WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Авторефераты, диссертации, методички

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО

Российский государственный гидрометеорологический университет

(РГГМУ)

«Допущена к защите» Кафедра экспериментальной

Зав. кафедрой доктор физ.-мат.наук, физики атмосферы

профессор А.Д.Кузнецов

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

Акустическая диагностика снежного покрова Выполнила: К.М. Поднебесова, гр. М-534 Руководитель: к. ф.-м. н., доц. В.В. Чукин Санкт-Петербург Содержание Стр.

Введение 1 Строение и метаморфизм снежного покрова 1.1 Образование снега и снежного покрова 1.2 Физические свойства снега 1.3 Эволюция снежного покрова 1.4 Классификация кристаллического строения снежного покрова 1.5 Влияние метаморфизма на свойства снежного покрова 2 Механические свойства снега 2.1 Пористость и прочность 2.2 Лавины 2.2. Лавины из рыхлого снега 1 2.2. Лавины из снежной доски 2 2.2. Пылевые, сухие и мокрые лавины 3 3 Акустическое излучение при деформации снежного покрова 3.1 Упругие колебания и волны 3.1. Продольные и поперечные волны 1 3.2 Скорость распространения звука в воздухе 3.3 Скорость распространения звука в снеге 3.4 Спектральный анализ акустического излучения материалов при их деформации 3.5 Звук снега 4 Методы акустической диагностики состояния снежного покрова 4.1 Дифференциальный метод определения расстояния до источника акустических колебаний 4.2 Триангуляционный метод определения местоположения источника акустических волн 4.3 Метод диагностики состояния снежного покрова Заключение Список используемых источников Введение Снег – одно из самых широко распространенных явлений природы, активно воздействующее на общество и экономику во многих уголках мира.

Признавая красоту снежного покрова и его полезность для энтузиастов зимнего спорта, все чаще мы рассматриваем снег как нежелательную и дорогостоящую помеху. Затруднения, связанные со снегом, принимаются как непреложный фактор среды обитания человека. Ущерб, причиняемый снегом, может быть огромным, и понятно, что проблемам снежного покрова следует уделять больше внимания. Широко распространенное природное явление – снежные лавины – существенно усложняет освоение горных районов и представляет угрозу для жизни людей.

Несмотря на проблемы, создаваемые снегом, он способствует многим видам хозяйственной деятельности. Сейчас широко признано, что бережное отношение к снежному покрову как ценнейшему природному ресурсу весьма важно в поддержании и сохранении окружающей среды.

Целью дипломного проекта является разработка метода акустической диагностики свойств снежного покрова.

В процессе работы над дипломным проектом необходимо решить следующие задачи:

1) изучить строение и метаморфизм снежного покрова;

2) ознакомиться с механическими свойствами снега;

3) проанализировать спектры акустических колебаний при деформации снежного покрова;

4) разработать метод диагностики свойств снежного покрова.

В первой главе рассматриваются процессы образования, распределения и эволюции снежного покрова, а также физические свойства снега.

Во второй главе приводятся сведения о механических свойствах снега, видах лавин и причинах их возникновения.

В третьей главе рассматриваются акустические свойства снежного покрова, скорость распространения звука в атмосфере и в снеге. Проводится анализ спектрограмм различных материалов при их деформации, в том числе, и снежного покрова.

В четвертой главе приводятся сведения о разработанном методе акустической диагностики снежного покрова.

Дипломная работа состоит из 71 страницы, содержания, введения, глав, заключения, 23 рисунков, 10 таблиц, 9 использованных источников литературы.

1 Строение и метаморфизм снежного покрова 1.1 Образование снега и снежного покрова Формирование снежных осадков в атмосфере зависит от многих факторов, но главным образом, от температуры окружающей среды и наличия переохлажденной воды. Первоначально в результате конденсации водяных паров в восходящей тёплой воздушной массе формируется облако.

Как только температура в облаке опускается ниже 0 °С, создаются условия, благоприятные для образования снега. При температуре около -5 °С ядра кристаллизации, присутствующие в атмосфере формируют в процессе льдообразования мельчайшие кристаллы льда. С ледяного кристалла начинается формирование снежного кристалла (снежинки). Диаметр его обычно меньше 75 мкм, а скорость падения не превышает 5 см/с [1]. Форма кристаллов очень простая: обычно это шестиугольная пластинка, которая в процессе роста и усложнения превращается в снежинку. Не редко в результате сцепления снежинок образуются снежные хлопья. В некоторых случаях снежинка проходит через зону более высокой концентрации облачных капель, и если ее размеры превышают 300 мкм, наблюдается процесс заиневения, когда мелкие облачные капли размером 10 – 40 мкм замерзают при соприкосновении со снежинкой. Этот процесс, происходящий, как правило, при температурах от -5 до -20 °С приводит к образованию инея, а в случае чрезвычайного сильного заиневения – к образованию снежной крупы [1]. Таким образом, снежные осадки могут состоять из снежинок, снежных хлопьев, кристаллов инея, снежной крупы, либо из обломков этих частиц.

атмосферных осадков. Снежинки, составляющие падающий снег, и, образующие снежный покров, являются плоскими кристаллами льда весьма разнообразной формы, в основном гексагональной, шестигранной и шестилучевой. Размеры отдельных, свободно падающих в воздухе снежинок доходят до 10 мм.

Снежный покров образуется в результате аккумуляции снега на грунте в процессе отложения твердых осадков (снежинки, ледяной дождь, иней и гололед), выпадения дождя, когда большая часть осадков впоследствии замерзает, а также отложения примесей. Структура, стратиграфия и геометрические характеристики снежного покрова крайне изменчивы в пространстве и во времени. Такая изменчивость обусловлена множеством факторов: большим разнообразием метеорологических условий во время выпадения осадков и сразу после снегоотложения (в частности, характеристик ветра, температуры и влажности воздуха); характером и метеорологическими метеоусловиями в периоды между снегопадами;

характером процессов метеморфизма и абляции, которые определяют изменение физических характеристик снежного покрова по сравнению с характеристиками свежевыпавшего снега; поверхностным рельефом, физикогеографическими условиями и растительным покровом.

Аккумуляция и абляция (от латинского ablation – отнятие, убыль, устранение; уменьшение массы снежного покрова в результате таяния, испарения, механического удаления) снежного покрова зависят, главным образом, от атмосферных процессов и состояния земной поверхности.

Определяющими атмосферными процессами служат выпадение осадков, их отложение, конденсация, турбулентный тепло- и влагообмен, радиационный баланс и движение воздушных масс. Требует учета так же особенность рельефа, влияющие на ход атмосферных процессов и создание ветровой тени.

Шероховатость подстилающей поверхности влияет на профиль скорости ветра. Сопротивление трения воздушных масс о подстилающую поверхность обуславливает турбулентность ветрового потока вблизи поверхности, что отражается на процессах снегонакоплениях. Ветровой поток перемещает также зерна снега, изменяя их форму и свойства, и переотлагает их в виде сугробов или надувов снега большей плотности, чем первоначальный снег. Уплотнение снега происходит чаще всего в результате ветровой деятельности, однако на него оказывает влияние и такие процессы, как конденсация, таяние и др.

Ветер переметает рыхлый снег, вызывая дефляцию – выдувание снежного покрова, переотлагает в виде ветровых досок и настов и образует сугробы и надувы. Рыхлый снег, состоящий из сухих кристаллов диаметром 1-2 мм, легко взметается даже при небольших скоростях ветра – примерно км/ч. Дефляция преобладает на тех участках, где скорость ветра возрастает (седловины хребтов), а отложение снега из насыщенного снеговетрового потока происходит на участках, где скорость ветра падает (вдоль границ лесов и городов).

Снежный покров, образующийся в результате снегопадов, имеет характеристики резко отличные от тех, что наблюдались в момент выпадения снега. Температура в момент снегоотложения влияет на влажность, твёрдость и структуру свежевыпавшего снега и, следовательно, на его устойчивость при ветровой дефляции.

Состав снежного покрова весьма разнообразен, он имеет слоистое строение, обусловленное целым рядом причин: перемежающимися снегопадами, собственной массой снежинок, возгонкой и сублимацией снежных кристаллов, воздействием атмосферных факторов (солнечной радиации, ветра и других атмосферных процессов). Ледяные частицы атмосферного происхождения характеризуются большим разнообразием размеров и форм. В процессе падения частицы растут, происходит их разрушение, обзернение и коагуляция. Например, если звездчатые кристаллы выпадают хлопьями при слабом ветре, плотность свежевыпавшего снега может быть очень мала (порядка 10 кг/м). В то же время при выпадении ледяного дождя (замерзшие с поверхности капли воды) плотность отложений может достигать 500 кг/м. Между этими эктремальными значениями возможны любые промежуточные значения плотности [1].

