Влияние внутренних волн на распространение звука в шельфовой зоне моря

СОДЕРЖАНИЕ
Введение--------------------------------------------------------------------5
1. Аналитические и численные методы моделирования внутренних
волн и оценки их влияния на распространение звука в мелком море 28
1.1. Основные теоретические представления---------------------------------29
1.2. Вариации скорости звука, обусловленные внутренними волнами-----------45
1.3. Моделирование внутренних волн ---------------------------------------47
1.3.1. Методы расчета мод линейных внутренних волн--------------------------48
1.3.2. Моделирование нелинейных внутренних волн-----------------------------50
1.4. Методы расчета акустического поля------------------------------------51
2. Измерительные средства и методы экспериментальных исследований-----------------------------------------------------------53
2.1. Автономные цифровые приемные системы и некоторые результаты их применения в исследованиях
пространственной структуры акустических полей-------------------------55
2.2. Цифровая радиотелсмстричсская система сбора и обработки гидроакустических сигналов и результаты ее применения в
натурных исследованиях------------------------------------------------67
2.3. Автономная донная цифровая гидрофизическая станция-------------------74
2.4. Технические средства, используемые при организации в шельфовой зоне Японского моря полигонных
акустико-гидрофизических измерений------------------------------------76
2.5. Стационарная акустико-гидрофизическая трасса для экспериментальных исследований в шельфовой зоне
Японского моря--------------------------------------------------------84
2.5.1. Акустико-гидрофизическая измерительная система «Моллюск-96» 85
2.5.2. Цифровая акустико-гидрофизическая измерительная система
2
2.5.3. Автономный зонд «Бурун-96»-----------------------------------------89
2.5.4. Применение измерительных систем в натурном эксперименте------------91
2.6. Обработка экспериментальных данных-----------------------------------95
3. Особенности гидрофизических полей и внутренних волн в шельфовой
зоне Японского моря. Результаты измерений и численного моделирования их влияния на интенсивность и фазу
распространяющегося звука--------------------------------------------101
3.1. Результаты гидрологических измерений--------------------------------103
3.2. Влияние поверхностного и внутреннего приливов на распространение
акустических воли--------------------------------------------------115
3.3. Результаты натурных измерений влияния внутренних воли на
интенсивность и фазу распространяющегося звука---------------------128
3.4. Численное моделирование влияния линейных внутренних волн на
распространение акустических волн----------------------------------135
3.5. Влияние внутренних волн на акустические поля с разными частотами — 138
3.6. Численное моделирование влияния нелинейных внутренних волн на
распространение звука вдоль трассы длиной 250 метров---------------154
4. Зависимость флуктуаций интенсивности и фазы акустических волн, распространяющихся поперек шельфа, от времени года и частоты
4.1. Сезонная изменчивость флуктуаций интенсивности и фазы низкочастотных акустических волн, распространяющихся в
шельфовой зоне Японского моря--------------------------------------164
4.2. Результаты измерений флуктуаций интенсивности и фазы акустических волн, распространяющихся по трассе длиной 250 м,
в летних и зимних гидрологических условиях-------------------------176
4.3. Зависимость флуктуаций интенсивности акустических воли от
частоты сигнала--------------------------------------------------- 179
3
4.3.1. Описание эксперимента и метода анализа данных---------------------180
4.3.2. Результаты измерений----------------------------------------------181
4.4. Частотно-пространственно-временные характеристики низкочастотных акустических полей-----------------------------------187
4.5. Модуляционные эффекты от поверхностных волн--------------------------197
Выводы--------------------------------------------------------------199
5. Влияние внутренних волн на модовую и частотно-пространственную интерференционные структуры акустического поля-----------------------205
5.1. Акустико-гидрофизическая трасса и измерительно-вычислительные средства-----------------------------------------------------------206
5.2. Результаты исследований влияния внутренних волн на модовую структуру акустического поля---------------------------------------208
5.3. Влияние внутренних волн и поверхностного прилива на частотно-пространственную интерференционную структуру
акустического поля-------------------------------------------------220
Выводы-------------------------------------------------------------233
6. Акустико-гидрофизические эффекты от рыболовного судна
с тралом------------------------------------------------------------ 237
6.1. Результаты измерений и численного моделирования
акустических сигналов, излучаемых судном с тралом------------------238
6.2. Измерение и моделирование внутренних волн,
генерируемых донным фалом------------------------------------------244
Выводы-------------------------------------------------------------248
Заключение---------------------------------------------------------250
Литература-------------------------------------------------------- 252
4
Введение.
Актуальность проблемы. В настоящее время, в связи с активным индустриальным освоением шельфа особую актуальность приобрели акустические исследования в прибрежных зонах морей и океанов. Эти акватории характеризуются повышенной динамической активностью и изменчивостью гидрофизических полей, влияющих на распространение акустических волн, и поэтому исследуются возможности их акустического мониторинга, например, с помощью метода согласованной невзаимности, а также модовых, интерференционных и дифракционных акустических методов, основанных на «просвечивании» контролируемой акватории акустическими сигналами. Знания особенностей распространения звука в шельфовой зоне необходимы для решения практических задач, связанных с обнаружением и определением координат перемещающегося под водой источника звука или оценкой антропогенного воздействия индустриальных шумов на морских животных. Например, с 1999 года, в рамках международного проекта «ПАЛЕЯ», мы проводим исследования возможного акустического влияния нефтедобывающего комплекса «Моликпак» и обслуживающих его судов на уникальную популяцию серых китов в районе их традиционного летне-осеннего нагула - северо-восточный шельф о. Сахалин.
