hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.7868/S2073667321040092hydrophysics-136Research ArticleГИДРОАКУСТИКАHYDROACOUSTICSОсобенности дифракции звука на взволнованной водной поверхности в среднем диапазоне частотFeatures of sound diffraction on surface roughness in the middle-frequency rangeРазумовД. Д.RazumovD. D.

603950, ул. Ульянова, 46, г. Нижний Новгород

603950, Ulyanova Str., 46, Nizhny Novgorod

СалинМ. Б.SalinM. B.

603950, ул. Ульянова, 46, г. Нижний Новгород

603950, Ulyanova Str., 46, Nizhny Novgorod

mikesalin@ipfran.ruИнститут прикладной физики РАНРоссияInstitute of Applied Physics, Russian Academy of SciencesRussian Federation20211512202114498110Copyright © Разумов Д.Д., Салин М.Б., 20212021Разумов Д.Д., Салин М.Б.Razumov D.D., Salin M.B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/136

Статья посвящена исследованиям рассеяния звука на взволнованной водной поверхности в среднем диапазоне частот от 1 до 5 кГц. Выбранный диапазон частот представляет интерес в связи с существенной зависимостью возникающих при рассеянии звуковых волн эффектов от состояния волнения. Целью исследования является воспроизведение ряда особенностей, наблюдавшихся в экспериментах, например, размытие Брэгговского пика в случае развитых волн. Для получения реалистичной формы поверхности воды используется метод прямого численного моделирования двумерного потенциального течения со свободной поверхностью, известный как метод Захарова и Дьяченко. Проводится численное интегрирование преобразованного уравнения Эйлера, которое позволяет определить, как взволнованная поверхность воды будет эволюционировать, учитывая нелинейные эффекты. В работе используется оригинальная модификация метода граничных элементов (в 2D постановке), которая позволяет моделировать рассеяние звука на поверхности воды без наложения явных ограничений на форму поверхности (в приближении отсутствия дна). Проводятся расчеты поля давления рассеянной звуковой волны, вычисляется сила обратного рассеяния и доплеровский спектр сигнала в зависимости от углов падения и рассеяния при разных скоростях ветра. Результаты расчета сравниваются с предсказаниями классических моделей.

The subject of our interest is the sound of the middle-frequency range from 1 to 5 kHz. Its scattering significantly depends on the state of the sea surface: the Rayleigh parameter can range from small numbers for a calm sea to values of the order of one for developed waves. The purpose of this study is to reproduce some of the effects that are observed in experiments on sound scattering on the sea surface using modern numerical methods. To simulate the sea surface we use the direct method for numerical simulation of potential flows with a free surface of a two-dimensional fluid, known as the Zakharov and Dyachenko method. The system of transformed Euler equations is numerically integrated to get how the surface evolves from the initial state. So nonlinear interaction of surface harmonics is taken into the account. We have proposed the original modification of the boundary element method (in 2D), which is suited for studying sound scattering separately on the surface, and it does not impose significant restrictions on the shape of the surface. We calculated the pressure field of the scattered sound wave, the backscattered force, and the Doppler spectrum of the signal depending on the angles of incidence and scattering at different wind speeds. The calculation results are compared with the predictions of classical models.

