google-site-verification: google52572f315c4b9a26.html
نشریه علمی صوت و ارتعاش

نشریه علمی صوت و ارتعاش

توسعه الگوریتم اندازه‌گیری پروفیل عمودی سرعت صدا در پهنه‌های آبی با استفاده از فناوری تیکه‌نگاری صوتی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
اشکان فرخ‌نیا 1
رضا حسین‌زاده اصل 2
علیرضا اسکندری 3
مسعود بحرینی مطلق 4
1 پژوهشکده انرژی، پژوهشگاه علوم و تکنولوژی پیشرفته و علوم محیطی، دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته، کرمان
2 گروه مهندسی آبیاری و آبادانی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران
3 پژوهشگر شرکت توسعه دانش هوادریای آسیا، تهران، ایران
4 موسسه تحقیقات آب وزارت نیرو، تهران، ایران
چکیده
در این پژوهش، یک الگوریتم برای استخراج پروفیل عمودی سرعت صدا در پهنه‌های آبی، مبتنی بر فناوری تیکه‌نگاری صوتی، توسعه داده شد. برای ارزیابی عملکرد این الگوریتم، از داده‌های حاصل از اندازه‌گیری‌های میدانی در سد لتیان استفاده گردید. الگوریتم تولید اطلاعات پیوسته زمانی پروفیل سرعت صدا در عمق پهنه‌های آبی بر اساس تلفیق روش‌های رهگیری پرتو و حل مسئله معکوس بر اساس روش تنظیم‌شده تیخونوف[i] توسعه داده شد. داده‌های تیکه‌نگاری صوتی در مخزن سد لتیان به مدت تقریباً ۲۴ ساعت برداشت شد و سرعت صدا در ۵ لایه عمقی مجزا با ضخامت ۷ متر محاسبه گردید. برای ارزیابی دقت، اختلاف سرعت صدای برآورد شده با استفاده از تیکه‌نگاری صوتی با مقادیر حاصل از اطلاعات CTD[ii] مورد بررسی قرار گرفت که کم‌ترین اختلاف در لایه پایینی مخزن (۸۸/0 متر بر ثانیه) و بیشترین آن در لایه سطحی (۴2/6 متر بر ثانیه) مشاهده شد. نتایج تحقیق نشان داد، فناوری تیکه‌نگاری صوتی با بکارگیری الگوریتم توسعه داده شده قادر است پروفیل سرعت صدا در عمق را در پهنه‌های آبی عمیق با دقت قابل قبول برای کاربردهای عملیاتی در آوصوتیات[iii] برآورد نماید.



[i] Tikhonov’s Regularization


[ii] Conductivity-Temperature-Depth


[iii] Hydroacoustics
کلیدواژه‌ها
تیکه‌نگاری صوتی
سرعت صدا در آب
حل مساله معکوس
روش تنظیم شده تیخونوف
مخزن سد لتیان
موضوعات

عنوان مقاله English

Development of an Algorithm for Measuring Vertical Profile of Sound Speed in Water Bodies using Acoustic Tomography Technology

نویسندگان English

Ashkan Farokhnia 1
Reza Hosseinzadeh Asl 2
Alireza Eskandari 3
Masoud Bahreinimotlagh 4
1 Department of Energy, Institute of Science and High Technology and Environmental Sciences, Graduate University of Advanced Technology, Kerman, Iran
2 Department of Irrigation & Reclamation Engineering, College of Agriculture & Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran
3 Asia Havadarya Knowledge Development Company, Tehran, Iran
4 Water Research Institute, Ministry of Energy, Tehran, Iran
چکیده English

In this study, an algorithm for estimation vertical sound velocity profiles in water bodies based on acoustic tomography technology has been developed. Field measurements at the Letyan Dam have been used to demonstrate the performance of this algorithm. The algorithm for generating continuous sound velocity profiles in water bodies depth was developed based on ray tracing methods and inverse problem solving based on the adjusted Tikhonov method. Acoustic tomography data were collected in the Letyan Dam reservoir for approximately 24 hours and sound velocity was calculated in 5 separate vertical layers with a thickness of 7 meters. For accuracy assessment, the difference in sound velocity using acoustic tomography is examined by CTD data, with the lowest difference observed in the bottom layer of the reservoir (0.88 m/s) and the highest difference observed in the layered level (6.41 m/s). The results showed that the acoustic tomography technology, using the developed algorithm, is capable of estimation of the speed of sound at depth in deep water areas with acceptable accuracy for operational applications in acoustics.

