Применение низкочастотных акустических сигналов для исследования подводных газовых факелов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Гидроакустическое зондирование на частотах, близких к резонансным частотам колебаний пузырьков, является перспективным методом для обнаружения и изучения сипов, выхода газа (преимущественно метана) из морского дна при высвобождении газогидратов. Это соответствует снижению рабочей частоты, относительно традиционного метода изучения сипов высокочастотных гидролокаторов, поэтому предложенный метод будем относить к низкочастотным. Проведены оценки силы рассеяния с учетом коллективного взаимодействия. Продемонстрирована возможность применения низкочастотных гидроакустических систем для обнаружения сипов на примере результатов морского эксперимента с использованием имитационной пузырьковой струи. Предложен метод обработки данных для обнаружения нестационарных рассеивателей.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Д. А. Костеев

Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН; Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

Автор, ответственный за переписку.
Email: dkosteev@ipfran.ru
Россия, Нижний Новгород; Нижний Новгород

Н. А. Богатов

Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН

Email: dkosteev@ipfran.ru
Россия, Нижний Новгород

А. В. Ермошкин

Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН; Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

Email: dkosteev@ipfran.ru
Россия, Нижний Новгород; Нижний Новгород

И. А. Капустин

Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН; Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

Email: dkosteev@ipfran.ru
Россия, Нижний Новгород; Нижний Новгород

А. А. Мольков

Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН; Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

Email: dkosteev@ipfran.ru
Россия, Нижний Новгород; Нижний Новгород

Д. Д. Разумов

Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН

Email: dkosteev@ipfran.ru
Россия, Нижний Новгород

М. Б. Салин

Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН

Email: mikesalin@ipfran.ru
Россия, Нижний Новгород

Список литературы

  1. Бондур В. Г., Кузнецова Т. В. Исследования естественных нефте- и газопроявлений на морской поверхности по космическим изображениям // Аэрокосмический мониторинг объектов нефтегазового комплекса, Научный мир, 2012. С. 272.
  2. Shakhova N., Semiletov I. Methane release and coastal environment in the East Siberian Arctic shelf // J. Marine Systems. 2007. V. 66. P. 227–243. https:// doi.org/10.1016/J.JMARSYS.2006.06.006
  3. James R. H., Bousquet P., Bussmann I., Haeckel M., Kipfer R., Leifer I., Niemann H., Ostrovsky I., Piskozub J., Rehder G., Treude T., Vielstadte L., Greinert J. Effects of climate change on methane emissions from seafloor sediments in the Arctic Ocean: A review // Limnology and Oceanography. 2016. V. 61(S1). P. S283–S299. https://doi.org/10.1002/lno.10307
  4. Ermoshkin A., Molkov A. High-Resolution Radar Sensing Sea Surface States During AMK-82 Cruise // IEEE Journal of selected topics in applied earth observations and remote sensing. 2022. V. 15. P. 2660−2666. https://doi.org/10.1109/JSTARS.2022.3161119
  5. Shakova N., Semiletov I., Serienko V., Lobkovsky L. et al. The East Siberian Arctic Shelf: towards further assessment of permafrost-related methane fluxes and role of sea ice // Philosophical Transactions of The Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences. 2015. V. 373. № 2052. https://doi.org/10.1098/rsta.2014.0451
  6. Weidner E., Weber T. C., Mayer L., Jakobssn M., Chernykh D., Semiletov I. A wideband acoustic method for direct assessment of bubble-mediated methane flux // Continental Shelf Research, 2019. V. 173. P. 104. https://doi.org/10.1016/j.csr.2018.12.005
  7. Greinert J., Nutzel B. Hydroacoustic experiments to establish a method for the determination of methane bubble fluxes at cold seeps // Geo-Marine Letters. 2004. V. 24. № 2. P. 75−84. https://doi.org/10.1007/s00367-003-0165-7
  8. Li J., White P. R., Bull J. M., Leighton T. G., Roche B., Davis J. W. Passive acoustic localization of undersea gas seeps using beamforming. // Int. J. of Greenhouse Gas Control. 2021. V. 108. Article Number 103316.
  9. Prosperetti A., Lu N. Q., Kim H. S. Active and passive acoustic behavior of bubble clouds at the ocean’s surface // J. Acoust. Soc. Am. 1993. V. 93. № 6. P. 3117–3127.
  10. Razaz M., Iorio D. D., Wang B., Daneshgar S., Thurnherr A. M. Variability of a natural hydrocarbon seep and its connection to the ocean surface // Scientific Reports. 2020. V. 10. Article No. 12654. https://doi.org/10.1038/s41598-020-68807-4
  11. Муякшин С. И., Заутер Э. Дистанционный акустический метод определения производительности подводного источника газовых пузырьков // Океанология. 2010. Т. 50. № 6. С. 1045–1051.
  12. Бреховских Л. М., Лысанов Ю. П. Теоретические основы акустики океана. Л.: Гидрометиздат, 1982.
  13. Бритенков А. К., Норкин М. С., Захаров С. Б., Травин Р. В., Стуленков А. В. Сравнительные исследования вибромеханических характеристик компактных гидроакустических преобразователей продольно-изгибного типа со сложной формой излучающей оболочки // Акуст. журн. 2023. Т. 69. № 6. С. 808−816.
  14. Salin M. B., Suvorov A. S. Application of energy relations at modeling scattering by FEM on resonant frequencies // Proc. Meetings on Acoust. 2013. V. 17. Article No. 070081. https://doi.org/10.1121/1.4790418
  15. Вьюгин П. Н., Грязнова И. Ю., Курин В. В., Кустов Л. М. Экспериментальное исследование прямого и обратного рассеяния акустических волн на тонком пузырьковом слое // Акуст. журн. 2006. Т. 52. № 5. С. 636−640.
  16. Акуличев В. А., Буланов В. А. Акустические исследования мелкомасштабных неоднородностей в морской среде. Владивосток: ТОИ ДВО РАН, 2017.
  17. Буланов В. А., Соседко Е. В. Особенности нестационарного и нелинейного рассеяния звука на пузырьках и возможности их спектроскопии // Акуст. журн. 2022. Т. 68. № 4. С. 373−384. https://doi.org/10.31857/S0320791922040025
  18. Урик Р. Д. Основы гидроакустики (пер. с англ. Гусева Н. М.). Л.: Судостроение, 1978.
  19. Bjorno L. Chapter 5 − Scattering of Sound. In Applied Underwater Acoustics. Neighbors T.H.; Bradley D., Eds. Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, 2017. P. 302.
  20. Шендеров Е. Л. Излучение и рассеяние звука. Л.: Судостроение, 1989.
  21. Kirkup S. The Boundary Element Method in Acoustics. Integrated Sound Software, 1998/2007. (http://www.cad-cam-cae.com/blog/Kirkup98TBEMIAW.htm)
  22. Салин Б. М., Салин М. Б. Методы измерения бистатических характеристик рассеяния звука дном и поверхностью // Акуст. журн. 2016. Т. 62. № 5. С. 573−581. https://doi.org/10.7868/S0320791916050166
  23. Бялко А. В. Ламинарные цепочки пузырьков: логарифмически точное решение // Докл. Акад. наук. 2011. Т. 436. № 6. С. 747−752.
  24. Ermoshkin A. V., Kapustin I. A., Molkov A. A., Semiletov I. P. Manifestation of gas seepage from bottom sediments on thesea surface: theoretical model and experimental observations // Remote Sensing. 2024. V. 16. № 2. Art. No. 408. https://doi.org/10.3390/rs16020408

