Взаимодействие потоков энергии акустических полей в океаническом волноводе
Векторная акустика океана — самостоятельное успешно развивающееся новое направление в современной подводной физической акустике. Развитие векторной акустической измерительной многоканальной техники, с внедрением в нее цифровых методов обработки информации в реальном времени, открывает перед данным направлением широкие возможности для развития акустического мониторинга океана. Как известно… Читать ещё >
Содержание
В двадцатом столетии, особенно во второй его половине, акустика океана развивалась чрезвычайно интенсивно, о чем говорят многочисленные публикации и научные конференции по данной тематике. Необходимо отметить две фундаментальные коллективные монографии, имеющие одинаковые названия «Акустика океана», которые характеризуют уровень современной подводной физической акустики. Первая ~ «Акустика океана» написана ведущими советскими учеными, выпущенная издательством «Наука» в 1974 г. под редакцией JI.M. Бреховских. Вторая — «Ocean Acoustics» (Edited by J.A. De Santo) написана группой ведущих американских специалистов (русский перевод: «Акустика океана», издательство «Мир», 1982 г., под редакцией проф. Кравцова Ю.А.). Как отечественная, так и переводная «Акустика океана» до настоящего времени не утратили своей актуальности и определяют уровень современной подводной акустики, основанной на измерении скалярной величины акустического давления.
В данной диссертации излагаются обнаруженные автором в глубоком открытом океане и его прибрежных зонах физические явления, связанные с векторным характером акустической интенсивности. Естественно, что подобные явления не обсуждаются ни в отечественной «Акустике океана», ни в переводной «Ocean Acoustics».
Следует отметить также две значительные отечественные монографии в области векторной акустики. Первая — «Векторно-фазовые методы в акустике» (Гордиенко В.А., Захарова JI.H., Ильичева В. И. издательство «Наука», 1989 г.) — вторая — «Комбинированные гидроакустические приемники» (Скребнев Г. К., издательство «Элмор», 1997). В работе «Векторно-фазовые методы в акустике» обсуждаются общие принципы векторно-фазового метода и ранние исследования в данной области. Книга «Комбинированные гидроакустические приемники» является уникальным пособием по расчету и конструированию комбинированных приемников. В зарубежной научной литературе подобных изданий не существует.
К настоящему времени проведено значительное число как экспериментальных, так и теоретических исследований по векторным характеристикам акустического поля океана, но они разбросаны по различным изданиям и не систематизированы. В данной диссертации приведена часть результатов многолетних исследований автора. Полностью они изложены в монографии «Векторная акустика океана». По мере необходимости результаты исследований других авторов также будут обсуждаться в данной диссертации, в первую очередь это относится к работам В. А. Киршова и G.L. D’Spain et al.
Актуальность научного направления
В диссертационной работе развивается направление подводной физической акустики — векторная акустика океана. Основа становления нового научного направления в современной подводной физической акустике обусловлена векторной природой акустической интенсивности. Описание акустического поля (например, поля подводного окружающего шума), связанное с использованием только акустического давления (на основе скалярной интенсивности), неполно, поскольку не учитывает тех свойств акустического поля, которые могут вытекать, из векторной природы акустической интенсивности. s Известно, что для полного описания движение жидкости необходимо знание следующих величин: трех компонент вектора скорости жидкости и каких-либо ее двух термодинамических величин, например давления и плотности (Ландау Л.Д., Лифшиц Е. М. «Гидродинамика», 1986 г.). В случае акустики достаточно знание четырех физических величин: трех ортогональных компонент вектора колебательной скорости частиц среды и акустического давления. При измерениях четырех компонент акустического поля существует возможность исследовать не только вектор интенсивности, но и ряд других характеристик акустического поля, например плотности кинетической и потенциальной энергий, диффузные и когерентные свойства поля, разностно-фазовые соотношения, поляризацию вектора колебательной скорости, определять направление на источники звука из одной точки наблюдения и т. д. За рубежом такие исследования получили название метода измерения акустиче-ф ской интенсивности. В отечественной научной литературе эта область исследований называется векторно-фазовым методом, что отражает только технологическую направленность исследований. Логично данное направление физической акустики называть векторной^укустикой, что и предлагает диссертант.
Экспериментальные работы, выполненные до 1980 г. в области векторной акустики (Ржевкин С.Н., Захаров JI.H., Киршов В.А.), проводились в основном в мелких пресноводных водохранилищах с илистым дном. Ранние образцы комбинированной измерительной техники были созданы диссертан- том в 1978—1980 гг. Они позволили проводить исследования в глубоком открытом океане и прибрежных зонах.
