Коэффициент отражения, как информативный параметр для экологических исследований Текст научной статьи по специальности «Физика»

гического мониторинга морского дна с целью поиска объектов в мелководных районах.

1. Сташкевич А.П. Акустика моря. Л.: Судостроение, 1966. 354 с.

2. Тарасов С.П. Нелинейное взаимодействие акустических волн в задачах гидролокации. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Таганрог: ТРТУ, 1998.

КОЭФФИЦИЕНТ ОТРАЖЕНИЯ КАК ИНФОРМАТИВНЫЙ ПАРАМЕТР ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

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

Таганрогский государственный радиотехнический университет

Одними из основных методов экологического мониторинга водных акваторий являются гидроакустические исследования, в результате которых определяется состояние водной среды, а также характер донных осадков, что позволяет в целом оценить экологическое состояние исследуемой водной акватории. Донные отложения способны накапливать в себе различные вещества, в частности тяжелые металлы, пестициды, попадающие в водные бассейны в составе сточных и грунтовых вод, а также другими путями. Вещества, попадающие в донные отложения в результате деятельности человека, изменяют структуру осадков, их химический состав и физические свойства. Эти изменения, в принципе, могут быть определены с помощью гидроакустических средств.

Наиболее информативным параметром в исследовании донных структур является коэффициент отражения, который зависит от физических свойств исследуемой системы. Эта зависимость используется при классификации подводных объектов, исследуемых гидроакустическими средствами.

В общем случае коэффициент отражения является комплексной величиной, т.е. может быть представлен в виде двух сомножителей - модуля и фазы [1, 2]. Особенности распространения волн в контактирующих средах учитываются, соответственно, на основе анализа обоих членов.

Как показано в литературе [1], для границ раздела вода - донные осадки справедлива формула Френеля [2]:

где т = р 2/Р1 - отношение плотностей контактирующих сред; п = 0^02 - отношение скоростей звука в этих средах (показатель преломления); 9 - угол падения волны.

Основным элементом в выражении (1), учитывающим процессы, связанные с затуханием волн в средах, является величина п = 0^02 . Если в первой среде - воде

не учитывать поглощение и дисперсию скорости звука, то при наличии этих эффектов во второй среде (грунте) показатель преломления п будет иметь вид

ЛИТЕРАТУРА

V =

(1)

(2)

В случае учета только поглощения выражение (2) примет вид [1, 2]

п = п0 (1 +1 • а),

(3)

где коэффициент потерь в среде а является комплексной величиной, зависящей от различных факторов (например, от пористости грунта, от величины и количества твердых частиц в нем и т.д.) и является функцией частоты. Поэтому выражение (3) перепишем в виде

4 ) = По (1 +1 -с()).

Связь коэффициента потерь а^) с более употребляемой в гидроакустике величиной Р - коэффициентом поглощения задается выражением [1]

с( ) = 0,0184 ). (4)

Коэффициент поглощения Р^) является также частотно-зависимой величиной. Эта зависимость для большинства осадков определяется следующим эмпирическим соотношением [3]:

Р(0 = к - ^

где коэффициенты к и т являются постоянными для различных типов грунтов; /подставляется в кГц, а Р() - в .

Подстановка (5) в (4) показывает, что зависимость а() степенная (а()) ~

f П_ ), и, поскольку величина т близка к единице [3], то эта зависимость весьма слаба. Однако частотная зависимость коэффициента отражения уже существенна. На рис. 1 показана частотная зависимость коэффициента отражения. Видно, что изменение коэффициента отражения может достигать 10^15%, что повлияет на спектральный состав отраженной немонохроматической волны.

Рассмотренный выше случай для сплошных осадочных пород является частным случаем. На практике же осадки имеют более сложную структуру, что и определяет их зависимость Р^).

Одной из таких структур являются газонасыщенные осадки. Этот тип донных отложений наиболее близок к условиям пресных водоемов. Интерес к изучению таких осадков, определению их состояния и мощности является одной из приоритетных задач экологического мониторинга подобных районов.

Выражение для коэффициента затухания для газонасыщенных слоев имеет более сложную структуру [1, 2]:

г2 8-с0

ЛМЛХ 1 р/

Р( ) = 4,34 - Г р(г)--^

-1 Г/^ \ \ 2

£( I _ 1

г - г

2

(6)

+ 82

f

где резонансная частота пузырька / (г ) определяется из выражения [1, 2]:

327 1/

f(г) =-— (1 + 0,1 - Ь)2 и зависит от глубины к, на которую погружен пузырек, и

г -102

радиуса пузырька г. Коэффициент 8 в выражении (6) является аддитивной величиной, состоящей из постоянных затухания, обусловленных излучением, сдвиговой вязкостью и теплообменом между водой и газом в пузырьке.

