دانلود پایان نامه دکتری: اثر ناهمگونی‌های افقي و قائم بر روي انتشار امواج آكوستيك در درياي عمان

عنوان : اثر ناهمگونی‌های افقي و قائم بر روي انتشار امواج آكوستيك در درياي عمان

دانشگاه علوم و فنون دريايي خرمشهر

دانشکده علوم دريايي

گروه فيزيك دريا

پايان نامه‌ی دكتري رشته‌ی فيزيك دريا

عنوان:

اثرناهمگونی‌های افقي و قائم بر روي انتشار امواج آكوستيك در درياي عمان (محدودۀ تنگه هرمز)

استادان راهنما:

مسعود صدري نسب

عباسعلي علي اكبري بيدختي

استادان مشاور:

وحيد چگيني

مهدی محمد مهدی زاده

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

چکیده:

دریا محیطي پویا و دائما” در حال تغییر است هر کدام از پدیده هاي دریایی دارای خصوصیات منحصر به فردیدارند. جریان‌ها، امواج داخلي و تلاطم‌ها کوچک مقياس، لايه بندي افقي و نیز پدیده های دیگر همچون جریان نفوذی، بر تغییرات افقی و قائم سرعت صوت اثر دارند. در این مطالعه در ابتدا بانک اطلاعات پارامترهای هیدروفیزیکی اندازه­گيري شده و رسوبات درياي عمان در محیط GIS گردآوری گرديده و تغییرات فصلی این داده‌هابه صورت سه بعدی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. با استفاده از داده­هاي اندازه­گيري شده، کانال‌های صوتي عميق در درياي عمان شناسايي می‌شود.نتايج نشان می‌دهد، كه اكثر اين کانال‌ها در اعماق بين 1600 تا 1800 متري در سواحل جنوبي درياي عمان قرار دارند. با بررسی تغییرات سه بعدی و نیم‌رخ‌های افقي درياي عمان، مشخصمی‌شود كه جريان خروجي از خليج فارس به درياي عمان باعث ايجاد ناهمگوني افقي در محيطخواهد شد.این پدیده باعث وارونگی نمايه­هاي قائم دما و شوری می‌شود، و در نتیجه باعث وارونگی نیمرخ سرعت صوت خواهد شد. در اين تحقيق، براي بررسي اثر ناهمگوني افقي بر روينحوۀ انتشار صوت از روش تئوري پرتو (در دو حالت وابسته به برد و مستقل از برد) استفاده می‌شود. همچنينهمانندسازی جریان نفوذی در آزمایشگاه و اثر آن بر روی افت و خیزهای سیگنال آکوستیکی در دو فرکانس kHz50 و kHz120 مورد بررسي قرار می‌گیرد. در ضمن از روش تئوري پرتو براي بررسي اثر ناهمگونی‌های قائم بر روي انتشار صوت ناشي از پديده تغييرات ريز مقياس استفاده شده است.این مطالعه نشان مي­دهد که جریان نفوذی و ساختار ریز قائم سرعت صوت باعث تغییرات در شکل، دامنه، تا خیر زمانی، فشار آکوستیکی و افت و خیزهاي سیگنال خواهد شد. به طور مثال، وجود ساختار ریز قائم باعث پخش انرژی صوتی و کاهش مکان‌های تاریک می‌شود. در ضمن در این مطالعه با استفاده از روش عددی کواردیچر، معادله موج آکوستیکی حل گرديد. و برای صحت سنجی مدل از دو مثال معتبر در پیشینه تحقیق استفاده شد و نتایج بدست آمده تطابق بسیار خوبی با این دو مثال را نشان می‌دهد.

