Разработка методики расчета и исследование акустических параметров пористых водонасыщенных грунтов

2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ОБЗОР МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОРИСТЫХ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ СРЕД
1.1. Модели расчёта параметров водонасыщенных грунтов
1.2. Сравнение значений некоторых параметров среды, рассчитанных с помощью различных теоретических моделей
1.3. Физические и акустические свойства донных фунтов
1.4. Выводы
2. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОРИСТЫХ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГРУНТОВ
2.1. Описание математической модели
2.1Л. Обозначение векторных операторов
2.1.2. Соотношения напряжения и деформации для однородных упругих сред
2.1.3. Уравнения движения
2.1.4. Волновые уравнения для жидкости и пористой среды
2.1.5. Акустический импеданс жидкости и высокопористых материалов при нормальном падении звуковой волны
2.1.6. Импеданс одно- или многослойной жидкости, прикреплённой к жесткой непроницаемой стене, при нормальном падении волн
2.1.7. Коэффициенты отражения и поглощения среды при нормальном падении звуковых колебаний
2.2. Расчет основных параметров пористой водонасыщенной среды
2.2.1. Расчёт зависимости величины эффективной плотности пористого водонасыщенного материала от частоты
2.2.2. Расчёт зависимости модуля объемной упругости среды от частоты
2.2.3. Расчёт скорости распространения звуковых колебаний в пористой водонасыщенной среде
6
14
21
27
36
37
38
45
46
50
53
55
57
59
67
69
2.2.4. Расчёт величины импеданса пористого водонасыщенного материала акустическому воздействию
2.2.5. Расчёт коэффициентов отражения и поглощения средой акустических колебаний
2.3. Сравнительный анализ результатов, полученных при математическом моделировании процесса распространения звука в среде с результатами лабораторных измерений
2.4. Выводы
3. МОДЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОРИСТЫХ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГРУНТОВ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ИХ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
3.1. Исследование влияния пористости скелета и вязкости заполняющей его жидкости на изменение параметров пористых водонасыщенных сред в широком диапазоне частот
3.1.1. Исследование изменения эффективной плотности среды от частоты для различных значений пористости рамы
и вязкости жидкости
3.1.2. Исследование изменения модуля объёмной упругости среды от частоты для различных значений пористости рамы
и вязкости жидкости
3.1.3. Исследование изменения скорости распространения звука в среде при различных значениях пористости рамы
и вязкости жидкости от частоты колебаний
3.1.4. Исследование влияния пористости среды и вязкости жидкости на изменение характеристического импеданса
3.1.5. Исследование изменения поверхностного импеданса среды при изменении пористости среды и вязкости жидкости
на различных частотах колебаний
3.1.6. Исследование частотной зависимости коэффициента отражения средой акустических колебаний при различных значениях пористости среды и вязкости жидкости
3.1.7. Исследование частотной зависимости коэффициента поглощения акустических колебаний средой при различных значениях пористости среды и вязкости жидкости
3.2. Исследование зависимости акустических параметров песчаных водонасыщенных сред от толщины слоя на различных частотах сигнала для жёсткой и упругой рамы
3.2.1. Исследование зависимости величин поверхностного импеданса, коэффициентов отражения и поглощения материала с жёсткой рамой от толщины слоя и на различных частотах
3.2.2. Исследование зависимости величин поверхностного импеданса, коэффициентов отражения и поглощения материала с упругой рамой от толщины слоя для различных частот звуковых колебаний
3.3. Исследование влияния толщины слоя песчаной водонасыщенной среды с жёсткой и упругой рамой на акустические параметры среды
3.3.1. Исследование зависимости величин поверхностного импеданса, коэффициентов отражения и поглощения материала с жёсткой рамой от частоты звука для различных толщин слоя пористой среды
3.3.2. Исследование зависимости величин поверхностного импеданса, коэффициентов отражения и поглощения материала с упругой рамой от частоты звука для различных толщин слоя пористой среды
3.4. Выводы
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ АНТЕНН ПРИ ЛОЦИРОВАНИИ ПОРИСТЫХ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ СРЕД
4.1. Энергетическая дальность действия параметрических гидролокаторов в водной среде
4.2. Энергетические характеристики параметрического профилографа пористых водонасыщенных донных структур
4.3. Исследования энергетических характеристик гидроакустического профилографа при лоцировании слоя песчаной водонасыщенной донной структуры
4.4. Выводы 155
5. МОДЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОРИСТЫХ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ СРЕД НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ АНТЕНН
5.1. Исследование зависимости акустической мощности
от характеристик среды и параметров акустического сигнала 156
5.2. Параметрический профилограф для исследования
пористых водонасыщенных донных структур 177
5.3. Выводы 182
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 184
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 189
ПРИЛОЖЕНИЯ 200
*
*
ВВЕДЕНИЕ
6
Актуальность темы.
