Особенности дифракции звука на взволнованной водной поверхности в среднем диапазоне частот
https://doi.org/10.7868/S2073667321040092
Аннотация
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.
Ключевые слова
При поддержке: Работа поддержана Российским научным фондом, проект № 20–77–10081.
Об авторах
Д. Д. Разумов
Институт прикладной физики РАН
Россия
Россия
603950, ул. Ульянова, 46, г. Нижний Новгород
М. Б. Салин
Институт прикладной физики РАН
Россия
Россия
603950, ул. Ульянова, 46, г. Нижний Новгород
Список литературы
1. Дерепа 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.
2. 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.
3. 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.
4. Фукс И.М. О ширине спектра сигналов, рассеянных взволнованной поверхностью // Акуст. журн. 1974. Т. 20, № 3. С. 458–468.
5. Урик Р. Дж. Основы гидроакустики. Л.: Судостроение, 1978. С. 278–279.
6. 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.
7. Салин 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.
8. Авербах 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.
9. 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.
10. 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. V. 28, N03, 2050006.
11. Салин 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.
12. Neighbors T.H., Bjorno L. Anomalous low frequency sea surface reverberation // Hydroacoustics. 2001. V. 4. P. 181–192.
13. 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.
14. Chalikov D., Sheinin D. Direct Modeling of One-dimensional Nonlinear Potential Waves // Advances in Fluid Mechanics. 1998. V. 17. P. 207–258.
15. 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.
16. Чаликов Д.В., Булгаков К.Ю. Волны стокса на конечной глубине // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2014. Т. 7, № 4. С. 3–15.
17. Stokes G.G. On the theory of oscillatory waves // Trans. Cambridge Philos. Soc. 1847. V. 8. P. 441–445.
18. Бреховски Л.М., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана. М.: Наука, 2007. С. 249–306.
19. Шендеров Е.Л. Излучение и рассеяние звука. Ленинград: Судостроение, 1989. C. 60–69.
20. McDaniel S.T. Sea surface reverberation: A review // J. Acoust. Soc. Am. 1993. V. 94, N 4. P. 1905–1922.
Рецензия
Для цитирования:
Разумов Д.Д., Салин М.Б. Особенности дифракции звука на взволнованной водной поверхности в среднем диапазоне частот. Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2021;14(4):98-110. https://doi.org/10.7868/S2073667321040092
For citation:
Razumov D.D., Salin M.B. Features of sound diffraction on surface roughness in the middle-frequency range. Fundamental and Applied Hydrophysics. 2021;14(4):98-110. (In Russ.) https://doi.org/10.7868/S2073667321040092
Просмотров:
162
Послать статью по эл. почте 