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. (а) — Пример неустановившихся колебаний (нестационарного рассеяния). (б) — Зависимость силы цели идеального пузырька при нормальном давлении от радиуса при фиксированной частоте 1090 Гц

Скачать (163KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Сила цели 1 м3 (сила рассеяния) объема жидкости с пузырьками a = 3 мм, оцененная МГЭ: на резонансной частоте (f0 = 1087 Гц), вблизи резонанса (df = 100 Гц) и в рамках модели мягких сфер

Скачать (157KB)
Метаданные
4. Рис. 3. (а) — Схема натурного эксперимента — дистанционное зондирование: 1 — гидрофонная антенна, 2 — гидроакустический излучатель, 3 — компрессор, 4 — генерируемый сип, 5 — радар. (б) — Схема натурного эксперимента — близкодействующие методы: 6 — стереокамера, 7 — ADCP. (в) — Фото сипа, полученное на одну камеру стереопары

Скачать (130KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Измерение вертикальной скорости ADCP во время генерации сипа

Скачать (190KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость вертикальной скорости от радиуса пузырька

Скачать (96KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Радиолокационная картина выхода пузырьковой струи на поверхность

Скачать (161KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Спектральные характеристики сигналов, зарегистрированных в эксперименте: (а) — прямой сигнал, (б) — рассеянный на сипе сигнал, (в) — ненормированные уровни рассеяния и (г) — пример формы импульса прямого сигнала на частоте 2000 Гц. Значения (а), (б) и (г) соответствуют уровням сигнала на элементах приемной антенны

Скачать (309KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Временные развертки сигналов, принимаемых антенной, фазированной в направлении на сип: (а) — ЛЧМ-сигнал с применением корреляционной обработки. Белым пунктиром обозначены интервалы времени, которые содержали рассеянный сипом сигнал. (б) — Тональный сигнал 2000 Гц с применением фильтра, согласованного со спектром сигнала

Скачать (390KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Сила рассеяния пузырькового столба от времени (номера импульса), лоцирующий сигнал: (а) — тональный сигнал f = 2000 Гц, (б) — ЛЧМ-сигнал f = 1500−2500 Гц

Скачать (170KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Корреляционная функция сигналов, полученных в 1-ом цикле и в последующих циклах. Первый столбец — автокорреляции. (а) — Прямые сигналы, (б) — эхосигналы от сипа. Частота сигнала 2.5 кГц, частота дискретизации 24 кГц

Скачать (112KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Сравнение результатов базовой обработки и описанного метода межимпульсного вычитания, частота 2500 Гц, (а) — уровень фазированного сигнала, (б) — уровень фазированного сигнала, скорректированный по дальности

Скачать (137KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Сонограмма в зависимости от вертикального угла, усредненная по 8 импульсам, на частоте 2500 Гц с применением метода межимпульсного вычитания. Уровни принимаемого сигнала в дБ относительно условной единицы с корректировкой по дальности соответствуют уровням контрастности

Скачать (142KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024