Мировой океан, занимающий порядка 60% территории нашей планеты, и содержащий по некоторым прогнозам до 70 % полезных ископаемых и энергетических ресурсов Земли, имеет стратегическое значение в плане освоения его со стороны человечества. В программах индустриального развития высокоразвитых стран мира поставлена цель освоения ресурсов мирового океан, что приводит к резкому подъёму в развитии средств, позволяющих проводить исследование морского дна с целью обнаружения и классификации природных ископаемых, находящихся в глубинах морей.
Большой интерес для человека представляют также поиск заглублённых в грунт объектов и изучение акустических свойств донных грунтов для создания быстрых, дистантных и достоверных методов определения стратификации донных отложений и классификации их характера.
Решение вышеперечисленных задач исследования Мирового океана и освоения его богатств может быть осуществлено совершенствованием гидроакустических средств поиска и создания новых методов улучшения их технических характеристик, а также разработки методик расчёта основных акустических параметров среды по известным характеристикам составных частей сложных многокомпонентных естественных сред. Все эти мероприятия смогут повысить информативности акустических зондирующих сигналов и обеспечить возможность получения и обработки достоверных сведений об объекте исследования с хорошей разрешающей способностью.
Наиболее перспективным направлением в решении задач прецизионного зондирования донного грунта является развитие гидроакустических методов вертикального профилирования. До настоящего времени приёмные тракты профилографов строились исходя из согласования их характеристик с зондирующими сигналами без учёта частотных искажений эхосигналов, вызванных затуханием звука. В подобных гидроакустических приборах излучаемый акустический сигнал изменяет свою структуру после отражения, и
по анализу этих изменений в сигнале судят о физических свойствах исследуемых донных осадков. Однако известно, что поглощение акустических волн в осадках резко возрастает с частотой, следовательно, эхосигналы, приходящие с разных глубин, будут иметь различный спектральный состав. Это говорит о том, что выполнение акустических исследований без предварительного расчёта и анализа акустических параметров донных грунтов может привести не только к отсутствию верного результата акустического профилирования дна, но и дать ложные сведения об исследуемой среде, что чревато в ряде случаев серьезными последствиями. Поэтому одной из приоритетных задач при создании гидроакустической аппаратуры такого класса является задача исследования взаимодействия зондирующего сигнала с границей вода-грунт и изучение изменений сигнала при прохождении им сквозь водонасыщенный грунт. Решение этой задачи особенно значимо при использовании для исследования дна параметрических профилографов, принцип работы которых основан на формировании волн рабочей частоты при взаимодействии волн конечной амплитуды. Такие профилографы обладают узкой характеристикой направленности и могут с успехом использоваться для классификации донного фунта.
Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию акустических параметров пористых водонасыщенных фунтов и созданию математического аппарата для расчёта этих свойств в водонасыщенных средах по известным характеристикам компонентов среды, а также исследованию зависимости энергетических характеристик параметрических гидролокационных систем от различных условии распространения звуковых волн в донных структурах.
Цель диссертационной работы.
