[论文解读] Analytical Estimate of Atmospheric Newtonian Noise Generated by Acoustic and Turbulent Phenomena in Laser-Interferometric Gravitational Waves Detectors

Carlo Cafaro, S. A. Ali|ArXiv.org|Jun 26, 2009

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 15被引用 4

一句话总结

本文通过声学与湍流大气现象，对激光干涉式引力波探测器中的大气牛顿噪声进行了理论估算。基于声波传播的理论模型及Lighthill的湍流噪声源理论，推导了谱加速度涨落，发现两种噪声源均至少低于VIRGO灵敏度阈值三个数量级，表明其在低频段对探测的影响可忽略不计。

ABSTRACT

We present a theoretical estimate of the atmospheric Newtonian noise due to fluctuations of atmospheric mass densities generated by acoustic and turbulent phenomena and we determine the relevance of such noise in the laser-interferometric detection of gravitational waves. First, we consider the gravitational coupling of interferometer test-masses to fluctuations of atmospheric density due to the propagation of sound waves in a semispace occupied by an ideal fluid delimited by an infinitely rigid plane. We present an analytical expression of the spectrum of acceleration fluctuations of the test-masses of the interferometer in terms of the experimentally obtainable spectrum of pressure fluctuations. Second, we consider the gravitational coupling of interferometer test-masses to fluctuations of atmospheric density due to the propagation of sound waves generated in a turbulent Lighthill process. We present an analytical expression - in the Fourier space - of the spectrum of acceleration fluctuations of the test-masses of the interferometer. Finally, we discuss the relevance of these noise sources in the detection of gravitational waves by comparing the estimated spectral densities of Newtonian atmospheric noises considered here to the expected sensitivity curve of the VIRGO detector.

研究动机与目标

• 量化激光干涉式引力波探测器中由大气声学与湍流波动引起的大气牛顿噪声。
• 评估此类噪声源在限制VIRGO等探测器灵敏度，特别是在低频段的影响。
• 推导由大气质量密度波动引起的加速度涨落功率谱密度的解析表达式。
• 将估算的噪声水平与VIRGO的灵敏度曲线进行比较，以评估其实际意义。
• 在半无限流体域中建模直接声波传播与Lighthill的湍流噪声生成机制。

提出的方法

• 通过半无限理想流体在刚性平面边界的线性化牛顿引力，推导试验质量与大气密度波动之间的引力耦合。
• 利用傅里叶空间分析，将加速度涨落的功率谱密度表示为可测量压力涨谱的形式。
• 应用Lighthill关于湍流流场声发射的理论，以建模尺寸为L的湍流区域中的声源生成。
• 利用Kolmogorov湍流理论建模湍流速度波动的能量谱，并推导相应的牛顿噪声谱。
• 使用包含Kolmogorov常数、粘度和密度的推导表达式，评估大气牛顿噪声的应变振幅。
• 使用标准大气参数对推导的谱表达式进行数值积分，并与VIRGO的灵敏度曲线进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有刚性边界的半无限流体域中，大气压力与密度波动引起的加速度涨落谱密度的解析谱密度为何？
• RQ2 通过湍流空气中的Lighthill过程产生的声波所引起的牛顿噪声，与VIRGO探测器的灵敏度相比如何？
• RQ3 声学与湍流大气现象在地面引力波探测器中的重力梯度噪声中贡献程度如何？
• RQ4 能否利用实验可测的压力涨谱对大气牛顿噪声进行理论估算？
• RQ5 大气牛顿噪声是否为VIRGO等探测器在低频段引力波探测的限制因素？

主要发现

• 该理论模型成功地将加速度涨落谱密度与半无限流体中具有刚性边界的实验可测压力涨谱联系起来。
• 对于直接声波耦合，估算的大气牛顿噪声在4–10 Hz频段至少低于VIRGO灵敏度曲线两个数量级。
• 对于通过Lighthill湍流过程产生的噪声，估算的大气牛顿噪声应变振幅在360 Hz处约为10⁻²³ /√Hz。
• 该Lighthill生成的噪声至少低于VIRGO在360 Hz处约1.1×10⁻²⁰ /√Hz的灵敏度三个数量级，表明其影响可忽略。
• 数值评估采用Kolmogorov常数9.85及标准大气参数，证实了低噪声结论的稳健性。
• 研究结论认为，声学与湍流源引起的大气牛顿噪声并非VIRGO在低频段灵敏度的限制因素。