поверхностном слое. При большой скорости ветра первоначальное дробление кристаллов происходит в турбулентном приземном слое атмосферы, простирающемся на несколько метров над поверхностью земли; дальнейшее дробление частиц наблюдается при их отскакивании и волочении по поверхности снежного покрова во время снегопада, либо впоследствии метелевого переноса. В результате уменьшения размеров и увеличении окатанности частиц их упаковка в поверхностом слое становится значительно более плотной.

Одна из основных структурных особенностей снежного покрова заключается в наличии в нём ледяных прослоек, влияющих не только на интенсивность воздухо - и влагообмена внутри снежной толщи, но и на проходимость снежной целины. До начала активного снеготаяния прослойки льда формируются в результате поверхностного таяния, вызванного преимущественно воздействием радиации, последующего замерзания и перекрытия ледяных образований слоями свежевыпавшего снега, а также в результате выпадения ледяного дождя. Как только капли дождя достигают поверхности снежного покрова, начинается процесс их замерзания и вся вода или часть ее превращается в лёд. Толщина и протяженность ледяных слоёв зависит от температуры переохлаждённых капель, окружающего воздуха и верхних слоёв снежного покрова. Если слой льда становится сплошным и водонепроницаемым, на его поверхности может скапливаться вода. При последующем замерзании этой воды образуются толстые линзы льда, являющиеся составной частью снежного покрова. В другом случае вода просачивается в снег. Меняя его внутреннюю структуру. В обоих случаях эти слои впоследствии могут перекрываться слоями свежевыпавшего снега.

Снежный покров, сформировавшийся в результате многочисленных снегопадов, каждый из которых происходил при разных метеорологических условиях, характеризуется резко выраженной слоистостью. Отложениям снега свойственна и неоднородность в плоскости напластования, поскольку препятствия влияют на турбулентность в приземном слое и вызывают формирование заносов. Аналогичное аэродинамическое воздействие оказывает ровная шероховатая поверхность в условиях сальтации (прыжки частиц снега), что приводит к образованию снежных дюн на открытых участках суши или на поверхности замёрзших озёр. Формирование и распространение снежных заносов и дюн зависят от направления ветра.

Поскольку направление ветра и тип осадков могут сильно меняться в течение одного снегопада, стратиграфия снежного покрова характеризуется существенной пространственной неоднородностью.

Таким образом, снежный покров не является стабильным; его мощность и все физико-механические свойства непрерывно изменяются.

Различают временный снежный покров, стаивающий за несколько часов или дней после образования и устойчивый снежный покров, сохраняющийся в течение всей зимы или с небольшими перерывами [1].

1.2 Физические свойства снежного покрова Снежный покров обладает следующими физическими свойствами.

Отражательная способность его колеблется от 80—90% у свежевыпавшего снега до 30—40% у старого снега в период таяния. Из-за малой плотности снежного покрова (0,05—0,1 г/см3 у свежевыпавшего снега, 0,3—0,4 г/см3 у сухого снега в конце зимы, 0,5—0,6 г/см3 у многолетнего снега на ледниках) велика его теплопроводность.

Снежный покров характеризуется слоистостью и зернистостью.

Слоистость образуется в результате перерывов в отложении снега, когда происходит загрязнение поверхности и формирование на ней корок и наста.

Зернистость возникает вследствие процессов перекристаллизации снежной толщи — превращения пластинчатых и столбчатых снежинок в бесформенные зёрна разной величины. На протяжении зимы снежный покров оседает и уплотняется. Разрезы снежного покрова к концу зимы отражают историю прошедших снегопадов и сопровождавших их состояний погоды, запасы тепла в подстилающих грунтах. При значительных перепадах температуры внутри Снежный покров и отдельные его слои подвергаются разрыхлению, что ослабляет связи между ними.

Снежный покров оказывает огромное влияние на климат, рельеф, гидрологические и почвообразовательные процессы, жизнь растений и животных. Снежный покров предохраняет почву от глубокого промерзания и сохраняет озимые посевы, поглощает азотистые соединения, удобряя тем самым почву, адсорбирует атмосферную пыль, охлаждает приземные слои воздуха. Снежный покров питает все ледники и многие реки во время таяния.

Талые воды являются основным источником питания рек равнин Восточной Европы, Сибири, северной части Северной Америки, а также большинства горных рек умеренных поясов. В горах значительная часть снега перемещается в форме лавин. При большой метелевой концентрации в лесостепной и степной зонах снежный покров весной усиливает овражную эрозию. Использование снежный покрова в сельском хозяйстве имеет исключительное значение. Слой снежного покрова содержит значительные запасы влаги, обеспечивающие во многих районах устойчивый урожай.

Закрепление снежный покрова на полях производится комплексным снегозадержанием. Запасы скопившегося за зиму снега и характер снеготаяния предопределяют размеры весеннего половодья. Зимой в заболоченных и труднодоступных таёжных и тундровых районах строятся снежно-ледяные дороги — автозимники, создаются снежно-ледяные склады — холодильники, на снегу устраиваются аэродромы. Большие работы по защите от снежных заносов проводятся на железных и автомобильных дорогах.

продолжительностью залегания, альбедо поверхности снежный покров осуществляются в России на метеорологических станциях. Величины снегозапасов измеряются с помощью снегомерных съёмок на станциях и во время маршрутов. Для исследования снежный покров применяют также дистанционные съёмки с вертолётов, используются аэрофотосъёмки, наблюдения с космических аппаратов и измерение радиоактивности подснежных грунтов.

снеговедение, являющееся частью гляциологии [2].

1.3 Эволюция снежного покрова После отложения снега форма его частиц претерпевает изменения; этот процесс называется метаморфизмом. Например, дендритовые кристаллы распадаются на отдельные фрагменты, и более крупные частицы растут за счёт более мелких. Подобный процесс продолжается до тех пор, пока обломки частиц, не превратятся в более или менее округлые зерна льда (зерном называется монокристалл, имеющий во всём объеме единую кристаллическую решетку). Или не возникает значительный температурный градиент внутри снежного покрова. Механизм, вызывающий первоначальные изменения формы, до конца не изучен; тем не менее имеются веские экспериментальные доказательства того, что в этом процессе ведущую роль играет миграция молекул воды в виде водяного пара. С термодинамической точки зрения снежные кристаллы стремятся к равновесному состоянию, и термодинамической характеристикой, определяющей этот процесс, является свободная энергия, что предполагает минимизацию площади поверхности снежных кристаллов по отношению к их объему.

Одновременно с разрушением дендритов формируются связи в точках контакта снежных зерен. Этот процесс, известный под названием смерзание или спекание, способствует повышению прочности снежного покрова. Два ледяных зерна в точке контакта образуют термодинамически неравновесную систему. Формирование шейки между зернами ведет к уменьшению суммарной площади поверхности. В этом процессе перенос водяного пара также играет ведущую роль.

Как только в каком-либо слое снежного покрова устанавливается значительный перепад температуры, характер процесса метаморфизма существенно меняется. Температурные различия определяются теплообменом на верхней и нижней поверхности снежной толщи. На верхней границе теплообмен обусловлен радиационной составляющей, заметную роль играет и теплота фазовых переходов, в то время как на нижней границе наиболее существенным процессом является кондуктивный (от более нагретого слоя к менее нагретому) перенос тепла.

Поскольку равновесное значение парциального давления водяного пара зависит от температуры, наличие градиента температуры обусловливает возникновение градиента парциального давления водяного пара и его диффузию из теплых частей снежней толщи в более холодные. Таким образом, перенос водяного пара происходит в результате последовательны переходов из твёрдой фазы в газообразную и обратно в твердую.

Значительная часть снега проходит через газообразную фазу и отлагается частично в виде новых кристаллов. Вновь формирующиеся кристаллы – глубинная изморозь – имеют самую разную форму, но довольно характерное слоистое строение, представленное ступенчатой или ребристой поверхностью некоторых граней кристалла. Такие кристаллы слабо связаны между собой. Малая прочность на сдвиг слоев с подобными кристаллами служит основной причиной возникновения лавин [1].

Метаморфизм может быть так же вызван уплотнением за счёт давления вышележащих слоёв снега. В результате этого процесса снег превращается в ледниковый лёд, кристаллы которого иногда достигают 10 см. На ранних стадиях повторное замерзание талой воды может ускорить процесс уплотнения снежного покрова.

