Каталог :: Физика

Реферат: Эхолот

     
     Санкт-Петербургский 
Государственный Морской Технический Университет
Кафедра физики
     
                        
    по физике    
        
     Выполнил: Пучков И.В.
22ЭН1
Проверил Малых Р.А.
     Санкт-Петербург 2003г.
     Оглавление:
     Введение. 3
     Принцип работы.. 3
     Возможности эхолота. 4
     Частота волны.. 5
     Преобразователи. 5
     Кристалл. 5
     Размещение. 6
     Преобразователи "Через Корпус". 6
     Преобразователи "Стреляет Через Корпус". 6
     Переносные преобразователи, 6
     Преобразователи крепления к транцу. 6
     Скорость и преобразователь. 7
     Канонический угол преобразователя. 7
     Состояние воды и дна. 8
     Температура воды и термоклин. 9
     Литература. 10
                                                                   
                                                                   
                                                                   
                                                                   
                                                                   
                                                                   
                                                                   
                                                                   
                                                                   
                                                                   
                                                                   
                                                                   
                                                                   
                                                                   
                                                                   
                                                                   
                                                                   
                                                                   
                                                                   
                                                                   
                                                                   
                                                                   
                                                                   
                                                                   
                                                                   
                                                                   
                                                                   
                          Эхолоты                          
     В Российской печати и
Интернете встречаются несколько названий эхолота: сонар, гидролокатор,
fishfinder. Я выбрал слово эхолот без каких-либо причин.
     Введение
Люди ловят рыбу тысячу лет. Каждый рыбак сталкивается с двумя проблемами - с
поиском рыбы и ее поимкой. От простейшего шеста с метками и бечевки с грузом и
флажками эволюция приспособлений для измерения глубины привела к электронным
устройствам различной степени сложности. Хотя 
гидролокатор (эхолот) не может вываживать рыбу, он может решить проблему поиска
рыбы. Вы не сможете поймать рыбу, если ловите в месте, где ее нет, эхолот
спасет Вас от этого.
В конце 1950-ых, Карл Лоуранс и его сыновья Арлен и Даррел начали подводное
плавание, чтобы наблюдать рыбу и ее привычки. Это исследование, заказанное
местным и федеральным правительствами США, нашло, что приблизительно 90
процентов рыбы сконцентрировано в 10 процентах воды озер. С изменением
условий окружающей среды рыба перемещается в более благоприятные области. Их
исследования показали, на большинство видов рыб воздействует подводная
структура (это: деревья, водоросли, камни и отложения), температура, течение,
освещенность и ветер. Эти и другие факторы также влияют на местоположение
корма (планктона, малька, водорослей). Вместе эти факторы создают условия,
которые вызывают частые перемещения популяции рыбы.
     В те далекие времена, буквально
несколько людей использовали
большие, громоздкие сонарные модули на рыбацких лодках. Работая на низких
частотах, эти устройства использовали вакуумные лампы, для функционирования
которых требовались громадные аккумуляторы. Хотя они показывали
удовлетворительный сигнал дна и косяка рыб, они не могли показывать отдельных
рыб. Карл и его сыновья начали разрабатывать компактный, с батарейным питанием
эхолот, который мог бы показывать отдельную рыбу. После многих лет
исследований, экспериментов, нестандартных решений и просто трудной работы,
такой эхолот был сделан, что изменило рыбацкий мир навсегда.
С этого простого начинания, была сформирована новая промышленность, с продажи
в 1975 г. первого транзисторного эхолота для спортивной рыбалки. В 1979 г.
фирма Lowrance представила "The Little Green Box" который стал наиболее
популярным эхолотом в мире. Весь выполненный на транзисторах, это был первый
удачный эхолот для спортивной рыбалки. Более миллиона таких эхолотов были
произведены до 1984 г., когда они были сняты с производства из-за высокой
себестоимости. Фирма проделала длинный путь с 1957, начиная с "little green
boxes" и заканчивая современным высокотехнологичным эхолотом.
     Принцип работы
Слово сонар (эхолот) это сокращение трех английских слов: Звук, Передвижение,
Расположение. Сонар был разработан во время Второй Мировой Войны для
отслеживания подводных лодок. Эхолот состоит из передатчика, преобразователя,
приемника и дисплея.
В самых простых словах: электрический импульс от передатчика преобразуется в
звуковую
     