На распространение звука в шельфовой зоне оказывают существенное влияние рельеф дна и акустические свойства слагающих его пород, океанологические поля и гидродинамические процессы, харакгерные для дайной акватории, поэтому для решения практических задач необходимы натурные данные об их влиянии на частотно-пространственно-временные характеристики и модовую структуру распространяющихся акустических волн в разные сезоны года. Мри установлении качественных и количественных взаимосвязей между параметрами акустического поля и океанологических полей, оказывающих влияние на распространение звука, представляется возможным построение адекватных экспериментам математических моделей позволяющих развить и расширить натурные данные с помощью численного моделирования.
Усилиями различных групп исследователей получены экспериментальные и теоретические результаты, позволяющие выделить акустику мелкого моря в само-
5
стоятельный раздел акустики океана. В то же время, при значительном прогрессе в теории и численном моделировании ощущается недостаточность экспериментальных данных о влиянии гидродинамических процессов, характерных для шельфовых зон морей и океанов, на распространение акустических воли.
Поверхностный прилив, а также приливные и ветровые течения могут изменять условия распространения звука в мелком море за счет изменения толщины водного слоя и смещений сформировавшихся в силу каких-либо причин фронтов, но в случае развитою сезонного пикноклина основным гидродинамическим источником акустических неоднородностей в водном слое становятся внутренние волны (ВВ) и, прежде всего, волна внутреннего прилива, генерируемая приливными течениями, взаимодействующими с рельефом дна и материковым склоном. Волна внутреннего прилива, генерируемая на кромке шельфа, распространяется в направлении к берегу уже как «свободная» гравитационная ВВ. Из-за взаимодействия с наклонным дном она претерпевает трансформации, сопровождающиеся генерированием более коротких ВВ и пакетов квазигармонических и солитоноподобных ВВ. Следовательно, ноле ВВ на шельфе, как и акустические поля, имеет целый ряд особенностей, связанных с влиянием дна, а также с сезонной изменчивостью пространственных параметров поля плотности в водном слое. Рефракция и рассеяние звука на неоднородностях поля скорости звука, создаваемых в водном слое ВВ, приводит к перетокам энергии от распространяющихся нормальных акустических мод с малыми номерами к модам более высоких номеров. Это компенсирует «вымирание» высших мод из-за их поглощения дном и приводят к более равномерному акустическому освещению всей водной толщи.
Таким образом, исследование влияния гидрофизических процессов в шельфовой зоне приливных морей на распространение низкочастотных акустических волн является важной фундаментальной проблемой акустики мелкого моря, а проведение натурных и численных экспериментов - актуальными направлениями в ее решении. Данная работа направлена на решение задачи о влиянии, создаваемых ВВ, пространственных неоднородностей поля скорости звука на распространение низкочастотных акустических волн в шельфовых зонах морей и океанов. Целью работы является исследование процессов взаимодействия звука с ВВ, проявляющихся в частотно-пространственно-временных параметрах, модовом составе и ин-
6
терференционной структуре акустического поля формируемого в шельфовой зоне Японского моря, распространяющимися акустическими волнами.
Обзор работ других авторов. Связь флуктуаций интенсивности (/ ) и фазы (<р) гидроакустических сигналов с ВВ в глубоком море наиболее полно исследовалась экспериментально и теоретически американскими учеными [2]. Обобщенный анализ таких работ, включая аналитические исследования для канонического профиля скорости звука в воде С(г), возмущаемого ВВ, спектр которых описывается спектральной функцией Гаррстта-Манка, представлен в монографии, вышедшей под редакцией С. Флагге в 1982 г. 1681. Имевшиеся к тому времени результаты экспериментальных измерений на стационарных трассах неплохо соответствовали развитой теории. В более поздних работах методики расчета основных параметров, определяющих флуктуации сигналов, были распространены на произвольные профили С(г) [87, 88, 103,105, 58], что позволило проводить анализ влияния ВВ на более широком экспериментальном материале.
Теории взаимодействия акустических волн с ВВ в мелком море посвящено значительно меньше работ. Это связано с тем, что в этих условиях такое взаимодействие оказывается более сложным. Акустические волны низких частот, распространяющиеся в условиях нерегулярного волновода со сложным рельефом дна и акустическими неоднородностями в водном слое, создаваемыми ВВ, требуют мо-дового представления, при котором такие широко используемые в условиях глубокою океана понятия как окрестности верхних точек заворота акустического луча, где происходит основное взаимодействие с ВВ [68, 105, 58], становятся неприменимыми. Для теоретического объяснения экспериментальных результатов используется численное моделирование, основанное на применении параболического приближения. Например, в работе [124] с помощью такого численного эксперимента объяснены спонтанные возрастания потерь при распространении низкочастотных сигналов в Желтом морс. Результаты моделирования показали, что дополнительные потери в ограниченном диапазоне частот могут возникнуть из-за рассеяния акустических волн на пакетах нелинейных ВВ, причем это взаимодействие максимально при выполнении условий резонанса кВ8 -кп -кт (к8В- волновое число
7
ВВ), приводящее к интенсивному взаимодействию акустических мод с волновыми числами кп\\ кЯ'
Нату рные исследования параметров ВВ в низких широтах, в верхних слоях океана и прежде всего в шельфовых зонах показали их существенные отличия от модельных представлений [122, 40]. Спектры ВВ, наблюдаемых в сезонном пикноклине, имеют более высокие значения спектральных плотностей во всем диапазоне частот, в спектрах практически всегда заметны плато и пики на высоких частотах. Кроме того, почти при любых измерениях в спектрах обнаруживаются пики, обусловленные приливными (главным образом полусуточными) ВВ. Таким образом, модельный спектр, предложенный Гарреттом и Манком [94, 95], описывает лишь фоновую, монотонно спадающую по частотам и пространственным волновым числам часть спектра ВВ, над которой возвышаются пики инерционных, приливных и короткопериодных волн. ВВ в этих особых диапазонах, особенно короткопериодные, отличаются значительной перемежаемостью, большими амплитудами и квазисинусоидальностью во времени и пространстве. При выходе ВВ на мелководье, из-за взаимодействия с дном они испытывают нелинейные трансформации.
