Современные методы расчета акустических полей в океане, основанные на их представлении в виде суперпозиции мод
- Авторы: Тыщенко А.Г.1, Козицкий С.Б.1, Казак М.С.1, Петров П.С.1,2
-
Учреждения:
- Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН
- Bergische Universität Wuppertal
- Выпуск: Том 69, № 5 (2023)
- Страницы: 620-636
- Раздел: АКУСТИКА ОКЕАНА. ГИДРОАКУСТИКА
- URL: https://jdigitaldiagnostics.com/0320-7919/article/view/648358
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0320791923600373
- EDN: https://elibrary.ru/QQLCBK
- ID: 648358
Цитировать
Аннотация
Представлен обзор современных методов моделирования акустических полей, основанных на их представлении в виде суперпозиции нормальных волн (акустических мод). В основе большинства описанных методов лежит подход к расчету модовых амплитуд с использованием параболических уравнений различного типа, как узкоугольных, так и широкоугольных. Рассматриваются также двумерные методы расчета акустических полей, к которым редуцируются указанные трехмерные подходы при отсутствии зависимости поля и параметров среды от одной из горизонтальных координат. Обсуждаются вопросы расчета как тональных акустических полей, так и импульсных звуковых сигналов. Рассмотрен ряд численных примеров, в которых такие расчеты выполняются с учетом трехмерных эффектов распространения звука. Впервые в рамках данного подхода выполнен расчет колебательных ускорений в точках приема импульсного сигнала, а также расчет плотности потока энергии векторного поля.
Об авторах
А. Г. Тыщенко
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН
Email: tyshchenko.ag@poi.dvo.ru
Россия, 690041, Владивосток, ул. Балтийская, 43
С. Б. Козицкий
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН
Email: petrov@poi.dvo.ru
Россия, 690041, Владивосток, ул. Балтийская, 43
М. С. Казак
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН
Email: petrov@poi.dvo.ru
Россия, 690041, Владивосток, ул. Балтийская, 43
П. С. Петров
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН; Bergische Universität Wuppertal
Автор, ответственный за переписку.
Email: petrov@poi.dvo.ru
Россия, 690041, Владивосток, ул. Балтийская, 43; Germany, 42119, Wuppertal, Gaußstraße, 20
Список литературы
- Katsnelson B., Petnikov V., Lynch J. Fundamentals of shallow water acoustics. N.Y.: Springer, 2012. V. 1.
- Jensen F.B., Kuperman W.A., Porter M.B., Schmidt H. Computational ocean acoustics. N.Y.: Springer, 2011.
- Pekeris C.L. Theory of propagation of explosive sound in shallow water. In Propagation of Sound in the Ocean. Geological Society of America, 1948.
- Miller J.F., Ingenito F. Normal mode fortran programs for calculating sound propagation in the ocean. Naval Research Lab. Report, 1975.
- Evans R.B. A coupled mode solution for acoustic propagation in a waveguide with stepwise depth variations of a penetrable bottom // J. Acoust. Soc. Am. 1983. V. 74. № 1. P. 188–195.
- Ocean Acoustics Library – OALIB/Normal Modes. https://oalib-acoustics.org/models-and-software/normal-modes/ [Online; accessed 30-March-2023].
- Porter M., Reiss E.L. A numerical method for ocean-acoustic normal modes // J. Acoust. Soc. Am. 1984. V. 76. № 1. P. 244–252.
- Westwood E.K., Tindle Ch.T., Chapman N.R. A normal mode model for acousto-elastic ocean environments // J. Acoust. Soc. Am. 1996. V. 100. № 6. P. 3631–3645.
- Трофимов М.Ю. Узкоугольные параболические уравнения адиабатического распространения звука одной моды в горизонтально неоднородном мелком море // Акуст. журн. 1999. Т. 45. № 5. С. 647–652.
- Трофимов М.Ю. Широкоугольные модовые параболические уравнения // Акуст. журн. 2002. Т. 48. № 6. С. 822–829.
- Collins M.D. The adiabatic mode parabolic equation // J. Acoust. Soc. Am. 1993. V. 94. P. 2269–2278.
- Abawi A.T., Kuperman W.A., Collins M.D. The coupled mode parabolic equation // J. Acoust. Soc. Am. 1997. V. 102. № 1. 233–238.
- Petrov P.S., Ehrhardt M., Tyshchenko A.G., Petrov P.N. Wide-angle mode parabolic equations for the modelling of horizontal refraction in underwater acoustics and their numerical solution on unbounded domains // J. Sound. Vib. 2020. V. 484. P. 115526.
- Petrov P.S., Antoine X. Pseudodifferential adiabatic mode parabolic equations in curvilinear coordinates and their numerical solution // J. Comp. Phys. 2020. V. 410. P. 109392.
- Рутенко А.Н., Боровой Д.И., Гриценко В.А., Петров П.С., Ущиповский В.Г. Мониторинг акустического поля сейсморазведочных импульсов в прибрежной зоне // Акуст. журн. 2012. Т. 58. № 3. С. 356–356.
- Manul’chev D., Tyshchenko A., Fershalov M., Petrov P. Estimating sound exposure levels due to a broadband source over large areas of shallow sea // J. Mar. Sci. Eng. 2022. V. 10. № 1. P. 82.
- Bonnel J., Dall’Osto D.R., Dahl P.H. Geoacoustic inversion using vector acoustic modal dispersion // J. Acoust. Soc. Am. 2019. V. 146. № 4. P. 2930–2930.
