Characteristics of low-frequency ambient noise in shallow water with heterogeneous bottom structure

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The characteristics of low-frequency noise fields in shallow-water acoustic waveguides with a heterogeneous bottom structure in the presence of water-like areas are analyzed through numerical experiments. Two models of the seabed are considered: an idealized one with a linear change in the sound speed in the bottom along one of the Cartesian coordinates and a realistic one where the sound speed in the bottom depends on all three coordinates. The second model is close to the real situation in one of the shallow water areas of the Kara Sea. Noise fields from distributed near-surface sources (surface waves) and a point source (ship noise) are studied. Calculations are performed using the wide-angle parabolic equation method. Averaged horizontal and vertical directivity characteristics of the surface wave noise field are obtained, as well as average intensity values depending on the sound frequency and the position of the receiving vertical array. Directional diagrams of the local source noise level are constructed for bottom areas with different properties. The possibility of detecting areas with a water-like bottom by recording the noise of a moving vessel on a stationary vertical acoustic array is demonstrated. In the case of distributed sources, it is shown that the averaged noise characteristics weakly depend on the sound speed in the bottom.

Full Text

Restricted Access

About the authors

S. D. Bodjona

Prokhorov General Physics Institute, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: bodjona@kapella.gpi.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

D. D. Sidorov

Prokhorov General Physics Institute, Russian Academy of Sciences

Email: sidorov@kapella.gpi.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

V. G. Petnikov

Prokhorov General Physics Institute, Russian Academy of Sciences

Email: petniko@kapella.gpi.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

A. A. Lunkov

Prokhorov General Physics Institute, Russian Academy of Sciences; Bauman Moscow State Technical University

Email: lunkov@kapella.gpi.ru
Russian Federation, Moscow, 119991; Moscow, 105005

References

  1. Малашенков Б.М., Акчурин Л.И. Проблемы и перспективы разработки нефтегазовых месторождений на арктическом шельфе Российской Федерации // Вестник Московского университета. Сер. 21. Управление (государство и общество). 2015. № 2. С. 49–64.
  2. Газарян Ю.Л. Об энергетическом спектре шума в плоскослоистых волноводах // Акуст. журн. 1975. Т. 21. № 3. С. 382–389.
  3. Аредов А.А., Дронов Г.М., Фурдуев А.В. Влияние ветра и внутренних волн на параметры шума океана // Акуст. журн. 1990. Т. 36. № 4. С. 581.
  4. Ingenito F., Wolf S.N. Site dependence of wind-dominated ambient noise in shallow water // J. Acoust. Soc. Am. 1989. V. 85. № 1. P. 141–145.
  5. Григорьев В.А., Петников В.Г., Росляков А.Г., Терёхина Я.Е. Распространение звука в мелком море с неоднородным газонасыщенным дном // Акуст. журн. 2018. Т. 64. № 3. С. 342–358.
  6. Grigor’ev V.A., Lunkov A.A., Petnikov V.G. Effect of sound-speed inhomogeneities in sea bottom on the acoustic wave propagation in shallow water // Physics of Wave Phenomena. 2020. V. 28. P. 255–266.
  7. Petnikov V.G. et al. Modeling underwater sound propagation in an arctic shelf region with an inhomogeneous bottom // J. Acoust. Soc. Am. 2022. V. 151. № 4. P. 2297–2309.
  8. Yang T.C., Yoo K. Modeling the environmental influence on the vertical directionality of ambient noise in shallow water // J. Acoust. Soc. Am. 1997. V. 101. № 5. P. 2541–2554.
  9. Katsnelson B., Petnikov V., Lynch J. Fundamentals of shallow water acoustics. New York: Springer, 2012. V. 1.
  10. Сидоров Д.Д., Петников В.Г., Луньков А.А. Широкополосное звуковое поле в мелководном волноводе с неоднородным дном // Акуст. журн. 2023. Т. 69. № 5. С. 608–619.
  11. Зверев В.А. Избранные труды. Н. Новгород: Институт прикладной физики РАН, 2004.
  12. Зверев В.А. Формирование изображений акустических источников в мелком море. Н. Новгород: ИПФ РАН, 2019. 112 с.
  13. Carey W.M., Evans R.B. Ocean ambient noise: measurement and theory. Springer Science & Business Media, 2011.
  14. Collins M.D. A split-step Padé solution for the parabolic equation method // J. Acoust. Soc. Am. 1993. V. 93. № 4. P. 1736–1742.
  15. Wilson J.H. Wind-generated noise modeling // J. Acoust. Soc. Am. 1983. V. 73. № 1. P. 211–216.
  16. Leigh C.V., Eller A.I. Dynamic ambient noise model comparison with Point Sur, California, in situ data // Contract. 2006. V. 24. № 02-D. P. 6602.
  17. Heaney K.D. Rapid geoacoustic characterization using a surface ship of opportunity // IEEE J. Oceanic Engineering. 2004. V. 29. № 1. P. 88–99.
  18. Завольский Н.А., Раевский М.А. Горизонтальная анизотропия динамических шумов в глубоком и мелком море // Акуст. журн. 2019. Т. 65. № 2. С. 197–202.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Model for calculating the underwater noise field: (a) - in the horizontal plane; (b) - in the vertical plane

Download (123KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Idealized model of a waveguide with a transition region: (a) — in the horizontal plane; (b) — in the vertical plane. The triangle and crosses indicate the position of the receiving chain. The dotted curve and stars, respectively, are the boundaries of the noise region and noise sources.

Download (114KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. (a) — Directivity patterns of the noise field of distributed sources in the vertical plane D′(θ); (b) — directivity patterns in the horizontal plane I ′(β) for two spectral noise components of 100 and 500 Hz with the antenna located in the center of the transition region. In the right figure, normalization (5) was carried out to the minimum value with the subsequent addition of 1 dB

Download (120KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. (a) — Directivity patterns in the vertical plane Dʹ(θ); (b) — directivity patterns in the horizontal plane Iʹ(β) for the 500 Hz noise component when the antenna is located at points with coordinates Y = −1000, −500, 0, 500, 1000 m. In the right figure, normalization (5) was carried out to the minimum value with the subsequent addition of 1 dB

Download (190KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. (a) — Distribution of sound speed in the bottom at a depth of 25 m from the water-bottom boundary. Vertical directivity patterns D′(θ) for three positions of the acoustic receiving system for two frequencies of surface sources: (b) — 100 Hz; (c) — 500 Hz. (d) and (e) — I ′(β) for the same frequencies and antenna positions

Download (487KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Decrease in the vessel noise level with distance (the average value in all directions is solid lines and the maximum spread of possible values ​​is dashed lines) in areas with different types of bottom at a radiation frequency of 100 Hz. The color of the line corresponds to the color of the circles in Fig. 5, highlighting one or another area.

Download (86KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. (a) — Schematic diagram of numerical experiments with the vessel moving along the water-like region (along arrow 1) and across (along arrow 2), the triangle marks the position of the vertical chain of hydrophones; the color indicates the distribution of the sound speed in the bottom in the horizontal plane at a depth of 25 m from the water-bottom boundary; (b) — the distribution of the sound speed in the vertical plane along arrow 2, (c) — the dependence of the spectral amplitude of the noise field at the point of the vertical chain of hydrophones on the position of the vessel moving along arrow 1, the numbers in the frame indicate the corresponding frequency values ​​of the spectral components; (d) — the amplitude of the first mode and the total field when the vessel crosses the water-like region (movement along arrow 2)

Download (284KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 The Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».