Скалярно-векторная структура и кинематические характеристики звукового поля в инфразвуковом диапазоне частот

Приведена классификация известных решений граничной задачи Пекериса, полученных в различных модельных постановках, и дана их сравнительная оценка. Для верификации различных модельных решений выполнено экспериментальное исследование энергетической и пространственной структуры звукового поля в условиях мелкого моря в инфразвуковом диапазоне частот 2—20 Гц, заведомо меньших первой критической частоты модельного волновода Пекериса. Анализируются результаты экспериментальных исследований звуковых полей с использованием комбинированных приёмников, образующих вертикально ориентированную 3-элементную антенну. По результатам анализа вертикальной структуры звукового поля был сделан вывод о том, что звуковое поле на предельно низких частотах инфразвукового диапазона сформировано неоднородными волнами Рэлея–Шолте, регулярной и обобщённой. С увеличением частоты уменьшается глубина проникновения звуковой волны в донное полупространство и возрастает роль неоднородных волн волновода Пекериса, возбуждаемых комплексным угловым спектром источника. Такие волны появляются как гибридные, но только при обобщённом описании звукового поля в несамосопряжённой модельной постановке. Анализируются кинематические характеристики звукового поля при уточнённом определении групповой скорости как скорости переноса энергии. Обсуждаются механизмы существенного замедления скорости переноса энергии в волноводе на низких частотах.

1. Касаткин Б.А., Злобина Н.В. Корректная постановка граничных задач в акустике слоистых сред. Москва : Наука, 2009. 406 с.

2. Касаткин Б.А., Злобина Н.В., Касаткин С.Б. Модельные задачи в акустике слоистых сред. Владивосток : Дальнаука, 2012. 256 с.

3. Касаткин Б.А., Злобина Н.В., Касаткин С.Б., Злобин Д.В., Косарев Г.В. Акустика мелкого моря в скалярно-векторном описании: теория и эксперимент. Владивосток : ИПМТ ДВО РАН, 2019. 360 с.

4. Ansell J.H. The roots of the Stoneley wave equation for liquid-solid interfaces // Pure Appl. Geophys. 1972. V. 194. P. 172—188.

5. Padilla F., de Billy M., Quentin G. Theoretical and experimental studies of surface waves on solid-fluid interfaces when the value of the fluid sound velocity is located between the shear and the longitudinal ones in the solid // J. Acoust. Soc. Am. 1999. V. 106(2). P. 666—673.

6. Касаткин Б.А., Касаткин С.Б. Особенности описания и генерации пограничных волн Рэлея–Шолте в акустике слоистых сред // Гидроакустика. 2018. № 33(1). С. 18—30.

7. Касаткин Б.А., Касаткин С.Б. Дисперсионные характеристики нормальных волн в мелком море с учетом сдвиговой упругости морского дна // Гидроакустика. 2018. № 35(3). С. 57—67.

8. Касаткин Б.А., Касаткин С.Б. Особенности распространения и интерференции нормальных волн в волноводной системе водный слой – морское дно с низкой сдвиговой упругостью // Подводные исследования и робототехника. 2018. № 1(25). С. 46—58.

9. Касаткин Б.А., Злобина Н.В., Касаткин С.Б. Особенности пространственно-частотной структуры звуковых полей, сформированных пограничными волнами Рэлея–Шолте // Подводные исследования и робототехника. 2018. № 2(26). С. 55—68. doi: 10.25808/24094609.2018.26.2.008

10. Касаткин Б.А., Злобина Н.В., Касаткин С.Б. Пограничные волны в проблеме обнаружения подводных источников шума // Подводные исследования и робототехника. 2019. № 4(30), С. 37—48. doi: 10.25808/24094609.2019.30.4.005

11. Злобина Н.В., Касаткин Б.А., Касаткин С.Б. Особенности интерференционной структуры звуковых полей инфразвукового диапазона, сформированных пограничными волнами Рэлея–Шолте // Гидроакустика. 2019. № 40(4). С. 41—50.

