книги / Применения ультразвука

Измерительная система (рис. 10.10) включает морской модуль. Он выполнен в виде каркаса из инвара, на одном из концов кото­ рого закреплены два обращенных друг к другу пьезокерамичес­ ких преобразующих элемента одинаковой резонансной частоты (1 МГц), покрытые полиуретаном. Каркас заключен в перфори­ рованную камеру из нержавеющей стали, оснащенную подвод­ ным коннектором, кабелем и проволочным канатом для подъема/ погружения. Палубный модуль содержит импульсный передат­ чик, электрическую цепь, процессор, частотомер и светодиодный дисплей {LED) с переключателем «вкл/выкл». Для измерения ха­ рактеристик морской воды SVTD (соленость—скорость—темпера­ тура—глубина) необходима калибровка инструмента.

10.4.6.Акустическая система измеренияглубины

иуровняморя

Для измерения глубины океана и его топографии применяются эхо­ лот и его разновидности. Преобразователь эхолота передает акус­ тический импульс частоты 25-40 кГц вертикально в направлении морского дна. Эхо-импульс от дна принимается тем же преобразо­ вателем (посредством переключения с режима передачи на режим приема) и поступает на экран CRT. По местоположению принятого импульса на экране CRT можно оценить время пробега акустичес­ кого импульса туда и обратно. Таким образом, зная скорость в мор­ ской воде, можно определить глубину моря под корпусом корабля.

Не так давно в измерениях глубины и уровня моря стали ис­ пользовать ультразвуковой преобразователь, устанавливаемый на платформу, и береговой модуль. Блок-схема принимающей и передающей цепи устройства проиллюстрирована рис. 1 0 .1 1 . Рабочая частота передачи составляет 150 кГц, а ширина луча 22,5° Принимаемые от поверхности моря эхо-импульсы с помо­ щью электроники передаются на цифровой принтер / аналоговый диаграммный самописец.

10.4.7. Гидролокатор

Гидролокатор — это основная система, применяемая для исследо­ вания живых и неживых ресурсов океана. Система используется для прощупывания внутренних областей под поверхностью моря, дна и структуры под дном. Гидролокационные системы разделя­ ют на две категории: пассивные и активные. Пассивный гидроло­ катор записывает сигналы, излучаемые объектами. Эти сигналы

Вэхолоте используется временная регулировка усиления эхо-сигнала. На основе принятого эхо-сигнала можно получить качественную характеристику цели. Эхо-сигналы, принятые от отдельных целей, например рыб, на экране выглядят как малень­ кие черные точки. Стая рыб представляется в виде облака пятен, так как эхо-сигналы от отдельных рыб перекрывают друг друга. Между дном моря и нижней поверхностью преобразователя воз­ можно образование многократных отражений эхо-сигналов. По причине сложности механизма обратного рассеяния необходим тщательный анализ полученных эхо-сигналов.

(II)Гидролокатор бокового обзора

Воснове концепции гидролокатора бокового обзора лежит модель эхолота. В таком гидролокаторе эхолот направлен в сторо­ ну, как показано на рис. 10.13.

Дно

Рис. 10.13, Гидролокатор бокового обзора

Передатчик производит луч, имеющий форму веера, а при­ емник имеет меняющееся усиление, чтобы скомпенсировать дальность передачи. Время возвращения импульса интерпрети­ руют как расстояние до участка дна, который вызвал рассеяние. Дисплей воспроизводит характеристики дна в виде необработан­ ного изображения. Как правило, гидролокатор бокового обзора применяется в геологических исследованиях для рассмотрения характеристик неровностей морского дна.

(III) Многолучевой гвдролокатор

Многолучевая гидролокационная система, по сути, пред­ ставляет собой объединение множества однолучевых систем.

мерения движения поверхности океана, плывущих объектов или внутренних волн в пределах некоторого объема. Схематическое представление доплеровской гидролокационной системы показа­ но на рис. 10.15.

Рис. 10.15. Блок-схема доплеровского гидролокатора

У доплеровских гидролокаторов, как правило, четыре канала: два направлены вперед и назад, адва других обследуют пространс­ тво сбоку по бортам (рис. 10.15а). Акустические импульсные сиг­ налы от передатчика вызывают сигналы обратного рассеяния от зоопланктона. Доплеровский сдвиг в акустических импульсах оп­ ределяется относительными скоростями зоопланктона и гидро­ локационных преобразователей. Рис. 10.15Ь иллюстрирует блоксхему одного канала доплеровской системы.

10.4.8. Интегрированная система сбораинформации

Была разработана интегрированная система сбора информации с предварительно запрограммированным автоматическим контрол­ лером, записывающая ряд океанографических данных. Она вы­ полнена в виде берегового и морского модулей. В морском модуле для определения океанических параметров используется преоб­ разователь резистивного или индуктивного типа. Схематическое представление применяемых метеорологических и океанографи­ ческих датчиков показано на рис. 10.16. Шестнадцать датчиков (рис. 10.17) последовательно подсоединены к мосту Уитстона, который активизируется 1 -килогерцовым осциллятором через мультиплексор. В морской модуль также включены электромеха­ нические элементы и элементы формирования сигналов. С помо­ щью морского модуля можно измерять такие океанические пара­ метры, как температура, соленость, плотность и глубина.

