENCES
1. Vadov R.A. Instability of the sound field in the first convergence zone. Acoustic J. 1995(41);2:202-208.
2. Vadov R.A. On the predictability of the location of convergence zones in the ocean. Acoustic J. 2005(51);3:323-329.
3. Vadov R.A. Daily observations of the energy structure of the sound field in the region of the first convergence zone. Acoustic J. 2003(49);2:278-280.
4. Galkin O.P., Kharchenko E.A., Shvachko L.V. The structure of the acoustic field in the ocean at different frequencies of the acoustic range. Acoustic J. 2000(46); 3:325-335.
5. Galkin O.P., Shvachko L.V. Investigation of the structure of sound fields in the ocean during deep-water reception. Acoustic J. 2003(49);6:768-777.
6. Lysanov Yu.P., Plotkin A.M. The acoustic effect of fine structure of sound velocity field in the ocean. Acoustic J. 1987(33);6:1079-1082.
7. Piskarev A.L. On the calculation of average distributions of the intensity of sound fields in the ocean. Acoustic J. 1989(35);4:724-731.
8. Sound propagation in fluctuating ocean. M., Mir, 1982, 336 p.
9. Salnikov B.A., Salnikova E.N. Hydroacoustic system of early detection of underwater main pipelines breaches Izvestiya Southern Federal University. 2009;6: 36-44.
10. Salnikov B.A., Salnikova E.N. Modeling and study of the zonal structure of acoustic fields in randomly in-homogeneous underwater waveguides. Underwater studies and robotics. 2008;1:47-57.
11. Dushaw B.D. Estimating temperature in Fram Strait using DAMOCLES and ACOBAR acoustic tomography data by exploiting small-scale variability, NERSC Technical Report 378, Nansen Environmental and Remote Sensing Center, Bergen, Norway, 6 November 2017, pp. 1-43.
12. Dushaw B.D., Gaillard F., Terre T. Acoustic tomography in the Canary Basin: Meddies and tides. J. Ge-ophys. Res. 2017, 26 Septem. https:// doi.org/10.1002/2017JC013356.
13. Kiryanov A.V., Salnikova E.N., Salnikov B.A., Slesarev N.Yu. Modeling and study of main regularities of the formation of sound fields in randomly inhomogeneous underwater waveguides. Proc. of Meetings on Acoustics. 2015, Vol. 24, N 1, 23 September, 5th Pacific Rim Underwater Acoustics Conference, PRUAC 2015.
14. Van Uffelen L.J., Worceste P.F., Dzieciuc M.A., Rudnic D.L., Colos J.A. Effects of upper ocean soundspeed structure on deep acoustic shadow-zone arrivals at 500- and 1000-km range, J. Acoust. Soc. Am. 2010;127:2169-2181.
