Способ классификации структурыподводного грунта
ЙВз4и) bio тйкнл Вусттйя . мййт Фий М ЬА
1п1794475
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Саеотскйх
Социалистических
Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 30.05.78 (21) 2620224/18-10 с присоединением заявки № (51) М. К .
0 01 N 29/00
Государственный комитет (23) Приоритет (43) Опубликовано 07.01.81. Бюллетень № 1 (45) Дата опубликования описания 07.01.81 (53) УДК 534.642 (088.8) пе делам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения Б. И, Гончаренко и Л. H. Захаров (71) Заявитель Московский ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени государственный университет им, М, В. Ломоносова (54) СПОСОБ КЛАССИФИКАЦИИ СТРУКТУРЫ
ПОДВОДНОГО ГРУНТА
Изобретение относится к гидроакустическим и акустическим измерениям и может быть использовано для определения структуры отражающей среды и, в частности, для определения структуры подводного грунта в условиях плоского волновода и в диапазоне частот, когда длина волны соизмерима с вертикальными размерами волновода.
Известен способ определения структуры 10 подводной среды, заключающийся в сейсмическом профилировании участков морского дна (1).
Однако при таком профилировании воз- 15 можно определить только общие характеристики строения дна, сделать заключение о структуре грунта вблизи поверхности дна, как правило, не представляется возможным. 20
Известен также способ определения структуры грунта на основе использования особенности распространения звука в водном слое от взрывного источника, заключающийся в измерении приемником звукового давления суммарного звукового сигнала с последующей его обработкой (2). Для реализации этого способа необходимо располагать приемное устройство на значительных расстояниях от места подрыва за- ч0 рядов, чтобы проявились дисперсионные свойства среды.
Этот способ не нашел широкого распространения из-за сложности его реализации и невысокой точности.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ классификации структуры подводного грунта, включающий возбуждение в водной среде нормальных волн, прием отдельной нормальной волны на расстоянии не менее длины волны излучаемого сигнала и регистрацию принятого сигнала, заключающуюся в измерении вертикального распределения амплитуды и фазы звукового давления отдельной нормальной волны на частотах вблизи критической частоты и измерении убывания звукового поля в горизонтальном направлении, решении соответствующих уравнений, в которые входят измеренные величины и сравнения полученных расчетных значений, например коэффициент преломления и частота зарождения нормальной .волны, с соответствующими известными величинами, характеризующими структуру однородного грунта, при их совпадении подводный грунт представляют однородным полупространством, при не совпадении слоистым (3).
Недостатками известного способа являются малая достоверность классификации вследствие погрешностей измерения фазы сигнала, обусловленных волнением поверхности водной среды и низкой точностью oiiределения критической частоты, а также длительность процесса измерений.
Цель изобретения — повышение достоверности и ускорения процесса классификации структуры подводного грунта.
Это достигается тем, что в известном способе классификация структуры подводного грунта, включающем возбуждение нормальных волн, прием отдельной нормальной волны на расстоянии не менее длины волны излучаемого сигнала и регистрацию принятого сигнала, прием отдельной нормальной волны производят на глубине 0,7 — 0,8 глубины места измерения и регистрируют частотную зависимость разности фаз между вертикальной составляющей колебательной скорости и звуковым давлением, при монотонном изменении которой классифицируют подводный грунт однородным, а при наличии экстремумов на частотной зависимости — слоистым.
На фиг. 1 дана функциональная схема устройства для осуществления предложенного способа; на фиг. 2 приведены результаты расчета частотной зависимости разности фаз для отдельной нормальной волны для двух моделей грунта.
Устройство включает излучающий тракт, содержащий генератор синусоидальных колебаний 1, усилитель мощности 2, к которому подключены частотомер 3 и излучатель
4, а также приемный тракт, содержащий приемник звукового давления 5 и векторный приемник 6, сигналы с которых соответственно через усилители низкой частоты 7 и 8 поступают на трехоктавные фильтры 9 и 10 и далее на фазометр 11 и самописцы 12 и 13.
Для осуществления предложенного способа необходимо в водном слое возбудить излучателем 4 звуковое поле в диапазоне частот, когда в нем будет распространяться отдельная нормальная волна. Место размещения излучателя в водном слое несущественно. Однако помещая его на середину водного слоя, можно добиться расширения диапазона частот, когда в водном слое будет распространяться только одна нормальная волна.
