Диста1щионное измерение коэффициента отражения акустических волн в целях анализа экологического состояния придонных осадков

получаемых с космических аппаратов, а также путем сбора данных с наземных и морских станций. Космический мониторинг позволяет оперативно выявлять очаги и характер изменений окружающей среды, прослеживать интенсивность процессов и амплитуды экологических сдвигов, изучать взаимодействие техногенных систем. Наземный глобальный экологический мониторинг осуществляется на базе опорных пунктов, расположенных, как правило, на территориях биосферных заповедников, где влияние местных источников воздействия на биосферу незначительно.

Морской глобальный экологический мониторинг осуществляется специальными судами Росгидромета и Минобороны вне зоны непосредственного влияния наземных источников воздействия на окружающую среду. Служба глобального экологического мониторинга создана во многих странах. В 1988 организован Всемирный центр мониторинга охраны природы (ВЦМОП). Сегодня сеть наблюдений за источниками воздействия и за состоянием биосферы охватывает уже весь земной шар.

На территории СССР в 70-е годы на базе станций гидрометеослужбы была организована Общегосударственная служба наблюдений и контроля состояния окружающей среды (ОГСНК).

В обработанном и систематизированном виде полученная информация представлена в кадастровых изданиях, таких как "Ежегодные данные о составе и качестве поверхностных вод суши" (по гидрохимическим и гидробиологическим показателям), "Ежегодник состояния атмосферы в городах и промышленных центрах” и др.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гидроакустическая энциклопедия. Под общей ред. Тимошенко В.И.

Таганрог: Издательство ТРТУ. -2000. - С. 742-745.

ДИСТАНЦИОННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В ЦЕЛЯХ АНАЛИЗА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПРИДОННЫХ ОСАДКОВ

В.Ю. Белоус» С.П. Тарасов, С.С. Коновалова, А.Н. Куценко

{Таганрог, ТРТУ)

Значение Мирового океана для человека стремительно возрастает. Суша - твердая оболочка Земли, составляющая около 30% поверхности нашей планеты, - становится все теснее для ее неуклонно возрастающего населения. И поэтому человек, обогащенный знаниями, уже в течение нескольких десятилетий развивает использование всех ресурсов морей и

166

океанов. Результатом этого освоения Мирового океана является повсеместное загрязнение морских акваторий.

Экологическое состояние водной среды внутренних водоемов в значительной мере определяется состоянием и структурой дна и составом донных осадков, часть которых образуется за счет выносных отходов промышленных предприятий.

Одним из главных методов обобщений сведений по дну океана является геологическое картографирование. Такой способ представления геоакустических данных более всего отвечает потребностям акустики океана, поскольку обеспечивает плановое изображение неоднородностей дна океана. В настоящее время для отдельных районов имеются многочисленные карты различной детальности. Но, как правило, вся сложность рельефа и осадочного покрова остается за пределами подобных представлений, и остается лишь догадываться о действительном распределении неоднородностей различного масштаба. Вся имеющаяся информация об этой структуре сводится к геолого-физическим разрезам.

Контроль параметров морского дна с помощью контактных методов требует значительных временных и материальных затрат. Наиболее удобны дистанционные методы контроля, использующие гидроакустическую аппаратуру. Работа такой аппаратуры основана на анализе отраженных от придонных осадков акустических сигналов.

Одним из методов изучения придонных слоев, в частности

газосодержащих осадков, является использование мощных акустических волн. Для моделирования процессов, происходящих в среде, при распространении мощной акустической волны рассмотрим задачу

распространения волны конечной амплитуды в полубесконечном

пространстве.

Пусть волна, пройдя в нелинейной среде некоторое расстояние А, падает на границу раздела двух сред с коэффициентом отражения V.

Характер распространения плоской акустической волны конечной амплитуды в диссипативной среде хорошо описывается уравнением Бюргерса/1, 2/, которое удобно записывать в безразмерных переменных:

дП пдП „ д2П

да дв ~ дв2 ’ 0)

где П - безразмерная переменная, равная Р~ звуковое давление;

є  а> • ро  2

<7 =

- безразмерная координата распространения г/, ; Iр-

с0 ' Ро / Р

расстояние разрыва; р§- амплитуда звукового давления; со = 2-я •(-круговая частота; в = а>-т - ~2/с безразмерная сопровождающая

Г Ь-СО

координата; I ------------параметр, характеризующий взаимное влияние

2-е-р

нелинейных и диссипативных эффектов.

В случае мощной волны и если нелинейные эффекты оказываются более значительными, чем диссипативные (Г «1), то диссипативным членом можно пренебречь и уравнение (1) примет следующий вид:

Ш-пФ-о. т

да дв

Решением этого уравнения является неявная функция:

П{в,а)=?

которая описывает нелинейное искажение профиля волны в процессе ее распространения. Таким образом, форму падающей полны можно определить из выражения (3) при подстановке (см. рис. 1).

Динамика изменения профиля волны в процессе ее распространения в нелинейной среде до границы раздела

3

*

"" I Î £

п а п а а

іп ІА Vî\ -г\ Уг\ ЇГ\

•!«*--Ж ïfr 1»т---------/ ’»•V м? .«Г!--f~ar Л? .гю\------ГтГ-и? .м*"С— —¡ЙТ-ЯГ»

?U чД \Л V4 VU.