Список литературы
- БендатДж., ПирсолА. М.: Мир, 1983. 321 с.
- Бреховских JI.M. Волны в слоистых средах. М.: Наука, 1957. 501 с.
- Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970. 855 с.
- Гордиенко В.А., Ильичев В. И., Захаров JI.H. Векторно-фазовые методы в акустике. М.: Наука, 1989. 223 с.
- Исакович М.А. Общая акустика. М.: Наука, 1973. 495 с.
- Кей С.М., Марпл C.JI. Современные методы спектрального анализа: Обзор // ТИИЭР. 1981. Т. 69, № 11. С. 5−51.
- Ландау Л.Д., Лифшиц ЕМ. Гидродинамика. М.: Наука, 1986. 736 с.
- Макклеллан Дж.Х. Многомерный спектральный анализ // ТИИЭР. 1982. Т. 70, № 9. С. 139−152.
- Мальцев Н.Е. Акустика океанической среды / Под ред. Л. М. Бреховских. М.: Наука, 1989. С. 4−10.
- Рытое С.М., Кравцов Ю. А., Татарский В. Н. Введение в статистическую радиофизику. Ч. 2. М.: Наука, 1978. 463 с.
- Умов Н.А. О движении энергии в телах: Дис. Одесса, 1873.
- Birkhoff G. Computational ocean acoustics: The invited lectures from workshop held at Yale university, Aug. 1−3, 1984 // Comput. and Math. Appl. 1985. V. 7/8. 89lp.
- Cron В., Sherman Ch. Spatial-correlation functions for noise models // J. Acoust. Soc. Am. 1962. V. 34, N 11. P. 1732−1736.
- Pisarenko V.F. On the Estimation of Spectra by Means of Nonlinear Functions on the Covariance Matrix I I Geophys. J. Roy. Astron. Soc. 1972. V. 28. P. 511−531.
- БлохинцевД.Н. Акустика неоднородной движущейся среды. М.: Наука, 1981.206 с. л
- Боббер JI. Гидроакустические измерения. М.: Мир, 1974. 362 с.
- Жуков А.Н., Иванников А. Н., Исаев В. В., Нюнин Б. Н., Тонаканов О. С., Ширяев А. В. Датчик для акустических измерений // X Всесоюзная акустическая конференция. ППу-1−5. М., 1983. С. 59−61.
- Захаров JI.H., Ржевкин С. Н. Векторно-фазовые измерения в акустических полях // Акуст. журн. 1974. Т. 20, вып. 3. С. 393−401.
- Захаров JI.H., Щуров В. А. Исследование шумов океана векторно-фазовыми методами: Отчет по НИР «Метрология». Фонды ТОЙ ДВО РАН. Владивосток, 1980. 101 с.
- Захаров JI.H. Векторно-фазовые измерения в акустике // Труды Седьмой всесоюзной конференции по информационной акустике. М.: АКИН, Ми-РЭА, 1982. С. 31−51.
- Захаров JI.H., Ильичев В. И., Ильин С. А., Щуров В. А. Векторно-фазовые измерения в акустике океана // Проблемы акустики океана / Под ред. Брехов-ских Л.М., Андреевой И. Б. М.: Наука, 1984. С. 192−204.
- Иванов В.Е. Анализ влияния подвески векторного приемника на его характеристики // Акуст. журн. 1988. Т. 34, вып. 1. С. 95−101.
- Ильичев В.И., Щуров В. А., Дзюба В. П. Исследование поля акустических шумов океана веьсгорно-фазовыми методами // Акустика океанической среды. М.: Наука, 1989. С. 144−152.
- Ржевкин С.Н. Курс лекций по теории звука. М.: Изд-во МГУ, 1960.336 с.
- Ржевкин С.Н. О колебаниях тел, погруженных в жидкость, под действием звуковой волны//Вестн. МГУ. 1971. № 1. С. 52−61.
- Скребнев Г. К. Комбинированные гидроакустические приемники. СПб.: Элмор, 1997. 200 с.
- УрикР.Д. Основы гидроакустики. Л.: Судостроение, 1978. 433 с.
- Фурдуев А.В. Шумы океана // Акустика океана / Под ред. Бреховских Л. М. М.: Наука, 1974. С. 615−692.
- Фурдуев А.В. Спектры шумов океана и псевдозвуковые помехи звуко-Ш приему // Вопросы судостроения. Акустика. ЦНИИ «Румб». 1978. Вып. 10.1. С. 45−51.