волну в преобразователе и передается в воду. Когда волна попадает на объект
(рыбу, дно, дерево и т.д.) она отражается. Отраженная волна попадает в
преобразователь, где она трансформируется в электрический сигнал, усиленный
приемником, и посылается на дисплей. Так как скорость звука в воде постоянна
(приблизительно 1 463 метров в секунду), промежуток времени между отправкой
сигнала и получением эха может быть измерен и по этим данным расстояние до
объекта может быть определено. Этот процесс повторяется многократно в течение
секунды.
Наиболее часто используемая частота волны составляет 192 кГц, также иногда
производятся приборы на частоте 50 кГц. Хотя эти частоты находятся в
диапазоне звуковых частот, они неслышимы ни людям, ни рыбе. ( Можно не
волноваться относительно звукового модуля, пугающего рыбу - они не могут
слышать это.)
Как упомянуто ранее, эхолот посылает и принимает сигналы, затем "печатает"
эхо на дисплей. Так как это случается много раз в секунду, непрерывная линия
идущая поперек дисплея, показывая сигнал дна. Кроме того, на экране
отображается сигнал, возвращенный от любого объекта в воде между поверхностью
и дном. Зная скорость звука через воду (1 463 метров в секунду) и время
требуется для возращения эха, прибор может показывать глубину и нахождение
любой рыбы в воде.
     Возможности эхолота
     

