• Nie Znaleziono Wyników

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

Powiązane dokumenty