В уравнении (6) член р(г) учитывает изменение количества пузырьков в зависимости от величины их радиуса и может быть вычислен по эмпирической формуле [4, 5]

Рис.1. Зависимость модуля (а) коэффициента отражения V и его фазы (б) от угла скольжения Р и от частоты f при учете поглощения в однородных донных отложениях (граница раздела вода - глина песчанно-илистая п0 = 0,949, т = 1,58)

На рис. 2 приведены результаты расчетов коэффициента отражения по выражению (1) с учетом выражений (6), (4) и (3). Как видно, величина модуля коэффициента отражения и его фаза изменяются в зависимости от частоты на 15^20% (см. рис. 2). Такое изменение, по всей видимости, может вносить уже существенный вклад в спектр отраженного многокомпонентного сигнала. Приведенные выше расчеты были сделаны в предположении отсутствия дисперсии скорости звука. В случае же учета только дисперсии выражение (2) примет следующий вид:

С1

п = 1

^)' (7)

Дисперсия в однородном грунте, по всей видимости, будет незначительной и не существенно скажется на коэффициенте отражения. Скорость же звука в неоднородных осадках, напротив, будет зависеть от частоты. Для оценки коэффициента отражения от таких типов осадков обратимся к описанной модели газонасыщенных осадков.

Известно, что скорость звука зависит от сжимаемости среды К и связана с ней соотношением [2]

С 2 =. 1

К-р

где р - плотность среды.

Для газонасыщенных осадков, в которых наличие воздушных пузырьков заметно изменяет сжимаемость, скорость звука равна:

а

б

Рис.2. Зависимость модуля (а) коэффициента отражения V и его фазы (б) от угла скольжения Р и от частоты f при учете поглощения в однородных донных отложениях при наличии газа (пелены пузырьков). (Граница раздела вода - глина песчанно-

илистая п0 = 0,949, т = 1,58, = 2 • 10"б, Ятах = 2 • 10"3 м)

Используя (8), (7) и (1), можно рассчитать фазовые и амплитудные характеристики коэффициента отражения. На рис. 3 приведены фазовые и амплитудные зависимости коэффициента отражения от частоты и угла скольжения. Видно, что изменения коэффициента отражения от частоты могут достигать

Таким образом, видно, что дисперсия скорости звука при отражении оказывает более существенное влияние на коэффициент отражения, чем частотная зависимость коэффициента поглощения.

На рис. 4 представлены зависимости коэффициента отражения от угла скольжения и от частоты при учете дисперсии скорости звука и поглощения в донных отложениях. Полученные результаты показывают, что коэффициент отражения в значительной мере зависит от частоты падающих на границу раздела «вода - донные осадки» сигналов.

В заключение отметим, что наличие газовых пузырьков в донных осадках приводит к увеличению коэффициента отражения от дна и к зависимости его от частоты.

Это позволяет производить гидроакустический мониторинг газонасыщенных донных осадков, опираясь на измерения коэффициента отражения от дна, и по этим результатам судить об экологическом состоянии исследуемой акватории.

(8)

60+70%.

Рис. 3. Зависимость модуля (а) коэффициента отражения V и его фазы (б) от угла скольжения Р и от частоты f при учете дисперсии скорости звука в газонасыщенных донных отложениях (граница раздела вода - глина песчанно-илистая

п0 = 0,949, т = 1,58, = 2 • 10"б, Ят£К = 2 • 10"3 м)

Рис. 4. Зависимость модуля (а) коэффициента отражения V и его фазы (б) от угла скольжения Р и от частоты f при учете дисперсии скорости звука и поглощения в газонасыщенных донных отложениях (граница раздела вода - глина песчанно-илистая

п0 = 0,949, т = 1,58, = 2 -10"б , Ятах = 2 • 10"3 м)

ЛИТЕРАТУРА

1. Гидролокационные системы ветикального зондирования дна / В.Барник, Г. Вендт, Г.П. Каблов, А.Н. Яковлев; Под ред. А.Н. Яковлева. Новосибирск: Изд-во Новосиб. ун-та, 1992. 218 с.

2. Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана /Под ред. Т. А. Иванова. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1982. 262 с.

3. Акустика морских осадков // Сб. статей; Под ред. Л. Хэмптона, Ю.ЮЖитковского М. 1977. 553 с.

4. Гаврилов Л.Г. Содержание свободного газа в жидкости и методы его измерения. // Физические основы ультразвуковой технологии; Под ред. Р.Л. Розенберга. М. 1970. С. 395 - 426.