В сухом снежном покрове, сформировавшемся за несколько дней, обычно наблюдаются вариации температуры с глубиной. Наблюдаемые различия температуры связаны с различиями парциального давления водяного пара. Поскольку пар переносится в направлении более низких значений давления, в итоге происходит перенос массы из теплых частей снежных толщ, где парциальное давление водяного пара над снежными кристаллами выше, к более холодным частям, где давление ниже. В результате более холодные кристаллы растут за счёт более теплых. Такой процесс называется конструктивным метаморфизмом - этот термин часто используется при рассмотрении роста кристаллов. При небольших градиентах температуры образуются крупные зерна снега со слабо выраженной кристаллической огранкой. В условиях значительных градиентов температуры возникает огранка кристаллов, параллельная внутренним кристаллическим плоскостям, обусловленным молекулярной упаковкой. Такие кристаллы называются глубинной изморозью, поскольку они часто возникают в нижних слоях холодного снежного покрова в результате диффузии водяного пара из относительно подстилающего грунта.

Глубинная изморось может формироваться в любой части снежного покрова, например, в случае перекрытия относительно теплых слоев снега холодным свежевыпавшим снегом. Изморось на поверхности снежного покрова также может состоять из кристаллов подобной формы, однако формируется она в результате ночного радиационного выхолаживания поверхности снега.

Метаморфизм снежных кристаллов наблюдается и при отсутствии градиента температуры и соответствующих различий парциального давления водяного пара. В первые часы с момента отложения снега до установления значительного градиента температуры преобладает деструктивный метаморфизм, в результате которого происходит распад дендритовых и игольчатых кристаллов и формируется относительно округлые зерна. При деструктивном метаморфизме важную роль играет массоперенос путем миграции водяного пара, однако механизм этого процесса до конца не выяснен.

После того как дендритовые или игольчатые кристаллы, уменьшаясь, превращаются в более или менее округлые зерна, процесс деструктивного метаморфизма продолжается в виде сублимации и роста больших зерен за счет мелких. Этот процесс приводит к уменьшению площади поверхности и соответственно – свободной энергии. Смерзание также способствует уменьшению площади контактов между большими кристаллами. Повидимому, сублимация служит основным процессом, определяющим увеличение площади контакта или шейки между двумя смерзшимися сферами. Градиент, обуславливающий перенос водяного пара, возникает в результате различий кривизны ледяных поверхностей шейки и прилегающих ледяных частиц. Перечисленные процессы способствуют уплотнению снега и повышению его механической целостности, что в свою очередь определяет увеличение его плотности и твердости.

Жидкая вода в снежном покрове концентрируется возле точек контакта между ледяными зернами. Различают два режима насыщения влажного снега: маятниковый режим, когда вода занимает менее 14 % объема пор и фуникулярный режим, когда вода занимает более 14% объема пор, а воздушные включения сохраняются в виде отдельных изолированных пузырьков. Метаморфизм влажного снега определяется локальными температурными различиями вблизи границ зерен. Такие различия обусловлены вариациями радиусов кривизны на границах раздела вода-лед, вода-водяной пар и лед-водяной пар. Установлено, что в фуникулярном режиме поток тепла направлен от больших зерен к меньшим, и это приводит к диссипации последних, в то время как большие зерна продолжают увеличиваться в размерах. В маятниковом режиме радиус кривизны ледяных зерен оказывает меньшее влияние на процесс теплопереноса, поэтому преобладающим оказывается капиллярный эффект, приводящий к выравниванию температуры частиц. Для этого режима характерно и меньшее количество воды, посредством которой может происходить теплоперенос. В результате при маятниковом режиме скорость роста зерен существенно меньше. Прочность снега, находящегося в маятниковом режиме, достаточно велика, поскольку в области контактов зерен таяние отсутствует. В фуникуляном режиме снег обладает незначительной прочностью из-за малой прочности цепочек связей. При замерзании такой снег становится очень прочным в результате образования жестких контактов между зернами. Этот процесс называется метаморфизмом таяния-замерзания, он играет определенную роль при фирнизации перелетовывающего снежного покрова.

При изложении теории метаморфизма нельзя не упомянуть о процессе рекристаллизации. Хотя этот процесс больше относится к теории кристаллического роста поликристаллического льда, его влияние сказывается и на процессах превращения снега в лед. В отложенном снеге наблюдаются вариации напряжений и, следовательно, свободной энергии. Такие вариации способствуют возникновению массообмена между кристаллами при плотности снежного покрова порядка 580 кг/м, соответствующей тесной беспорядочной упаковке несвязных зерен. Известно, что механизмом переноса при такой плотности служит объемная диффузия сквозь ледяную решетку, направленная в сторону зон высокого напряжения вблизи контактов между кристаллами. Исследователи считают, что скорость уплотнения не зависит от приложенного давления, по крайней мере для периодов продолжительностью до 15 ч. Однако с увеличением давления вышележащих слоев снега вязкопластическое течение может стать доминирующим фактором в процессе уплотнения.

При вязкопластическом течении кристаллы постоянно деформируются.

Исследование зависимости роста зерен от такого течения должно учитывать кристаллическую решетку льда. Атомы кислорода и, следовательно, молекулы льда образуют правильную объемную решетку, показанную на рисунке 1.1. В направлении оси С решетка имеет гексагональную симметрию, т.е. поворот на 60° и смещение по оси С приводит к совмещению решетки с первоначальной упаковкой молекул. Такая симметрия обусловливает гексагональную форму пластинок, звезд и призм снежных кристаллов. В кристаллической решетке льда молекулы располагаются в плоскостях таким образом, что расстояние между плоскостями оказывается небольшим в направлении оси С. В связи с этим молекулярные связи между этими плоскостями оказываются самыми слабыми и сопротивление снега на сдвиг оказывается наименьшим при напряжениях, приложенных параллельно этим плоскостям. Плоскость наименьшего сопротивления сдвигу называется базальной плоскостью.

Сильные напряжения, создаваемые массой вышележащих слоев снега или возникающие при залегании снега на склоне, приводят к постоянным деформациям кристаллических решеток, ориентированных таким образом, что напряжения сдвига оказываются параллельными базальным плоскостям.

Прочие кристаллы могут выдерживать большие напряжения, прежде чем установится постоянный процесс деформации; при этом до начала деформации свободная энергия таких кристаллов повышается. Увеличение свободной энергии приводит к возникновению массопереноса в напрвлении кристаллов, находящихся в условиях пластических деформаций.

Рисунок 1.1 – Расположение атомов кислорода в решетке льда На величину свободной энергии и, следовательно, на рост кристаллов влияет также количество дефектов в кристаллической решетке. Обычно строение кристаллической решетки далеко не идеально, и в правильной упаковке молекул встречаются разные типы дислокации. Дислокации обычно характерны для деформированных кристаллов. Легче всего дислокации перемещаются в базальной плоскости, что способствует дальнейшему уменьшению сопротивления сдвигу. Напряжения, приложенные в других направлениях, повышают концентрацию дислокаций и, следовательно, свободной энергии. Таким образом, кроме энергии упругой деформации, свободная энергия дислокаций, обусловленная неупругими деформациями, способствует избирательному росту зерен [1].

1.4 Классификация кристаллического строения снежного покрова В результате метаморфизма снега формируются снежные кристаллы определенного типа. Необходимость классификации снежного покрова привела к появлению нескольких систем, предназначенных для разных целей. Наиболее ранние классификации датируются 19 веком. Они были разработаны альпинистами или лыжниками, и поэтому основное внимание в них уделялось внешнему снегу и его поверхностными свойствами. Лучшая описательная классификация, иллюстрированная большим числом фотографий, была предложена Зелигманом. Хотя основное внимание автора было уделено терминологии, он высказал немало предположений о причинах возникновения характерных черт снежного покрова. Под термином «фирнизация» Зелигман понимает процесс метаморфизмаю.

Бадером была предпринята попытка составления полевой классификационной системы, основывающейся на физических свойствах снежного покрова, в частности на данных о размерах зерен, твердости и влажности снега. Хотя классификация носила довольно субъективный характер, авторы попытались ввести количественные показатели путем измерения плотности и воздухопроницаемости снега. Результаты лабораторных экспериментов не позволили провести четкое разграничение в пределах выделенных градаций, однако способствовали выяснению вариации указанных параметров в процессе метаморфизма. Эта работа положила начало изучению влияния метаморфизма на физических свойствах снега.

Дальнейшие исследования физических свойств снежного покрова привели к появлению в описаниях таких характеристик, как плотность и твердость снега, и официальному принятию Комиссией снега и льда при Международной ассоциации научной гидрологии Международной классификации снега, включающей как качественные описания, так и количественные характеристики некоторых физических и механических свойств снега. При описании вертикальных профилей снежных толщ и идентификации физических наблюдений применены символы, приведенные в таблице 1.1, а рисунок 1.2 служит иллюстрацией использования классификации при описании снежного покрова.

