5.2.3. Принцип действия навигационного эхолота

Гидроакустические приборы, предназначенные для определения вертикального расстояния до какого-либо подводного объекта, называют эхолотами. В зависимости от назначения они подразделяются на навигационные, промерные, промысловые, геологические и океанографические. По принципу действия все эхолоты одинаковые. Здесь мы рассмотрим только навигационные эхолоты

На рисунке 5.5, а показана структурная схема эхолота, принцип действия которого состоит в использовании эхо-метода с применением двух гидроакустических антенн — вибратора-излучателя и вибратора-приемника.

В составе эхолота имеется самописец СП для автоматической записи измеряемых глубин на электротермической бумаге (получения эхограммы) и указатель глубин ИГ для визуального отсчета глубин. В определенный момент времени с ИГ или с СП поступают команды на схему посылки импульсов СПИ, которая формирует мощный электрический разряд, протекающий через обмотку вибратора-излучателя ВИ (в данном случае магнитострикционного типа). При этом образуется колебательный контур, в котором возникают мощные высокочастотные электромагнитные затухающие колебания, преобразуемые вибратором в механические колебания его рабочей поверхности. В воду посылается ультразвуковой импульс большой интенсивности.

Зондирующий импульс в пределах основного максимума диаграммы направленности доходит до дна, отражается и принимается вибратором-приемником ВП. Здесь происходит преобразование звукового давления, оказанного на рабочую поверхность ВП, в электрический сигнал. Усиленный в усилителе У сигнал поступает на индикатор ИГ или на самописец СП для отображения измеренной глубины.

Таким образом, основная задача определения глубины с помощью эхолота практически сводится к измерению весьма малого промежутка времени между моментами излучения и приема сигнала, отраженного от грунта. Зная общее время t прохождения сигнала в прямом и обратном направлениях и скорость звука с в воде, легко определить глубину h под килем судна.

Расстояние АВ между излучателем и приемником, называемое базой антенны, обозначим L. Тогда искомая глубина h находится из выражения:

; . (5.4)

За расчетную скорость звука в воде принимают с₀ = 1500 м/с. База антенны L обычно в пределах 2 м. Поэтому на больших глубинах, практически уже при h > 10 м, вместо выражения (5.4) можно применить

(5.5)

На малых глубинах (h < 10 м) в измерения следует вносить поправку за базу. Также следует иметь в виду, что показываемая эхолотом глубина h измеряется от уровня установки антенны. Если требуется знать глубину от поверхности моря, то необходимо учесть осадку судна в месте установки антенны.

Большинство современных эхолотов имеют одну приемно-передающую антенну - пьезоэлектрический преобразователь (рис. 5.5, б).

Обычно такие эхолоты имеют в своем составе самописец СП, цифровой указатель глубин ЦУГ с электронным индикатором глубины и прибор сигнализации заданной глубины ПСГ, В зависимости от режима работы, в одном из указанных приборов с определенной периодичностью, формируется запускающий импульс. Этот импульс является стартовым для дальнейшего формирования в приемно-передающем устройстве ППУ короткой серии (пачки) импульсов от задающего высокочастотного генератора. Усиленные в усилителе У импульсы поступают на приемо-передающую антенну ППА - происходит посылка зондирующего импульса.

Отраженный от грунта эхо-сигнал преобразуется в ППА в электрический сигнал. После усиления и фильтрации от помех в У и ППУ сигнал поступает для индикации глубины на соответствующие приборы.

В рассмотренном эхолоте для определения глубины реализована формула (5.5) и погрешность, обусловленная базой антенн, отсутствует.

Рис. 5.5 Принцип действия навигационных эхолотов

а) – с двумя гидроакустическими антеннами; б) – с одной гидроакустической антеной

Анализируя основные характеристики наиболее распространенных навигационных эхолотов можно сделать следующие выводы:

• в современных навигационных эхолотах применяется излучение с рабочей частотой от 27 до 380 кГц;

• все эхолоты обеспечивают устойчивое измерение глубин на больших скоростях хода судна (от 25 до 40 уз), что позволяет использовать их на современных транспортных судах;

• максимальная глубина, которую способны измерить навигационные эхолоты, лежит в пределах от 400 до 500 м;

• довольно узкая диаграмма направленности (не более 36) позволяет обеспечить высокую концентрацию излучаемой энергии;

• все эхолоты рассчитаны на широкий диапазон рабочей температуры окружающей среды (от -10 до +50 С), что позволяет использовать их при плавании в любых климатических условиях.

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите основные параметры звукового поля

2. От каких факторов зависит скорость распространения звука в море?

3. Дайте определения следующих понятий: интерференция, рефракция, дифракция, реверберация.

4. Какие физические явления положены в основу построения гидроакустических антенн?

5. Раскройте суть понятия – диаграмма направленности антенны.

6. Каким техническим параметром отличаются навигационный эхолот от рыбопоискового эхолота?

101