12. Владимиров В.С. Уравнения математической физики. М. : Наука, 1981. 512 с.

13. Pekeris C.L. Theory of propagation of explosive sound in shallow water // Geol. Soc. Am. Mem. 1948. N27. P. 48—156.

14. Бреховских Л.М. О поле точечного излучателя в слоисто-неоднородной среде // Изв. АН СССР. Серия физ. 1949. Т. 13, № 5. С. 505—545.

15. Завадский В.Ю., Крупин В.Д. Применение численных методов для расчёта звуковых полей в волноводах // Акуст. журн. 1975. Т. 21, № 3. С. 484—485.

16. Gao Tain-Fu – Shang E.C. Effect of the branch-cut on the transformation between the modes and rays // J. Acoust. Soc. Amer. 1983. V. 73, N5. P. 1551—1555.

17. Касаткин Б.А., Злобина Н.В. Несамосопряжённая модельная постановка граничной задачи Пекериса // ДАН. 2010. Т. 434, № 4. С. 540—543.

18. Касаткин Б.А., Злобина Н.В. Пограничные волны на границе раздела вода – морское дно // ДАН. 2010. Т. 433, № 3. С. 403—405.

19. Касаткин Б.А., Злобина Н.В. Эффект самофокусировки ненаправленного излучения в слоистых средах // ДАН. 2010. Т. 432, № 5. С. 681—684.

20. Касаткин Б.А., Злобина Н.В. Резонансные явления в нерегулярных акустических волноводах типа берегового клина // ДАН. 2011. Т. 436, № 4. С. 545—548.

21. Касаткин С.Б. Вертикальная структура звукового поля в мелком море в инфразвуковом диапазоне частот в скалярно-векторном описании // Гидроакустика. 2020. № 44(4). С. 26—36.

22. Касаткин С.Б. К оценке пространственно-частотной структуры звукового поля в мелком море в инфразвуковом диапазоне частот // Подводные исследования и робототехника. 2021. № 1(35). С. 70—79. doi: 10.37102/1992-4429_2021_35_01_07

23. Касаткин Б.А., Касаткин С.Б. Экспериментальная оценка помехоустойчивости комбинированного приёмника в инфразвуковом диапазоне частот // Подводные исследования и робототехника. 2019. № 1(27). С. 38—47. doi: 10.25808/24094609.2019.27.1.005

24. Щуров В.А., Кулешов В.П., Черкасов А.В. Вихревые свойства вектора акустической интенсивности в мелком море // Акуст. журн. 2011. Т. 57, № 6. С. 837—843.

25. Касаткин Б.А., Касаткин С.Б. Оценка потенциальной помехоустойчивости комбинированного приёмника в инфразвуковом диапазоне частот // Гидроакустика. 2019. Вып. 39(3). С. 10—20.

26. Жуков А.Н., Иванников А.Н., Кравченко Д.И., Павлов В.И. Особенности тонкой энергетической структуры звукового поля // Акуст. журн. 1989. Т. 35, № 4. С. 634—638.

27. Журавлёв В.А., Кобозев И.К., Кравцов Ю.А. Потоки энергии в окрестности дислокаций фазового фронта // ЖЭТФ. 1993. Т. 104, № 5(11). С. 3769—3783.

28. Гордиенко В.А. Векторно-фазовые методы в акустике. М. : Физматлит, 2007. С. 168—237.

29. Способ обнаружения шумящих объектов в мелком море : № 2700797, Патент России / Касаткин Б.А., Касаткин С.Б. № 2700797. 23.09.2019. Бюлл. № 27.

30. Свининников А.И. Петрофизика западной части Тихого океана и окраинных морей востока Азии. Владивосток : Дальнаука, 2004. С. 226—235.

31. Чупров С.Д. Интерференционная структура звукового поля в слоистом океане // Акустика океана. Современное состояние. М. : Наука, 1982. С. 71—91.

32. Толстой И., Клей К.С. Акустика океана. М. : Мир, 1969. С. 28—31.