В.А. Буланов, Л.К. Бугаева
Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева bulanov@poi.dvo.ru; bugaeva@poi.dvo.ru
В настоящее время накоплен большой материал по затуханию звука в океане. Предложены эмпирические зависимости, аппрок- симирующие экспериментальные результаты. Наиболее известны зависимости, предложенные Шихи и Хале, Уриком, Киблуайтом, Денхемом и Баркером, Торпом, Франсуа и Гаррисоном, Вадовым. Ос- новные механизмы затухания низкочастотного звука на больших дис- танциях связаны с поглощением звука в морской воде, обусловленны- ми релаксационными процессами при преобразовании энергии звука во внутренние степени свободы растворенных солей, в основном, - магния и бора. Вовлечение пузырьков в толщу морской воды дина- микой движений в поверхностных волнах приводит к появлению пу- зырьковых облаков [1], которые при сильном ветре могут достигать значительных глубин в десятки метров. Пузырьки оказывают значи- тельное влияние на акустические свойства воды, приводя, в том чис- ле, к избыточному поглощению и рассеянию звука [2]. Существуют противоречивые мнения о вкладе приповерхностного слоя пузырьков в затухание низкочастотного звука в океане [2-4]. В работе [3] было сделано заключение, что слой пузырьков слабо влияет на затухание звука в море вплоть до высоких скоростей ветра. В дальнейших ра- ботах, ссылки на которых можно найти в [4], показано, что вклад пу- зырьков в затухание звука на частотах от 1 до 8 кГц в условиях мел- кого моря может оказаться преобладающим. Ниже проанализировано влияние пузырьков на структуру поля в море с привлечением новых экспериментальных результатов для функции распределения пузырь- ков по размерам g(R), полученной в работах [1,2].
Пузырьки всегда присутствуют в приповерхностных слоях моря и являются эффективными поглотителями энергии звуковых волн.
Коэффициент поглощения звука α в зависимости от частоты w можно рассчитать по приближенной формуле [2]:
2 1/2 0 0
4 ( )
Im 1 3 ( , )
c g R dRc P q R Rw
w p r
α g
∞
≈ +
∫
, (1)где , , - до-
бротность пузырька радиуса Rw, γ = 1.4 - постоянная адиабаты, r - плотность жидкости, β и β′ - адиабатическая сжимаемость жид- кости и газа в пузырьках (β′ = γ / P0), P0 – гидростатическое дав- ление в жидкости, g(R) – функция распределения по размерам,
.
На рис. 1 представлена частотная зависимость коэффициента поглощения звука α в воде с пузырьками при T=200C, вычисленная для полидисперсной смеси пузырьков различных концентраций x по формуле (1). Результаты измеренного изменения во времени коэффи- циента поглощения звука α(t, z) на частоте 145 кГц в приповерхност- ном слое пузырьков представлены на рис. 2. Видно, что перечислен- ные акустические параметры изменяются в широких пределах при обрушениях поверхностных волн и сильном ветре около 11-12 м/с, и избыточное поглощение звука в пузырьковом слое, превышающее более чем в 100 раз поглощение звука в чистой воде. На больших глубинах α(t, z) стремится к значениям α0 для чистой воды. Таким образом, затухание звука существенно изменяется с глубиной и ано- малии в распространении звука могут быть связаны, как с наличием пузырьковых облаков, так и с относительным расположением источ- ников звука по отношению к поглощающему пузырьковому слою и по отношению к расположению подводного звукового канала.
Рис. 1. Частотная зависимость коэффи- циента поглощения звука α( f ) в воде с полидисперсной смесью пузырьков
при различных концентрациях x
Рис. 2. Изменение коэффициента по- глощения звука во времени α(t, z) на частоте 145 кГц в приповерхностном
слое пузырьков.