فصل اول: مقدمه و کلیات

1-1- مقدمه

      فناوري ارسال سیگنال صوتی از میان لایه های مختلف آب در سیستم‌های مخابرات زیر آب کاربرد فراوانی دارد. سیگنال‌های آكوستيكي هنگامي كه از ميان لایه های آب عبور كنند، در زمان‌های مختلف، دچار تغییراتی بر روي شكل و فاز می‌شوند. اقیانوس محیط پویا و دائما” در حال تغییر است و هر کدام از پدیده­های اقیانوسی دارای خصوصیات منحصر به فردی می­باشند. به طور مثال  پديده­هاي همچون جريانات، امواج داخلي و تلاطم‌های کوچک مقياس، لايه بندي افقي، جریانات نفوذی و افت و خيزهاي دما و شوري در راستاي قائم باعث ايجاد تغييرات بر روي سيگنال آكوستيكي می‌شوند. هر كدام از اين پديده­ها باعث ايجاد اكو بر روي سيگنال خروجي مي­شوند. تنها خصوصيت فيزيکي اقيانوس که بر انتشار امواج آکوستيکي تأثير مي­گذارد، سرعت صوت مي­باشد که داراي مقدار عمومی m/s 1500 در اقيانوس­هاي استوايي و معتدل است (تغييرات چگالي نيز بر انتشار اين امواج مؤثر هستند، اما اين تغييرات روي تمام ستون آب اقيانوسي قابل چشم پوشی هستند، ولي در لايه­هاي رسوبي در کف اقيانوس به عنوان فاكتور مهم در محاسبات  در نظر گرفته می‌شود). سرعت صوت در اقيانوس تابعي از سه متغير است: دما، شوري و فشار (يا عمق). اين تابع، تابعي افزايشي از هر سه متغير است. عبارتي ساده و تجربي براي سرعت صوت (m/s) برگرفته از مطالعه Mackenzie (1981) به صورت ذیل ارائه شده است.

كه c سرعت صوت بر حسب  و  عمق بر حسب متر و  شوري بر حسب واحد در هزار (PPT) در محدوده ،  T دما بر حسب درجه سلسیوس می‌باشد. يک بررسی معمولی، نشان می‌دهد سرعت صوت حدود m/s 4 به ازای یک درجه تغییر دما، m/s 5/1 به ازای افزایش صد متر عمق  و m/s 1 براي افزايش PPT1 افزايش مي­يابد.

2-1- هدف تحقیق

به طور کلی، ناهمگونی‌های افقی به دلیل جریانات، پدی‌ها[1] و جبهه‌ها به وجود می‌آیند، همچنین ناهمگونی‌های قائم به دلیل ساختار تغییرات ریز قائم دما و یا شوری ایجاد می‌شوند. در دریای عمان یکی از پدیده­های که در مطالعات قبلی به آن اشاره شده است، جریان آب شوری و گرمی است که از خلیج فارس به دریای عمان سرریز می­شود. مطالعات زیادی در زمینه مشخصات این جریان انجام شده است. ورود این جریان نفوذی به دریای عمان باعث ایجاد وارونگی در دما و شوری در اعماق بین 200 تا 400 متری می‌شود و هر چه این جریان به اقیانوس هند نزدیک‌تر می‌شود از ضخامت آن کاسته می­شود. اين جريان نفوذي باعث ايجاد وارونگي در ساختار قائم سرعت صوت می‌شود. براي بررسي اثر اين جريان بر روي انتشار صوت در برخی از مکان‌های ایجاد وارونگی، شبيه سازي انتشار صوت  در دو حالت وابسته به برد و مستقل از برد مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به مشکلات و محدودیت‌های آزمایش‌های آکوستیکی در مسیر جریان برون ریز خلیج فارس در محيط واقعي، سعی شده است با بهره گیری از یک مدل آزمایشگاهی، جریان برون ریز خلیج فارس را شبیه سازی نموده، و اثر اين جريان را بر روي افت و خيزهاي سيگنال آكوستيكي بررسي گردد.

1-2-1- ضرورت و اهمیت تحقیق

مدل‌سازی دقيق انتشار امواج صوتي، و بررسي اثرات محيطي، اولين قدم در طراحي و ساخت سیستم‌های پيشرفته صنعتي و نظامي دريايي (زير آبي) و برآورد کار­آیی تجهيزات به کار گرفته شده در محيط زيردريا مي‌باشد. تجهيزاتي که بر مبناي امواج صوتي کار مي‌کنند در زمينه‌هاي مخابرات زيردريا، تعيين موقعيت و کشف هدف‌های ناشناخته زير دريا، کشتی‌رانی، ناوبري و هدايت زيردريايي، کنترل، مراقبت و دفاع ضد زيردريايي، زمين‌شناسي، آشکارسازي زيردريايي، صيادي پيشرفته، اقيانوس نگاري، نقشه برداري و تصويربرداري بستر دريا، و اکتشاف و استخراج منابع نفت و گاز، مورد استفاده قرار مي‌گيرند. امروزه ابزار مدل‌سازی و شبيه‌سازي، مهمترين وسيله‌اي است كه استفاده كنندگان، طراحان سيستم و پژوهشگران مي‌توانند توسط آن، پارامترهاي طراحي سیستم‌های مورد نظر را در شرايط محيطي مختلف بررسي نمايند. ضمن اينكه، اين كار (در مقايسه با انجام آزمایش‌های تجربي در دريا) هزينه بسيار كمتر و بازدهي بيشتري دارد.