- Харкевич А.А. Теория преобразователей. М.: Госэнергоиздат, 1948.191 с.
- Хортон Д.У. Основы гидролокации. Л.: Судостроение, 1961. 484 с.
- Щуров В.А. и др. Устройство для измерения параметров источников шума// АС СССР № 953 468, бюллетень № 31.1982.
- Щуров В.А. и др. Глубоководная телеметрическая вертикальная система // Труды Всесоюзного семинара-совещания «Глубоководные системы и компоненты». Черкассы, 1986. С. 85−87.
- Щуров В.А. Научно-технический отчет о работах в 9-м рейсе НИС «Акад. М.А. Лаврентьев». Фонды ТОЙ ДВО РАН. Владивосток, 1988. 192 с.
- Щуров В.А., Дзюба В. П., Кулешов В. П. Исследование поля акустического шума океана векторно-фазовыми методами // Применение векторно-фазового метода в акустике океана. Владивосток: ДВО АН СССР, 1989. С. 5−48.
- Щуров В.А. Научно-технический отчет о работах в 14-м рейсе НИС «Акад. А. Виноградов». Фонды ТОЙ ДВО РАН. Владивосток, 1989. 251 с.
- DSpain G.L., Hodgkiss W.S., Edmonds G.L. The simultaneous measurement of infrasonic acoustic particle velocity and acoustic pressure in the ocean by freely drifting Swallow floats // IEEE J. Oceanic. Eng. 1991. V. 16 (2). P. 195−207.
- Gade S. Sound Intensity // Bruel and Kjaer. Technical Review. 1982. N 4. m P.3−25.
- Lewandowski L.M. Acoustic Transducing System. United States Patent. 1978. N 930, 829.
- Shchurov V.A. Coherent and diffusive fields of underwater acoustic ambient noise //J. Acoust. Soc. Am. 1991. V. 90 (2), pt 1. P. 991−1001.
- Shchurov V.A. Modern State and prospects for use of underwater acoustic intensity measurement. Preprint / POI FEB RAS. Vladivostok, 1998. 47 p.
- Аредов A.A., Дронов Г. М., Фурдуев A.B. Влияние ветра и внутренних волн на параметры шумов океана//Акуст. журн. 1990. Т. 36, вып. 4. С. 581−585.
- Биркгоф Г. Гидродинамика. М.: Изд-во иностр. лит., 1963. 201 с.
- Ильичев В.И., Щуров В. А., Кулешов В. П., КуяноваМ.В. Взаимодействие потоков акустической энергии окружающих шумов и локальных источников в океаническом волноводе. Препринт / Тихоокеан. океанол. ин-т ДВО РАН. Владивосток, 1990. 22 с.
- Курьянов Б.Ф. Подводные шумы океана // Акустика океана М.: Наука, 1982. С. 164−174.
- Курьянов Б. Ф. Развитие представлений о низкочастотных шумах океана за 50 лет // Акустика океана: Сб. тр. школы-семинара акад. JI.M. Бреховских. М.: ГЕОС, 1998. 360 с.
- Монин А.С., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. М.: Наука, 1965. 640 с.
- Фурдуев А.В., Аредов А. А., Охрименко Н. Н. Влияние шквалов и ветровых порывов на флуктуации уровней подводного шума // Акуст. журн. 1998. Т. 44, № 3. С. 412-^18.
- Щуров В.А. и др. Взаимодействие потоков мощности подводных окружающих шумов и локального источника // Акуст. журн. 1991. Т. 37, вып. 1. С. 99−103.
- Щуров В.А. и др. Особенности формирования отношения сигнал/шум для комбинированного акустического приема в поле динамических шумов океана // Вестн. ДВО РАН. 1997. № 4. С. 62−74.
- Burgess A.S., Kewley D.J. Wind-generated surface noise source levels indeep water east of Australia // J. Acoust. Soc. Am. 1983. V. 73 (1). P. 201−210.
- Cotaras F.D., Fraser LA., Merklinger H.M. Near-surface ocean ambient noise measurements at very low frequencies // J. Acoust. Soc. Am. 1988. V. 83 (4). P. 1345−1359.
- D 'Spain G.L., Hodgriss W.S., Edmonds G.L. Energetics of the deep ocean’s infrasonic sound field // J. Acoust. Soc. Am. 1991. N 89(3). P. 1134−1158.