П.А. Шумский рассматривает процесс метаморфизма количественно на базе концепции минимума свободной энергии, включающей в себя поверхностную свободную энергию и внутреннюю свободную энергию, обусловленную напряжением ледяных кристаллов. Изучение деформации ледяных кристаллов обусловило включение в классификацию процесса рекристаллизации. Эта классификация представлена в таблице 1.2. Интерес к изучению физических процессов в снежном покрове привел к появлению в 60-х годах классификации, основывающихся на характере процессов метаморфизма.

Другая классификация этого типа была предложена Соммерфельдом и Лашапалем в 1970г. [1].

Рисунок 1.2 – Пример использования символов для описания снежного Таблица 1.1 – Описания и символы для классификации форм зерен Свежевыпавший снег, состоящий из кристаллов или ++++ частей поломанных кристаллов типа от F1 и F7, обычно очень мягкий, утративший кристаллический характер при выпадении, а также снежная крупа, ледяной дождь Снежный покров в начальной стадии оседания, обычно >>>> довольно мягкий. Снег еще не достиг мелкозернистой структуры, характерной для стадии завершения первичного преобразования. Сохранились только некоторые черты кристаллического строения таянием с последующим замерзанием. Такой снег полностью теряет черты кристаллического строения, и его зерна приобретают неправильную более или менее округлую форму. Он не искрится даже при ярком солнечном свете; обычно довольно мягок, будучи влажным, но в замерзшем состоянии очень тверд.

Может иметь зерна любого размера – от очень маленьких до очень крупных таяния вследствие процессов сублимации, в результате чего возникают неправильные зерна с плоскими гранями. Благодаря этим граням при солнечном свете снег ярко сверкает. В Арктике, где температуры низки, практически весь отложившийся снег относится к этому классу. Такой снег обычно очень тверд бокаловидных кристаллов. Эти кристаллы образуются при очень малой интенсивности сублимации в течение длительного и непрерывного холодного периода; чаще всего их можно найти непосредственно под более или менее непроницаемой коркой в нижней части снежного покрова. Прочность слоя глубинной изморози очень Таблица 1.2 – Классификация процессов метаморфизма Внутренняя энергия породы Классификация снега в соответствии с характером процессов метаморфизма:

1) Неметаморфизированный снег а) влияние ветра отсутствует. Множество различных форм снежных кристаллов, слабо отличающихся от снежинок в воздухе;

первоначальных снежных кристаллов;

2) Деструктивный метаморфизм а) уменьшение размера зерен:

Начальная стадия: распознаваемы первоначальные формы снежных кристаллов, однако углы округлены и четкая Развитая стадия: распознаваемо крайне незначительное число слабо выраженных пластинок или обломков, зерна б) увеличение размера зерен:

1. Начальная стадия: первоначальные формы снежинок не распознаваемы; имеется тенденция к выравниванию размеров зерен; иногда наблюдается слабо выраженная огранка.

2. Развитая стадия: присутствуют зерна большого размера;

наблюдается строгая тенденция к выравниванию размеров всех зерен; огранка зерен практически отсутствует.

3) Конструктивный метаморфизм а) Ранняя фаза: обусловлена появлением больших градиентов температуры в свежевыпавшем снеге; связана с первыми снегопадами холодного сезона;

1. Начальная стадия: обычно присутствуют угловые или ограненные зерна; ступенчатые поверхности отсутствуют.

2. Промежуточная стадия: преобладают угловые зерна средних размеров; наблюдаются плохо оформившиеся ступенчатые грани.

3. Развитая стадия: средне- или крупнозернистый снег, состоящий из угловых зерен; видны хорошо сформировавшиеся грани и ступени; иногда встречаются полые или массивные бокаловидные кристаллы.

б) Поздняя фаза: обусловлена появлением больших градиентов температур в снегу, характеризующемся поздними стадиями деструктивного метаморфизма:

1. Начальная стадия: преобладают угловые и ограненные зерна средних и больших размеров; наблюдается слабо развитые ступенчатые грани.

2. Развитая стадия: преобладают зерна больших размеров;

наблюдается большое число хрупких бокаловидных полых кристаллов и пластинок с глубокой ступенчатой огранкой.

4) Фирнизация а) Метаморфизм плавления-замерзания.

Начальная стадия: единичный цикл плавление-замерзание и соответствующее ограниченное увеличение плотности.

плавление-замерзание и соответствующее значительное увеличение плотности и прочности; плотность колеблется в б) Метаморфизм давления.

деформируются и образуются более плотную упаковку; плотность составляет 800-830 кг/м.

1.5 Влияние метаморфизма на свойства снежного покрова При термических условиях, характерных для ряда горных районов, структура снежного покрова претерпевает ряд изменений, то есть снег подвержен метаморфизму.

Вновь отложенные снежные кристаллы – обычно тонковетвистые, звездообразные дендриты – вначале подвергаются деструктивному метаморфизму, в ходе которого возникает тенденция к формированию более округлых кристаллов. Со временем уменьшается средний размер зерен, тогда как плотность снежного покрова растет, что приводит к видимому проседанию снега. Процесс происходит при температуре значительно ниже температуры точки плавления, однако наиболее интенсивен при температуре, близкой к 0 °С. В ходе метаморфизма вода в виде пара проникает в промежутки между отдельными кристаллами снега, образую ледяные перемычки. В результате этого процесса спекания образуются прочные связи между зернами, и конечным продуктом деструктивного метаморфизма является плотный, прочный при отрицательной температуре снег.

При резком перепаде температур в сравнительно тонком слое снежного покрова снег подвергается конструктивному метаморфизму, который характеризуется ростом отдельных кристаллов, приобретающих угловатую, фасетчатую форму. Конечным продуктом этого процесса является глубинная изморозь. Большие градиенты температуры обусловливают возникновение свободно расположенных кристаллов и очень слабое спекание; в результате происходит уменьшение прочности, то есть ослабление снежного покрова.

Резкие градиенты температуры наблюдаются обычно в маломощном снежном покрове при низкой температуре, а также у поверхности глубокого снега вследствие ее охлаждения за счет радиационных потерь тепла. В этом случае поверхность покрывается фасетчатыми зернами, для которых характерно слабое сцепление.

Другой важный вид снега, не являющийся продуктом метаморфизма, поверхностный иней, который образуется при осаждении водяных паров из атмосферы на холодный снег преимущественно в холодные ясные ночи. Он состоит из игольчатых кристаллов в слоях толщиной в несколько миллиметров; иногда толщина слоя достигает 50 мм. Характеристики поверхностного инея сходны с характеристиками глубинной изморози; так же как и последняя, он отличается малой прочностью.

метаморфизма, изменяется вследствие повышения температуры или увеличения толщины слоя снега, глубинная изморозь, фасеточные зерна на поверхности и поверхностный иней подвергаются деструктивному метаморфизму.

Когда флуктуации температуры воздуха вызывают повторное таяние и замерзание, формируются крупные зерна неправильной формы, образующие зернистый снег. Замерзая, такой снег образует твердую корку.

Обычно слои внутри мощного снежного покрова хорошо различимы, так как они соответствуют разным фазам развития метаморфизма. Каждому слою присущи свои механические и физические свойства.

Исчерпывающая классификация система для описания снежного покрова до настоящего времени не создана. Однако, несмотря на последовательные изменения в подходах к составлению классификаций, предшествующие системы сохраняют свою ценность и достойны внимания читателя, поскольку каждая классификация предназначена для описания различных физических свойств снежного покрова и сопровождается списком специфических терминов [1].

В первой главе был рассмотрены процессы образования, распределения и эволюции снежного покрова, а также физические свойства снега, залегающего на грунте, и процессы, которые происходят внутри снежной толщи и определяют изменения ее свойств.

2 Механические свойства снега Снег отличается упругими свойствами при приложении небольших нагрузок в течение достаточно короткого времени. При таких условиях деформации невелики (структура снега не нарушается) и обратимы при устранении приложенных напряжений. Снег испытывает постоянные деформации, если к нему приложены напряжения в течение длительного времени; деформация при этом называется крипом (ползучестью), а также вязким или пластическим течением. Строго говоря, для пластического течения требуется, чтобы было достигнуто некоторое пороговое значение напряжения, после которого оно начинается. Однако для снега это напряжение настолько мало, что оно не может быть измерено. В связи с этим принято считать снег вязкопластическим материалом [3].