В настоящее время невозможно предложить универсальную модель, описывающую поле ВВ в шельфовых областях, поэтому для теоретической интерпретации натурных экспериментов необходимо развивать комплекс моделей, который мог бы учесть как общие свойства ВВ на шельфе, так и частные особенности, связанные с конкретным районом. Простейшими моделями для таких волн являются модели типа Кортевега-де Фриза (КдФ), впервые предложенные в 60-х годах [116], а строгий их вывод с учетом рельефа дна был сделан в 70-х годах [97]. Адекватность этих моделей экспериментальным данным проанализирована в работе [101], а в работе [100] с их помощью успешно описаны эволюция и трансформации волны внутреннего прилива на Австралийском шельфе.
Экспериментально флуктуации параметров гидроакустических сигналов, распространяющихся в мелком море во времени (в течение отдельного эксперимента и в зависимости от времени года), в пространстве (т.е. от расположения источника и приемника) и в зависимости от центральной частоты звука (от 1 до 6 кГц), изучались Э. Севальдсеном на шельфе Средиземного моря [74]. Автором сдс-
8
лап вывод о том, что акустические волны взаимодействуют с различными участками среды, характеризующимися сильным и слабым рассеянием звука. Предполагается, что источником рассеяния могут быть ВВ в сочетании с тонкой структурой, но малое количество данных о параметрах среды (ВВ не измерялись) и отсутствие подходящих моделей не позволили автору проверить эти предположения модельными расчетами.
В работе [93] обсуждаются результаты измерений, проведенных в Северном морс с помощью тонального акустического сигнала с частотой 295 Гц, распространявшимся вдоль трассы длиной 1100 м и глубиной 30 м. В работе установлена хорошая корреляция (на периодах полусуточного прилива) вариаций ср и несколько хуже - вариаций 1 с флуктуациями горизонтальных компонент скорости течения, синхронно измеренных на горизонтах 10, 16 и 28 м. Отмечена и взаимосвязь между вариациями скорости течения и флуктуациями 1 и р на периодах от 10 минут до 2 часов. Авторы [93] полагают, что они обусловлены ВВ. Для доказательства проведено аналитическое исследование, результаты которого согласуются с измерениями.
В статьях [21-23, 37, 49-52] представлены результаты исследований распространения низкочастотных (100-300 Гц) акустических сигналов вдоль стационарных трасс протяженностью несколько десятков километров в море глубиной 150-170 м. Прием акустических сигналов осуществлялся с помощью цепочки гидрофонов, вытянутой по дну примерно перпендикулярно направлению распространения акустических волн [21, 22], а в эксперименте, представленном в работе [37], прием осуществлялся на дистанции 14 км с помощью вертикально установленной цепочки гидрофонов длиной 66 м. Во всех экспериментах в море был достаточно хорошо выражен придонный звуковой канал. Стационарные трассы организовывались с помощью двух НИС, поэтому максимальная продолжительность акустического зондирования тональным сигналом равна 130 ч [36]. Анализ результатов проведенных измерений позволил авторам сделать следующие выводы:
• вариации фазового фронта акустической волны в горизонтальной плоскости,
достигают 0.5°;
9
• расширение спектра сигнала от низкочастотного тонального источника не превышало 10"3 Г ц;
• в спектре огибающей сигнала выделены составляющие с периодами 24, 12, 8 и 6 часов, а также широкий набор спектральных компонент с периодами от нескольких минут до нескольких часов;
• усредненные по 10 датчикам приемной антенны оценки спектров флуктуаций интенсивности С, (со) тональных сигналов с частотами = 3 показали [51], что С, {со) тонального сигнала частоты £\ (ТОН - Г|) в целом спадает быстрее, чем для сигнала ТОП - Г2. График б, (о) сигнала ТОН - С1 в целом спадает быстрее, чем для ТОН - {'2. График б,(ю) ТОН - £2 на низких частотах спадает по закону со'0 83, а на высоких частотах пропорционально со'12. Точка изгиба соответствует частоте 1.5 цикл/час;
• вертикальная интерференционная структура акустического поля испытывает значительные пространственно-временные вариации, обусловленные гидродинамическими возмущениями в волноводе, наиболее существенными из которых, хотя и наиболее медленными, являются приливы.
Рубенштейн и Брилл летом 1988 г. провели исследования распространения тонального сигнала с частотой 400 Гц на мелководной трассе длиной 18.5- километров, организованной на шельфе вблизи Вашингтона [117]. ВВ фиксировались датчиком температуры, расположенным в слое скачка. Температура флуктуировала с полусуточным периодом, причем в районе максимумов появлялись случайные последовательности солитонов ВВ. Они также приводили к флуктуациям / акустических сигналов, принятых на 232.5- метровую горизонтальную цепочку гидрофонов, расположенную на дне приблизительно перпендикулярно направлению на источник. Флуктуации I на различных приемниках были подобны и «пробегали» вдоль цепочки гидрофонов со скоростью 0.75-1.0 м/с. Такой эффект мог быть вызван последовательностью солитонов, имеющих плоский фронт, составляющий 10 градусов к направлению акустической трассы. Это было подтверждено математическим моделированием условий эксперимента. Было также отмечено отсутствие корреляции между флуктуациями 1 акустического поля и ВВ, хотя их энергетические спектры в значительной мере совпадали.