کلیدواژه‌ها English

Acoustic Tomography
Sound Speed in Water
Inverse Problem
Tikhonov Regularization
Latyan Dam Reservoir
[1] حسین‌زاده‌اصل، رضا، مهدی یاسی، و مسعود بحرینی مطلق. "تعیین سرعت جریان آب در لایه‌های مخزن سد لتیان به کمک فناوری پرتونگاری مقطعی صوتی". تحقیقات آب و خاک ایران ۵۴، ش. ۶ (۱۴۰۲): ۸۵۹–۸۷۵. doi: 10.22034/ceej.2023.56789.1835.
[2] Kaneko, A., X. H. Zhu, and J. Lin. Coastal Acoustic Tomography. Elsevier, 2020. doi.org/10.1016/C2018-0-04180-8.
[3] Munk, W., P. Worcester, C. Wunsch, and J. F. Lynch. "Ocean Acoustic Tomography." The Journal of the Acoustical Society of America 99, no. 6 (1996): 3275–3276. doi.org/10.1121/1.414903.
[4] Baggeroer, A., and W. Munk. "The Heard Island Feasibility Test." Physics Today 45 (1992): 22–30. doi.org/10.1063/1.881317.
[5] Taniguchi, N., A. Kaneko, Y. Yuan, N. Gohda, H. Chen, G. Liao, et al. "Long-term Acoustic Tomography Measurement of Ocean Currents at the Northern Part of the Luzon Strait." Geophysical Research Letters 37 (2010): L07605. doi.org/10.1029/2009GL042327.
[6] Chen, M., F. Syamsudin, A. Kaneko, N. Gohda, B. M. Howe, H. Mutsuda, A. H. Dinan, et al. "Real-Time Offshore Coastal Acoustic Tomography Enabled With Mirror-Transpond Functionality." IEEE Journal of Oceanic Engineering (2018): 1–11. doi.org/10.1109/JOE.2018.2878260.
[7] Syamsudin, F., N. Taniguchi, C. Zhang, A. D. Hanifa, G. Li, M. Chen, H. Mutsuda, et al. "Observing Internal Solitary Waves in the Lombok Strait by Coastal Acoustic Tomography." Geophysical Research Letters 46 (2019): 10475–10483. doi.org/10.1029/2019GL084595.
[8] Al Sawaf, M. B., K. Kawanisi, J. Kagami, M. Bahreinimotlagh, and M. M. Danial. "Scaling Characteristics of Mountainous River Flow Fluctuations Determined Using a Shallow-Water Acoustic Tomography System." Physica A: Statistical Mechanics and its Applications 484 (2017): 11–20. doi.org/10.1016/j.physa.2017.04.168.
[9] Bahreinimotlagh, M., K. Kawanisi, M. M. Danial, M. B. Al Sawaf, and J. Kagami. "Application of Shallow-Water Acoustic Tomography to Measure Flow Direction and River Discharge." Flow Measurement and Instrumentation 51 (2016): 30–39. doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2016.08.010.
[10] Barth, J. A., B. M. Howe, J. A. Mercer, and D. R. Watts. "Measuring Flow in the Coastal Ocean with Acoustic Tomography." Oceanography 24, no. 4 (2011): 118–127. doi.org/10.5670/oceanog.2011.95.
[11] Huang, H., Y. Guo, G. Li, K. Arata, X. Xie, and P. Xu. "Short-range Water Temperature Profiling in a Lake with Coastal Acoustic Tomography." Sensors 20, no. 16 (2020): 4448. doi.org/10.3390/s20164498.
