Broadband Acoustic Field in a Shallow-Water Waveguide with an Inhomogeneous Bottom

D. D. Sidorov; Сидоров Д. Д.; V. G. Petnikov; Петников В. Г.; A. A. Lunkov; Луньков А. А.

doi:10.31857/S0320791923600221

Широкополосное звуковое поле в мелководном волноводе с неоднородным дном

Авторы: Сидоров Д.Д.¹, Петников В.Г.¹, Луньков А.А.¹^,2
Учреждения:
1. Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН
2. Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
Выпуск: Том 69, № 5 (2023)
Страницы: 608-619
Раздел: АКУСТИКА ОКЕАНА. ГИДРОАКУСТИКА
URL: https://ogarev-online.ru/0320-7919/article/view/134474
DOI: https://doi.org/10.31857/S0320791923600221
EDN: https://elibrary.ru/NFQPXC
ID: 134474

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

С помощью численного моделирования исследуется широкополосное (35–1000 Гц) звуковое поле, создаваемое точечным излучателем в шельфовой зоне с неоднородной структурой донных осадков. Глубина шельфа составляет около 30 м, максимальное расстояние – 10 км. В качестве модельной неоднородности выбирается переходная область от дна со скоростью звука 1400 м/с к дну со скоростью 1600 м/с. Для расчетов звукового поля используется модовое описание и широкоугольные параболические уравнения. В численных экспериментах показано, что на частоте ниже 100 Гц проявляется главным образом горизонтальная рефракция. Она приводит к увеличению амплитуды низкочастотного звукового импульса, распространяющегося вдоль переходной области, на 10 и более дБ по сравнению с аналогичным волноводом с однородным дном. На частоте выше 100 Гц доминирующим эффектом является межмодовое взаимодействие, вызывающее появление модуляции амплитуды мод в частотной области. Сделанные в рамках упрощенной модели выводы подтверждаются при расчетах для реальной структуры донных осадков в Карском море.

Ключевые слова

акустика мелкого моря, численное моделирование, нормальные волны, широкополосный сигнал, горизонтальная рефракция, межмодовое взаимодействие, неоднородное дно