10
Корреляция между внутренними солитонами, зарегистрированными распределенными датчиками температуры вблизи гидрофона, и колебаниями амплитуды акустического сигналов, принятых на 34- километровой квазистационарной трассе на шельфе Тихого океана исследовалась в работе [41]. В качестве зондирующего сигнала использовались излучающиеся каждые 30 секунд 6- секундные импульсы тона с линейной частотной модуляцией в полосе 725 - 885 Гц. Принятые сигналы пропускались через фильтр, согласованный с исходной посылкой. Полоса частот посылки была выбрана так, чтобы отфильтрованные сигналы по наиболее «быстрым» модам не разрешались и образовывали интерференционные максимумы, величина которых очень чувствительна к разности времен прихода сигналов по модам. Анализ выявил высокую корреляцию флуктуаций величины максимумов, задержанных на 16.5 и 45 мин, с последовательностью солитонов, отфильтрованной в полосе 0.7-2.4 мГц. Математическое моделирование позволило определить участки трассы, чувствительные к воздействию солитонов ВВ: они расположены вблизи приемника, так как на этом участке разность хода сигналов по распространяющимся и вновь рожденным модам еще мала и не превосходит разрешающей способности фильтра. Удаленные от приемника солитоны меньше влияют на величину основного максимума, так как сигналы по вновь рожденным модам либо опережают, либо отстают от основного максимума. В моделях, учитывающих эффекты взаимодействия мод [ 90, 91, 110, 111] (теория распространения акустических волн в мелком море с учетом взаимодействия мод подробно изложена в монографии Б.Г. Кацнельсона и В.Г. Петникова [36]), амплитуда принимаемых сигналов будет изменяться с изменением расстояния до акустической неоднородности. В результате, если направление распространения солитона не перпендикулярно к направлению распространения звука, амплитуда акустического поля в точке приема будет существенно меняться, когда солитон окажется в наиболее «чувствительных» точках трассы.
Результаты численных исследований влияния внутренних солитонов на распространение звука в мелком морс представлены в работах [124, 125]. Летние акустические эксперименты с взрывными источниками в шельфовой зоне Желтого моря показали сильную частотную, пространственную и временную изменчивость звукового поля, при распространении акустических волн в примерно двухслойно
11
стратифицированном водном слое со средней глубиной 40 м [125]. Кроме того, были отмечены аномально высокие затухания в некотором частотном диапазоне, которые в работе [ 124] были объяснены с помощью резонансного взаимодействия мод акустического поля с модельной группой внутренних солитонов, приводящего к перетокам энергии из младших нормальных мод в моды более высоких номеров, распространяющихся с большими потерями. В работе [125] этот механизм с помощью численного эксперимента проверен на группе более реальных солитонов с классическими параметрами и свойствами. В численном эксперименте [125] генерировалась только первая мода акустического ноля с частотой 630 Гц. Распространение по трассе с группой солитонов рассчитывалось с помощью параболического метода, а затем в точке приема осуществлялось разложение акустического поля по нормальным модам, показавшее наличие мод более высокого порядка, причем если амплитуда первой моды (после нормировки) была равна 1, то пятой - 0.8, а восьмой - 0.7.
В работе [126] обсуждаются результаты численного моделирования флуктуаций интенсивности и фазы звука и его модовых составляющих, распространяющихся в мелком море с ВВ, профиль которых соответствует натурным наблюдениям, проведенным в Желтом море и в Массачусетском заливе [114]. Показано, что ВВ вызывают низкочастотные вариации / достигающие 20 дБ, сильно зависящие от глубины излучения и приема, длины трассы и направления распространения ВВ. Спектры флуктуаций амплитуды и фазы акустического поля много шире спектра пакета нелинейных ВВ; в то же время вариации амплитуды и фазы отдельных акустических мод соответствуют характеристикам ВВ, что подтверждает и подобие их спектров. Расчеты групповых скоростей распространения нормальных мод акустического поля с частотой 442 Гц в море глубиной 40 м с хорошо выраженным термоклином (примерно двухслойная стратификация), характерным для Желтого моря показали [126], что с максимальной скоросгью и меньшими (по сравнению с 3-й, 5-й и 6-й модами) потерями распространяется четвертая мода; она же наиболее чувствительная к глубине термоклина, а, следовательно, и к ВВ. Этой моде соответствует луч, который распространяется в приповерхностном теплом слое воды больше, чем в холодном слое. В этом случае возмущения от ВВ в первой моде минимальны. Расчеты эффектов от ВВ, распространяющихся перпен-
12
дикулярно акустическим волнам, проводились с помощью модели, основанной на двумерных адиабатических нормальных модах (в пренебрежении горизонтальной рефракцией и азимутальным рассеянием звука), а для ВВ, расиросіраняюшихся параллельно акустической трасе, с помощью параболического метода [126].
