Линии равных фаз и фазовый инвариант в звуковом поле глубокого моря

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Выполнено исследование пространственно-частотных характеристик амплитуд и фаз звукового давления в глубоком море. Получены аналитические соотношения, позволяющие рассчитать и сравнить амплитудно-фазовые структуры водных, вытекающих и захваченных мод, а также поля звукового давления, образованного суммой мод. Расчеты выполнены с использованием модифицированного ВКБ (Вентцеля–Крамерса–Бриллюэна) приближения. Показано, что в глубоком море, как и в мелком, существуют устойчивые линии равных фаз, вдоль которых при определенных условиях возможно когерентное суммирование комплексных фурье-компонент. Для описания линий равных фаз получено дифференциальное уравнение, использующее в качестве базового параметра фазовый инвариант, уже исследованный в мелком море. Это позволило и для глубокого моря изучить свойства фазового инварианта, соответствующего водным, вытекающим и захваченным модам во всех зонах звукового поля. Установлено, что на разных расстояниях в построенном по сумме всех мод поле проявляются инвариантные свойства, прежде всего тех мод, которые на данных расстояниях доминируют. Показано, что сформированные в ближней зоне освещенности и в зоне тени вытекающие моды, образованные отраженными от дна крутыми лучами, обладают инвариантными свойствами только на больших расстояниях от источника. Водные и захваченные моды обладают инвариантными свойствами в полной мере и на всех расстояниях. Даются рекомендации по использованию линий равных фаз и фазового инварианта при обработке экспериментальных данных и моделировании.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. П. Аксёнов

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: skbmortex@mail.ru
Россия, Москва, 119991

Г. Н. Кузнецов

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН

Email: skbmortex@mail.ru
Россия, Москва, 119991

А. Н. Степанов

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева

Email: skbmortex@mail.ru
Россия, Самара, 443086

Список литературы

  1. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Наука, 1973. 343 с.
  2. Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана. М.: Наука, 2007. 370 c.
  3. Кацнельсон Б.Г., Петников В.Г. Акустика мелкого моря. М.: Наука, 1997. 193 с.
  4. D’Spain G., Kuperman W. Application of waveguide invariants to analysis of spectrograms from shallow water environments that vary in range and azimuth // J. Acoust. Soc. Am. 1999. V. 106. № 5. P. 2454–246
  5. Акустика океана. М.: Наука, 1974. 668 с.
  6. Распространение волн и подводная акустика. М.: Мир, 1980. 229 с.
  7. Ainslie M.A., Packman M.N., Harrison C.H. Fast and explicit Wentzel–Kramers–Brillouin mode sum for the bottom-interacting field, including leaky modes // J. Acoust. Soc. Am. 1998. V. 103. № 4. P. 1804–1812.
  8. Аксенов С.П., Кузнецов Г.Н. Амплитудная и фазовая структура низкочастотного гидроакустического поля в глубоком океане // Акуст. журн. 2021. Т. 67. № 5. С. 493–504. https://doi.org/10.31857/S0320791921040018
  9. Аксенов С.П., Кузнецов Г.Н. Оценка расстояния до источника в глубоком море с использованием пространственно-частотных характеристик интерференционного инварианта и эффективных фазовых и групповых скоростей // Акуст. журн. 2021. Т. 67. № 6. С. 603–616. https://doi.org/10.31857/S0320791921060010
  10. Аксенов С.П. Верификация вычислительной программы в модовом ВКБ-приближении для мелкого и глубокого морей // Доклады XVII школы-семинара им. акад. Л.М. Бреховских “Акустика океана”. М.: ИО РАН, 2020. С. 364–370.
  11. Чупров С.Д. Интерференционная структура звукового поля в слоистом океане // Акустика океана: современное состояние. М.: Наука, 1982. С. 71–91.
  12. Орлов Е.Ф., Шаронов Г.А. Интерференция звуковых волн в океане. Владивосток: Дальнаука, 1998. 195 с.
  13. Грачев Г.А. К теории инвариантов акустического поля в слоистых волноводах // Акуст. журн. 1993. Т. 39. № 1. С. 67–71.
  14. Aksenov S.P., Kuznetsov G.N. Determination of interference invariants in a deep-water waveguide by amplitude and phase methods // Phys. Wave Phen. 2021. V. 29. No. 1. P. 81–87.
  15. Zhao Z.D., Wu J.R., Shang E.C. How the thermocline affects the value of the waveguide invariant in a shallow-water waveguide // J. Acoust. Soc. Am. 2015. V. 138. № 1. P. 223–231.
  16. Kuznetsov G.N., Stepanov A.N. Interference and phase invariants of sound fields // Phys. Wave Phenom. 2021. V. 29. № 3. P. 285–292.
  17. Кузнецов Г.Н., Степанов А.Н. Линии равных фаз звукового давления в пространственно-частотной области гидроакустического поля // Докл. Рос. Акад. наук. Физика, техн. науки. 2021. Т. 498. С. 17–21. https://doi.org/10.31857/S2686740021030111
  18. Kuznetsov G.N. and Stepanov A.N. Phase Invariants of Vector–Scalar Fields Excited in the Shallow Sea by Multipole Sources // Phys. Wave Phenom. 2023. V. 31. № 6. P. 371–382. https://doi.org/10.3103/S1541308X23060055
  19. Кузнецов Г.Н., Степанов А.Н. Влияние направленности источников на фазовые инварианты векторно-скалярных полей в мелком море // Докл. Акад. наук. Физика, техн. науки. 2023. Т. 512. № 1. С. 17–23. https://doi.org/10.31857/S2686740023050073
  20. Аксенов С.П., Кузнецов Г.Н. Энергетические инварианты в звуковых полях глубокого и мелкого моря // Докл. Акад. наук. Физика, техн. науки. 2022. Т. 507. № 1. С. 9–14.
  21. Аксенов С.П., Кузнецов Г.Н. Интерференционные инварианты в максимумах гидроакустического поля в глубоком море // Акуст. журн. 2024. Т. 70. № 1. С. 65–76. https://doi.org/10.31857/S0320791924010099
  22. Кузнецов Г.Н., Степанов А.Н. Векторно-скалярные поля мультипольных гидроакустических источников, эквивалентных шумоизлучению морских объектов. М.: Буки Веди, 2022. 304 с.
  23. Новиков А.К. Корреляционные измерения в корабельной акустике. Л.: Судостроение, 1971. 256 с.
  24. Кузькин В.М., Переселков С.А. Интерферометрическая диагностика гидродинамических возмущений мелкого моря. М.: ЛЕНАНД, 2019. 200 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Принятое в расчетах ВРСЗ (упрощенный вариант ВРСЗ для Средиземного моря). Глубины источника и приемника zs = 80 м и z = 60 м обозначены красными линиями.