Для более подробного изучения влияния дополнительного погло- щения в присутствии приповерхностного слоя пузырьков на струк- туру акустического поля вдоль трассы распространения звука было проведено численное моделирование при использовании приближе- ния нормальных мод. Для простоты анализа и выявления в основном механизма перестройки поля, связанного исключительно с пузырь- ковым слоем, была выбрана модель простейшего горизонтально од- нородного изоскоростного подводного звукового канала с абсолютно отражающими границами (верхняя граница – мягкая, нижняя – жест- кая). Звуковое давление представляется в виде суммы нормальных мод. Дополнительное затухание, вызванное наличием пузырькового слоя, описывается мнимой частью собственных значений мод. Рас- четы звукового поля были выполнены по программе KRAKENC [5]
для взаимодействующих мод. Толщина слоя пузырьков выбиралась равной 7 м. Источник тонального сигнала с частотой f=1 кГц распо- лагался на глубине 10 м.
Рис. 3. Акустическое поле с частотой f=1 кГц для источника на глубине 10 м в изоско- ростном канале глубиной 42 метра в присутствии приповерхностного пузырькового слоя толщиной 7 метров с различной концентрацией пузырьков: x=10-8, 10-7, 10-6, 10-5
На рис. 3 представлено 2D изображение акустического поля для различных концентраций пузырьков в приповерхностном слое на не- большой трассе распространения звука 100 м. На рис. 4 представ- лено 2D изображение акустического поля для различных толщин приповерхностных слоев 2 и 7 метров на большей трассе распростра- нения звука 1 км.
Рис. 4. Акустическое поле с частотой f=1 кГц для источника на глубине 10 метров в изоскоростном канале глубиной 42 метра в присутствии приповерхностного пузырь- кового слоя толщиной 2 и 7 метров с различной концентрацией пузырьков x=10-7,
x=10-6, x=10-5.
Расчеты показывают сильное изменение структуры акустическо- го поля при превышении концентрации пузырьков, равной 10-6. Но особенно впечатляющим представляется результат для концентрации 10-5. Здесь поле вблизи поверхности затухает уже в непосредствен- ной близости к излучателю. При этом резко изменяется общая струк- тура акустического поля в толще волновода. Видно, что с увеличе- нием расстояния диссипативные свойства приповерхностного слоя пузырьков для распространяющегося звука уменьшаются. Это об- стоятельство связано с постепенным на больших расстояниях уходом поля из слоя пузырьков.
Таким образом, показано, что влияние слоя пузырьков заклю- чается в дополнительном спаде поля на умеренных дистанциях, вы- званного затуханием части звуковой энергии, распространяющейся в пузырьковом слое. В дальнейшем эта энергия затухает и на больших
расстояниях не дает существенного вклада в суммарное поле, что в итоге приводит к отсутствию в экспоненциальном законе вклада пу- зырькового слоя. Следует обратить внимание на то, что наличие при- поверхностного слоя пузырьков способно приводить к кардиналь- ной перестройке структуры акустического поля. Работа выполнена по госзаданию №0271-2019-0009 и частично поддержана грантами РФФИ №17-02-00561а и программы «Дальний восток» №18-I-004.
Литература
1. Vagle S., McNeil C., Steiner N. Upper ocean bubble measurements from the NE Pacific. // J. Geophys. Res., 2010, Vol. 115, C12054, 16 p., doi:10.1029/2009JC005990.
2. Акуличев В.А., Буланов В.А. Акустические исследования мелкомасштабных неоднородностей в морской среде. – Владивосток: ТОИ ДВО РАН, 2017. – 414 с.
ISBN 978-5-9909943-8-6
3. Weston D. On the losses due to storm bubbles in oceanic sound transmission // J.
Acoust. Soc. Am. 1989. V. 86. P. 1546-1553
4. Deane G.B., Preisig J.C., Lavery A.C. The suspension of large bubbles near the seasurface by turbulence and their role in absorbing forward-scattered sound // IEEE Journ.
of Oceanic Eng., 2013. V. 38, NO. 4, P.632-641
5. Porter, M.B., Reiss E.L. A numerical method for bottom interacting ocean acoustic normal modes // J. Acoust. Soc. Am. 1985. Vol.77, p.1760-1767; http://oalib.hlsresearch.
com/Modes/index.html.