Целью данной диссертационной работы является исследование влияния физических характеристик и свойств донных сред на их акустические параметры для повышения эффективности лоцирования донных отложений дистантными методами с помощью параметрических гидролокационных систем зондирования.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
1. Проанализировать теоретические модели физических процессов, происходящих в пористых водонасыщенных средах при распространении при распространении в них акустических волн.
2. Провести выбор и оптимизацию расчётной математической модели, способной решить задачу моделирования процессов, происходящих в пористой водонасыщенной среде при прохождении акустических волн.
3. Исследовать зависимость основных акустических параметров среды от характеристик компонент пористой водонасыщенной среды.
4. Исследовать зависимость основных акустических параметров среды от характеристик зондирующего акустического сигнала.
5. Исследовать энергетические характеристики параметрических гидролокационных средств при лоцировании пористых водонасыщенных сред.
6. Провести экспериментальное подтверждение полученных расчётных характеристик.
7. Внедрить методы расчёта параметров пористых водонасыщенных сред для гидроакустических средств классификации донных грунтов
Научные положения выносимые на защиту:
1. Физическая модель процесса распространения акустических волн в пористых водонасыщенных средах.
2. Методика расчёта акустических параметров пористых водонасыщенных сред, с различным составом компонент.
3. Методика расчёта зависимостей акустических параметров пористых водонасыщенных сред при варьировании характеристик зондирующего акустического сигнала.
4. Результаты исследований зависимостей основных акустических параметров пористых водонасыщенных сред от различных характеристик зондируемой среды и параметров акустического поля.
5. Методика расчёта энергетических характеристик параметрических антенн на основе расчетных акустических параметров донных осадков.
6. Результаты экспериментальных исследований акустических параметров донных осадков на основе спектрограммы отраженных сигналов.
Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:
1. На основе модели Био разработана физическая модель процессов, происходящих в пористых водонасыщеиных средах при распространении в них акустических волн.
2. Проведены теоретические исследования акустических параметров пористых водонасыщенных сред в зависимости от их компонент на основе различных моделей расчёта параметров пористых сред.
3. Получены аналитические выражения, позволяющие анализировать зависимость акустических параметров пористых водонасыщенных сред от характеристик компонент донных осадков и компонент акустического поля.
4. Показана возможность использования полученных расчётных выражений для повышения эффективности определения энергетических характеристик параметрических антенн при лоцировании донных осадков по отраженному акустическому сигналу, на основе расчёта акустических параметров пористых водонасыщенных сред.
Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе, состоит в следующем:
• получены новые знания о процессах взаимодействия акустического сигнала с пористыми водонасыщенными средами донных фунтов;
• разработан алгоритм расчёта основных акустических параметров пористых водонасыщенных донных структур на основе теории Био;
• показаны пути повышения информационного качества акустического сигнала, получаемого на основе стандартного гидроакустического оборудования;
• предложена оптимальная структурная схема для решении задач донного профилирования.
Во введении рассмотрены актуальность темы и цель диссертационной работы, обозначены задачи, которые необходимо решить для достижения
поставленной цели, приведены результаты работы, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая ценность работы, а также реализация результатов работы, апробация и результаты научной деятельности соискателя.
В первой главе выполнен обзор методов определения параметров пористых водонасыщенных сред. Рассмотрены основные модели расчёта параметров пористых водонасыщенных донных грунтов. Выполнен сравнительный анализ значений некоторых параметров среды рассчитанных с помощью различных теоретических моделей. Описаны основные физические и акустические свойства донных грунтов. Показана связь между параметрами водонасыщенных осадков и параметром нелинейности процесса распространения звуковых колебаний в среде.
