3.1. Zasady rozchodzenia się dźwięku w wodzie
Dźwięk rozchodzi się w środowisku wodnym znacznie szybciej niż w powietrzu, na dalsze odległości oraz ulega odbiciu od obiektów nieprzenikliwych – tzw. twardych hydroakustycznie. Właściwości te sprawiają, że akustyka podwodna jest jedną z podstawowych technik pomiarowych wykorzystywanych w hydrografii. Fala hydroakustyczna podlega takim samym prawom, co fala akustyczna – ulega odbiciu, refrakcji, interferencji, rewerberacji i tłumieniu.
Znajomość właściwości rozchodzenia się dźwięku w wodzie i parametrów wiązki akustycznej oraz świadomość wpływu temperatury, zasolenia i głębokości na prędkość rozchodzenia się dźwięku, jest podstawą wiedzą w zakresie pomiarów hydrograficznych metodami hydroakustycznymi.
Falę akustyczną można opisać za pomocą wzoru na równanie sonarowe [2]:
𝑬𝑬 = 𝑺𝑳 − 𝟐𝑻𝑳 − (𝑵𝑳 − 𝑫𝑰) + 𝑩𝑺 − 𝑫𝑻 (1)
gdzie:
EE – ang. Echo Excess – siła odbitego sygnału;
SL – ang. Source Level – siła transmisji sygnału;
TL- ang. Transmission Loss – straty siły sygnału;
NL – ang. Noise Level – poziom zakłóceń;
DI – ang. Directivity Index – indeks kierunkowości sygnału;
BS - ang. Bottom Backscattering Strenght – siła rozproszenia sygnału z uwagi na rodzaj dna;
DT – ang. Detection Threshold – próg detekcji.
Tłumieniem nazywa się zmniejszenie amplitudy sygnału akustycznego. Straty energii wysłanej fali dźwiękowej spowodowane są w głównej mierze:
- absorpcją - pochłanianiem, - rozprzestrzenianiem, - rozproszeniem.
Na tłumienie fali dźwiękowej wpływają własności wody morskiej, m.in. zmiany temperatury, zasolenia, ciśnienia hydrostatycznego oraz ruchu mas wodnych, zmieniająca się zawartość ciał obcych w wodzie (np. pęcherzy powietrza), jak również organizmy żywe. Wartość tłumienia rośnie wraz z liczbą
11 drgań na jednostkę czasu, co oznacza, że fale dźwiękowe o wyższych częstotliwościach są podatne na tłumienie znacznie bardziej niż te o niższej częstotliwości.
Rozproszenie się sygnału i jego pochłanianie powodowane jest głównie przez obecność różnych obiektów w toni wodnej – organizmów żywych:
zwierząt i roślinności, ale również pęcherzyków powietrza i rodzaju dna, na które trafia wiązka akustyczna. Na skutek rozproszenia energia fali przechodzącej przez ciało obce ulega zmniejszeniu, powodując stratę energii sygnału.
Warto zauważyć, że wartość absorpcji i rozproszenia sygnału jest współzależna do częstotliwości emitowanego sygnału akustycznego. W związku z tym, aby uzyskać jak najlepsze efekty, częstotliwość pracy systemu hydroakustycznego należy dobrać zgodnie z właściwościami fizykochemicznymi akwenu pracy.
W celu uzyskania prawidłowych wyników pomiarów należy być świadomym źródeł zakłóceń sygnału hydroakustycznego, pochodzących z otoczenia ponad i pod powierzchnią wody.
Podstawowym źródłem zakłóceń sygnału akustycznego w ośrodku wodnym są [3]:
- stan wody: falowanie, opady deszczu;
- pęcherzyki powietrza w wodzie;
- aktywność sejsmiczna ziemi;
- organizmy żywe;
- samo urządzenie hydroakustyczne wraz z urządzeniami peryferyjnymi;
- inne jednostki w ruchu – wpływ pracy śruby.
Organizmy żywe i zakłócenia generowane w wyniku wysokiego stanu wody, występowania pęcherzyków powietrza czy aktywność sejsmiczną powodują tzw. dudnienie i pogłos sygnału akustycznego. Przyczyną zjawiska dudnienia jest nakładanie się – interferencja – kilku odbitych fal akustycznych o zbliżonych częstotliwościach, w wyniku którego następuje kolejno zwiększanie się i zmniejszanie amplitudy fali wypadkowej. Pogłos sygnału akustycznego – tzw. rewerberacja – to zjawisko stopniowego zanikania energii dźwięku po ucichnięciu źródła, związane z występowaniem dużej liczby fal odbitych od powierzchni obiektu twardego hydroakustycznie – np. ławicy ryb, pęcherzyków powietrza.