Аналитические исследования резонансных эффектов при рассеянии пакетами ВВ звука, распространяющегося в мелком море 1124], были продолжены в работе [39]. В данной работе, с учетом взаимодействия акустических мод, теоретически и численно анализируется рассеяние звука на пакете квазисинусоидальных двумерных ВВ первой моды, распространяющихся в волноводе глубиной 40 м. В рамках этого подхода рассеянию звука соответствует переход интенсивности из когерентной компоненты в некогеренгную (флуктуационную) компоненту звукового поля и перераспределению интенсивности между модами. Показано, что если 9 - угол между направлениями распространения звука и ВВ, а ширина пространственного спектра ВВ в пакете £(<т) мала и равна А, то условие взаимодействия акустических мод с номерами пит имеет вид:
. ^ \к- -*-1 <тр-Д< —<<тр+Д,
соя 3
где А «сг = 2к /Явв, а ар - соответствует максимальной спектральной плотности
мощности ВВ в данном пакете. В этой работе, так же, как и в статьях, основанных на численном моделировании взаимодействия звука с ВВ, с помощью параболического метода [124-126] установлено, что рассеяние звука на ВВ в мелком море вызывает флуктуации его параметров и дополнительные потери, а главное, эти эффекты имеют резонансный характер.
В экспериментально-теоретической работе [106] на основе модовой теории изучались флуктуации времени распространения разных мод низкочастотного акустического поля в мелком море, вызываемые внутренним приливом и ВВ. Результаты расчетов сравнивались с экспериментальными данными, полученными в Баренцевом морс (только для внутреннего прилива). Показано, что среднеквадратичное значение вариаций времени распространения разных мод различно, и в случае анизотропного акустического поля ВВ, распространяющегося перпендикулярно акустической трассе, максимально для мод, полуволна модовой функции которой охватывает слой максимального ірадиента скорости звука [120].
13
В работе [121] с помощью численного моделирования изучались параметры акустического поля в стохастическом мелководном волноводе, в котором скорость звука в слое воды случайно варьирует с глубиной. Авторы предполагали, что возмущения в вертикальном распределении скорости звука обусловлены диффузионным нолем ВВ, описываемым скорректированным спектром Гарретта-Манка и локализованными пакетами нелинейных ВВ. Для расчетов применялся метод широкоугольного параболического уравнения с упругим дном. Рассчитывались средние значения потерь при распространении и зависимости от расстояния синтилляци-онных индексов полного поля давления и его модовых компонент для источника звука, расположенного у поверхности моря и около дна. Расчеты были проведены для трас с плоским и наклонным дном. Результаты аналитических исследований поведения когерентной и некогерентной составляющих звукового поля точечного источника в мелководном волноводе с ВВ, представлены в работе [38]. Обобщающими результатами этих рабог являются оценки стохастизации параметров звуковых волн, распространяющихся в акустических волноводах, типичных для шельфовых зон морей с плотностной стратификацией. Показано, что этот эффект зависит от профиля С(г), характеристик ноля ВВ, длины трассы и наклона дна.
Анализ результатов известных теоретических и экспериментальных работ, кратко представленных выше, показывает следующее:
• Поле ВВ в шельфовой зоне приливного моря принципиально отличается от ВВ в океане и требуются специальные исследования его статистических характеристик (например, - спектра вертикальных смещений ВВ частиц воды в сезонном иикноклине), а также роли волны внутреннего прилива и нелинейных ВВ с учетом географических, сезонных и метеорологических аспектов.
• Экспериментальные работы, по целому ряду причин ограничены непродолжительными натурными измерениями, причем в большинстве работ параметры ВВ не измерялись.
• Основные выводы о влиянии ВВ на распространение звука сделаны по результатам численного моделирования.
14
• Авторы большинства теоретических работ, связанных с исследованиями рассеяния звука на ВВ в мелководном волноводе, отмечают важную роль волны внутреннего прилива, но ограничиваются полем случайных ВВ, описываемым модельным спектром Гарретга-Манка с добавлением пакетов, состоящих из нескольких внутренних солитонов.
• Численно моделировалось только распространение звука, а иоле ВВ задавалось случайным образом и поэтому, анализировались только флуктуации давления и амплитуд модовых коэффициентов акустического поля, получаемые в результате осреднения но реализациям. Влияние ВВ оценивалось через создаваемые ими флуктуации ноля скорости звука в водном слое волновода с ровным или наклонным дном и иллюстрировалось с помощью расчета потерь (пространственной интерференционной структуры акустического поля) при распространении звука в таком волноводе, а также зависимостью от расстояния синтилляцион-ных индексов флуктуаций или величины продольного масштаба когерентности, распространяющегося звука.
• Для того чтобы разработанные для мелкого моря теоретические модели и результаты проведенных с их помощью (численные эксперименты) исследований, применить в шельфовой зоне, по-видимому, необходимо провести ряд специальных исследований, связанных с особенностями поля ВВ на шельфе и распространением звука в клине.
• Экспериментально не исследовано взаимодействие нормальных акустических волн на неоднородностях поля скорости звука, создаваемых ВВ в мелководном волноводе.
• Практически не исследованы зависимости спектров флуктуаций интенсивности и фазы акустических сигналов от периода флуктуаций, от длины трассы, частоты звука, параметров пикноклина.
Таким образом, для проверки адекватности успешно разрабатываемых аналитических моделей и численных методов расчета акустических волн, распространяющихся в мелком морс с неоднородностями (гидродинамического происхождения) поля скорости звука в водном слое, имеется определенный дефицит в натур-
15
ных данных, которые могут быть получены только в комплексных акустикогидрофизических экспериментах на специально организованном полигоне в шельфовой зоне моря. Численное моделирование распространения звука и ВВ, основанное на результатах натурных измерений, при получении качественного и количественного соответствия между результатами измерений и моделирования, позволит обобщить результаты конкретного эксперимента с целью применения разработанной численной модели в других гидрологических условиях и акваториях. Особенно тщательных исследований требует, предсказанный теоретически, эффект резонансного взаимодействия мод акустического поля на пространственно-временных неоднородностях поля скорости звука, индуцируемых ВВ.