10.4.9. Интегрированная система для подводных исследований

Большинство гидротехнических средств и подводных проектов требуют быстрых измерений глубины моря и геотехнических об­ следований для получения характеристик морского дна. Для сбо­ ра информации о морском дне используются океанические инс­ трументы, такие как эхолот, многолучевой гидролокатор. Однако для того чтобы получить профильное изображение областей, на­ ходящихся под дном, требуется более высокое разрешение и про­ филометр с глубоким проникновением.

В середине 1990-х годов было разработано новое поколение цифровых систем картографирования морского дна и областей в толще дна. Эти системы включают многолучевое картографиро­ вание с высоким разрешением и акустическую систему профи­ лирования дна, использующую импульсные сигналы с линейной частотной модуляцией. Они обеспечивают эффективный сбор справочных географических, гидрографических данных о глуби­ нах и характеристиках толщи дна. Кроме того, эти системы про­ изводят изображения, как гидролокаторы бокового обзора, и ка­ либруют данные об обратном рассеянии.

Недавно была создана интегрированная система для подводных исследований (IUSS), которая нашла применение в разнообразных областях, таких как обследование кабелей и трубопроводов, дноуг­ лубительные, поисковые и восстановительные работы и т.д. Система IUSSсостоит из эхолота, гидролокатора бокового обзора и профило­ метра дна. Она имеет модульную структуру и общий интерфейс кон­ троля. /t/SS схематично представлена на рис. 10.18.

Профилометр дна состоит из излучателя звуковых волн (ис­ точника) и матрицы гидрофонов. Акустические волны, отража­ емые последовательными слоями песка и разломами под дном моря, используются для получения информации о природе на­ пластований. Система гидролокатора бокового обзора состоит из двух трансиверов (один по правому, а другой по левому борту). Она используется для получения изображения морского дна пу­ тем регистрации амплитуды обратно рассеянной акустической волны. Соответственно одночастотный эхолот оснащен одним низкочастотным трансивером. Вертикальный луч эхолота ис­ пользуется для определения глубины моря. Блок-схема системы

IUSS показана на рис. 10.19.

преобразования результатов, полученных в процессе бокового сканирования/профилирования дна, применяется процессор цифровой обработки сигналов. Для контроля работы гидролока­ ционного оборудования и вспомогательных датчиков, таких как датчики определения курса, DGPS (дифференциальная глобаль­ ная система позиционирования) и т.д., используется компьютери­ зированная рабочая станция. Она контролируется программами с оконным интерфейсом, что позволяет получать множественные изображения по мере сбора информации гидролокатором и со­ хранения ее на носителях с высокой плотностью записи. Чтобы ввести корректировки на волнение моря и положение буксирного фиша (в якорном устройстве), используются датчик давления и транспондер.

10.5. Применение

Подводная акустика — это чрезвычайно эффективная техника исследования живых и неживых ресурсов океана с помощью ряда методов. Ниже перечислены наиболее важные способы примене­ ния подводной акустики:

(1)определение глубины моря;

(2)обнаружение косяков рыбы и грунтов;

(3)обследование подводных препятствий, таких как скалы или обломки затонувших кораблей;

(4)исследование морских минералов на дне моря и в толще

дна;

(5)использование в военных целях, таких как поиск подвод­ ных лодок, мин, вражеских кораблей и т.д.

10.5.1. Глубина моря

Важным аспектом применения подводной акустики является измерение глубины моря/океана и определение топографии дна. При измерении глубины моря эхолот/гидролокационная систе­ ма излучает акустическую энергию в направлении дна. Сигналы, рассеянные дном моря, отражаются обратно. Отраженный сиг­ нал принимается либо тем же, либо отдельным преобразовате­ лем-приемником. Результирующий сигнал выводится на экран CRT. Расстояние между переданным и принятым импульсами дает время прохождения акустического импульса туда и обрат­

но. Записанные результаты используются для определения глу­ бины моря и топографии морского дна. Экспериментальная установка, применяемая в подобных измерениях, показана на рис. 10.20.

Рис. 10.20. Глубина моря

10.5.2. Рыбный промысел

Подводная акустика нашла широкое применение в рыбном про­ мысле. В данной области главную роль играют (1) обнаружение рыбы и косяков рыб, определение расстояния до них, (2) слеже­ ние за рыбьими стаями, (3) классификация рыб по размерам и видам, (4) приблизительное определение численности совокуп­ ности, (5) изучение поведения рыб, (6) проведение измерений пе­ ремещений.

Живые ресурсы океана изучаются только с помощью специ­ ализированных акустических систем и техник, включающих об­ работку сигналов и всесторонний анализ данных. В рыбном про­ мысле используются такие акустические системы, как эхолот и многолучевые гидролокаторы. Типичная конфигурация многолу­ чевой гидролокационной системы приводится на рис. 10.21.

Акустическая энергия излучается в море. Записывается сиг­ нал, рассеянный целью (рыбой). Записанные сигналы вместе с фоновым шумом используются для определения местоположения стаи рыб. При отслеживании рыбьих стай одновременно опреде­ ляется численность совокупности и оценивается реакция рыб на прохождение гидрографического судна или трала. Данные, полу­ ченные с помощью эхолота, позволяют проанализировать клас­