Поведение снега под нагрузкой легко представить, если сравнить его с механической системой упругих и вязких элементов, известной под названием тела Бюргера, представленное на рисунке 2.1. Когда такая система сжимается под действием сил. Приложенных в точках А или В, немедленно возникает упругая реакции, и пружина 1 сжимается. После этого начинается стадия ползучести, при которой в работу включается вязкий элемент 4, который сжимается до тех пор, пока приложенные силы не будут компенсированы сжатием пружины 3. В течение всего этого времени вязкий элемент 2 медленно движется и на последних стадиях сжатия определяет процесс ползучести, поскольку пружины 1 и 3, а также вязкий элемент оказываются к этому моменту неподвижными. Константы упругости пружин и временные константы вязких элементов являются функциями температуры, плотности, метаморфического и напряженно деформированного состояний снега. При достаточно больших напряжениях происходит разрушение, что еще более затрудняет описание поведения снега при нагрузках.

Рисунок 2.1 – Модель тела Бюргера, иллюстрирующая вязко-упругие Меллор утверждает, что «в инженерной практике не существует другого материала, который обладал бы таким комплексом ставящих в тупик свойств, каким является снег». Его мнение было подтверждено докладами, представленными на международную конференцию, посвященную механике снега, в Гриндельвальде, Швейцария, в 1974 году. По этой причине ниже будут рассматриваться лишь наиболее важные свойства снега [1].

2.1 Пористость и прочность Также к основным свойствам снега относят пористость и прочность.

Пористостью называют объем газовых полостей, выраженных в процентах, относительно всего объема. Пористость снега формируется в процессе образования снежного покрова. Этот процесс называется первичным или сингенетическим. С течением времени пористость может претерпевать значительные изменения.

Плотность и пористость связана следующей зависимостью:

где n – пористость снега;

0 = 916/8 кг/м3 – плотность чистого, лишенного пузырьков снега, вычисленная теоретически по размерам элементарной ячейки – плотность исследуемого снега.

При определении пористости снега формулу можно применять только к сухому снегу. Во влажном снеге поры между кристаллами частично заполнены водой. Отношение объема воздуха, заключенного в снеге к общему объему (воздушная пористость снега), вычисляется по формуле:

где – плотность влажного снега;

W – влажность снега, определяемая как отношение массы воды к В зависимости от типа снега его плотность и пористость изменяются очень сильно. В таблице 2.1. приведены значения плотности и пористости сухого и влажного снега [3].

Таблица 2.1–Плотность и пористость снега Старый снег Свежий снег предела прочности. Этот предел определяют для разных видов деформации.

В соответствии с этим установлены следующие его разновидности:

раз превышает прочность при растяжении. Прочность на сжатие возрастает увеличении размера зерна прочность снега на сжатие уменьшается. При постоянной температуре и плотности наибольшей прочностью на сжатие обладает мелкозернистый снег. Несомненно, что прочность снега на сжатие зависит от его плотности, но надежных данных по этому вопросу нет.

2.2 Лавины Снежный покров на склонах гор в определенных условиях теряет устойчивость и под действием сил тяжести начинает двигаться вниз по склону. Пришедшая в движение масса снега может захватывать на своем пути и вовлекать в движение новые его порции и низвергаться до более пологих участков склона или до противоположного склона долины. Такая движущаяся снежная масса называется лавиной. Иногда под лавиной понимается место схода лавин, то есть лавиносбор.

Снежный покров на любом склоне под действием силы тяжести всегда находится в состоянии медленного течения со скольжением (сползание) по подстилающей поверхности. Скорость смещения снежных частиц обычно измеряется несколькими сантиметрами в сутки. При сползании иногда формируются складки, и снежный покров отрывается от подстилающей поверхности, скатываются комья снега, превращающиеся в снежные улитки, могут возникнуть трещины. Однако, если снежный покров сохраняет сплошность, такие виды движений не относятся к лавинным. Но если прогрессирующие течения приводят к нарушению сплошности снежного покрова, то формируется лавина. Условной границей такого перехода считается скорость движения снега около 1 м/c. Медленно движущиеся лавины – не редкость. Если они при этом проходят небольшое расстояние, то их называют осовы. Но даже при сравнительно небольшой скорости лавины – быстро текущее явление, продолжающееся от нескольких секунд до нескольких минут.

В зоне зарождения в зависимости от состояния снежного покрова и метеорологических условий механизм отрыва лавины может приводить к двум формам зарождения лавины: лавина из точки или лавина из рыхлого снега, и лавина от линии или лавина из снежной доски.

2.2.1 Лавины из рыхлого снега Лавины из рыхлого снега состоят из снега, лишенного внутреннего сцепления, и похожи на оползни в сухих песчаных грунтах. Во время сильных снегопадов, сопровождающихся понижением температуры, на крутых (более 45°) верхних участках зоны зарождения начинается движение в точки на поверхности, например, от комка снега, упавшего с дерева или вылетевшего из-под лыжника. Деформации распространяются вниз и в сторону, вовлекая в движение все новые массы снега. Лавины из рыхлого снега могут наблюдаться как в случае мокрого, так и сухого снега. Сухие рыхлые лавины не велики, так как содержат лишь снег с поверхности. Чаще всего они сходят через несколько дней после снегопада [4].

2.2.2 Лавина из снежной доски Лавина от линии или лавина из снежной доски (связный снежный пласт) развивается в том случае, когда относительно прочный слой снега перекрывает менее прочный слой толщиной иногда всего в несколько миллиметров. Ослабленный слой может образовываться на поверхности снежного покрова в результате метаморфизма (рыхлые ограненные зерна), образования поверхностного инея или отложения свежего снега, имеющего кристаллическую структуру, отличную от дендритовой, и последующего погребения снегопадами. Относительно твердая снежная доска состоит из отложений одного или нескольких снегопадов и имеет толщину от 10см до 3м. Конкретный механизм отрыва зависит от прочностных свойств снега и распределения в нем напряжений. Наиболее характерной причиной увеличения напряжений, ведущей к отрыву, служит добавочная нагрузка на систему вследствие аккумуляции снежных осадков или метелевого переноса.

Таким образом, большинство лавин возникает в период снегопадов и (или) при сильных ветрах. Другими факторами, вызывающими возрастание напряжений и отрыв, могут оказаться вес лыжников, удары взрывной волны, вибрации, вызываемые транспортом. Повышение температуры снега вследствие потепления воздуха обычно приводит к уменьшению прочности ослабленного слоя. Конструктивный метаморфизм также может привести к разуплотнению снега и его последующему обвалу [1].

Кроме того, отрыв снежной доски может произойти в результате просадки рыхлого слоя, подстилающего доску. После того как доска теряет опору, перпендикулярную склону, ее отрыв может быть обусловлен увеличением напряжений изгиба.

Лавины из снежных досок возникают преимущественно на крутых склонах от 25 до 55° при средней крутизне 38°.

2.2.3 Пылевые, сухие, мокрые лавины С инженерной точки зрения лавины делятся на пылевые, сухие, мокрые и смешанные. Пылевые лавины являются аэрозолем, состоящим из тонких распыленных частиц снега, которое ведет себя как быстро движущееся облако плотного газа. Скорость такой лавины приблизительно равна скорости ветра. Плотность ее массы в общем колеблется между 3 и 15 кг/м.

Вследствие большой плотности пылевая лавина более разрушительна, чем штормовой ветер [5].

Сухие лавины – лавины из сухого снега, которые движутся по крутым и неровным склонам и состоят из различных частиц – от пылеватых до комков размером около 0.2м. Эти лавины перемещаются по поверхности в четко фиксированных лотках, подвергаясь воздействию небольших неровностей микрорельефа. На открытых склонах толщина движущегося снега немного больше толщины снежной доски и обычно колеблется от 0. до 3.0м. Плотность снежной массы в лавинах такого типа изменяется от 50 до 150 кг/м.

Мокрые лавины состоят из округлых частиц мокрого снега диаметром от 0.1м до нескольких метров либо представляют собой сплошную влажную массу. Средняя толщина слоя колеблется от 0.2 до 2.0м, в лотках она гораздо больше. Мокрая лавина оставляет на пути своего движения хорошо заметный след в виде желоба. Средняя плотность движущегося снега меняется от до 400 кг/м [4].

Пылевые и сухие лавины часто наблюдаются одновременно. На крутых склонах снежная пыль и снег движутся вместе, тогда, как на пологих склонах снежная пыль движется впереди и выносится дальше.

Скорость движения фронта лавины зависит от ее типа, она может достигать до 100 м/с. На склонах крутизной более 30° лавина быстро разгоняется, и при скорости более 10м/с ее движение приобретает турбулентный характер, крупные блоки разбиваются, превращаясь в массу окатанного и распыленно материала [5].

Глубокий снег и крутые горы, необходимые для зарождения и распространения лавин, существуют в горных районах всего мира. Несмотря на то, что тысячи лавин сходят каждую зиму, большинство их остается не замеченными. Лавинная опасность возникает всякий раз, когда лавина оказывается в поле деятельности человека.

