Acoustic Frequency Response Modelling of Multi-Bubble Compounds

Abstract

[EN] This master s thesis focuses on developing a theoretical model for the acoustic frequency response of multi-bubble compounds, such as air bubbles or methane gas bubble seepage from natural reservoirs. The objective is to simulate and analyze the acoustic behavior of these compounds in water columns and to reconstruct the acoustic response of the received bubble signals. The research begins with a review of existing single- and multi-bubble acoustic response models, integrating these with dynamic bubble movement and multiple scattering effects between bubbles. Initial models are simplified and progressively refined based on empirical data from previous studies of Anderson and Thuraisingham formulas for the backscattering strength of a single bubble. Furthermore, the model is extrapolated for multiple bubbles involving the multiple scattering effect. Experiments is conducted in a water tank with a bubble generator to estimate multi-bubble responses, with data used to try to validate and adjust the theoretical model. The final model can be incorporated into existing simulation software, such as KiRAT, to demonstrate its application as a digital twin for underwater column simulations and for generating SONAR data to train AI systems.

[ES] Esta tesis de máster se centra en el desarrollo de un modelo teórico para la respuesta acústica en frecuencia de compuestos con múltiples burbujas, como burbujas de aire o de gas metano que se filtran desde yacimientos naturales. El objetivo es simular y analizar el comportamiento acústico de estos compuestos en columnas de agua y reconstruir la respuesta acústica de las señales de burbuja recibidas. La investigación comienza con una revisión de los modelos existentes de respuesta acústica de una y varias burbujas, integrándolos con el movimiento dinámico de las burbujas y los efectos de dispersión múltiple entre burbujas. Los modelos iniciales se simplifican y se refinan progresivamente a partir de datos empíricos de estudios previos de las fórmulas de Anderson y Thuraisingham para la fuerza de retrodispersión de una sola burbuja. Además, el modelo se extrapola para burbujas múltiples en las que interviene el efecto de dispersión múltiple. Se realizan experimentos en un tanque de agua con un generador de burbujas para estimar las respuestas de múltiples burbujas, y los datos se utilizan para intentar validar y ajustar el modelo teórico. El modelo final puede incorporarse al software de simulación existente, como KiRAT, para demostrar su aplicación como gemelo digital para simulaciones de columnas submarinas y para generar datos SONAR para entrenar sistemas de IA.