Гидроакустические приборы

При выполнении обследований дна на водных акваториях, связанных со строительством трубопроводов, резервуаров и др. инженерных сооружений, необходимо выполнять крупномасштабную съемку дна либо проводить промеры профилей. Помимо этого, можно выделить большое число направлений, где могут быть использованы гидроакустические приборы:

• поиск различных предметов под водой;
• инженерный, научный и экологический мониторинг;
• обеспечение безопасности судоходства;
• геодезические изыскания, предваряющие строительство любых подводных объектов;
• рыболовство и разведение морепродуктов;
• туризм, дайвинг, подводная археология;
• картографическая деятельность.

Все многообразие направлений использования базируется на ограниченном числе гидроакустических методов:

• двухмерное сканирование поверхности дна;
• трехмерное сканирование поверхности дна;
• сканирование толщи дна;
• сканирование толщи воды.

Применение для этих целей аппаратуры, работающей в световом и радиодиапазоне, сильно ограничено в силу физических законов распространения электро- и радиоволн в воде. Обычно зона визуального наблюдения для видеокамер и видеоустройств не превышает 10 метров. В то же время гидроакустические приборы могут работать на всех глубинах мирового океана и позволяют получать изображения подводного пространства с разрешением в несколько сантиметров. На сегодняшний день существует огромное количество гидроакустических систем различных производителей, которые отличаются различной технологией и материалом изготовления приемо-передающих элементов. Качество и достоверность полученной с помощью гидроакустических приборов информации зависит как от технических параметров самого гидроакустического прибора, так и от условий распространения звуковых волн в воде. Скорость распространения звука в воде — величина непостоянная и изменяется в пределах от 1420 до 1550 м/с; это обусловлено изменением солености, температуры и гидростатического давления различных слоев воды. Расположение излучателя и приемной антенны по отношению к поверхности воды или морскому дну без учета направления излучения акустических сигналов может вызвать так называемые зоны «поверхностной или донной засветки» на мониторах гидроакустических приборов. Кроме того, на работу гидроакустических приборов оказывают влияние посторонние шумы от двигателя судна и фоновый морской шум.

При акустической съемке определение расстояния L до лоцируемого объекта производится по времени прохождения звука от излучателя до объекта:

L = ∆tc/2,

где ∆t — время прохождения зондирующего сигнала до цели и обратно. В жидкостях скорость распространения звуковой волны изменяется в значительных пределах — от 557 до 2000 м/с. В пресной воде она составляет ~ 1500 м/с, а в морской 1420-1540 м/с. Для пресной воды скорость может быть вычислена по формуле:

где х — модуль объемной упругости воды; ρ — плотность воды. В морской воде скорость звука существенно зависит от концентрации солей. Ее можно вычислить по формуле:

с = с₀ + aq,

где с₀ — скорость звука в пресной воде; а — концентрационный градиент скорости, выражающий отношение ∆с/∆q и соответствующее приращению скорости на 1 % изменения концентраций солей q. Скорость распространения звуковых волн зависит также от температуры и давления. При увеличении температуры воды на 1 °С скорость увеличивается на 2,5 м/с, а увеличение давления на 1 атм. вызывает увеличение скорости на ~ 0,2 м/с.

В чистой воде затухание звука небольшое, но значительно увеличивается при наличии в ней пузырьков воздуха и взвешенных частиц. Воздушные пузырьки образуются за счет разложения органических веществ. Например, наличие воздушных пузырьков в количестве 0,01 % от объема воды в два раза снижает ее упругость и на 40 % — скорость распространения звука в ней, которая еще зависит и от размеров воздушных пузырьков, а наличие взвешенных частиц почти линейно увеличивает поглощение звуковых колебаний. При значительном количестве взвешенных частиц в воде практически невозможна звуколокация из-за значительного ослабления сигнала. Изменения поглощения и скорости распространения звука находятся в сложной зависимости от концентрации взвешенных частиц, их размеров и структуры.

Скорость распространения и затухание звуковых колебаний в донных отложениях влияют на точность звуколокации. Эти параметры во многом определяются составом пород, формирующим донные отложения. Теоретическую оценку искажений результатов измерений, вызванную этими параметрами, выполнить довольно сложно, и поэтому данные, полученные опытным путем, являются более надежными.

На мощность отраженного сигнала значительное влияние оказывает коэффициент отражения, так как на практике редко встречается отражение звука с малыми потерями. Например, от границы вода-воздух он равен 0,99993, а от границы раздела вода-ил — 0,2. Коэффициенты, выражающие зависимости между параметрами волн падающей и проходящей сквозь границу раздела сред, именуются соответственно коэффициентом прозрачности по интенсивности D_J и коэффициентом по давлению D_p.

D_J = 4W₂W₁/(W₂ + W₁)²; D_p = 2W₂/(W₂ + W₁),

где W₂ и W₁ — акустическое сопротивление первой и второй среды, W = ρс (ρ — плотность среды, с — скорость звука).