Во второй главе были рассмотрены упругие свойства снега, такие понятия, как пористость и прочность, а также различные пределы прочности снега, так как они имеют большое значение при использовании его в качестве строительного материала, при транспортировке по нему грузов, при изучении снежных лавин. Были рассмотрены основные виды лавин и причины их возникновения.

3 Акустическое излучение при деформации снежного покрова Термин «акустика» (от греческого «акуо» - «слушаю») введен в употребление Самуэлем Рейером в 1963 году. До этого сведения о звуковых явлениях систематизировались в учении о гармонии. Ученым Древней Греции было известно, что звук распространяется через воздух и что при его отражении может возникнуть эхо. Пифагор и его ученики имели понятие и о резонансе. В школе Пифагора возникло представление, что «чем проще отношение длин двух колеблющихся струн, тем совершеннее их звучание».

Найденные при изучении звучащих струн соотношения Пифагор и его последователи пытались распространить на Вселенную. Они полагали, небесные тела распределены в пространстве в соответствии с музыкальными интервалами и создают при своем движении «музыку небесных сфер». Хотя в наши дни это и выглядит крайне наивно, но именно исходя из подобных представлений Пифагор выразил свое понимание структуры Вселенной, впервые присвоив ей наименование Космос (греческое слово, означающее «порядок» в широком понимании, до Пифагора использовалось также для обозначения «надлежащей меры» и «прекрасного устройства»).

Успехи античной акустики связаны со свойствами органа слуха человека: ухо воспринимает и предает в мозг информацию медленнее, чем глаз, но оно фиксирует ее в пределах десяти октав (глаз в пределах лишь одной октавы) и гораздо лучше анализирует по спектральному составу (ухо может воспринимать до 300 тысяч звуков различной силы и тональности).

Вместе с тем зрение позволяет человеку видеть мир объемно, объемное же восприятие звуковых образов людям не свойственно. Кроме того, по сравнению со зрением слух дает нам менее детальную информацию об окружающем мире. Несмотря на то, что с помощью слуха мы воспринимаем менее 20% поступающей к нам информации, а с помощью зрения около 80%, обмен информацией между нормальными людьми в основном осуществляется через посредство звуковых колебаний.

В наше время, когда техника позволила резко увеличить число и глубину контактов человека с природой, роль акустики в процессе познания несколько уменьшилась. Несмотря на это, ей по-прежнему принадлежит заметная роль в прогрессе науки и культуры.

В итоге изучения атмосферы акустическими методами получены важные для практики результаты. Можно полагать, что в будущем акустические методы исследований внесут немало ценного в наши представления о структуре воздушной оболочки планеты и о происходящих в ней явлениях.

На Земле нет тишины. Всюду на дне воздушного океана человек находится в мире различной силы и тональности звуков, от еле слышимого шороха до оглушительного грохота. Тишину создавать труднее, чем звук. В связи с интенсивным развитием хозяйственной деятельности человека уровень создаваемых им шумовых загрязнений ежегодно возрастает. Это привело к тому, что шум в городах стал одной из экологических проблем и одновременно одной из характеристик общей культуры населенных мест.

Для решения проблем акустической экологии следует исходить из представлений о мире звуков, который нас окружает [6].

3.1 Упругие колебания и волны Упругость – это свойство твердых тел восстанавливать свои форму и объем (а жидкостей и газов – только объем) после прекращения действия внешних сил. Среду, обладающую упругостью, называют упругой средой.

Упругие колебания – это колебания механических систем упругой среды или ее части, возникающие под действием механического возмущения. Упругие или акустические волны – механические возмущения, распространяющиеся в упругой среде. Частный случай акустических волн – слышимый человеком звук. В зависимости от частоты упругие колебания и волны называются поразному. В таблице 3.1 представлена классификация акустических колебаний.

Таблица 3.1 – Диапазоны частот упругих колебаний Название Ультразвук Выше границы слы- От 15-2010 до От 2010 3 до 3.1.1 Продольные и поперечные волны Если частицы колеблются параллельно направлению распространения волны, то волна называется продольной. Если же они колеблются перпендикулярно направлению распространения, то волна называется поперечной. Звуковые волны в газах и жидкостях – продольные. В твердых же телах существуют волны обоих типов. Поперечная волна в твердом теле возможна благодаря его жесткости (сопротивлению к изменению формы).

Самая существенная разница между этими двумя типами в том, что поперечная волна обладает свойствами поляризации (колебания происходят в определенной плоскости), а продольная – нет. В некоторых явлениях, таких, как отражение и прохождение звука через кристаллы, многое зависит от направления смещения частиц, так же как и в случае световых волн [7].

3.2 Скорость распространения звука в воздухе Для идеального газа скорость звука рассчитывается по формуле:

– фактический градиент температуры;

R – удельная газовая постоянная, Дж/мольК;

T – абсолютная температура, К;

µ – молярная масса газа, кг/моль.

Для сухого воздуха = 1.402, µ = 28.96 кг/моль, R = 8.314 Дж/мольК.

Подставив эти значения в формулу (3.1), получаем, что скорость звука для сухого воздуха будет зависеть только от температуры [8].

Формула для расчета скорость звука во влажном воздухе будет иметь вид:

где С помощью формулы (3.3) рассчитаем скорость распространения звука для температур в диапазоне от -50 °С до +50 °С при относительной влажности воздуха 0% и 100%. Результаты расчетов представлены в таблице 3. Из графика, представленного на рисунке 3.1 видно, что скорость звука во влажном воздухе несколько больше, чем в сухом и не превышает более чем на 3 м/с, то есть менее 1% от значения скорости звука.

Таблица 3.2 – Скорость звука для влажного воздуха Рисунок 3.1 – Зависимость скорости звука в воздухе от температуры 3.3 Скорость распространения звука в снеге распространения звука в снеге зависит от плотности снега, числа частиц в единице объема, среднего размера кристаллов и влажности снега. На рисунке 3.2 представлена зависимость скорости распространения звука в снеге от плотности снега [9].

Сплошная кривая, представленная на рисунке 3.2, описывается уравнением:

где – скорость звука в снеге, м/c;

Рисунок 3.2 – Зависимость скорости звука от плотности снега Из рисунка 3.2 видно, что с увеличением плотности снега скорость звука в снеге увеличивается.

3.4 Спектральный анализ акустического излучения материалов при их деформации Мною были проведены опыты по деформации различных материалов и исследованы спектры их акустического излучения. Перечень, используемых образцов, представлен в таблице 3.3.

Таблица 3.3 – Образцы материалов Результаты спектрального анализа акустических сигналов представлены на рисунках 3.2 – 3.10.

Рисунок 3.2 – Спектрограмма акустического сигнала. Опыт № Рисунок 3.3 – Спектрограмма акустического сигнала. Опыт № Рисунок 3.3 – Спектрограмма акустического сигнала. Опыт № Рисунок 3.4 – Спектрограмма акустического сигнала. Опыт № Рисунок 3.5 – Спектрограмма акустического сигнала. Опыт № Рисунок 3.6 – Спектрограмма акустического сигнала. Опыт № Рисунок 3.7 – Спектрограмма акустического сигнала. Опыт № Рисунок 3.8 – Спектрограмма акустического сигнала. Опыт № Рисунок 3.9 – Спектрограмма акустического сигнала. Опыт № Рисунок 3.10 – Спектрограмма акустического сигнала. Опыт № Для различных материалов положение спектральных максимумов различно. На спектрограммах акустических сигналов при деформации полиэтилена, крахмала, пергамента и фольги наблюдается один максимум.

Для снега же наблюдаются два выраженных максимума на частотах 200 и 900 Гц. Причем на спектрограмме, представленной на рисунке 3.10, виден сплошной спектр на низких частотах. Это объясняется тем, что измерения проводились вблизи автодороги.

Из энергетических соображений наиболее целесообразно регистрировать акустические колебания на частотах, соответствующих максимумам акустической эмиссии исследуемого материала.

3.5 Звук снега В полярных странах нередко наблюдается явление, получившее название «толчки фирна», когда при резком оседании верхних разрыхленных слоев снега возникают сопровождаемые сильным гулом и треском колебания снежного покрова, простирающиеся на 3-4 м в глубину и охватывающие площадь в несколько десятков квадратных километров. Толчки фирна могут быть вызваны движением по поверхности снега машин, человека или животного, а иногда и просто ветром.

После оттепели и метелей с деревьев часто срываются глыбы снега.