дифракция звукаповерхностная реверберацияветровое волнениеэффект Доплерамоделированиеsound diffractionsurface reverberationwind wavesDoppler effectmodelingРабота поддержана Российским научным фондом, проект № 20–77–10081.ReferencesДерепа А.В., Лейко А.Г., Меленко Ю.Я. Основы военно-технических исследований. Теория и приложения: монография: в 8 т. Т. 8. Комплексная система «гидроакустическое вооружение — надводный корабль». Проблемные аспекты системы «гидроакустическая станция-надводный корабль» с антеннами переменной глубины. Киев: Издательский дом Дмитрия Бураго, 2016. 400 с.Derepa A.V., Leiko A.G., Melenko Yu. Ya. Integrated system “hydroacoustic armament — surface ship”. Problematic aspects of the “hydroacoustic station-surface ship system” with antennas of variable depth. Monograph. Fundamentals of military-technical research. Theory and applications. V. 8. Kiev: Publishing house of the House of Dmitry Burago, 2016. 400 p. (in Russian).Рябкова М.С., Титченко Ю.А., Мешков Е.М., Караев В.Ю. Подводный акустический волнограф «кальмар» для долговременного мониторинга состояния морской поверхности: первые испытания и численное моделирование // Сб. тр. XVI Всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», ИКИ РАН, 2018.Ryabkova M.S., Titchenko Yu.A., Meshkov E.M., Karaev V. Yu. Underwater acoustic wave recorder “Kalmar” for longterm monitoring of the state of the sea surface: first tests and numerical modeling. Proceedings of the XVI All-Russian Open Conference “Modern Problems of Remote Sensing of the Earth from Space”, IKI RAN, 2018. (in Russian).Салин М.Б., Потапов О.А., Салин Б.М., Чащин А.С. Измерение характеристик обратного рассеяния звука на взволнованной поверхности в прожекторной зоне фазированной антенной решетки // Акуст. журн. 2016. Т. 62, № 1. С. 70–86.Salin M.B., Potapov O.A., Salin B.M., Chashchin A.S. Measuring the characteristics of backscattering of sound on a rough surface in the near-field zone of a phased array. Acoust. Phys. 2016, 62, 1, 74–88. doi: 10.1134/S106377101506010XФукс И.М. О ширине спектра сигналов, рассеянных взволнованной поверхностью // Акуст. журн. 1974. Т. 20, № 3. С. 458–468.Fuks I.M. On the width of the spectrum of signals scattered by an agitated surface. Akust. Zh. 1974, 20, 3, 458–468 (in Russian).Урик Р. Дж. Основы гидроакустики. Л.: Судостроение, 1978. С. 278–279.Urick R.J. Principles of Underwater Sound. New York, McGraw-Hill, 1983. 423 p.Салин Б.М., Салин М.Б. Методы расчета низкочастотной поверхностной реверберации при известных характеристиках морского волнения // Акуст. журн. 2011. Т. 57, № 6. С. 818–827.Salin B.M., Salin M.B. Methods for calculating low-frequency surface reverberation at known sea roughness characteristics. Acoust. Phys. 2011, 57, 6, 818–827. doi: 10.1134/S1063771011060157Салин Б.М., Кемарская О.Н., Молчанов П.А., Салин М.Б. Исследование механизма уширения спектра низкочастотного реверберационного сигнала при рассеянии звука на приповерхностных неоднородностях в условиях интенсивного ветрового волнения // Акуст. журн. 2017. Т. 63, № 3. С. 314–322.Salin B.M., Kemarskaya O.N., Molchanov P.A., Salin M.B. Study of the mechanism for broadening of the spectrum of a low-frequency reverberation signal for sound scattering by near-surface inhomogeneities under conditions of intense wind waves. Acoust. Phys. 2017, 63, 3, 338–345. doi: 10.1134/S1063771017020105Авербах B.C., Бондарь Л.Ф., Голубев В.Н., Гольдблат В.Ю., Долин Л.С., Нечаев А.Г., Пигалов К.Е., Смирнов Г.Е., Тумаева Е.И. Дальняя поверхностная реверберация звука в океане // Акуст. журн. 1990. Т. 36, № 6. С. 1119–1121.Averbakh B.C., Bondar L.F., Golubev V.N., Goldblat V. Yu., Dolin L.S., Nechaev A.G., Pigalov K.E., Smirnov G.E., Tumaeva E.I. Far surface reverberation of sound in the ocean. Akust. Zh. 1990, 36, 6, 1119–1121 (in Russian).Байдаков Г.А., Досаев А.С., Разумов Д.