3.2. Parametry wiązki akustycznej
Podstawowymi parametrami definiującymi falę akustyczną są:
• częstotliwość,
12
• szerokość pasma,
• długość impulsu.
Częstotliwość systemu hydroakustycznego określa zasięg i zdolność penetracji dna przez sygnał akustyczny. Poziom absorpcji sygnału akustycznego jest wprost proporcjonalny do częstotliwości pracy – im wyższa częstotliwość tym większe pochłanianie sygnału. Zatem im niższa częstotliwość tym głębsza penetracja warstw dna, z uwagi na mniejszy współczynnik absorpcji.
Częstotliwości pracy urządzeń hydroakustycznych podzielić zatem można ze względu na głębokość akwenu [2]:
• płytsze niż 100 m – częstotliwość wyższa niż 200 kHz,
• płytsze niż 1500 m – częstotliwość pomiędzy 50 – 200 kHz,
• głębsze niż 1500 m – częstotliwość pomiędzy 12 – 50 khz.
Do określania sedymentacji dna wykorzystuje się bardzo niskie częstotliwości, rzędu 8 – 12 khz.
Szerokość pasma jest różnicą pomiędzy najwyższą częstotliwością wykorzystania sygnału i najniższą której system akustyczny używa. Szerokość pasma przetwornika hydroakustycznego określona jest za pomocą współczynnika jakości, wzór 2 [2]:
𝑸 = 𝒇𝟎/𝑾 (2)
gdzie:
f0 – częstotliwość operacyjna przetwornika.
W = f2-f1 – szerokość pasma określona przez różnicę częstotliwości najwyższej i najniższej transmitowanej przez przetwornik.
Optymalnym rozwiązaniem dla systemów hydroakustycznych jest posiadanie transmitera o wysokim współczynniku Q, a odbiornika o niskim.
Długość impulsu określa energię transmitowanego sygnału. Przy tym samym poziomie mocy sygnału, lecz nastawie dłuższego impulsu – większa energia zostanie wysłana, co pozwoli na osiągnięcie większego zasięgu i odbicia od obiektu/ dna.
3.3. Prędkość dźwięku w wodzie
Prędkość fali hydroakustycznej zależna jest głównie od temperatury i rośnie wraz z jej wzrostem. Każda zmiana temperatury wody o 1°C, wpływa na zmianę prędkości dźwięku w wodzie średnio o 4,5 m/s.
13 Prędkość dźwięku w wodzie zależy również od zasolenia i ciśnienia. Wahanie zasolenia (parametr określający gęstość wody) akwenu o 1‰ przekłada się na zmianę prędkości dźwięku w wodzie o średnio 1,3 m/s.
Zmiana ciśnienia o 10 atmosfer wpływa na zmianę prędkości dźwięku o 1,6 m/s. Prędkość dźwięku na akwenach pełnomorskich i oceanicznych rośnie wraz ze wzrostem ciśnienia w funkcji głębokości.
Podstawowy wzór na prędkość dźwięku w wodzie przedstawia wzór 3 (źródło: http://arc.id.au/UWAcoustics.html):
𝑪(𝑻, 𝑷, 𝑺) = 𝟏𝟒𝟒𝟗. 𝟐 + 𝟒. 𝟔𝑻 + 𝟎. 𝟎𝟓𝟓𝑻𝟐+ 𝟏. 𝟑𝟗(𝑺 − 𝟑𝟓) + 𝟎. 𝟎𝟏𝟔𝑫 (3)
gdzie:
C – prędkość dźwięku w wodzie [m/s]
T – temperatura [°C]
S – zasolenie [ppt]
D – głębokość [m]
Pod wpływem zmiany prędkości dźwięku w wodzie ulega zmianie kierunek sygnału akustycznego. Zjawisko to nazywa się refrakcją i zostało zilustrowane na rys.1.
14 Rys. 1. Refrakcja wiązki akustycznej w związku ze zmianą prędkości dźwięku (opracowanie własne).
15