- Perrone A.J. Deep-ocean ambient noise spectra in the northwest atlantic // J. Acoust. Soc. Am. 1962. V. 46, N 3 (pt 2). P. 762−770.
- Shchurov V.A. et al. The interaction of energy flows of underwater noise and a local source //J. Acoust. Soc. Am. 1991. V. 90 (2). P. 1002−1004.
- Shchurov V.A. Ambient noise energy motion in the near-surface ocean layer // Recent Advances in Underwater Acoustics, Proc. I.O.A. 1991. V. 13, pt 3. Weymouth, UK. P. 250−256.
- Shchurov V.A., Ilyichev V.I., Khvorostov Y.A. Ambient noise anisotropy in horizontal plane // Proc. ICA-14, El-10. Beijing, China, 1992.
- Shchurov V.A., Ilyichev V.I. The Properties of the vertical and horizontal Power Flows of the underwater ambient noise // Natural Physical Sources of Underwater Sound. Kluwer Academic Publishers. 1993. P. 93−109.
- Shchurov V.A. et. al. The ambient noise energy motion in the near-surface in ocean wake-guide // Journal de Physique IV, Colloque C5, Supplement au Journal de
- Ш Physique III. France. 1994. V. 4. C. 5. P. 1273−1276.
- Shchurov V.A. et al. A possible mechanism of dynamic ambient ocean noise horizontal energy flow forming // Proc. I.O.A. Arrays and Beamforming in Sonar. University of Bristol. UK. 1996. P. 121−127.
- Shchurov V.A. et al. Peculiarities of forming underwater combined acoustic receiver noise immunity // Natural Physical Processes Associated with Sea Surface Sound. University of Southampton, UK. 1997. P. 28−35.
- Shchurov V.A. Up-to-Date State and Outlook for the Intensity Measurement Method in Underwater Acoustics // Proc. 16-th Intern. Congr. on Acoust / 2aUW21, USA. 1998. P. 989−990.
- Shchurov V.A. A Use of Acoustics Intensity Measurement Method in Underwater Acoustics (Modern Achievements and Prospects) // Proc. Euro-Noise 98. Munchen, Germany, 1998. V. 11. P. 859−864.
- Ильичев В.И., Кулешов В. П., Куянова M.B., Щуров В. А. Взаимодействие потоков мощности подводных окружающих шумов и локального источника // Акуст. журн. 1991. Т. 37, № 1. С. 99−103.
- ФурдуевВ.В. Электроакустика. М.- Л.: ГИТТЛ, 1948. 515 с.
- Аредов А.А., Охрименко Н. Н., Фурдуев А. В. Анизотропия шумового поля в океане // Акуст. журн. 1988. Т. 34, № 2. С. 215−221.
- Аредов А.А., Дронов Г. М., Охрименко Н. Н., Фурдуев А. В. Исследование пространственно-временной и частотной однородности флуктуаций шумов океана//Акуст. журн. 1996. Т. 42, № 2. С. 155−164.
- Бреховских Л.М., Лысанов Ю. П. Теоретические основы акустики океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. 264 с.
- Давидам И.Н., Лопатухин Л. И., Рожков В. А. Ветровое волнение как вероятностный гидродинамический процесс. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 286 с.
- Загородников А.А. Радиолокационная съемка морского волнения с летательных аппаратов. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 239 с.
- Копыл Е.А. Интенсивность звука, отраженного и рассеянного поверхностью океана//Проблемы акустики океана. М.: Наука, 1984. С. 143−152.
- Куръянов Б.Ф. Пространственная корреляция полей, излученных случайными источниками на плоскости // Акуст. журн. 1963. Т. 9, № 4. С. 441−448.277
- Филлипс О.М. Динамика верхнего слоя океана. М.: Мир, 1969. 267 с.
- Чупров С Д. О связи спектра сигнала, отраженного от взволнованной поверхности океана и спектра волнения в случае малых неровностей // Акуст. журн. 1978. Т. 24, вып. 1. С. 116−124.
- Щуров В.А. Современное состояние и перспективы измерения акустической интенсивности в подводной акустике // Тихоокеан. океанол. ин-т ДВО РАН. Владивосток, 1998. 44 с.
- Axelrod Е., Schoomer В., Von Winkle W. Vertical Directionality of Ambient Noise in the Deep Ocean at a Site near Bermuda // J. Acoust. Soc. Am. 1965. V. 37, N l.P. 77−83.
