Список сокращений 3
Введение 4
1. Распространение акустических волн в море
1.1 Скорость звука, распространение и отражение акустических
волн 6
1.2 Современные исследования особенностей распространения
акустических сигналов 12
1.3 Современные исследования в области акустики в Баренцевом
море 17
2. Материалы и методы 20
2.1 Описание исходных данных 20
2.2 Метод расчета скорости звука 21
2.3 Метод построения акустических лучей 22
2.4 Метод построения распространения лучей, идущих ко дну 27
3. Моделирование акустических сигналов в Баренцевом
море 31
3.1 Пространственное распределение температуры воды,
солености и скорости звука 31
3.2 Распространение акустических волн в разных условиях
среды 35
3.3 Распространение акустических волн в Баренцевом море 47
Заключение 52
Список использованных источников 54
Приложение А. Координаты точек разреза с максимальными глубинами 58
Приложение Б. Программа расчета акустических лучей 59
Акустические волны распространяются в толще океана на большие расстояния. Акустика океана - сравнительно новая часть океанологии и приобрела большое прикладное значение. В большинстве морей и океанов имеется постоянно действующий фактор, повышающий эффективность акустических средств, - подводный звуковой канал, по которому звук может распространяться с малым ослаблением на весьма большие расстояния. Также существуют большое количество факторов, которые ухудшают распространение звука под водой, такие как неровности поверхности воды и дна, а также различные неоднородности толщи воды. Поэтому акустика океана играет важную роль в процессе освоения и изучения океана. В научной литературе недостаточно исследований об особенностях распространения акустических сигналов в шельфовых морях.
Баренцево море имеет большое значение для транспорта и для рыболовства, здесь расположены крупные порты. Неоднородный рельеф дна значительно влияет на распространения акустических лучей, он значительно неоднороден, пересечен подводными возвышенностями, впадинами и желобами. Поступления вод из других бассейнов и неровный подводный рельеф создают неоднородные водные массы, которые значительно ослабляют распространение акустических сигналов.
Научная работа, посвященная особенностями распространения акустических сигналов в Баренцевом море, является актуальным исследованием. В условиях изменения климата Баренцево море подвергается существенными изменениями, которые влияют на акустические свойства морской среды. Благодаря современным технологиям модернизация методов исследования позволяет получать более точные данные о распространении акустических сигналов. Данные факторы играют важную роль для исследования состояния среды и возможности устойчивого развития региона.
Цель исследования: оценка распространения акустических лучей для разных гидрологических и морфологических условий на примере Баренцева моря.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- анализ современных исследований по распространению акустических сигналов в Баренцевом море;
- подготовка массива гидрофизических параметров на основании данных реанализа;
- подготовка программы расчета распространения акустических сигналов;
- описание особенностей распространения акустических сигналов в Баренцевом море;
- изучение влияния температуры, солености и давление на распространение акустических сигналов;
- прогнозирование путей распространения акустических сигналов в различных районах Баренцева моря;
- влияние подводного рельефа в море на траекторию распространения сигнала.
Район исследования- Баренцево море.
Предмет исследования -распространение акустических сигналов в толще воды.
В ходе работы была разработана программа Matlab для моделирования распространения акустических волн и оценки уровней сигналов с учетом отражения и преломления лучей за счет изменения амплитуд и углов лучей по закону Снеллиуса. Также в программе учитывалось отражения лучей от дна в зависимости от рельефа и типа грунта.
В ходе научного исследования было поставлено 3 эксперимента. В первом эксперименту акустические лучи распространялись по плоскому дну и по наклонному дну. В ходе сравнения разницы акустического давления сигнала сигнала для двух случаев показал, что колебания различий сигналов менялся от 1 до -0,5 дБ до расстояния 2500 м. От расстояния 2500 м до 1 км и 500 м различия сигнала менялась от 0,5 до -0.2 дБ. После - различия в сигнале варьировались от 0.9 до -0.5 дБ. Часть акустических волн распространялась без отражения от поверхности и дна так как источник звука установлен вблизи оси ПЗК второго типа.
Во втором эксперименте было поставлено условие, что морская среда изменчива по температуре и солености, а значит на распространение акустических волн влияло изменение вертикального профиля скорости звука. Рельеф дна также неоднороден по пространству с донными осадками в виде песка. При переходе от одной среды к другой акустические лучи, которые не отражались от дна и поверхности, за счет преломления начали распространятся в сторону дна и отражаться от него. При сравнении разницы уровней сигнала для ровного дна и неоднородной среды показал, что сигнал менялся от 0,2 до 0,6 дБ.
В ходе сравнения эксперимента 1 и эксперимента 2 были сделаны выводы, что если необходимы примерные оценки уровня сигнала, то можно не учитывать влияние дна и изменения скорости звука. Такой вариант можно использоваться если рельеф не сильно меняется, а также профили скорости звука.
Эксперимент 3 ставился для учета влияния характера донных осадков. Тип грунта поменялся с песка на ил. Траектория распространения акустических волн, построенных методом лучевой акустики, в сравнении с предыдущими экспериментами не поменялась. При удалении от источника сигнал быстрее ослаблялся для илистых донных отложений, чем для песчаных. После 1 км на поверхности образовалась акустическая тень.
Рассматривалось распространение акустических волн в Баренцевом море на двух разрезах с различием влияния течений: на разрез 1 влияют теплые атлантические воды, для разреза 6 - арктические. В обоих случаях источник звука был на глубине, где скорость звука меньше скорости звука на поверхности и лучи с малым углом от источника не отражались от поверхности, а только от дна. Уровень акустического давления сигнала при удалении от источника плавно ослабляется для акустических лучей, распространяющиеся от 50 м до дна. На распространение лучей в разрезе 6 рельеф дна сыграл важную роль при изменении уровня сигнала. Из-за резкого понижения глубины после 1 км сигнал начал уменьшаться и достиг уровня до - 60 и -70 дБ.
Таким образом установлено, что параметры морской среды и рельефа дна оказывают существенное влияние на распространение акустических волн и сигналов.