Во второй главе представлено математическое описание теоретической модели, основанной на теории Био, для определения параметров среды акустическими методами. Рассмотрены соотношения напряжения и деформации в акустическом поле для упругих сред, уравнения движения и волновые уравнения, описывающие процесс распространения звука, для жидкости и пористой среды. Описаны принципы расчёта акустического импеданса жидкости и высокопористых материалов при нормальном падении звуковой волны, а также коэффициентов отражения и поглощения средой звуковых колебаний при нормальном их падении. Получены расчетные формулы для основных частотно зависимых параметров пористой водонасыщенной среды: эффективной плотности, модуля объемной упругости, скорости распространения звуковых колебаний в пористой водонасыщенного среде, характеристического и поверхностного импеданса пористой водонасыщенной среды для жесткой и упругой рамы материала, а также коэффициентов отражения и поглощения средой акустических колебаний.
В третьей главе на основе полученных теоретических исследований, проведено модельное исследование акустических параметров пористых водонасыщенных фунтов при изменении их основных характеристик. Исследовано влияние пористости скелета и вязкости заполняющей его жидкости на изменение, в широком диапазоне частот, параметров пористых
водонасыщенных сред таких как: эффективная плотность среды, модуль объёмной упругости, скорость распространения звука в среде, характеристический и поверхностный импеданс среды, а также коэффициент отражения и поглощения средой акустических колебаний. Исследованы зависимости основных акустических параметров песчаных водонасыщенных сред, таких как поверхностный импеданс, коэффициенты отражения и поглощения материала от толщины слоя на различных частотах сигнала для жёсткой и упругой рамы. Представлены результаты исследования влияния толщины слоя песчаной водонасыщенной среды с жёсткой и упругой рамой на значения величин поверхностного импеданса, коэффициентов отражения и поглощения средой звуковых колебаний.
В четвертой главе проведено исследование энергетических
характеристик параметрических антенн при лоцировании пористых водонасыщенных сред. Представлены основные принципы расчета энергетической дальности действия параметрических гидролокаторов в водной среде и рассчитаны энергетические характеристики параметрического
профилографа для исследования пористых водонасыщенных донных структур. Произведён расчет оптимальных энергетических характеристик
гидроакустического профилографа, требуемых при лоцировании слоя песчаной водонасыщенной донной структуры. Проведен анализ полученных результатов.
В пятой главе проведено исследование зависимости излучаемой акустической мощности, необходимой для эффективного лоцирования донных структур, от различных характеристик среды и параметров акустического сигнала. Выполнен сравнительный анализ полученных результатов с полученными ранее экспериментальными данными. Предложен принцип построения параметрического профилографа, способного обеспечит наилучшие возможности для исследования пористых водонасыщенных донных структур. Приведена его структурная схема.
В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.
Приложение содержит акты внедрения и использования результатов работы, результаты математического моделирования процесса распространения акустических колебаний в пористых водонасыщенных средах и расчёта энергетических характеристик параметрических антенн, в виде компьютерных прщрамм написанных в программных обеспечениях MatLab 6.1 и MathCad 2001 Professional.
Реализация результатов работы.
Разработанные в диссертации модели, методы и полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в научно-исследовательских работах кафедры ЭГА и МТ ТРТУ. Научные и практические результаты, полученные в диссертации, внедрены на предприятиях и в организациях: 111111 «НЕЛАКС» (г. Таганрог), НОЦ ММЭС (г. Таганрог), а также используются в учебном процессе подготовки студентов в Таганрогском государственном радиотехническом университете.
Апробация:
Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
- 45-й, 46-й, 47-й студенческих научных конференциях, ТРТУ, Таганрог, 1998, 1999, 2000 гг.;
- Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых учёных и специалистов «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы - Биомедсистемы-99». Рязань: РГТА, 1999;
- Шестой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва: МЭИ, 2000;
- V Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления -КРЭС 2000». Таганрог: ТРТУ, 2000;
- Шестой международной научно-технической конференции - «Актуальные проблемы твёрдотельной электроники и микроэлектроники - ПЭМ-99». Таганрог: ТРТУ, 2000;
- Научной конференции с международным участием «Экология 2000 - море и человек», Таганрог: ТРТУ, 2000;
- Научно-технической конференции «Медицинские информационные системы - МИС-2000». Таганрог: ТРТУ, 2000;
- Второй Всероссийской научной конференции с международным участием «Экология 2002 - море и человек». Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2002;
- Научно-технической конференции «Нелинейные акустические системы «НЕЛАКС - 2003». Таганрог, ТРТУ, 2003;
- На ХЫХ научно-технической и научно-методической конференций профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТРТУ. Таганрог, ТРТУ, 2004;
Объём и структура работы:
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы и приложения. Содержание диссертации изложено на 210 страницах и включает 95 рисунков и 126 наименований отечественной и зарубежной литературы.