слабыйсильный
Хороший эхолот обладает четырьмя компонентами: Мощный передатчик Эффективный преобразователь Чувствительный приемник Дисплей высокого разрешения Все части этой системы должны быть разработаны так, чтобы работать вместе, при любых погодных условиях и критических температурах. Высокая мощность передатчика увеличивает вероятность, что Вы получите эхо на глубоководье или в плохих водных условиях. Это также позволяет Вам видеть мелкие подробности, типа мальков и мелкой структуры дна. Преобразователь не должен только проводить мощный сигнал от передатчика, он также должен преобразовать электрический сигнал в звуковую энергию с наименьшей потерей в мощности сигнала. С другой стороны, он должен преобразовать самое малое эхо от малька или сигнал дна с глубоководья. Приемник имеет дело с чрезвычайно широким диапазоном сигналов. Он должен отличить максимально сильный передаваемый сигнал и слабое эхо, пришедшее от преобразователя. Кроме того, он должен различить объекты находящиеся близко друг к другу, превратив их в разные импульсы для дисплея. Дисплей должен иметь высокое разрешение (вертикальные пиксели) и хороший контраст, чтобы показывать подводный мир детально и ясно. Это позволяет видеть дуги рыбы и мелкие подробности дна. Частота волны Большинство современных эхолотов оперирует на частоте 192 кГц, некоторые используют 50 кГц. Есть свои преимущества у каждой частоты, но почти для всех состояний пресной воды и большинства состояний соленой воды, 192 кГц - лучший выбор. Эта частота дает лучшие подробности, работает лучше всего в неглубокой воде и на скорости, и обычно дает меньшее количество "шумовых" и нежелательных отражений. Определение близлежащих подводных объектов, также лучше на частоте 192 кГц. Это способность отобразить две рыбы как два отдельных эха вместо одной "капли" на экране. Существуют некоторые условия, при которых частота 50 кГц луче. Как правило, эхолоты, работающие на частоте 50 кГц (при тех же самых условиях и мощности) может проникать более глубоко через воду. Это происходит из-за естественной способности воды поглощать звуковые волны. Скорость поглощения больше для более высоких частот звука, чем для более низких частот. Поэтому 50 кГц эхолоты находят использование в более глубокой соленой воде. Также, преобразователи 50 кГц эхолотов имеют более широкие углы обзора, чем преобразователи 192 кГц эхолотов. Резюме: различия между 192 кГц и 50 кГц:
192 kHz50 kHz
Малые глубиныБольшие глубины
Узкий конический уголШирокий конический угол
Лучшее определение и разделение целейХудшее определение и разделение целей
Меньшая чувствительность к помехамБольшая чувствительность к помехам
Преобразователи Преобразователь это "антенна" эхолота. Он преобразовывает электрическую энергию от передатчика в звуковую волну высокой частоты. Звуковая волна от преобразователя путешествует через воду и назад, отразившись от любого объекта в воде. Когда отраженный сигнал попадает назад в преобразователь, он преобразовывает звук в электрическую энергию, которая посылается приемнику эхолота. Частота преобразователя должна соответствовать частоте звукового приемника эхолота. Другими словами, Вы не можете использовать преобразователь 50 кГц на звуковом приемнике, предназначенном для 192 кГц. Преобразователь должен быть способен проводить мощные импульсы передатчика, преобразовывая электрические импульсы в звуковые с минимальными потерями мощности. В то же самое время он должен быть достаточно чувствительным, чтобы принять самые слабые из отраженных сигналов. Все это относится к определенной установленной частоте и при этом преобразователь должен игнорировать эхо приходящих на других частотах. Другими словами, преобразователь должен быть очень эффективен. Кристалл Активный элемент преобразователя - искусственный кристалл (цирконат свинца или титанат бария), компоненты смешиваются, а затем формуются. Эта форма помещается в печь, в которой превращается из смеси химикатов в прочный кристалл. Как только кристалл охладится, к двум сторонам кристалла прикрепляются провода. Провода прочно спаяны с поверхностью кристалла, так что кристалл может быть подключен к кабелю преобразователя. Форма кристалла определяет частоту его работы и конический угол. Для круглых кристаллов, используемый большинством эхолотов, толщина определяет его частоту, а диаметр определяет угол конуса или угол зоны обзора. Например, в 192 кГц эхолоте, с коническим углом 20 градусов размеры кристалла приблизительно один дюйм в диаметре, при этом восьми градусный эхолот требует кристалла, диаметр которого несколько дюймов. Итог: больший диаметр кристалла - меньший конический угол. Это причина, почему преобразователь с конусным углом 20 градусов намного меньший, чем преобразователь с конусным углом в 8 градусов, при использовании одинаковой частоты. Размещение на лодке Преобразователи производятся различных форм и размеров. Большинство преобразователей сделано из пластмассы, но некоторые преобразователи "через корпус " сделаны из бронзы. Как показано в предыдущей части, частотный и конический угол определяют размер кристалла. Поэтому размещение преобразователя определяется размером кристалла внутри. Имеются четыре главных стиля размещения используемых сегодня. "Через Корпус", "Стреляет Через Корпус ", переносной, крепление к транцу. Преобразователи "Через Корпус" вставлены через отверстие, просверленное в корпусе. У них длинная основа, которая проходит через корпус и фиксируется большим болтом. Если корпус лодки плоский это очень удобно для установки. Однако если преобразователь должен быть установлен на одной стороне V-образного корпуса лодки, то блок, в котором находится кристалл должен быть сделан из древесины или пластмассы, которые позволяют установить преобразователь вертикально. Преобразователи "Через Корпус" были разработаны специально для лодок с внутренним мотором, и они могут быть установлен перед рулями, пропеллерами и валами судна. Преобразователи "Стреляет Через Корпус" крепятся эпоксидной смолой непосредственно к внутренней части стекловолоконного корпуса лодки. Звук передается и возвращается через корпус лодки, что ведет к потере мощности звуковой волны. (Вы не будете способны " видеть " столь же глубоко с преобразователем "Стреляет Через Корпус" как c преобразователем, установленным на транце.) Корпус лодки должен быть сделан из твердого стекловолокна. Не пытайтесь "стрелять" через алюминий, древесину или стальную оболочку. Звук не может проходить через воздух; так если на корпусе имеется любая древесина, металл или поролон, они должны быть удалены с внутренней стороны корпуса перед установкой преобразователя. Другой недостаток преобразователя "Стреляет Через Корпус " является то, что он не может быть откорректирован для лучших дуг рыбы. Хотя имеются недостатки, но и преимущества такого преобразователя значительны. Первое, он не может быть поврежден, зацепившись за дно, бревна или камни, так как находится внутри корпуса. Второе, такой преобразователь не имеет выступающих частей в водный поток, он отлично работает на больших скоростях, если установлен там, где чистый ламинарный поток воды проходит по корпусу лодки. Третье, он не может обрасти морскими водорослями или ракушками. Переносные преобразователи, как следует из их названия, крепятся временно на корпус лодки. Эти преобразователи обычно используют одну или две присоски для крепления к корпусу лодки. Некоторые переносные преобразователи также могут быть прикреплены к электрическим троллинговым двигателям. Преобразователи крепления к транцу, как следует из их названия, устанавливаются на транец лодки, непосредственно в воде и обычно немного ниже дна лодки. Из четырех типов размещения, крепление к транцу наиболее популярно. Хорошо разработанный преобразователь, крепящейся к транцу (такой как Lowrance HS-WS Skimmer®), будет работать почти на любом корпусе (кроме лодок с внутренним мотором) и на высокой скорости. Скорость и преобразователь Годы назад, когда спортивные эхолоты были в младенчестве, большее количество рыбацких лодок имели маленькие навесные моторы. Самый большой внешний мотор имел 50 лошадиных сил. В то же самое время, большинство эхолотов были переносные, их было легко перенести с лодки на лодку. В те времена это рассматривалось более важным, чем способность эхолота работать на высокой скорости. Со временем возможности лодок увеличивались и все больше людей хотели иметь постоянно установленный эхолот, который будет работать на той скорости, на которой движется лодка. Так началась разработка преобразователя, который будет работать на любых скоростях. Кавитация - главное препятствие для высокоскоростных измерений. Если поток воды вокруг преобразователя гладок (ламинарный), то преобразователь посылает и принимает сигналы нормально. Однако если поток воды прерван грубой поверхностью или острыми гранями, то водный поток становится турбулентным, настолько что воздух отделяется от воды в форме пузырьков. Это называется "кавитацией". Если эти воздушные пузырьки проходят через корпус преобразователя (ту часть, в котором закреплен кристалл), то на дисплее эхолота виден "шум". Преобразователь разработан для работы в воде, а не в воздухе. Если воздушные пузырьки проходят через корпус преобразователя, то сигнал от преобразователя отражается от воздушных пузырьков обратно. Так как воздушные пузырьки близки к преобразователю, эти отражения очень сильны. Они будут накладываться на отражения дна, структуры водоема и сигналы рыбы, делая их трудноразличимыми или вообще незаметными. Решение этой проблемы состоит в том, чтобы делать преобразователь позволяющий воде течь мимо без создания турбулентности. Однако это сделать трудно из-за многих компонентов помещенных в современный преобразователь. Он должен быть маленьким, так, чтобы не сталкиваться с навесным мотором и его водным потоком. Преобразователь должен просто устанавливаться на транце так, чтобы просверливать минимум отверстий. Он должен подниматься без проблем при столкновении с подводными объектами. Фирма Lowrance запатентовала HS-WS преобразователь - самая передовая разработка в области высокоскоростных преобразователей. Эта технология объединяет высокоскоростные измерения с простым крепежом и безопасным подъемом при столкновении с посторонним объектом на высокой скорости. Проблема кавитации не ограничена формой и размещением преобразователя. Многие корпуса лодок создают воздушные пузырьки, которые проходят через корпус преобразователя. У многих алюминиевых лодок эта проблема появляется из-за сотен головок заклепок, которые высовываются в воду. От каждой заклепки течет струйка воздушных пузырьков, когда лодка движется, особенно на высокой скорости. Чтобы ликвидировать эту проблему нужно устанавливать корпус преобразователя ниже воздушных пузырьков, струящихся от оболочки. Это обычно означает, что Вы должны установить крепежную скобу как можно ниже на транце. Канонический угол преобразователя Преобразователь концентрирует звук в луч. Когда импульс звука исходит от преобразователя, он охватывает тем более широкую область, чем глубже он проходит. Если бы Вы нарисовали график движения сигнала, вы бы увидели, что он представляет собой конус, называемый "конический угол". Мощность звука наибольшая на оси конуса и постепенно уменьшается к краям. Чтобы измерить конический угол преобразователя, сначала мощность измеряется в центре или на оси конуса, а затем измеряется на удалении от центра. Когда достигается точка половины мощности от максимальной (или -3db в электронных терминах), угол от средней