Ниже сформулированы основная цель и научные задачи, актуальность которых вытекают из данного обзора и решению которых посвящена настоящая работа.
Цель и задачи исследования. Работа направлена на решение одной из фундаментальных проблем гидроакустики, связанной с влиянием вертикальных и горизонтальных неоднородностей поля скорости звука, создаваемых ВВ, на распространение низкочастотных акустических волн в шельфовых зонах морей и океанов. Натурное исследование влияния гидрофизических нолей в шельфовой зоне приливных морей на распространение акустических волн также является важным направлением исследований в рамках указанной проблемы, но основной акцент сделан на изучение влияния на характеристики акустических полей приливных и коротких (в частности, солитоноподобных) ВВ, поскольку именно эти волны являются основными гидродинамическими источниками неоднородностей поля скорости звука в стратифицированном но плотности водном слое.
Основная цель - разработка акустико-гидрофизического комплекса и проведение с его помощью синхронных исследований ВВ и их влияния на распространение звука в шельфовой зоне приливного моря с выраженной сезонной цикличностью основных океанологических характеристик, влияющих на распространение акустических волн. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
16
• анализ и обобщение результатов исследований особенностей океанологических полей в шельфовой зоне Японского моря и их влияния на распространение низкочастотных акустических волн;
• разработка и изготовление многофункциональных измерительно-регистрационных средств, для комплексных акустико-гидрофизических исследований и зондирования мелкого моря;
• исследование зависимости вариаций интенсивности и фазы акустических волн, распространяющихся в условиях мелководного волновода (шельфовая зона моря) с ВВ от периода флуктуаций, длины трассы, горизонта измерения, пространственной ориентации векторного преобразователя (скалярно-векторный приемник акустических сигналов) и частоты акустических волн;
• исследование влияния ВВ на модовый состав и частотно-пространственную интерференционную структуру акустического поля в шельфовой зоне;
• исследования пространственной (разные точки приема) когерентности и модуляционных эффектов в акустическом поле;
• исследование адекватности численного моделирования влияния ВВ на распространение звука в мелком море.
Методы исследования. Поставленные задачи решались с помощью проведения в разные сезоны года на акустико-гидрофизическом полигоне, специально организованном в шельфовой зоне Японского моря, натурных измерений параметров акустических полей, ВВ и гидрофизических характеристик морской среды. Сравнение результатов измерений, проведенных на одних и тех же стационарных трассах в зимних и летне-осенних гидрологических условиях, позволило оценить эффекты от поверхностного прилива, рельефа дна и акустических неоднородностей, слагающих дно пород, и на их фоне количественно выделить влияние термоклина и ВВ на распространяющиеся акустические волны. Эффекты в акустическом поле от ВВ исследовались в «чистом» виде с помощью численного моделирования.
Измерения проводились на стационарных трассах протяженностью до 23 км и ориентированных вдоль и поперек шельфа Японского моря. Используемый аппаратурный комплекс обеспечивал излучение тональных акустических сигналов с час-
17
тогами 32, 70, 280, 315, 320, 540, 1000, 3200 и 3700 Гц и их прием в разных точках полигона лонными гидрофонами автономных радиогидроакустических буев, скалярно-векторными приемниками акустико-гидрофизических станций, г идрофонами двух вертикальных акустико-гидрофизических измерительных систем и автономного зонда. Гидрологические измерения проводились с помощью СТД - зондов, автономных измерителей течения типа «Поток», вертикальных цепочек из точечных и распределенных датчиков температуры, ртутных опрокидывающихся термометров и анализа проб воды.
Модовый состав акустического поля в двух точках трассы определялся с помощью решения задачи на собственные значения для поперечного акустического оператора по результатам зондирования скорости звука и измерениям температуры и акустического давления, проводимых с помощью двух вертикальных акустико-гидрофизических измерительных систем и автономного зонда. Численное моделирование распространения акустических волн проводилось с помощью широкоугольных параболических уравнений и метода нормальных мод, а внутренних волн - на основе линейной теории и расширенного уравнения Кортевега-де Фриза.
Научная новизна работы. В основу диссертации положены результаты систематических разносезонных акустико-гидрофизических исследований, проведенных с помощью уникальных измерительных и вычислительных средств, в период с 1988 г. по 1998 г. на стационарных трассах разной протяженности и ориентированных вдоль и поперек шельфа Японского моря. Научная новизна работы заключается в том, что впервые совместно исследованы параметры низкочастотных звуковых полей и ВВ в шельфовой зоне моря с ярко выраженной сезонной изменчивостью основных характеристик, влияющих на их распространение, а именно:
• проведен детальный анализ влияния поверхностного и внутреннего приливов, а также коротких и нелинейных ВВ на частотно-пространственно-временные характеристики, интерференционную структуру и модовый состав распространяющегося звука;
• проведено сопоставление натурных данных с результатами теоретических исследований и разработаны модели, позволяющие численно исследовать влияние
18
ВВ на распространение звука в шельфовой зоне и перенести результаты данных измерений на другие акватории;
• установлена доминирующая роль в трансформациях акустического поля эффектов взаимодействия акустических мод на пространственных неоднородностях поля скорости звука, создаваемых в сезонном пикноклине ВВ.