При отражении от неровных, шероховатых поверхностей происходит диффузное рассеяние звука, т. е. звук рассеивается по разным направлениям, причем интенсивность и направленность рассеяния зависят от формы неровностей, их размеров по сравнению с длиной звуковой волны и от других факторов.

Дифракция звуковых волн — это способность огибать препятствия, встречающиеся на их пути. Если размер препятствий превышает длину звуковой волны, то за препятствиями появляется область звуковой тени. Интерференция звуковых волн — это их взаимодействие, при котором происходит явление сложения независимых волн. Интенсивность результирующего звука зависит от разности фаз складывающихся колебаний. От этого амплитуда колебания усиливается или ослабевает. При интерференции могут образоваться стоячие волны. Это возможно в том случае, когда в ограниченном отраженном пространстве укладывается целое число волн (λ/2, λ, nλ/2, где n — целое число). При отражении звука может возникать послезвучание или реверберация.

Время распространения звука в среде (воде, донных отложениях) можно определять фазовым, частотным, импульсным способами либо их сочетаниями. Исследуя отражения звуковых волн от донных отложений, получают топографическую поверхность дна водоема и т. д.

При фазовом способе излучатель непрерывно посылает звуковой сигнал одной и той же частоты, который, отразившись от объекта локации, возвращается обратно. Разность фаз (модуляция) между излучаемым и принимаемым сигналами будет пропорциональна расстоянию до лоцируемой поверхности. Для решения неоднозначности модуляцию осуществляют на двух или трех частотах. По сдвигу фаз и частоте определяют сдвиг во времени и расстояние, соответствующие этому сдвигу. Точность определения расстояний этим способом составляет ±0,2 мм, но реализовать этот метод довольно сложно.

Сущность частотного способа состоит в том, что на излучатель посылают сигнал, модулированный по частоте, линейно изменяемой от некоторого начального значения до максимального, а потом вновь возвращаемой к первоначальному своему значению. Цикл повторяется. Сравнивая частоты на приеме и излучении, определяют время прохождения зондирующего сигнала. Погрешности в определении расстояний этим способом — около 2 %. Использовать его можно для локации поверхностей, не имеющих ступенчатых неровностей со скачкообразно меняющейся дальностью.

Импульсный способ основан на импульсной модуляции излучаемого сигнала, при которой расстояние определяется по времени прохождения импульса до цели и обратно. Погрешности в определении расстояний посредством этого способа составляют от 0,5 до 3,0 %. Этот способ измерения расстояний положен в основу наиболее распространенного гидроакустического прибора — эхолота.

В эхолотах обычно используется импульсный метод измерения расстояний либо частотный. На рис. 5.68 показана структурная схема эхолота.

Рис. 5.68. Структурная схема эхолота
1 — генератор; 2 — передающая антенна; 3 — приемная антенна; 4 — усилитель; 5 — блок контроля; 6 — регистратор

Сигналы, вырабатываемые генератором 1, поступают на вход излучателя (антенну) 2, который генерирует акустические сигналы и излучает их в воду.

Зондирующий сигнал, отразившись от объекта, принимается антенной 3, усиливается усилителем 4 и подается на блок слухового контроля 5 и индикатор или регистратор 6. В эхолотах могут быть использованы электромагнитные, электродинамические, пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи, работающие на одной или нескольких резонансных частотах. При эхолокации применяют более высокие звуковые и ультразвуковые частоты, поэтому преобразование электрической энергии в акустическую и обратно производится с помощью электростатических, пьезоэлектрических и магнитострикционных преобразователей.

В процессе акустических измерений неизбежны погрешности, порождаемые искажением электрического поля. К ним в первую очередь относятся технические погрешности, связанные с неточностью измерения времени и скорости распространения акустических волн. В среднем инструментальная погрешность эхолота составляет 1-2,5 %. Судно или лодка должны обладать достаточной устойчивостью, чтобы вертикальные перемещения судна, вследствие качки, минимально влияли на точность измерения глубин. Из-за угловой расходимости звуковой сигнал облучает не одну точку лоцируемого объекта, а какую-то площадь. При этом возникает разность хода отраженных лучей от разных точек площадки, и поэтому измеренное расстояние не соответствует расстоянию по оси эхолота, что вызывает дополнительную погрешность. В целом суммарная погрешность, вызываемая разностью хода звуковых волн при отражении от объекта, составляет ~ 1 %.

Гидроакустические приборы можно разделить на несколько групп:

• эхолоты;
• гидролокаторы кругового и секторного обзора;
• гидролокаторы бокового обзора;
• профилографы морского дна;
• гидроакустические системы позиционирования.

Обычно при выполнении съемочных работ на территории водоемов используются эхолоты и гидролокаторы бокового обзора.