Akustyczna pasywna metoda szacowania energii dyssypacji fal

Akustyczna pasywna metoda szacowania energii dyssypacji fal powierzchniowych w morzu
Agata Dragan
Generowanie szumów akustycznych w morzach towarzyszy wszystkim procesom
dynamicznym zachodzącym w tym środowisku. W procesie załamania fal wiatrowych zachodzi
niewątpliwy łańcuch przyczynowy - energia fali tracona podczas załamania, wydatkowana jest
w znacznym stopniu na produkcję i wtłaczanie w głąb toni wodnej akustycznie aktywnych
pęcherzyków, które z kolei stają się źródłem energii akustycznej szumów.
Jednakże, tylko w nielicznych pracach podjęto próby wykorzystania szumów do
określenia wartości energii fal wiatrowych, traconej w procesie załamania. Jedną z przyczyn są
trudności w oszacowaniu w warunkach naturalnych strat energii fali podczas załamania.
Głównym celem niniejszej rozprawy doktorskiej było znalezienie dla warunków
bałtyckich zależności pomiędzy energią falową dyssypowaną w procesie załamania fal a energią
akustyczną szumów generowanych podczas tego zjawiska.
W zamierzeniach zaplanowano także określenie związków pomiędzy poziomem szumów
morza, prędkością wiatru oraz parametrami pola falowego.
Postawione cele zrealizowano przeprowadzając równoczesne pomiary falowania i
szumów akustycznych. Pomiary wykonano za pomocą dwóch zestawów pomiarowych –
wyspecjalizowanej boi służącej do pomiarów falowania morskiego (Directional Waverider) oraz
akustycznego zestawu pomiarowego prowadzącego rejestrację szumów generowanych podczas
załamania fali.
Jednym z głównych wyników pracy jest oszacowanie energii akustycznej emitowanej
podczas pojedynczych zdarzeń załamania oraz powiązanie jej z energią straconą przez falę w
trakcie tego procesu. Wysoka wartość współczynnika korelacji dla obu parametrów oraz dobrze
określona empiryczna zależność funkcyjna, pozwala wnioskować o przydatności zastosowania
szumów do szacowania energii dyssypowanej w procesie załamania fal.
Stwierdzono, że najwyższa korelacja poziomu szumów z prędkością wiatru występuje
wówczas, gdy raptownej zmianie prędkości wiatru towarzyszy równie raptowna zmiana
poziomu szumów. Ustalono, że relacja pomiędzy poziomem szumów a prędkością wiatru zależy
od tendencji zmian prędkości wiatru. Najlepszą korelację otrzymano dla poziomu szumów w
tercji o częstotliwości środkowej 1 kHz, gdy prędkość wiatru narastała. Na poziom szumów ma
też prawdopodobnie wpływ stan rozwoju falowania.
W pracy przeprowadzono również analizę zależności pomiędzy szumami a
podstawowymi parametrami pola falowego, m.in. przy pomocy metody głównych składowych.
Wykazano także, że istnieją silniejsze powiązania pomiędzy energią poszczególnych
aktów załamania reprezentowaną przez medianę i energią dyssypowaną, niż pomiędzy
uśrednionym poziomem szumów i energią traconą podczas załamania fal.
Na podstawie analizy danych wykazano, że pasywne metody akustyczne umożliwiają nie
tylko dokonanie detekcji załamującej się fali, lecz również jej prawidłowe sparametryzowanie
(kierunek propagacji, częstotliwość fali wiatrowej), a także określenie stopnia pokrycia morza
pianą.
Otrzymane wyniki wskazują na realne możliwości metod akustycznych w rozwiązaniu
jednej z najistotniejszych i najbardziej niejasnych kwestii, jaką jest rozkład energii w widmie
kierunkowym falowania.
Na świecie istnieje zaledwie kilka prac, które podjęłyby temat szacowania energii
traconej w wyniku załamania fal powierzchniowych, z wykorzystaniem energii akustycznej
szumów morza. W warunkach bałtyckich takich pomiarów jak dotąd nie wykonywano. Wyniki
zaprezentowane w niniejszej rozprawie doktorskiej są unikatowe regionalnie, ale mogą również
wnieść istotny wkład do wiedzy dotyczącej procesu dyssypacji energii falowej w wyniku
załamania w warunkach oceanicznych.