Нелинейная акустика в истории океанологии

Введение

Морская среда характеризуется наличием различных мелкомасштабных неоднородностей, существующих как у поверхности моря, так и на глубине: пузырьков газа, различных взвесей, планктона разных размеров, микротурбулентностей. [3]
Все перечисленные неоднородности вносят свой вклад в акустические характеристики морской среды, среди которых для гидроакустики важное значение имеют нелинейные характеристики. Несмотря на важность параметра нелинейности для морской среды, сведения о его измерениях в море очень редки.
1.Акустические методы изучения океана

Решение современных задач исследования Мирового океана и освоения его богатств требует постоянного совершенствования гидроакустических средств, поиска новых идей и методов их создания. Перспективным направлением развития океанологических исследований является использование недавно разработанных параметрических приборов на основе нелинейной теории, принцип действия которых основан на нелинейном взаимодействии акустических волн.
В результате стало возможным с помощью небольших передатчиков получить распределенную исследовательскую антенну достаточно большого размера в окружающей среде. В этом случае антенной выступает сама среда, наполненная первичным акустическим излучением.
В 60-х годах прошлого века нелинейная акустика была полной загадкой. В Московском государственном университете. Ломоносова и Института акустики АН СССР, шли жаркие споры по нелинейной теории, иногда ставился под сомнение даже сам процесс взаимодействия волн конечной амплитуды.
Несмотря на то, что повышенный интерес к различным нелинейным явлениям в акустике появился лишь в конце 60-70-х годов 20 века, ряд работ, лежащих в его основе (нелинейной акустике), был сделан гораздо раньше Пуассоном, Стоксом, Эйри, Эрншоу, Риманом. и академик Н.Н. Андреев. Эксперименты, постановка которых во многом стимулировалась развитием теории, стали проводиться лишь после 1975 г. в одноименном ТРТИ. В.Д. Калмыкова под руководством проф.
Использование преимуществ параметрических антенн позволило рекомендовать их в качестве важного дополнения к существующим приборам для исследования океана.
Проведенные исследования, результаты которых опубликованы, также выявили ряд недостатков параметрического гидролокатора и режима его работы в океанологических исследованиях.
Для проведения исследований океанского масштаба необходимо было увеличить мощность передающего тракта, расширить частотный диапазон в сторону более низких частот и повысить чувствительность приемного тракта на всем диапазоне частот. Использование остронаправленных систем требует стабилизации акустической антенны.
Эти недостатки были учтены и частично устранены в ходе последующих экспедиций 6-го и 11-го рейсов НИС «Академик Мстислав Келдыш», при этом особое внимание уделялось проблемам записи и обработки радиовещательных сигналов с использованием магнитных и компьютерных систем самописцев, а также использование сложных сигналов (амплитудно-частотно-модулированных, линейно-частотно-модулированных и др. в диапазоне частот от 5 до 50 кГц).
Обзор основных результатов по распространению звука в океане, полученных в ходе этих экспедиций благодаря преимуществам параметрического передатчика, дан в разделе 3.2.1, которому предшествуют краткие сведения о параметрической антенне к акустическому излучению и технические характеристики антенны параметрического акустического излучения. используются гидролокаторы.
Классическая акустика океана не учитывает нелинейные взаимодействия звуковых волн с различными режимами движения в сложной и многосвязной океанической системе, поскольку при описании последней не важна сжимаемость жидкости, без которой невозможны сами звуковые волны.
Нелинейные взаимодействия различных серий волн в океане лежат в основе некоторых процессов, которые не могут быть учтены в рамках линейной теории. Таким образом, поверхностные волны, взаимодействуя друг с другом, генерируют инфразвуковые волны в океане и атмосфере.
Взаимодействие поверхностных и внутренних волн эффективно меняет спектральный состав тех и других. Нелинейные взаимодействия интенсивных звуковых волн положили начало созданию в конце XX века нового класса акустических устройств — параметрических передатчиков и приёмников с уникальными характеристиками, свободных от ряда недостатков линейных устройств.
Звуковая волна высокой частоты, распространяясь в океане, в принципе взаимодействует со всеми полями, существующими в окружающей среде. В результате такого взаимодействия высокочастотная звуковая волна модулируется и, таким образом, становится источником информации о динамическом состоянии окружающей среды. А значит, такой параметрический приемник может записывать сигналы не только звукового характера.
Это дает возможность использовать высокочастотные акустические волны для изучения динамического состояния окружающей среды и, в частности, для измерения некоторых характеристик динамических процессов и гидрофизических полей океана.
Наиболее изученными в настоящее время процессами являются процессы нелинейного искажения интенсивных звуковых волн, их взаимодействие друг с другом, а также проблемы распространения звука в случайно-неоднородных средах.
Учет связи между динамическими процессами океана и акустическими полями оказывается менее изученной областью гидродинамики океана.
Акустика океана имеет два аспекта. Первое из них — изучение того, как изменчивость динамического состояния океана влияет на распространение звуковых волн.
В океане, помимо регулярных возмущений, наблюдаются случайные колебания различных параметров, вызванные существованием турбулентности, внутренних волн, колебаний температуры, солености и плотности в океане, приводящие к локальным изменениям скорости звука и искажениям. акустического поля. Другой аспект связан с использованием акустических волн для изучения структуры океана, т.е. по характерным изменениям акустического поля, вызванным локальными динамическими процессами в океане, можно судить о некоторых характеристиках этих процессов, как отмечалось выше. Это называется обратной задачей.
В 1978 году научный руководитель Хинганского научно-исследовательского института Г.В. Яковлев предложил разработчикам акустических антенн рассмотреть возможность использования параметрических антенн в доплеровской записи. Полагаю, его интерес был вызван информацией, содержащейся в отчете конференции ОКЕАН-76. Из отчета следует, что компания «Сперри» (США) разработала глубоководную доплеровскую регистрацию, до 6000 м, с параметрической антенной. С тех пор ЦНИИ «Морфизприбор» начал регулярные исследования нелинейной акустики во всех ее приложениях к гидроакустике.