2-2-1- سوالات اساسی تحقیق

سئوالات اساسی  این تحقیق شامل موارد ذیل است:

1- آيا ناهمگوني قائم محيط ناشي از دما و شوري بر روي انتشار صوت تاثير دارند و چنانچه اثر دارند در چه فركانس هايي بر روي انتشار صوت تاثير مي گذارند؟

2- آيا شار خروجي از خليج فارس به درياي عمان (ناهمگوني افقي) باعث تغيير شكل  و شيفت زماني سيگنالهاي آكوستيكي خواهد شد؟

3- آيا مي توان در مدلسازي انتشار سرعت صوت فقط تغييرات قائم يك نيمرخ سرعت در نظر گرفت (مستقل از برد) و يا بايستي چند نيمرخ قائم در نظر گرفته شود؟ 

4- آيا تغييرات فصلي بر روي افت و خيزهاي سيگنال آكوستيكي  اثر دارد؟

3-2-1- نوآوری ها

1- تا کنون هیچ مطالعه ای در زمینه اثر جریان نفوذی (جریان خروجی خلیج فارس به دریای عمان) بر روی انتشار صوت در داخل كشور انجام نشده است. 

2- در دنیا تا کنون هیچ مطالعه ای در زمینه اثر پراکندگی به واسطۀ جریان نفوذی در آزمایشگاه انجام نشده است. 

3- مطالعه اثر ناهمگونی های قائم ناشی از دما و شوری بر روی انتشار صوت 

4- شناسایی کانالهای صوتی عمیق و نیز کانال های سطحی به واسطۀ نفوذ جریان  ترموهالاین در دریای عمان

3-1- نحوه انتشار صوت

يكي از پارامترهاي موثر در انتشار صوت،  تغييرات نيمرخ سرعت صوت می‌باشد. بر اساس تئوری پرتو چنانچه گرادیان سرعت صوت منفی باشد، پرتوها به سمتی که سرعت صوت کاهش می‌یابد، خم می‌شوند. ولی چنانچه گراديان سرعت صوت مثبت باشد، پرتوها به سمت بالا خم می‌شوند. در نواحي كه امواج صوتي در آن نفوذ نمی‌کنند، ناحيه تاريك[1] می‌گویند. در ضمن مشابه اين موضوع در هوا نيز وجود دارد. يعني وقتي دماي نزديك زمين سرد باشد امواج صوتي به پايين خم می‌شوند و بالعكس اگر هوا در ارتفاعات سردتر باشد امواج صوتي به بالا منحرف می‌شوند (شکل 1-1).

4-1- کانال صوتی عمیق

نیمرخ قائم سرعت صوت در آب عميق در شکل (1-2a) نمايش داده شده است. در اين شکل  عمقي است که کمينه سرعت در آن رخ مي­دهد. اين عمق، محور کانال صوتي زير آبي است. بالاي اين محور، سرعت صوت عمدتا” به دليل افزايش، دما زياد می‌شود و در زير اين محور به دليل فشار هيدروستاتيکي زياد مي­شود. اگر چشمه صوت روي محور کانال يا نزديک آن قرار بگيرد، برخي بخش­هاي انرژي صوتي در کانال به دام انداخته مي­شوند و داخل آن منتشر مي­شود، بدون اينکه به سطح و يا بستر برخورد كند. شکل (1-2b) شماتيكي از كانال صوتي عميق را نشان می‌دهد. اين شکل نمونه­اي از انتشار صوت در کانال است.

اين نوع موجبر بين عمق­هاي  مشاهده مي­شود. عمق محور کانال معمولا” 1000 تا 1200 متر است. در مناطق استوايي اين عمق به 2000 متر و در عرض­هاي بالاتر به نزديک سطح منتقل مي­شود. بيشترين مسافت طي شده در کانال‌های صوتي عمدتا” توسط جذب آب دريا محدود مي­شود. انتشار صوت با فرکانس پايين به دليل جذب پايين در اين كانال، مي­تواند تا صدها و بلکه هزارها کيلومتر منتشر شود (Etter, 2003).