20 градусный конический угол8 градусный конический угол
оси измерен. Полный угол от точки -3db на одной стороне оси и точки -3db с другой стороны оси называется коническим углом. Эта точка половины мощности (-3db) стандарт для электронной промышленности, и большинство изготовителей измеряет конический угол таким образом, но некоторые используют точку -10db, где мощность составляет 1/10 средней мощности оси. Это дает больший конический угол, поскольку Вы измеряете точку дальше от средней оси. Никакого отличия в работе преобразователя нет, только система измерений изменилась. Например, преобразователь, который имеет угол конуса 8 градусов при -3db, имел бы угол конуса 16 градусов в -10db. Lowrance, как и другие фирмы, предлагает преобразователи с разнообразными коническими углами. Широкий конический угол покажет Вам большую область подводного мира, за счет уменьшения показа глубины, так как необходимо перераспределить мощность передатчика. Более узкий конический угол преобразователи не будут показывать Вам такую большую область, но проникнет глубже, чем широкий конус. Узкий конический преобразователь концентрирует мощность передатчика в меньшую область. Сигнал дна на дисплее эхолота будет более широкий на широком коническом угловом преобразователе, чем на узком, потому что Вы видите большую область дна. Область обзора широкого конуса намного больше, чем у узкого конуса. Высокочастотные (192 кГц) преобразователи поставляются как с узким, так и с широким коническим углом. Широкий конический угол используется для пресной воды, а узкий конический угол используется в морской воде. Низкочастотные (50 кГц) звуковые преобразователи обычно поставляются с коническим углом в диапазоне от 30 до 45 градусов. Хотя преобразователь наиболее чувствителен внутри конического угла, Вы можете также видеть объекты на экране и вне него; они только не так четки. Эффективный конический угол - область в пределах указанного конуса, который Вы хорошо видите на экране дисплея. Если рыба находится внутри конуса преобразователя, но чувствительность недостаточно высока, чтобы видеть ее, то у Вас узкий эффективный конический угол. Вы можете изменить эффективный конический угол преобразователя, изменяя чувствительность приемника. С низким значением чувствительности, эффективный конический угол узкий, показывая только цели строго внизу преобразователя и на небольшой глубине. При увеличении чувствительности увеличивается эффективный конический угол, что позволяет видеть Вам дальше в стороны. Состояние воды и дна Тип воды, в которой вы используете гидролокатор, воздействует на его работу в значительной степени. Звуковые волны проходят легко в чистой пресной воде, такой как во внутренних озерах.