2.Возможности нелинейной акустики при определении экологического состояния мирового океана

Современные тенденции изменения экологического состояния внутренних помещений, водоемов, а также морской водной среды с учетом непрерывного возникновения всех без преувеличения, все более мощные загрязнители можно назвать опасными, особенно в мелководных прибрежных районах. Как мы знаем, он находится в районе
На плато обитает подавляющее большинство видов морской фауны. В то же время эта территория наиболее интенсивно используется для добычи углеводородных ресурсов. Нефть, попадая в воду, образует на поверхности воды пленку, которая препятствует проникновению кислорода и оказывает вредное воздействие на морскую жизнь.
организации. Под воздействием нефтяного загрязнения замедляется скорость деления клеток микроскопических планктонных водорослей, некоторые виды теряют способность к размножению и погибают.
Одна из основных причин загрязнения гидросферы представляет собой сброс сточных вод. Современное сельское хозяйство занимает не последнее место среди загрязнителей по количеству и номенклатуре потребляемых различных видов химических веществ. С полей они попадают в реки, изатем в сторону моря. Под воздействием загрязняющих веществ биологический состав обитателей водоемов ухудшается.
Водные бассейны обладают невероятной способностью самоочищения.
Поэтому благодаря бактериям и осадку на дне они постепенно исчезают вредные примеси. Однако запас прочности, которым природа наделила большие водоемы, не безграничен. Необходимо постоянно контролировать процесс опасные загрязнения и своевременно реагировать на них.
Морская вода с пузырьками, твердыми взвесями, фазовыми включениями биологическое происхождение: зоопарк и фитопланктон, продукты разложения биологических систем, а также рыбы и другие морские организмы разных размеров составляют особо сложную среду обитания. Такая неоднородность морской среды приводит к рассеяние звука, дополнительное затухание, дисперсия скорости звука, появление дополнительной нелинейности среды, а также изменение ряда других акустических характеристик, важных для проведения исследований и измерений в области акустики океана.
Не менее важной является задача дистанционной регистрации пузырьков газа в воде или пелены пузырьков, появление которых вызвано деятельностью человека.
Например: утечки газа вследствие аварий на газопроводах, участки которых проложены по дну морей, рек, озер и других водоемов.
Поскольку неоднородности океана различны по своей природе, они обладают и разными свойствами в отношении диффузии акустических волн.
В частности, сила объемного обратного рассеяния зависит от частоты опроса.
Вопрос о влиянии характеристик поверхностного слоя, в частности изменяющегося параметра нелинейности, на процесс нелинейного распространения и взаимодействия акустических волн представляет большой научный и практический интерес.[7]
С другими гидроакустическими средствами, гидроакустические системы, использующие эффект нелинейного взаимодействия волны, так называемые параметрические системы, позволят поднять науку об океане на качественно более высокий уровень. Эффективность использования параметрических антенн обусловлена характеристиками, присущими только этому классу.
Это высокая пропускная способность, высокая направленность, везде одинаково.
Нелинейные взаимодействия различных серий волн в океане являются основной причиной некоторых процессов, которые не могут быть учтены в рамках линейной теории.
Заключение

Нелинейная акустика — научное направление, изучающее явления, связанные с нелинейным взаимодействием звуковых волн. В отличие от линейной акустики, где предполагается, что звуковые волны ведут себя линейно и подчиняются принципу суперпозиции, нелинейная акустика изучает эффекты, возникающие при больших амплитудах звуковых волн.