Способ классификации структурыподводного грунта

1 1179447 ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Йоиз Саеотскйх Социалистических Республик) Приоритет Государственнын комитет СССР пе делам изобретеиий и открытий(71) Заявитель Б, И, Гончаренко и Л. Н. Захаров Московский ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени государственный университет им, М, В. Ломоносова(54) С ОБ КЛАССИФИКАЦИИ СТРУКТУРПОДВОДНОГО ГРУНТА идроакустичениям и может еления струкв частности,подводного волновода и в а волны соиззмерами волИзобретение отским и акустическбыть использованотуры отражающейдля определениягрунта в условияхдиапазоне частот,мерима с вертикановода.Известен способподводной среды,смическом профилского дна 1. носится ким измередля опресреды иструктурьплоскогокогда длильными р го распро- реализации определения структуры 10 заключающийся в сейировании участков морофилировании воз ко общие характеделать заключение лизи поверхности редставляется воз 20 соб определения ове использованияения звука в водсточника, заключаиемником звуково звукового сигнала аботкой 2. Для а необходимо расойство на значи- места подрыва за- З 0 Однако при таком пр можно определить толь ристики строения дна, с о структуре грунта вб дна, как правило, не и можным.Известен также спо структуры грунта на осн особенности распростран ном слое от взрывного и ющийся в измерении пр го давления суммарного с последующей его обр реализации этого способ полагать приемное устр тельных расстояниях от рядов, чтобы проявились дисперсионные свойства среды.Этот способ не нашел широкостранения из-за сложности егои 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.н3Недостатками известного способа являются малая достоверность классификации вследствие погрешностей измерения фазы сигнала, обусловленных волнением поверхности водной среды и низкой точностью определения критической частоты, а также длительность процесса измерений.Цель изобретения - повышение достоверности и ускорения процесса классификации структуры подводного грунта.Это достигается тем, что в известномспособе 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. = 1 Рп 1/Ип 1 т (Р. ).)- модуль; 5 10 15 20 25 Зо 35 40 45 50 55 б 0 б 5 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 Р к вертикальному компоненту колебательной скорости т) нормальной волны порядка п имеет вид2 пгож - Но ппг) ып(пХ) яп (по) г (л)21Н- Н)(тпг)з и (по) Со (п)РЯп)п Н - глубина водного слоя;Ео - глубина погружения излучателя;Л - вертикальная координата;а - циклическая частота;тл и 1 - горизонтальное и вертикальное волновые числа соответственно, связанные следующим соотношениемК = Р+ тфп;л и1=а/Со - волновое число в воде;С, - скорость звука в воде;Н (тг) - функция Хаккеля первого1)рода нулевого порядка;г - горизонтальное расстояниемежду излучателем и приемной системой;6 л - корень дисперсионного управления,у - 2 ю и - ,Р(0,) - некоторая функция, не зависящая от параметров грунта,Учитывая комплексный характер вертикального волнового числа 1 =1 +П,", представим отношение Р/)в видеР й= -р дгХ - ьа(С 2)У- разность фаз междузвуковым давлением и вертикальной составляющей колебательной скоростью, равная л 81 П (2 л) + "(2") л 8)п(21 л) лЯг(йл,2)5Выражение (1), определяющее разность фаз Лр(Р,),), 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 Лр(Р 1) зависит от вертикальной координаты 2, действительной и мнимой частей вертикального волнового числа, частотная зависимость которых определяется структурой и акустическими параметрами грунта, Из этого следует, что разность фаз Ь(Р 1) несет информацию об отражающем полупространстве.Первая модель грунта (см. фиг. 2) представлена в виде однородного жидкого полупространства с параметрами р, = 1,6 г/см,С,=100 м/с. Значение разности фаз соответствуют глубине 2=0,7 Н, Вторая модельпредставлена в виде слоя грунта, лежащего на однородном полупространстве. Параметры модели были следующими: толщина слоя Ь=0,7 м; плотность грунта в слоей 1,6 г/см, скорость звука в полупространстве С,= 1800 м/с, плотность р= 1,9 г/смз.Глубина водного слоя в обоих случаяхбралась Н=8,5 м; затухание бь 2=0,05.Пунктирная линия на фиг. 2 соответствует ЗОоднородному полупространству, сплошная,штрихпунктирная и штрих с двумя пунктирами линии соответствуют скоростям звука в промежуточном слое грунта, равным100 м/с, 150 м/с и 200 м/с. 35Как следует из фиг, 2, разность фазЬср(Р 1) для первой и второй модели грунта имеет существенное отличие. Для однородного полупространстваЬ (Р 1) = римеет гладкий характер. Для слоистой среды криваяЬр (Рт) имеет экстремумы, положение которых на частотной оси определяется толщиной промежуточного слоя и 45его акустическими параметрами, Например, при увеличении скорости звука С, вдва раза минимум разности фаз перемещается с /=75 Гц на 1=150 Гц,6Эти 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 изобретенияСпособ 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),Типография, пр. Сапунова,90 8 О 7 О каз 2717/13ПО кПоиск 1 И Ю О 1 бО У 7 дФц Изд.115 Тираж 915 Подписноесударственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5