*
*
1. ОБЗОР МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОРИСТЫХ
ВОДОНАСЫЩЕННЫХ СРЕД
1.1. Модели расчёта параметров водонасыщенных грунтов
При проведении любого рода акустических исследований необходимо как можно больше знать об объекте исследования, и в особенности о физикомеханических параметрах изучаемой среды. В этом плане возникает важная задача для исследователя - правильно предсказать, а точнее просчитать реакцию той или иной структуры на воздействие акустических колебаний звукового поля, распространяющихся в среде. Иногда, от исследователя даже не требуется нахождения точного значения какой-либо конкретной величины, её можно измерить прямыми методами, а необходимо лишь знать зависимость исследуемого параметра от конкретных характеристик среды (например: плотности, сжимаемости, пористости, извилистости и т.д.).
Наибольший интерес и наименее изученную область в подводной акустике представляют исследования поведения звуковой волны, распространяющейся в пористых водонасыщенных средах, например, таких как вода-песок [48,53,54]. Изучение структур донных осадков, их состава и физико-химических свойств невозможно без знания механических, термических и динамических параметров объекта наблюдения. Большую сложность при решении подобной задачи представляют огромное количество факторов, от которых зависит поведение исследуемого объекта, его реакция на воздействие звуковой волны, а также поведение самой звуковой волны при взаимодействии её с объектом.
Кроме того, одной из основных проблем при подводном акустическом зондировании, являются наличие существенных неоднородностей донных структур, наиболее часто встречающимися представителями которых являются пористые водонасыщенные среды. Более того, возможность наличия в озвучиваемом объёме одновременно, например, эластичной песчаной массы и спекшейся жесткой кварцевой породы, создают дополнительные сложности при акустическом исследовании донных структур. Это объясняется тем, что
основные физико-механические параметры обоих сред, могут быть очень близки, а главную роль здесь будет играть только вид скелета (или рамы) твёрдой среды, в которой распространяются звуковые колебания и его реакция на акустическое воздействие.
Существуют различные подходы к описанию процесса распространения и рассеяния звука в донных осадках, которые, как уже отмечалось, имеют очень сложную внутреннюю структуру. Для описания их физических свойств на микронеоднородном уровне требуется огромное количество параметров, относящихся к отдельным частицам (размеры, форма, химический состав и другие) и их статистическим характеристикам, характеру взаимодействия между ними и т.д. Описание такого процесса на математическом уровне практически не является возможным в связи с тем, что вероятность присутствия в определенной точке реальной среды частицы известного происхождения, формы, размера и механических свойств, стремится к нулю. В реальных расчетах используются более приближенные модели, описывающие распространение акустических колебаний в среде, но не учитывающие микро неоднородности среды, однако целью всех этих моделей является учёт наибольшего числа параметров среды, для получения более достоверных сведений от математического прогнозирования.
Хороших успехов в области исследования прохождения звука в пористых газо-насыщенных средах, например, таких как стекловолокно в воздухе [67], достигли ряд зарубежных [61-75,86,96] и отечественных учёных [8,10,11,16]. Как отдельное направление, Био [71-75] была сформирована модель для исследования влияния пористой структуры осадков на распределяющиеся в них акустические колебания. Различные аспекты моделирования процесса распространения и рассеяния акустических волн в морских осадках и грунтах различного типа можно найти, также, в работах [1,8,45,61,71-75,89].