Скачать (127KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Ослабление амплитуды ЗД с расстоянием и вклады отдельных групп мод.

Скачать (183KB)
Метаданные
4. Рис. 3. (а–г) — Поверхности амплитуд ЗД в БЗАО для различных групп мод: (а) — все водные моды, (б) — захваченные моды, (в) — вытекающие моды, (г) — сумма всех мод. (д–з) — Поверхности фаз звукового давления в БЗАО для различных групп мод: (д) — все водные моды, (е) — захваченные, (ж) — вытекающие, (з) — сумма всех мод.

Скачать (838KB)
Метаданные
5. Рис. 4. (а, г) — Амплитудные и фазовые поверхности группы мод первого типа, (б, д) — группы мод второго типа и (в, е) — суммы водных мод первого и второго типа.

Скачать (443KB)
Метаданные
6. Рис. 5. (а, б) — Контурные графики фазовых поверхностей групп водных мод первого и второго типа и (в) — суммы всех водных мод. (г, д) — Графики ФИ вдоль линий равных фаз групп водных мод первого и второго типа и (е) — суммы всех водных мод.

Скачать (213KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Контурные графики фазовых поверхностей в БЗАО (расстояния 1000–2500 м): (а) — сумма водных мод, (б) — захваченные моды, (в) — вытекающие моды и (г) — сумма всех мод. Утолщенные черные линии представляют одну из линий равных фаз.

Скачать (316KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимости от частоты фазового инварианта вдоль выбранной линии равных фаз в БЗАО (расстояния 1000–2500 м): (а) — сумма водных мод, (б) — захваченные моды, (в) — вытекающие моды и (г) — сумма всех мод.

Скачать (126KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Контурные графики фазовых поверхностей в ЗТ1 (расстояния 4000–10500 м): (а) — сумма водных мод, (б) — захваченные моды, (в) — вытекающие моды и (г) — сумма всех мод. Утолщенные черные линии представляют одну из линий равных фаз.

Скачать (288KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Зависимости от частоты фазового инварианта вдоль выбранной линии равных фаз в ЗТ1 (расстояния 4000–10500 м): (а) — сумма водных мод, (б) — захваченные моды, (в) — вытекающие моды и (г) — сумма всех мод.

Скачать (114KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Контурные графики фазовых поверхностей в ЗТ2 (расстояния 14000–30000 м): (а) — сумма водных мод, (б) — захваченные моды, (в) — вытекающие моды и (г) — сумма всех мод. Утолщенные черные линии представляют одну из линий равных фаз.

Скачать (256KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Зависимости от частоты ФИ вдоль линии равных фаз в ЗТ (14000–30000 м): (а) — сумма водных мод, (б) — захваченные моды, (в) — вытекающие моды и (г) — сумма всех мод.

Скачать (104KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Контурные графики фазовых поверхностей в ДЗАО (расстояния 35000–45000 м): (а) — сумма водных мод, (б) — захваченные моды, (в) — вытекающие моды и (г) — сумма всех мод. Утолщенные черные линии представляют одну из линий равных фаз.

Скачать (294KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Частотные зависимости ФИ вдоль линии равных фаз в ДЗАО (35000–54000 м): (а) — сумма водных мод, (б) — захваченные моды, (в) — вытекающие моды, (г) — сумма всех мод.

Скачать (106KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025