При падении на снежный покров земной поверхности они создают «ухающий» звук. Снег скрипит только в мороз, и тональность его скрипа меняется в зависимости от температуры воздуха – чем крепче мороз, тем выше тон скрипа. Есть люди, которые могут оценивать температуру воздуха по воспринимаемым на слух изменениям в характере скрипа снега.

Скрип снега – не что иное, как шум от раздавливаемых мельчайших кристалликов снега. В отдельности каждый из них так мал, что, ломаясь, издает звук, недоступный человеческому уху. Но когда суммируются мириады таких «голосов», появляется вполне явственный скрип.

Акустические измерения показали, что в спектре скрипа снега есть два пологих и не резко выраженных максимума – в диапазоне от 250 до 400 Гц и от 1000 до 1600 Гц. В большинстве случаев низкочастотный максимум на несколько децибел превышает высокочастотный. Если температура воздуха более минус 6 °C, высокочастотный максимум сглаживается и полностью исчезает. Усиление морозов делает ледяные кристаллики более твердыми и хрупкими. При каждом шаге ледяные иглы ломаются, акустический спектр скрипа смещается в область высоких частот. С изменением температуры от минус 8 °C до минус 20 °C сила звука скрипа снега возрастает на 1 децибел [6].

Итак, снег не просто нечто эфемерное, непостоянное, сезонное. Не просто красивый спутник зимнего пейзажа. И даже прошлогодний снег отнюдь не бесполезен. Снег – это и высокие, устойчивые урожаи, это основа зимних дорог и даже аэродромов, это строительный материал для зимовий и различных хранилищ на севере, источник воды на юге. Со снежными запасами связаны водность рек и изменения климата целых районов.

Шум листьев деревьев, водопадов, звучащие пески, удары и раскаты грома, гул земных недр, щебетание птиц, рев зверей – все это звуки природы.

А также инфразвуки, не воспринимаемые слуховым аппаратом человека или воспринимаемые как сигналы, не имеющие тонального характера. Основные источники инфразвуков в атмосфере – полярные сияния, штормы и фронтальные разделы воздушных масс, грозовые облака, смерчи, качание деревьев и высотных сооружений, пролеты метеорных тел и сверхзвуковых самолетов и другое.

В третьей главе были рассмотрены упругие или акустические колебания, виды волн, особенности распространения скорости звука в атмосфере и в снеге, проведен спектральный анализ акустических сигналов при деформации различных материалов, в том числе, и снега. В результате акустических измерений было выявлено, что в спектре скрипа снега есть два не резко выраженных максимума – в диапазоне от 250 до 400 Гц и от 1000 до 1600 Гц.

4 Методы акустической диагностики состояния снежного покрова 4.1 Дифференциальный метод определения расстояния до источника акустических колебаний Для измерения расстояния от датчика до источника акустических колебаний может быть использован дифференциальный метод. Схема проведения измерений представлена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 – Схема измерения расстояния дифференциальным методом Источник акустических колебаний находится внутри снежного покрова на неком расстоянии L от двух датчиков, принимающих сигнал в воздухе (атмосфере) и в снегу. Суть данного метода заключается в измерении разницы времени распространения сигнала в двух средах: в атмосфере и в снеге.

Поскольку измеренный параметр между приходом сигнала к датчикам от источника акустических колебаний, то его можно использовать для расчета этого расстояния L. Для этого можно воспользоваться формулой для определения времени распространения сигнала в атмосфере:

где – время, за которое пришел сигнал от источника до датчика L – расстояние, на котором находится источник от датчика, м.

Время распространения сигнала в снеге определяется формулой:

где – время, за которое пришел сигнал от источника до датчика в Формулы (4.1) и (4.2) можно приравнять, так как расстояние L одно и то же в двух уравнениях, выразив его оттуда:

Выразим из уравнения (4.3) а :

максимумами амплитудных колебаний сигналов, пришедших из двух разных сред (снег, атмосфера). Получим:

Подставив формулу (4.4) в уравнение (4.5),преобразовав его, получим:

Из уравнения (4.6) выражаем с, получаем:

Также по аналогии находим а, получаем:

Подставляем уравнения (4.7) и (4.8) в уравнение (4.3) для нахождения искомого параметра L :

Благодаря этому дифференциальному методу можно определить расстояние, на которое удален источник акустических колебаний от датчика с помощью измерений интервала времени, между приходом сигнала, распространяющегося по воздуху и приходом сигнала, распространяющегося в снежном покрове.

Рассмотрим пример, когда температура воздуха Т = -30 °С и 0 °С, плотность снега =500 кг/м и 200 кг/м, расстояние от источника акустических колебаний до датчика L меняется от 0 до 1000 м с шагом 100 м, Полученные временные задержки представим в таблице 4.1 и на рисунках 4.2-4.3.

дифференциального метода Рисунок 4.2 – Зависимость от L при c = 500 кг/м Из графика, представленного на рисунке 4.2 видно, что с увеличением расстояния до источника, временные задержки увеличиваются, причем быстрее при низких температурах. Это объясняется тем, что при плотности снега 500 кг/м скорость звука в снеге больше, чем в воздухе.

Из рисунка 4.3 видно, что при плотности снега 200 кг/м при температуре -30 С временные задержки увеличиваются с расстоянием от источника, а при 0 С – уменьшаются. Это объясняется тем, что при температуре 0 С скорость звука в воздухе больше, чем скорость звука в снеге.

4.2 Триангуляционный метод определения местоположения источника акустических колебаний Для определения положения источника акустических колебаний на плоскости достаточно использовать три приемных датчика, расположенных приблизительно на одинаковых расстояниях друг от друга. Схема расположения представлена на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 – Общая схема определения местоположения источника акустических колебаний триангуляционным методом.

Рассмотрим частный случай, когда источник акустических колебаний находится в снегу между двумя приемными датчиками на линии, соединяющей эти датчики. Сигнал распространяется по воздуху. Схема расположения представлена на рисунке 4.3.

Расстояние от источника до первого датчика равно:

где – расстояние от источника акустических колебаний до первого Расстояние от источника до второго датчика равно:

После вычитания уравнения (4.10) из (4.11) с учетом (4.12) получим уравнения для расчета расстояний:

где = – временная задержка между моментами прихода сигналов В таблице 4.1. представлены результаты расчетов временных задержек сигналов при L=1000 м и T=263 К (-10 °С).

Из таблицы 4.2 видно, что с увеличением расстояния, временная



Похожие работы:

«Секция 4 Рынок: исследования, проекты, технологии Tirgus: ptjumi, projekti, tehnoloijas RESEARCH and TECHNOLOGY – STEP into the FUTURE 2011, Vol. 6, No 1 MANAGEMENT AND CORPORATE SOCIAL RESPONSIBILITY Jevgenijs Miscenuks1, Nataly Podolyakina2 University of Lugano 1 Via Buf 13, Lugano, Switzerland E-mail: eugene.mischenuk@gmail.com Transport and Telecommunication Institute 2 Lomonosova str. 1, Riga, LV-1019, Latvia E-mail: npod@tsi.lv Keywords: corporate social responsibility, management,...»

«Паспорт инвестиционного проекта Промышленная переработка ягод и грибов Наименование инвестиционного проекта Администрация Терского района Инициатор инвестиционного проекта Создание на территории Терского района Цели и задачи законченной технологической сети по сбору, переработке инвестиционного проекта. и реализации дикорастущей продукции. Краткая характеристика Задачи направления: проекта, содержание 1. Отработка на районном уровне законодательных и иных регулирующих механизмов; 2. Отработка...»

«Защита прав людей с инвалидностью - опыт работы РООИ Перспектива Рабочая версия Составители - юридическая служба РООИ Перспектива: Михаил Черкашин – руководитель Линь Нгуен Виктория Рекуц Редактор: Татьяна Туркина С момента своего создания Региональная общественная организация инвалидов Перспектива направила свою деятельность на оказание помощи людям с инвалидностью в области образования, трудоустройства и правовой защиты. Инклюзивное образование стало одним из ведущих направлений работы...»

«ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 3 ФИЗИКА. ХИМИЯ 2012. Вып. 2 Физика и химия наноматериалов УДК 378.22(045) Н.В. Семакина, В.И. Кодолов, М.А. Плетнев ПРОБЛЕМЫ ПОДГОТОВКИ ВЫСОКОКВАЛИФИЦИРОВАННЫХ КАДРОВ ДЛЯ НАНОИНДУСТРИИ В УДМУРТСКОЙ РЕСПУБЛИКЕ Рассматриваются состояние и перспективы развития нанообразования в Удмуртской Республике с целью подготовки высококвалифицированных кадров для наноиндустрии. Ключевые слова: нанотехнологии, образование, наноиндустрия, наноматериалы, научно-образовательный...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТУРИЗМА И СЕРВИСА факультет Управления и дизайна Кафедра управления персоналом и государственного и муниципального управления ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ на тему: Совершенствование деятельности органов муниципального управления по формированию и реализации молодежной политики (на примере г. о. Балашиха Московской...»