Наиболее подробно, теория Био была развита Аллардом [61-66] и рядом других исследователей [85,86,95-102,117-120]. Основная сложность, возникающая при использовании этой модели, заключается в том, что практически никто из этих авторов не занимался исследованием поведения
звуковой волны в пористых водонасыщенных средах, а наибольшее внимание уделялось пористым газо-насыщенным средам. Это образовало некоторую брешь в изучении данного вопроса применительно к жидкостям и практически полное отсутствие теоретических и экспериментальных результатов в этой области. В основном модель Био использовалась лишь при проверке возможности сё применения к пористым водонасыщенным средам и, надо заметить, что такая возможность подтвердилась [24,61,85,86,78,79], а вот подробных сведений о характере поведения параметров среды под действием акустического поля нет, и редкие публикации [18-22, 76,94,97,100,110,112] по этой тематике не дают общего представления об исследуемом вопросе.
Главное достоинство рассматриваемой модели заключается в наиболее полном учёте основных параметров, влияющих на поведение звукового поля в пористых средах.
Среди основных величин, характеризующих любую пористую газо- или водонасыщенную среду, можно выделить несколько основных акустомеханических параметров, таких как: скорость распространения
звуковой волны в среде, сопротивление определённого слоя рассматриваемой среды акустическому воздействию (акустический импеданс), а также коэффициенты сжимаемости, поглощения, отражения и рассеяния звука данной средой.
В случае не слишком высоких частот, осадки могут рассматриваться как некоторая "эффективная" сплошная среда, жидкая или упругая, с параметрами, которые могут изменяться в пространстве. Для описания акустических свойств жидких (неконсолидированных) осадков достаточно двух параметров, например плотности и сжимаемости, или плотности и скорости звука. Для упругого дна таких параметров три: плотность и скорости двух разных типов волн, продольных и сдвиговых. При этом, для учета поглощения акустических колебаний в среде, скорости распространения волн, а в некоторых случаях и плотность, считаются комплексными. Некоторые исследования [3] выявили эмпирические соотношения между этими параметрами, а также их связи с наиболее существенными физико-механическими свойствами осадков, их
пористостью, размером частиц, извилистостью структуры и т.д. Эти взаимосвязи, естественно, не являются жесткими, а лишь приближенно описывают соотношения между небольшим числом параметров в реально многопараметрической среде. Однако они позволяют, зная величину одного из параметров, предсказывать с наибольшей вероятностью значения и возможные пределы изменений других параметров.
В настоящее время остаются пока недостаточно изученными эффекты, связанные с проникновением звука в осадки и его рассеянием при малых, меньших критического, углах скольжения, наблюдаемые, например, в районах с песчаным дном. Частично увеличение проникновения звука в осадки удается объяснить наличием неровностей поверхности дна [19,21], как крупно-, так и мелкомасштабных. Заметим, что такое увеличение рассеяния может наблюдаться и в районах с выровненным дном. В некоторых случаях это может быть вызвано присутствием в осадках газовых пузырьков. Существуют также попытки объяснить этот эффект на качественном уровне, в рамках модели Био, возбуждением в осадках второго типа продольных волн - медленных волн Био [85,86]. Однако надежных измерений этих волн и их основных параметров в реальных осадках пока недостаточно для количественного объяснения наблюдаемого эффекта.
Влияние величины сдвиговой упругости донных структур на значение коэффициента рассеяния акустического сигнала от дна изучалось в работе [97], где исследовались характеристики рассеяния для различных типов дна, от песка до базальта. Было показано, что сдвиговыми эффектами в песках можно пренебречь. Для консолидированных и скальных грунтов эти эффекты являются определяющими и приводят, к усилению роли объемного рассеяния. Это объясняется "смягчением" границы раздела, увеличивающим проникновение первичного поля в грунт.