Достоверность результатов подтверждена: повторяемостью данных многократных экспериментов, качественным согласованием между результатами натурных исследований и численного моделирования, а также непротиворечивостью известным научным положениям и фактам. Применяемые измерительнорегистрационные и вычислительные средства прошли специальные катибровки и тестовые испытания.
Научная и практическая ценность работы. В данной работе осуществлено решение важной в научном и практическом отношении проблемы физической акустики мелкого моря - исследованы особенности распространения звука в мелководном волноводе (шельфовая зона моря) с неоднородностями поля скорости звука, индуцируемыми в водном слое ВВ. Эти особенности связаны с влиянием на распространение акустических волн морского дна и специфическим характером гидродинамических и гидрофизических процессов, протекающих в шельфовых зонах морей и океанов. Представленные в диссертации результаты экспериментальных и теоретических исследований вносят значительный вклад в наши знания о влиянии гидрофизических процессов, характерных для шельфовых зон приливных морей, на распространение низкочастотных акустических волн. Учитывая важность роли, которую шраег шельф в жизнедеятельности человека, можно констатировать, что результаты проведенных исследований в совокупности являются крупным научным достижением имеющим важное народнохозяйственное значение.
Ниже приведено несколько направлений, имеющих практическое приложение:
1. Разносезонные натурные данные о вариациях интенсивности и фазы, а также частотно-пространственно-временных характеристиках и модовом составе низ-
19
кочастотных акустических волн, распространяющихся в шельфовой зоне Японского моря, могут быть использованы при проектировании и построении гидроакустических систем для мониторинга в шельфовых зонах гидрофизических процессов и обнаружения разномасштабных пространственно-временных акустических неоднородностей естественного и искусственного происхождения.
2. С помощью численного моделирования представленные в работе результаты натурных измерений могут быть расширены и перенесены на прибрежные и шельфовые зоны других морей с известными акустико-гидрологическими характеристиками.
3. Результаты исследований пространственных функций когерентности акустических сигналов, распространявшихся в условиях мелководного канала при наличии ВВ, могут быть использованы при разработке новых способов диагностирования акустических неоднородностей с помощью «просвстиых» методов локальной и пространственной акустической интерферометрии.
4. Организованный на шельфе Японского моря акустико-гидрофизический полигон позволил провести целый ряд экспериментов, связанных с изучением влияния среды, возмущаемой естественными и искусственными источниками, на распространение акустических волн, результаты которых внедрены в НИР: «Отклик-АН», «Аквамарин-АН», «Цимбал», «Царапина», «Царевна», «Цитадель».
5. Разработанные акустико-гидрофизические измерительные средства, основанные на адаптируемых к экспериментам системах сбора и передачи данных в цифровом виде по радиоканалу или кабельной линии, повышают эффективность и обеспечивают комплексность проводимых с их помощью исследований, и могут быть использованы при проведении акустических и океанологических исследований в мелком море.
Личный вклад автора. Автору принадлежит выбор научного направления, организация экспериментальных и теоретических исследований, получение основных результатов и их интерпретация. В диссертации обобщены результаты исследований, выполненных в 1988-1999 г.г. автором в лаборатории акустического зондирования океана Тихоокеанского океанологического института ДВО РАИ при под-
20
держкс и участии заведующего этой лабораторией д.ф.-м.н. Л.Ф. Бондаря и научных сотрудников С.В. Борисова и A.B. Гриценко. Теоретическая часть работы, связанная с моделированием внутренних воли и расчетами звуковых полей, выполнена в сотрудничестве с коллегами из лаборатории волновых процессов, возглавляемой к.ф.-м.н. М.Ю. Трофимовым.
Основные измерительные средства, применяемые в экспериментах, разработаны и изготовлены лично автором или под его непосредственным руководством. Автор, являясь начальником экспедиционного отряда, принимал непосредственное участие в организации на шельфе Японского моря постоянно действующего полигона и проведении на нем специальных экспериментов и разносезонных наблюдений.
В работах, выполненных в соавторстве, автор принимал равноценное участие в постановке задач, в анализе и интерпретации результатов измерений и моделирования.
Анализ и интерпретация результатов исследований сезонной изменчивости и частотной зависимости флуктуаций параметров акустических сигналов, распространяющихся по стационарным трассам, ориентированным поперек шельфа Японского моря, а также влияния внутренних воли на модовую и интерференционную структуры акустического поля выполнены автором.
Апробация работы и публикации. Результаты, изложенные в диссертации, частично докладывались на 15 Всесоюзной школе-ссминарс по статистической гидроакустике (Владивосток, 1989), II сессии Российского акустического общества (Москва, 1993), VII Дальневосточной научно-технической конференции по судовой радиоэлектронике (Владивосток, 1994), Российской гидроакустической конференции, посвященной 300-лстию Российского флота (Владивосток, 1996), VIII Международном симпозиуме по дистанционному акустическому зондированию атмосферы и океана (Москва, 1996), X Международной конференции по промысловой океанологии (Санкт-Петербург, 1997), VII школе-семинаре акад. Л.М. Бреховских «Акустика океана» (Москва, 1998), Международной научной конференции «Рыбохозяйственные исследования Мирового океана» (Владивосток, 1999), VIIJ школе-
21
семинаре акад. Л.М. Бреховских «Акустика океана» (Москва, 2000), Fifth Pacific Ocean Remote Sensing Conference (Goa, India, 2000).
По теме диссертации опубликовано 14 научных работ в «Акустическом журнале» и по одной статье в журналах: «Приборы и техника эксперимента», «Морской гидрофизический журнал», из них 5 без соавторов. Кроме того, по теме диссертации опубликовано 12 статей в сборниках докладов, сделанных на указанных выше научных конференциях.