5-1- رفتار موج آكوستيكي در لایه‌ها

1-5-1- انعکاس

انتشار صوت در سطح دریا، کف دریا، اشیاء غرق شده و تغییرات خصوصیات فیزیکی باعث می‌شوند، که سیگنال‌های اضافی با طول پالس‌های متفاوت در گیرنده مشاهده گردد. همان طوری که در شکل (1-3) مشاهده می­شود همیشه اولین سیگنال مربوط به سیگنال مستقیمی است که به گیرنده می‌رسد (مسیر یک)، سیگنال بعدی که کمی دیرتر از سیگنال مستقیم می‌رسد، به خاطر انعکاس از بستر است(مسیر دوم)، و مسیر سوم که دیرتر از سیگنال بستر می‌رسد، به دلیل بازتاب از سطح می‌باشد. به دلیل اینکه هر کدام دارای مسافت‌های متفاوتی می‌باشند، بنابراین گیرنده در زمان‌های متفاوتی پالس‌ها را دریافت می‌نماید، و نیز به علت جذب،گسترش هندسی، تفاوت در زمان رسیدن، میزان بازتاب از سطوح مختلف پالس‌های دریافتی شبیه همدیگر نمی‌باشند(Bradley and Stern 2008).

2-5-1- شکست(انکسار)

چنانچه سیگنال‌ها در محیطي که سرعت صوت تغییر نکند حرکت کنند، سیگنال در یک مسیر مستقیم حرکت می‌کند ولی هنگامی که محیط ناهمگن باشد، به دليل وجود تغييرات عمق، دما و شوری مسیر انتشار در یک مسیر منحنی شکل حرکت می‌کند (شكل 1-4)؛ بنابراین پالس‌های متفاوتی در سیگنال مشاهده می‌شود. در این مثال فرض می‌شود که سرعت صوت با عمق افزایش یابد هنگامی که این نوع نیمرخ ایجاد شود پرتوهای صوتی به طرف بالا خم می‌شوند اما پرتوها در ناحیه­ای که سرعت صوت سریع‌تر از مسیر سرعت مسیر مستقیم می‌باشند، حرکت می‌کنند. بنابراین، اين سيگنال قبل از سیگنال مستقیم شنیده خواهد شد. همان طوری که در شکل (1-4) ملاحظه می‌کنید. اما به دلیل اتلاف صوت (بستگی به طول مسیر دارد)، طول مسیر منحنی شکل بیشتر از مسیر مستقیم است، بنابراين، این پرتو اتلاف بیشتری دارد در نتيجه این سیگنال در اسيلوسکوپ در ابتدا ولی با دامنه کمتری مشاهده می‌شود.

3-5-1- پراکندگی

همان طوری که در شکل (a1-5) مشاهده می‌کنید، چنانچه مرز اقیانوس صاف نباشند و دارای ناهمواری‌های باشد پیچیدگی‌های اضافی در شکل سيگنال اضافه خواهد شد. در اين وضعيت، پراكندگي، باعث ايجاد مسیرهای چندگانه با اختلاف کوچک در زمان و دامنه در گیرنده خواهد شد. پراکندگی به واسطه سطح دریا و حرکت امواج از پديده هاي ديگر موجود در دريا، باعث ايجاد پیچیدگی بیشتری در سيگنال دريافتي خواهد شد (شكل b1-5).

6-1- جذب صوت و پراکندگی آن در دریا

انرژی آکوستیکی یک موج صوتی که در اقیانوس منتشر می‌شود تا حدی جذب می‌شود، یعنی انرژی به گرما تبدیل شده و تلف می‌شود که ناشی از پراکندگی توسط ناهمگنی‌های موجود در دریا است. معمولا” تمایز بین جذب و پراکندگی در اقیانوس امکان پذیر نیست. هر پدیده­ای در محیط دریا ممکن است در تضعیف صوت مشارکت داشته باشد(Kalangi Pullarao Prasanth,2005).

ضریب استهلاک انرژی موج صوتی با فرمول تورپ در حوزه فرکانس معتبر است. برای محدوده فرکانس های متفاوت روابط مختلفی نیز ارائه شده است که در شکل (1-6) نشان داده شده و عبارت است از:

الف- رابطه Thorp: در حوزه فرکانس معتبر است و در شکل1-6 مشاهده می‌شود.

که f فرکانس بر حسب kHz  است.

[1] shadow zone

[1]  eddy

تعداد صفحه : 180

قیمت : 14700 تومان

———–

——-

پشتیبانی سایت :               serderehi@gmail.com

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

--  --