- Переселков C.A., Кузькин В.М., Кузнецов Г.Н., Просовецкий Д.Ю., Ткаченко С.А. Интерференционный метод оценки координат движущегося шумового источника в мелком море с использованием высокочастотных сигналов // Акуст. журн. 2020. Т. 66. № 4. С. 437–445.
- Petrov P.N., Petrov P.S. Asymptotic solution for the problem of sound propagation in a shallow sea with the bathymetry described by a parametric quadratic function // J. Acoust. Soc. Am. 2019. V. 146. № 3. P. 1946–1955.
- Казак М.С., Петров П.С. Об адиабатическом распространении звука в мелком море с изогнутым подводным каньоном // Акуст. журн. 2020. Т. 66. № 6. С. 613–621.
- Trofimov M.Yu., Kozitskiy S.B., Zakharenko A.D. A mode parabolic equation method in the case of the resonant mode interaction // Wave Motion. 2015. V. 58. P. 42–52.
- Trofimov M., Zakharenko A., Kozitskiy S., Petrov P. Formal derivations of mode coupling equations in underwater acoustics: how the method of multiple scales results in an expansion over eigenfunctions and the vectorized wkbj solution for the amplitudes // J. Mar. Sci. Eng. 2023. Submitted for publication.
- Petrov P.S., Kazak M.S., Petrova T.N. A generalization of wkbj method for solving a system describing propagation of coupled modes in underwater acoustics // Phys. Lett. A. 2022. V. 450. P. 128383.
- Kazak M., Koshel K., Petrov P. Generalized form of the invariant imbedding method and its application to the study of back-scattering in shallow-water acoustics // J. Mar. Sci. Eng. 2021. V. 9. № 9. P. 1033.
- Trofimov M.Yu., Zakharenko A.D., Kozitskiy S.B. Mode gaussian beam tracing // Comp. Phys. Commun. 2016. V. 207. P. 179–185.
- Godin O.A. A note on differential equations of coupled-mode propagation in fluids // J. Acoust. Soc. Am. 1998. V. 103. № 1. P. 159–168.
- Babkin G.I., Klyatskin V.I. Invariant imbedding method for wave problems // Wave motion. 1982. V. 4. № 3. P. 195–207.
- Гулин О.Э. К расчетам низкочастотных акустических полей в нерегулярных волноводах при наличии сильного обратного рассеяния // Акуст. журн. 2008. Т. 54. № 4. С. 575–586.
- Landau L.D., Lifshitz E.M. Quantum mechanics: non-relativistic theory. V. 3. Elsevier, 2013.
- Маслов В.П., Федорюк М.В. Квазиклассическое приближение для уравнений квантовой механики. М.: Наука, 1976.
- Burridge R., Weinberg H. Horizontal rays and vertical modes // Wave propagation and underwater acoustics. 2005. P. 86–152.
- Nazaikinskii V.E., Shatalov V.E., Sternin B.Yu. Methods of noncommutative analysis: theory and applications. de Gruyter, 1996.
- Trofimov M.Yu., Kozitskiy S.B., Zakharenko A.D. A mode parabolic equation method in the case of the resonant mode interaction // Wave Motion. 2015. V. 58. P. 42–52.
- Trofimov M.Yu., Kozitskiy S.B., Zakharenko A.D. Simulation of the pulse propagation by the interacting mode parabolic equation method // Comp. Phys. Commun. 2018. V. 228. P. 54–60.
- Petrov P.S., Trofimov M.Yu., Zakharenko A.D. Modal perturbation theory in the case of bathymetry variations in shallow-water acoustics // Rus. J. Math. Phys. 2021. V. 28. № 2. P. 257–262.
- Tang J., Петров П.С., Piao Sh., Козицкий С.Б. К вопросу о методе изображений в задаче о распространении звука в клине в акустике океана: некоторые исправления и дополнения // Акуст. журн. 2018. Т. 64. № 2. С. 228-240
- Kozitskiy S. Coupled-mode parabolic equations for the modeling of sound propagation in a shallow-water waveguide with weak elastic bottom // J. Mar. Sci. Eng. 2022. V. 10. № 10. P. 1355.
- AMPLE. Конфигурационные файлы экспериментов. [Электронный ресурс] URL: https://github.com/GoldFeniks/Ample/tree/master/ samples
- Тыщенко А.Г., Заикин О.С., Сорокин М.А., Петров П.С. Комплекс программ для расчета акустических полей в мелком море на основе метода широкоугольных модовых параболических уравнений // Акуст. журн. 2021. Т. 67. № 5. С. 533–541.
- Луньков А.А., Шерменева М.А. Взаимодействие мод на сосредоточенной неоднородности в мелководном акустическом волноводе в широкой полосе частот // Акуст. журн. 2022. Т. 68. № 5. С. 510–519.
- Petnikov V.G., Grigorev V.A., Lunkov A.A., Sidorov D.D. Modeling underwater sound propagation in an arctic shelf region with an inhomogeneous bottom // J. Acoust. Soc. Am. 2022. V. 151. № 4. P. 2297–2309.
- Porter M.B. Beam tracing for two-and three-dimensional problems in ocean acoustics // J. Acoust. Soc. Am. 2019. V. 146. № 3. P. 2016–2029.
- de Moraes Calazan R., Rodríguez O.C. Simplex based three-dimensional eigenray search for underwater predictions // J. Acoust. Soc. Am. 2018. V. 143. № 4. P. 2059–2065.
- Sertlek H.Ö., Ainslie M.A., Heaney K.D. Analytical and numerical propagation loss predictions for gradually range-dependent isospeed waveguides // IEEE J. Ocean. Eng. 2019. V. 44. № 4. P. 1240–1252.
Дополнительные файлы