Список литературы

Куперман У., Енсен Ф. Акустика дна океана. М.: Мир, 1984. 456 с.
Chapman R., Shang Ch. Review of Geoacoustic Inversion in Underwater Acoustics // J. Theor. Comput. Acoust. 2021. V. 29. № 3. P. 2130004.
Ballard M.S., Becker K.M., Goff J. Geoacoustic Inversion for the New Jersey Shelf: 3-D Sediment Model // IEEE J. Ocean. Eng. 2010. V. 35. № 1. P. 28–42.
Bonnel J., Lin Y.-T., Eleftherakis D., Goff J., Dosso S., Chapman R., Miller J., Potty G. Geoacoustic inversion on the New England Mud Patch using warping and dispersion curves of high-order modes // J. Acoust. Soc. Am. 2018. V. 143. № 5. P. EL405–EL411.
Belcourt J., Holland C.W., Dosso S.E., Dettmer J., Goff J.A. Depth-dependent geoacoustic inferences with dispersion at the New England Mud Patch via reflection coefficient inversion // IEEE J. Ocean Eng. 2019. V. 45. № 1. P. 69–91.
Григорьев В.А., Петников В.Г., Росляков А.Г., Терёхина Я.Е. Распространение звука в мелком море с неоднородным газонасыщенным дном // Акуст. журн. 2018. Т. 64. №. 3. С. 342–358.
Ballard M.S., Lin Y.T., Lynch J.F. Horizontal refraction of propagating sound due to seafloor scours over a range-dependent layered bottom on the New Jersey shelf // J. Acoust. Soc. Am. 2012. V. 131. № 4. P. 2587–2598.
Liu D., Li Z., Wang G., Liu Y. Sound propagation with undulating bottom in shallow water // J. Marine Science and Engineering. 2021. V. 9. № 9. P. 1010.
Petrov P.S., Petrova T.N. Asymptotic solution for the problem of sound propagation in a sea with an underwater canyon // J. Acoust. Soc. Am. 2014. V. 136. № 4. P. EL281–EL287.
Lunkov A., Sidorov D., Petnikov V. Horizontal refraction of acoustic waves in shallow-water waveguides due to an inhomogeneous bottom structure // J. Marine Science and Engineering. 2021. V. 9. № 11. P. 1269.
Petnikov V.G., Grigorev V.A., Lunkov A.A., Sidorov D.D. Modeling underwater sound propagation in an Arctic shelf region with an inhomogeneous bottom // J. Acoust. Soc. Am. 2022. V. 151. № 4. P. 2297–2309.
Komissarov A.A., Makarov D.V., Kholmogorov A.O., Shakirov R.B. Low-frequency sound propagation in an underwater waveguide with a giant gassy pockmark // J. Marine Science and Engineering. 2023. V. 11. № 1. P. 211.
Gulin O.E., Yaroshchuk I.O. On average losses of low-frequency sound in a two-dimensional shallow-water random waveguide // J. Marine Science and Engineering. 2022. V. 10. № 6. P. 822.
Рутенко А.Н., Гаврилевский А.В., Ковзель Д.Г., Коротченко Р.А., Путов В.Ф., Соловьев А.А. Мониторинг сейсмоакустических сигналов и антропогенных шумов на шельфе o. Сахалин // Акуст. журн. 2012. Т. 58. №. 2. С. 248–257.
Волков М.В., Григорьев В.А., Жилин И.В., Луньков А.А., Петников В.Г., Шатравин А.В. Мелководный акустический волновод арктического типа как канал для передачи информации при звукоподводной связи // Акуст. журн. 2018. Т. 64. №. 6. С. 676–681.
Uzhansky E., Gadol O., Lang G., Katsnelson B., Copel S., Kazaz T., Makovsky Y. Geoacoustic estimation of the seafloor sound speed profile in deep passive margin setting using standard multichannel seismic data // J. Marine Science and Engineering. 2021. V. 9. № 12. P. 1423.
Рутенко А.Н., Боровой Д.И., Гриценко В.А., Петров П.С., Ущиповский В.Г. Мониторинг акустического поля сейсморазведочных импульсов в прибрежной зоне // Акуст. журн. 2012. Т. 58, №. 3. С. 356–369.
Sturm F. Numerical study of broadband sound pulse propagation in three-dimensional oceanic waveguides // J. Acoust. Soc. Am. 2005. V. 117. № 3. P. 1058–1079.
Lin Y.T., Newhall A.E., Miller J.H., Potty G.R., Vigness-Raposa K.J. A three-dimensional underwater sound propagation model for offshore wind farm noise prediction // J. Acoust. Soc. Am. 2019. V. 145. № 5. P. EL335–EL340.
Луньков А.А., Шерменева М.А. Взаимодействие мод на сосредоточенной неоднородности в мелководном акустическом волноводе в широкой полосе частот // Акуст. журн. 2022. Т. 68. № 5. С. 510–519.
Григорьев В.А., Луньков А.А. Взаимодействие мод на киле тороса в широкой полосе частот // Акуст. журн. 2023. Т. 69. № 4. С. 453–364.
Collins M.D., Westwood E.K. A higher-order energy-conserving parabolic equqation for range-dependent ocean depth, sound speed, and density // J. Acoust. Soc. Am. 1991. V. 89. № 3. P. 1068–1075.
Collins M.D. The adiabatic mode parabolic equation // J. Acoust. Soc. Am. 1993. V. 94. № 4. P. 2269–2278.
Katsnelson B., Petnikov V., Lynch J. Fundamentals of Shallow Water Acoustics. Springer, New York, Dordrecht, Heildelberg, London, 2012.
Бреховских Л.М., Годин О.А. Акустика неоднородных сред. Т. 2: Звуковые поля в слоистых и трехмерно-неоднородных средах. М.: Наука, 2009. 426 с.
Collins M. Generalization of the Split-step Pade solution // J. Acoust. Soc. Am. 1994. V. 96. № 1. P. 382–385
Lunkov A.A., Volkov M.V., Petnikov V.G., Grigoriev V.A. Normal mode coupling in a waveguide with a range-dependent sound speed profile in the bottom // 2019 Days on Diffraction (DD), St. Petersburg, Russia. 2019. P. 117–120.
Grigor’ev V.A., Lunkov A.A., Petnikov V.G. Effect of sound-speed inhomogeneities in sea bottom on the acoustic wave propagation in shallow water // Physics of Wave Phenomena. 2020. V. 28(3). P. 255–266.