А., Салин М.Б. Оценка уширения спектра коротких поверхностных волн при наличии длинноволного волнения // Изв. вузов. Радиофизика. 2018. Т. 61, № 5. С. 374–384.Baydakov G.A., Dosaev A.S., Razumov D.D., Salin M.B. Estimation of Broadening of the Spectra of Short Surface Waves in the Presence of Long Waves. Radiophysics and Quantum Electronics. 2018, 61, 5, 332–341. doi: 10.1007/s11141–018–9894–3Salin M., Razumov D. Multi-Domain Boundary Element Method for Sound Scattering on a Partly Perturbed Water Surface // Journal of Theoretical and Computational Acoustics. 2020. V. 28, N03, 2050006.Salin M., Razumov D. Multi-Domain Boundary Element Method for Sound Scattering on a Partly Perturbed Water Surface. Journal of Theoretical and Computational Acoustics. 2020, 28, 3, 2050006. doi: 10.1142/S2591728520500061Салин М.Б., Потапов О.А., Стуленков А.В., Разумов Д.Д. Исследование распределения реверберационной помехи по частотам Доплера в бистатическом эксперименте в глубоком море // Акуст. журн. 2019. Т. 65, № 1. С. 31–44.Salin M.B., Potapov O.A., Stulenkov A.V., Razumov D.D. Study of the distribution of reverberation over doppler frequencies in a deep-sea bistatic experiment. Acoust. Phys. 2019, 65, 1, 52–59. doi: 10.1134/S106377101901010XNeighbors T.H., Bjorno L. Anomalous low frequency sea surface reverberation // Hydroacoustics. 2001. V. 4. P. 181–192.Neighbors T.H., Bjorno L. Anomalous low frequency sea surface reverberation // Hydroacoustics. 2001, 4, 181–192.Zakharov V., Dyachenko A., Vasilyev O. New method for numerical simulation of a nonstationary potential flow of incompressible fluid with a free surface // European J. of Mech. B/Fluids. 2002. V. 21, N 3. P. 283.Zakharov V.,Dyachenko A.,Vasilyev O. New method for numerical simulation of a nonstationary potential flow of incompressible fluid with a free surface. European J. of Mech. B/Fluids. 2002, 21, 3, 283. doi: 10.1016/S0997–7546(02)01189–5Chalikov D., Sheinin D. Direct Modeling of One-dimensional Nonlinear Potential Waves // Advances in Fluid Mechanics. 1998. V. 17. P. 207–258.Chalikov D., Sheinin D. Direct modeling of one-dimensional nonlinear potential waves. Advances in Fluid Mechanics. 1998, 17, 207–258.Шейнин Д.А., Чаликов Д.В. Гидродинамическое моделирование потенциальных поверхностных волн // Труды международной теоретической конференции «Проблемы гидрометеорологии и окружающей среды на пороге XXI века». Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат, 2000. С. 305–337.Sheinin D., Chalikov D. Hydrodynamic modeling of potential surface waves. Proceedings of the international theoretical conference “Problems of hydrometeorology and the environment on the threshold of the XXI century”. St. Petersburg, Gidrometeoizdat, 2000, 305–337 (in Russian).Чаликов Д.В., Булгаков К.Ю. Волны стокса на конечной глубине // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2014. Т. 7, № 4. С. 3–15.Chalikov D.V., Bulgakov K. Yu. Stokes waves at finite depth. Fundam. Prikl. Gidrofiz. 2014, 7, 4, 3–15 (in Russian).Stokes G.G. On the theory of oscillatory waves // Trans. Cambridge Philos. Soc. 1847. V. 8. P. 441–445.Stokes G.G. On the theory of oscillatory waves. Trans. Cambridge Philos. Soc. 1847, 8, 441–445.Бреховски Л.М., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана. М.: Наука, 2007. С. 249–306.Brekhovskikh L.M., Lysanov Yu.P. Fundamentals of Ocean Acoustics. Springer-Verlag, New York, 2003.Шендеров Е.Л. Излучение и рассеяние звука. Ленинград: Судостроение, 1989. C. 60–69.Shenderov E.L. Radiation and scattering of sound. Leningrad, Korablestroyenye, 1989, 60–69 (in Russian).McDaniel S.T. Sea surface reverberation: A review // J. Acoust. Soc. Am. 1993. V. 94, N 4. P. 1905–1922.McDaniel S.T. Sea surface reverberation: A review. J. Acoust. Soc. Am. 1993, 94, 4, 1905–1922.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.