В течение трех лет работы проводились при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 96-02-16114: «Экспериментальные и теоретические исследования влияния внутренних волн на частотно-пространственно-временные характеристики и модовый состав низкочастотных гидроакустических сигналов в мелком море», руководитель Рутенко А.Н.).
Результаты работы вошли в научные отчеты по НИР: «Отклик-АН», «Аквамарин-АП», «Цимбал», «Царапина», «Царсвна-ТОИ», «Цитадель-ГКВ».
Полностью диссертация обсуждалась на расширенных семинарах Отдела акустики океана ТОЙ ДВО РАН (протокол №7 от 17 октября 2000 г.) и Кафедры гидроакустики и ультразвуковой техники ДВГТУ (протокол №5 от 16 марта 2001 г.).
Основные положения, выносимые на защиту:
А
1. Значения спектров флуктуаций фазы G^co) пропорциональны частоте звука и длине зрассы и спадают с ростом частоты вариаций пропорционально со'2.
А
Спектры флуктуаций интенсивности G,{co) имеют точку изгиба, зависящую от частоты звука и вертикального профиля частоты Вяйсяля-Брента. На низких частотах спектральная плотность мощности флуктуаций с ростом их частоты спадает медленнее, чем со~', а на более высоких - быстрее, чем со~2; па частотах выше 0.01 Гц спектры стабилизируются на уровнях, пропорциональных частоте звука, и имеют ярко выраженные резонансные пики на частотах поверхностных волн. Значения G,(co) в низкочастотной области уменьшаются с увеличением длины трассы и частоты звука (эффект низкочастотного «выбеливания») и растут в относительно высокочастотном диапазоне спектра.
22
А
2. Значения спектров флуктуаций интенсивности 0,(со) звука с частотой 315 Гц, распространяющегося зимой поперек шельфа, на периодах больше шести часов почти на порядок превышают значения 6,(со), соответствующие его распространению в летне-осенних гидрологических условиях. На периодах типичных для шельфа ВВ (10-60 мин) значения 6, (со) зимой на два порядка меньше чем
А
осенью и примерно равны О, (со) для звука с частотой 32 Гц (весна-осень). Вариации фазы не "насыщаются" и могут достигать (ТОН-315 Гц) величины 1500" зимой и 5000° осенью.
3. Взаимодействие (и особенно резонансное) акустических мод на неоднородностях поля скорости звука, формируемых ВВ в шельфовой области пикиоклина, вызывает доминирующие вариации частотио-пространственно-врсмснных характеристик, сопровождается перетоками акустической энергии от мод с малыми номерами к модам более высоких номеров, и это компенсирует их «вымирание» из-за более высоких потерь при распространении.
4. В летне-осенний период пространственно-временные вариации поля скорости звука, индуцируемые ВВ, приводят к равномерному акустическому "освещению" шельфовой зоны моря и это принципиальное различие в формировании акустических полей в летне-осенних и зимних гидрологических условиях, существенно влияет на потенциальные возможности контроля подводной обстановки на шельфе в разные сезоны года.
5. Исследовательский акустико-гидрофизический комплекс, включающий измерительно-регистрационные средства, программы накопления и анализа нату рных данных, а также модели и программы для численного моделирования влияния В В на распространение звука.
6. Результаты многолетних синхронных измерений внутриволновых и акустических полей на шельфе Японского моря.
Краткое содержание
Данная работа посвящена экспериментальным исследованиям влияния неоднородностей поля скорости звука, создаваемых ВВ, на распространение низкочастотных акустических волн в мелком море. Исследования проводились с помощью на-
23
турных и численных экспериментов. В разделе 1 приводится краткий обзор известных аналитических уравнений с помощью которых в настоящее время моделируются внутренние и акустические волны, распространяющиеся в мелком море. В разделах 1.3 и 1.4 представлены методы, которыми мы пользовались при численном моделировании внутренних и акустических волн, распространяющихся в неоднородном волноводе с параметрами, близкими к натурным экспериментам. В отличие от известных теоретических работ других авторов, в наших численных экспериментах моделируется как распространение звука, так и В В, т.е. параметры линейных и нелинейных ВВ, измеренных в натурном эксперименте вблизи приемной системы, изменяются в соответствие с условиями их распространения вдоль акустической трассы. Благодаря такому моделированию результаты численных экспериментов качественно и количественно близки к результатам натурных измерений. В разделе 1.3 дано описание применяемых нами методов моделирования линейных и нелинейных ВВ, основанные на их модовом представлении. Дано описание метода Галеркина, применяемого нами при численном определении собственных функций и соответствующих собственных чисел, распространяющихся внутриволновых мод. В разделе 1.4 приводится описание широкоугольного параболического уравнения с дробно-линейной аппроксимацией корня квадратного из вертикального оператора Гельмгольца, с помощью которого моделировалось распространение звука.
Натурные исследования влияния гидрофизических полей на распространение акустических волн в мелком море потребовали организации на шельфе Японского моря специального акустико-гидрофизического полигона, оснащенного стандартными и оригинальными измерительными и регистрационно-вычислительными средствами, обеспечившими многолетние разносезонные измерения. Описание применяемых в экспериментах аппаратурных комплексов и методик, а так же используемых методов накопления и анализа данных, в данной работе, занимает важное и существенное место. В разделе 2 эти вопросы представлены наиболее концентрированно, с иллюстрациями работоспособности рассматриваемых измерительных и вычислительных средств на результатах натурных измерений, проведенных с их помощью.
24