о=0 о=0.3 о=0.5 я=0.7 о=1

Рис. 1

Па границу раздела попадет звуковая волна, которая будет описываться следующим выражением:

Л (в)=л(0,<?(#))= *]р + о$-П(в% (4>

(А £  со  п0  (;

Здесь ------------. Отраженная от границы раздела волна будет

со Ро

описываться как

Погр{0) = V-п(в) = V  f[g + <5>

где V- коэффициент отражения от границы раздела.

Поэтому уравнение, описывающее распространение отраженной волны, будет иметь следующий вид:

Потр (0. <r)=VF\e + о{£\п(в)+(Г -П ОТР [в, а)]. <6>

Полученное выражение (6) позволяет описать волну конечной амплитуды в любой точке пространства после ее отражения от границы раздела. Следует отметить, что «скорость» изменения формы отраженного сигнала за счет нелинейных эффектов, накапливающихся во время ее распространения в среде, напрямую зависит от величины коэффициента отражения V.

168

Значение коэффициента отражения V может изменяться в диапазоне от 1 (абсолютно жесткая граница раздела) до -1 (абсолютно мягкая граница раздела), что обуславливает характер поведения отраженной волны конечной амплитуды. В случае жесткой границы раздела, характер изменения формы отраженного сигнала остается прежним, а с уменьшением коэффициента отражения V замедляется. При отрицательных же значениях коэффициента отражения фаза звукового давления сигнала при отражении меняется на л. За счет этого сдвига фазы нелинейные эффекты приводят к «рассасыванию» ударного фронта, а не к увеличению его крутизны. По мере распространения

отраженного сигнала, на расстоянии а = , вновь образуется волна,

форма которой совпадает с исходной. При дальнейшем распространении ее форма подвергается так же нелинейному искажению.

Примером такого распространения может служить случай отражения волны конечной амплитуды от границы раздела вода-газосодержащие осадки.

Известно /3/, что в газосодежащих осадках скорость звука меньше скорости звука в придонной воде, и в основном зависит от количества пузырьков в единице объема грунта, а также от их размеров. Следствием наличия пузырьков в газосодержащих осадков является их малая плотность, которая обычно меньше плотности придонной воды. Все эти флуктуации скорости звука и плотности весьма малы и составляют единицы (иногда десятки) процентов от соответствующих величин характеризующих параметры воды вблизи дна.

Динамика изменения профиля волны после ее отражения от границы раздела с коэффициентом отражения К=-0.041 (граница раздела вода-газосодержащие осадки, а) и от границы с коэффициентом отражения

Т Г Л « / ^

о=0 о«1 о-5 о*Ю

6)

Рис. 2

Исходя из выше сказанного, были проведены расчеты изменения формы волны при ее распространении после отражения от границы раздела вода - газосодержащие осадки. В этих расчетах было положено, что коэффициент отражения от данной границы раздела равен -0.041 (скорость

169

звука в осадках отличалась на 8%, а плотность - на 0.1%). Результаты проведенных расчетов приведены на рис. 2,а. На рис. 2,6 приведены результаты аналогичных расчетов для границы раздела с коэффициентом отражения Г=-0,1.

Как видно из приведенных результатов динамика изменения профиля волны при отражении от различных границ раздела идентична, однако ее скорость, как уже отмечалось выше, различна и зависит от величины коэффициента отражения.

Таким образом используя эффект искажения и преобразования формы волны и анализируя спектр принятого сигнала, можно с достаточной степенью точности прогнозировать коэффициент отражения от исследуемых границ раздела и производить индетификацию грунтов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика.

- Ленинград: Судостроение, 1981, 264 с.

2. Новиков Б.К.. Тимошенко В.И. Параметрические антенны в идролокации.

- Ленинград: Судостроение, 1989, 256 с.

3. Барник В., Вендт Г., Каблов Г.П., Яковлев А.Н. Гидролокационные системы вертикального зондирования дна/ Под ред. А.Н. Яковлева -Новосибирск: Издат. Новосибирского ун-та, 1992, 218 с.

ТРЕХМЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТАГАНРОГСКОМ ЗАЛИВЕ

Гончарова М.В., Ляшенко Т.В., Никитина А.В.

Работа выполнена при поддержке Американского фонда гражданских исследований и развития (CRDF, проект REC-004) и Министерства образования Российской Федерации. Грантодатели не несут ответственности за содержание материалов.

In this report the 3D hydrothermodynamic model of shallow water basin is viewed. We propose explicit finite-element scheme for numerical realization of this model for Taganrog Bay. This point of view do not demands of splitting methods. Although time step limits have to be strongly.

Процессы, протекающие в природной среде, не поддаются исследованию в нужной полноте и точности аналитическими методами. Прямой натурный эксперимент при изучении состояния окружающей среды дорог, а зачастую попросту невозможен, ввиду специфики объекта. Поэтому во многих случаях единственным средством анализа водных экосистем

170