«А. Г. ДуГин Те о р и я многополярного мира Евразийское движение Москва 2013 ББК 66.4 Печатается по решению Д 80 кафедры социологии международных отношений социологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова Рецензенты: Т. В. Верещагина, д. филос. н. Э. А. Попов, д. филос. н. Н ау ч н а я р ед а к ц и я Н. В. Мелентьева, к. филос. н. Редактор-составитель, оформление Н. В. Сперанская При реализации проекта используются средства государственной поддержки, выделенные в качестве гранта Фондом...»

«ТЕХНИЧЕСКИЙ КОДЕКС ТКП 003–2005 (02140) УСТАНОВИВШЕЙСЯ ПРАКТИКИ ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТ ПО ОХРАНЕ ТРУДА В ОТРАСЛИ СВЯЗЬ АРГАНIЗАЦЫЯ РАБОТ ПА АХОВЕ ПРАЦЫ Ў ГАЛIНЕ СУВЯЗЬ Издание официальное Минсвязи Минск ТКП 003-2005 УДК 621.39:658.345 МКС 13.100 КП 02 Ключевые слова: охрана труда, безопасные условия труда, инструктаж по охране труда, контроль условий труда, организация работы по охране труда, санитарногигиенические условия работы Предисловие Цели, основные принципы, положения по государственному...»

«Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д.Н. Прянишникова Система менеджмента качества РУКОВОДСТВО ПО КАЧЕСТВУ СМК-РК Версия 3.1 Дата 14.12.2012 г. Стр. 1/38 РУКОВОДСТВО ПО КАЧЕСТВУ Номер Исполнитель: Согласовано: Утверждено: учтенной Начальник ОК и И Представитель высшего И.о.ректора копии: Шайдулин Р.Ф. руководства по качеству Зубарев Ю.Н. Дата Сычева Л.В. Дата Подпись Дата Подпись Министерство сельского...»

«Посвящается 35-летию Волжского автозавода В.Котляров ВИЖУ ЦЕЛЬ записки командора Тольятти 2001 Предисловие автора Эта книга о людях, мало известных широкому кругу публики (хотя в кругу специалистов их имена порой говорят о многом). О тех, кто испытывает и доводит до ума автомобильную технику. А командором на сленге испытателей принято называть руководителя выездных испытаний (в народе именуемых автопробегами), проводимых в разных регионах страны, а то и за её пределами. Как правило, им является...»

«Док #: 0017 3DTV-VISION Гусев Евгений ФИО Дата: 1/25/2011 Страница №: 1 of 48 БИЗНЕС ПЛАН 3Д ПРОДАКШН СТУДИЯ Организация производственной студии по адаптации 2Д видеоконтента в 3Д формат. Док #: 0017 Содержание 3DTV-VISION Гусев Евгений ФИО Дата: 1/25/2011 Страница №: 2 of СОДЕРЖАНИЕ № стр. № стр. 1. Резюме проекта 5. Финансовый план 4 5.1. Общие издержки 2. 3Д технологии 2.1. Методы 4 5.2. Продажи и прямые издержки (1-й год) 2.1.2. Анаглиф 5 5.3. Продажи и прямые издержки (2-й год) 2.1.3....»

«Министерство транспорта Российской Федерации Проект Транспортная стратегия Российской Федерации на период до 2030 года Москва сентябрь 2008 года 2 Содержание ВВЕДЕНИЕ 1. МЕСТО И РОЛЬ ТРАНСПОРТА В СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКОМ РАЗВИТИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 2. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ПРОБЛЕМ РАЗВИТИЯ ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 3. ПРОГНОЗНЫЕ КАЧЕСТВЕННЫЕ И КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ПАРАМЕТРЫ РАЗВИТИЯ ТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НА ПЕРИОД ДО 2030 ГОДА 4. ЦЕЛИ И ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ...»

«Что такое PostgreSQL ? Что такое PostgreSQL ? PostgreSQL - это свободно распространяемая объектно-реляционная система управления базами данных (ORDBMS), наиболее развитая из открытых СУБД в мире и являющаяся реальной альтернативой коммерческим базам данных. PostgreSQL произносится как post-gress-Q-L (можно скачать mp3 файл postgresql.mp3), в разговоре часто употребляется postgres (пост-гресс). Также, употребляется сокращение pgsql (пэ-жэ-эс-ку-эль). Адрес этой статьи:...»

«Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии № 57, 2012 УДК 629.735.33.01 + 510.3 В.А. Макаричев, Е.А. Мураховская, А.И. Рыженко, Ю.А. Щербакова Критериальная база ранжирования альтернативных методов исследования проблем безопасности полетов в условиях неопределенности проектирования самолетов гражданского назначения Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского ХАИ Рассмотрена специфика процессов и явлений, развивающихся на гражданском самолете при...»

«Международный конкурс James Dyson Award 2014 Благотворительный фонд Джеймса Дайсона сообщает об открытии очередного международного конкурса James Dyson Award 2014. James Dyson Award - это международный конкурс студентов, обучающихся в сфере проектирования и инжиниринга. Конкурс проводится в 18 странах для поддержки молодых талантливых инженеров-проектировщиков, поощрения их творческого потенциала и изобретательности. Конкурсная работа должна представлять созданную автором или студенческой...»

«BlueJ Инструкция по применению Версия 2.0.1 Для BlueJ Версии 2.0.x Майкл Klling Mrsk Институт Университет Южной Дании Содержание Авторское право © М. Klling Перевод на русский язык ©А.Васильченко Содержание 1 Предисловие 4 1.1 О BlueJ Назначение инструкции 1.2 Авторское право, лицензия и распространение 1.3 1.4 Обратная связь 2 Инсталляция 2.1 Инсталляция на Windows 2.2 Инсталляция на Macintosh 2.3 Инсталляция на Linux/Unix и других системах 2.4 Проблемы при установке 3 Начало - редактирование...»

«Предисловие Раздел 1. Общие вопросы методики преподавания  информатики и ИКТ в школе Глава 1. Предмет информатики в школе 1.1. Информатика как наука и как учебный предмет 1.2. История введения предмета информатика в отечественной  школе 1.3. Цели и задачи школьного курса информатики Контрольные вопросы и задания Глава 2. Содержание школьного курса информатики и ИКТ 36   2.1. Общедидактические подходы к определению содержания курса  информатики...»

«Руководство пользователя 3.7.2013 2 DipTrace. Руководство пользователя Содержание Раздел I Создание простой схемы и печатной 4 платы 1 Введение 2 Установка размера страницы и размещение рамки 3 Настройка библиотек 4 Проектирование схемотехники 5 Преобразование в плату 6 Разработка печатной платы Подготовка к трассировке Автоматическая трассировка Работа со слоями Меж слойные переходы Классы сетей Ручная трассировка Измерение длины трасс Выбор объектов по типу/слою Размещение текста и...»

«Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии № 47, 2010 УДК 629.7.01 Ю.Н. Геремес, А.Г. Гребеников, А.М. Гуменный, А.Ф. Иванько, А.И. Костенко, А.А. Сердюков, А.С. Чумак, В.Ф. Шмырев Концепция создания пассажирского самолёта для местных воздушных линий Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского ХАИ На основании анализа рынка воздушных судов для местных авиалиний с малым пассажиропотоком разработана концепция создания современного пассажирского самолёта....»

«Проект ЮНЕП/ГЭФ Российская Федерация – Поддержка Национального плана действий по защите арктической морской среды ООО Научно-производственное объединение ЦЕНТР БЛАГОУСТРОЙСТВА И ОБРАЩЕНИЯ С ОТХОДАМИ ИТОГОВЫЙ ОТЧЕТ ПО РЕАЛИЗАЦИИ ПИЛОТНОГО ПРОЕКТА РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ЛОГИСТИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ВНЕДРЕНИЯ СИСТЕМЫ СБОРА И УТИЛИЗАЦИИ ПОЛИХЛОРБИФЕНИЛОВ (ПХБ) И ПХБ-СОДЕРЖАЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ В АРКТИЧЕСКОЙ ЗОНЕ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Генеральный директор ООО НПО ЦБОО А.С. Гурьнев Санкт-Петербург...»

«ISSN 2312-2048 ВЕСТНИК МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ТЕХНОЛОГИИ И ДИЗАЙНА Периодический научный журнал №1 2014 Вестник молодых ученых Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна № 1’ 2014 Журнал публикует работы студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященные проблемам науки и техники. Учредитель и издатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский...»










 
2014 www.av.disus.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.