С понижением частоты проникновение звука в грунт растёт и влияние стратификации (зависимости средних параметров дна от глубины) вследствие регулярной рефракции, отражения внутренними границами раздела, рассеяния неровностями и объёмными неоднородностями глубоких слоёв дна возрастает.
Случай объёмного низкочастотного рассеяния звука флуктуациями скорости звука был рассмотрен в работе [20]. В этой работе было получено выражение для коэффициента рассеяния от произвольной слоистой жидкой среды. В работах [99,105] изучались различные модели слоистых сред с неровными внутренними границами раздела. Общим эффектом в низкочастотном рассеянии от слоистых осадков является осциллирующий характер частотноугловых зависимостей коэффициента рассеяния, причем масштабы осцилляций определяются интерференционными соотношениями и зависят от параметров слоистой структуры осадков.
В осадках, как сплошной среде, существует два основных типа нерегулярностей (возмущений), которые могут быть причиной рассеяния звука: объёмные неоднородности и неровности границ, причём как поверхностные (вода - осадки), так и внутренние (стратификация осадков и т.п.) Необходимые данные уже имеются для неровностей поверхности дна, однако они практически отсутствуют для внутренних границ раздела. Недостаточно данных и для статистического описания объёмных неоднородностей толщи осадков.
Рассеяние звука на границах раздела двух сред существенно влияет на формирование акустических полей в океане. Во многих случаях оно является основной причиной реверберационных помех, ограничивающих действие различных гидроакустических средств. Однако, рассеянные дном сигналы несут в себе также полезную информацию о его свойствах, рельефе и внутренней структуре, что может быть использовано для дистанционного определения различных параметров дна. Модель рассеяния при этом обеспечивает необходимые взаимосвязи между характеристиками рассеянного поля и свойствами рассеивающей донной среды.
Теоретические и экспериментальные исследования последних десятилетий существенно расширили представления о характере взаимодействия звука с дном. Соответственно изменились требования, как к теоретическим моделям рассеяния, так и к постановке экспериментов, обработке и интерпретации их результатов. Например, в экспериментальной практике рассеивающие свойства
дна традиционно характеризовались коэффициентом рассеяния, описывающим угловое распределение интенсивности некогерентной компоненты рассеянного поля в дальней зоне относительно озвученного участка дна. При этом в методах его измерения существенно использовалось предположение о локальноповерхностном однолучевом характере донного рассеяния. Однако исследования последних лет показали, что во многих случаях оказываются существенными эффекты нелокального многолучевого взаимодействия звука с дном, связанные со сферичностью падающей на дно волны, ее рефракцией, отражением и рассеянием в осадочной толще. Использование же прежних предположений приводит с одной стороны к потере информации о тонкой частотно-угловой структуре рассеянного поля [19,20], а с другой стороны к неправильной нормировке интенсивности рассеянного поля, в результате чего измеряемый "коэффициент рассеяния" оказывается зависящим не только от частоты звука и углов его падения и рассеяния, но и от других параметров геометрии эксперимента, например от площади озвученного участка и/или от расстояния до поверхности дна.
Полное описание рассеяния звука может быть дано с помощью его интегрального разложения по плоским монохроматическим волнам, в терминах так называемой амплитуды рассеяния. Через ее статистические моменты (функции когерентности) выражаются все основные характеристики рассеянного поля: коэффициенты когерентного отражения и некогерентного рассеяния, любые статистические характеристики эхо для произвольного зондирующего сигнала, в том числе широкополосного. Амплитуда рассеяния зависит от углов падения и рассеяния волны и её частоты и содержит полную информацию о рассеивающих и, связанных с ними в рамках модели рассеяния, различных физических свойствах дна.
Основные результаты работы по расчёту вышеперечисленных параметров опубликованы в работах Allard J.F. [61-66] и Biot М.А. [71-75], а также продолжаются рядом учёных Depollier С., Guignouard P., Rebillard Р. [64], Atalla N., Panneton R. [113] и Debergue Р J. [67], публикующих свои работы и сегодня. Среди авторов, которые заинтересовались поведением звука конкретно в