- Cox C.S., Munk W.H. Measurements of the roughness of the sea surface from photographs of the sun s glitter//J. Acoust. Soc. Am. 1954. V. 44. P. 838−850.
- Crawford G.B., Farmer D.M. On The Distribution of Ocean Bubbles // J. Geophysic. Res. 1987. V. 92, N C8. P. 8231−8243.
- Fox G. Ambient noise directivity measurements //J. Acoust. Soc. Am. 1968. V. 36, N8. P. 1537−1540.
- Heidsman Т., Smith R., Arneson A. Effect of upon underwater noise levels // J. Acoust. Soc. Am. V. 27. P. 378−379.
- Holford R.L. Scattering of sound waves at the ocean surface: A diffraction theory // J. Acoust. Soc. Am. 1981. V. 70. P. 1103−1115.
- Jensen F., Kuperman W., Porter M, Schmidt H. Computational ocean acoustics, AIP Press, 1994.
- Kuperman W" Ingenito F. Spatial correlation of surface generated noise in a stratified ocean // J. Acoust. Soc. Am. 1980. V. 67 (6). P. 1988−1996.
- Markis N.C., Ingenito F., Kuperman W.A. Detection of submerged object in-sonified by surface noise in an ocean waveguide// J. Acoust. Soc. Am. 1994. V. 96 (3) P. 1703−1724.
- Nystuen J. Rainfall measurements using underwater ambient noise // J. Acoust. Soc. Am. 1986. V. 79 (4). P. 972−982.
- Nystuen J., Farmer D. The influence of wind on the underwater sound generated by light rain // J. Acoust. Soc. Am. 1987. V. 82 (1). P. 270−274.
- Parkins B.E. Reflection and Scattering from a Time Varying Rough Surface — the Nearly Complete Lloyd’s Mirror Effect // J. Acoust. Soc. Am. 1971. V. 49 (5), N2. P. 1484−1490.
- Rosenberg A.P. A new rough surface parabolic equation program for computing low frequency acoustic forward scattering from the ocean surface // J. Acoust. Soc. Am. 1999. V. 105 (1). P. 144−152.
- Rudnick P., Anderson V.C., Becken B.A. Directional distribution of ambient sea noise // J. Radio Electronic Eng. 1963. V. 25 (5). P. 441−444.
- ScrimgerJ., Evans D., McBean G., Farmer D., Kerman B. Underwater noise due to rain, hail and snow // J. Acoust. Soc. Am. 1987. V. 81 (1). P. 79−86.
- Talham R. Noise correlation functions for anisotropic noise fields // J. Acoust. Soc. Am. 1981. V. 69 (1). P. 213−215.
- Williams R.G. Estimating ocean wind wave spectra by means of undrewater sound // J. Acoust. Soc. Am. 1973. V. 53 (3). P. 910−920.
- Отнес Р., Эноксон Л. Прикладной анализ временных рядов. М.: Мир, 1990.428 с.
- Смарышев М.Д., Шендров E.JI. Помехоустойчивость плоских антенн в анизотропном поле помех // Акуст. журн. 1985. Т. 31, № 4. С. 502−506.
- Смарышев М.Д. Справочник по гидроакустике. Л.: Судостроение, 1988. 549 с.
- Burdic W.S. Underwater Acoustic System Analysis. Prentice-Hall, INC. N.Y. 7 632, 1984. 391 p.
- Cray B.A., Nuttall A.H. Directivity factors for linear arrays of velocity sensors // J. Acoust. Soc. Am. 2001. V. 110, N 1. P. 324−331.
- DSpain G.L. et al. Initial Analysis of the Data from the Vertical DIFAR Array // IEEE, Reprinted from Proc. of Mastering the Oceans through Technology. Newport, 1992. P. 346−351.
- DSpain G.L. Polarization of Acoustic Particle Motion in the Ocean and its Relation to Vector Acoustic Intensity // 2-nd Inter. Workshop on Acoust. Engin. and Technology. Harbin, China, 1999. P. 143−164.
- Kevin J. В., Gerald C. Lanchll Development of a velocity gradient underwater acoustic intensity sensor // J. Acoust. Soc. Am. 1999. V. 106 (6). P. 3178−3188.
- Щуров В.А. Векторная акустика океана. Владивосток: Дальнаука. 2003. 307 с.
- Коренбаум В.И. Защита акустических устройств от ближних полей собственных помех. Диссертация. ТОЙ ДВО РАН. Владивосток. 1999. 322 с.
- Ламб Г. Гидродинамика. М.-Л: ОГИЗ, 1947. 928 с.