[12] Xu, S., Z. Xue, X. Xie, H. Huang, and G. Li. "Layer-averaged Water Temperature Sensing in a Lake by Acoustic Tomography with a Focus on the Inversion Stratification Mechanism." Sensors 21, no. 22 (2021): 7448. doi.org/10.3390/s21227448.
[13] Xu, S., G. Li, R. Feng, Z. Hu, P. Xu, and H. Huang. "Tomographic Mapping of Water Temperature and Current in a Reservoir by Trust-Region Method Based on CAT." IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 60 (2022): 1–14. doi.org/10.1109/TGRS.2022.3220648.
[14] بحرینی مطلق، مسعود، رضا روزبهانی، اشکان فرخ‌نیا، محمد سلطانی‌اصل، و کمال محتشم." فناوری تکه‌نگاری صوتی، ابزاری کارآمد برای پایش پیوسته سرعت و دمای جریان آب". تحقیقات منابع آب ایران ۱۴، ش. ۴ (۱۳۹۷): ۲۷۹–۲۸۴.
[15] بحرینی مطلق، مسعود، رضا روزبهانی، مرتضی افتخاری، محمدجواد زارعیان، و اشکان فرخ‌نیا. "ارزیابی الگوی انتشار صوتی زیرآب (نظریه پرتو) در یک رودخانه با استفاده از سامانه تکه‌نگاری صوتی رودالی". مجله علمی–پژوهشی انجمن مهندسی صوتیات ایران ۶، ش. ۲ (۱۳۹۷). dor: 20.1001.1.23455748.1397.6.2.4.7.
[16] بحرینی مطلق، مسعود، رضا روزبهانی، مرتضی افتخاری، و سید امیرمحمد حسنلی. "بررسی فناوری‌های صوتی پایش جریان در رودخانه‌ها". مجله علمی صوت و ارتعاش ۸، ش. ۱۵ (۱۳۹۸): ۷۳–۸۲.
[17] بحرینی مطلق، مسعود، رضا روزبهانی، مرتضی افتخاری، و مهران صادقی دلوئی. "اهمیت روش تیکه‌نگاری صوتی در مطالعات اقیانوس‌شناسی". مجله علمی صوت و ارتعاش ۱۰، ش. ۲۰ (۱۴۰۰): ۱۳۳–۱۴۳.
[18] حسین‌زاده‌اصل، رضا، مهدی یاسی، و مسعود بحرینی مطلق. "شناسایی پرتوهای ویژه با روش تئوری پرتو در مخزن سد لتیان به کمک سامانه پرتونگاری مقطعی صوتی". نشریه هیدرولیک ۲۰، ش. ۱ (۱۴۰۴). doi: 10.30482/jhyd.2024.427103.1686.
[19] Khalilabadi, M. R. "2D Modeling of Wave Propagation in Shallow Water by the Method of Characteristics." Archives of Acoustics 47, no. 3 (2022): 407–412. doi: 10.24425/aoa.2022.142014.
[20] Khalilabadi, M. R., H. Shahmirzaei, and S. Daneshmehr. "Underwater Acoustic Modeling in the Gulf of Oman." Journal of Acoustical Engineering Society of Iran 10, no. 2 (2023): 21–34.
[21] خلیل‌آبادی، محمدرضا، و سعید دانش‌مهر. "بررسی نیم‌رخ سرعت صدا و شکل‌گیری کانال‌های صدا در آب‌های عمیق اقیانوس هند شمالی".  مجله انجمن علوم صوتی ایران ۱۱، ش. ۲ (۱۴۰۳): ۲۷–۳۲.
[22] Medwin, H. "Speed of Sound in Water: A Simple Equation for Realistic Parameters." The Journal of the Acoustical Society of America 58, no. 6 (1975): 1318–1319. doi.org/10.1121/1.380790.
[23] Munk, W., P. Worcester, and C. Wunsch. Ocean Acoustic Tomography. Cambridge University Press, 2009. doi.org/10.1017/CBO9780511666926.
[24] Calvetti, D., E. Somersalo, and A. Strang. "Distributed Tikhonov Regularization for Ill-posed Inverse Problems from a Bayesian Perspective." Computational Optimization and Applications 91 (2025): 541–572. doi.org/10.1007/s10589-025-00675-y.