Далее, изменяя частоту излучаемого сигнала на генераторе 1, измеряют частотную зависимость разности фаз между звуковым давлением и вертикальной составляющей колебательной скорости в одной точке водного слоя с помощью приемников 5 и 6, фазометра 11 и самописцев 12 и 13, причем точка приема должна находиться на расстоянии не менее длины волны излучаемого сигнала от излучателя и на глубине
0,7 — 0,8 глубины места измерения. При
794475
55 б0 б5
Ь, tR(lnZ)
lï
Н вЂ” глубина водного слоя;
Zn — глубина погружения излучателя;
Z — вертикальная координата; а — циклическая частота;
m„ и l„ — горизонтальное и вертикальное волновые числа соответственно, связанные следующим соотношением
К = l + и и; и и
k = co/Co — волновое число в воде;
Со — скорость звука в воде;
Н (m„r) — функция Хаккеля первого
11 рода нулевого порядка;
r — горизонтальное расстояние между излучателем и приемной системой;
6„ — корень дисперсионного управления, 1+ V — 2El н — 0 где
Р(0 ) — некоторая функция, не зависящая от параметров грунта, Учитывая комплексный характер вертикального волнового числа l = l +il ", представим отношение Р„/ц„в виде п/ 1 = — „(Иф, (1Я l„Z — i th(l„2) J/
/(1 — i tg (l„2) th (l„2) j (l„+ il„) = п п) п1 где — модуль; — разность фаз между звуковым давлением и вертикальной составляющей колебательной скоростью, равная
l„sin (2l„Z) -1- l„Sh(2l„Z)
l„sin(2l„Z) — l„Sh(2l„Z) tg („ .) =монотонном изменений частотной зависимости разности фаз классифицируют грунт однородным, а при наличии экстремумов на частотной зависимости — слоистым.
Проиллюстрируем сущность предлагаемого способа на примере определения структуры грунта в условиях плоского слоя с неидеальной нижней границей. В этом случае выражение для отношения звукового давления P к вертикальному компоненту колебательной скорости q нормальной волны порядка и имеет вид
2п < ро Нй (mnr) sin(lnZ) s n (InZo) P (0n) и
2 /
H — Н© )(rn Выражение (1), определяющее разность фаз Ъц(Р ц), инвариантно относительно нижней модели грунта, так как при его выводе никаких ограничений на модель нижнего полупространства, за исключением того, что оно жидкое, наложено не было. Как следует из (1), разность фаз Л<р(Р„ 1) зависит от вертикальной координаты Z, действительной и мнимой частей вертикального волнового числа, частотная зависимость которых определяется структурой и акустическими параметрами грунта. Из этого следует, что разность фаз Л (Рт ) несет информацию об отражающем полупространстве. Первая модель грунта (см. фиг. 2) представлена в виде однородного жидкого полупространства с параметрами р1 — — 1,6г/см, C1 — — 100 м/с. Значение разности фаз соответствуют глубине Z=0,7 Н. Вторая модель представлена в виде слоя грунта, лежащего на однородном полупространстве. Параметры модели были следующими: толщина слоя h=07 м; плотность грунта в слое h 1,6 г/см, скорость звука в полупространстве C — — 1800 м/с, плотность р= 1,9 г/смз. Глубина водного слоя в обоих случаях бралась Н=8,5 м; затухание бь2=0,05. Пунктирная линия на фиг. 2 соответствует однородному полупространству, сплошная, штрихпунктирная и штрих с двумя пунктирами линии соответствуют скоростям звука в промежуточном слое грунта, равным 100 м/с, 150 м/с и 200 м/с. Как следует из фиг. 2, разность фаз Л (Р„ 1) для первой и второй модели грунта имеет существенное отличие. Для однородного полупространства Лс (Р 1„) = р (f) имеет гладкий характер. Для слоистой среды кривая Л (Р т1„) имеет экстремумы, положение которых на частотной оси определяется толщиной промежуточного слоя и 45 его акустическими параметрами. Например, при увеличении скорости звука С, в два раза минимум разности фаз перемещается с f =75 Гц íà f = 150 Гц. Эти особенности частотной зависимости разности фаз использованы в предложенном способе для классификации структуры подводного грунта в качестве однородного полупространства или слоистой среды. При использовании предложенного способа ускоряется и упрощается процесс классификации структуры подводного грунта, а также повышается достоверность классификации, так как исключается измерение амплитуды и фазы звукового давления на дне, величины которых зависят не только от структуры грунта, а также от частоты и вертикального распределения скорости звука в водном слое. Формула изобретения Способ классификации структуры подводного грунта, включающий возбуждение в водной среде нормальных волн, прием отдельной нормальной волны на расстоянии не менее длины волны излучаемого сигнала и регистрацию принятого сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности и ускорения процесса классификации, прием отдельной нормальной волны производят на глубине 0,7 — 0,8 глубины места измерения и регистрируют частотную зависимость разности фаз между вертикальной составляющей колебательной скорости и звуковым давлением, при монотонном изменении которой классифицируют подводный грунт однородным, а при наличии экстремумов на частотной зависимости — слоистым. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Подводная акустика. — М., Мир, 1970, с. 452 — 454. 2. Распространение звука в океане. Под ред. Бреховских Л. М. — М., Иностранная литература, 1951, с. 48. 3. Кряхов Ф. И., Петров Н. А. Нормальные волны в трехслойной среде. — Акустический журнал. Изд-во АН СССР, т. 6, вып. 2, 1960, с. 230 — 236 (прототип). 794478 Вп 6O 60 М
Z0 /О 60 60 70 80 УО /00 //О /20 130 /40 60 60 /70 ааг.2 Г Гц Составитель Е. Литвинов Техред Л. Куклина Корректор А. Галахова Редактор Т. Клюкина Заказ 2717/13 Изд. № 115 Тираж 915 Подписное НПО кПоиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Я-35, Раушская наб., д. 4/5 Типография, пр. Сапунова, 2