Мягкое Дно

Жесткое Дно
Однако в соленой воде, звук поглощается и отражается растворенными в воде солями. Высокочастотные волны наиболее восприимчивы к этому рассеиванию звуковых волн и не могут проникать через соленую воду также хорошо как низкочастотные волны. Часть проблемы с соленой водой в том, что это очень динамичная среда - океаны мира. Штормы и течения смешивают воду. Волны создают и смешивают воздушные пузырьки в воде около поверхности, которые рассеивает звуковой сигнал. Микроорганизмы, типа морских водорослей и планктона, также рассеивают и поглощают звуковой сигнал. Полезные ископаемые и соли, растворенные в воде, делают то же самое. В пресной воде также есть течения, волнения и микроорганизмы, которые затрагивают сигнал эхолота - но не настолько как в соленой воде. Грязь, песок, и растительность на дне водоема поглощают и рассеивают звуковой сигнал, уменьшая силу отраженных сигналов. Скалы, сланец, кораллы и другие жесткие объекты отражают звуковой сигнал легко. Вы можете видеть различие на экране вашего гидролокатора. Мягкое дно, типа ила, видно как тонкая линия поперек экрана. Жесткое дно, типа скалы, видно как широкая полоса на экране эхолота. Вы можете сравнить эхолот с использованием фонаря в темной комнате. При перемещении луча света по комнате, он легко отражается от белых стен, и ярких объектов. При перемещении луча на темный ковер, яркость света падает, потому что темный цвет ковра поглощает свет, а грубая текстура рассеивает, и меньшее количество света достигает Ваших глаз. При добавлении дыма в комнату, вы будете видеть еще меньше. Дым эквивалентен эффекту соленой воды на сигнал эхолота. Температура воды и термоклин

Термоклин на Skiatook Озере около Tulsa, в Штате Оклахома, между 40 и 50 футами воды. Обратите внимание, как проходит линия термоклина, она не зависит от очертания дна
Температура воды имеет важное влияние на поведение рыбы. Рыба хладнокровна, и температура их тела - это всегда температура окружающей воды. Во время зимы, холодная вода замедляет их метаболизм. В это время, они нуждаются приблизительно в одной четверти пищи потребляемой летом. Большинство рыб не мечет икру, если температура воды не находится в узких пределах благоприятной температуры. Датчик температуры поверхности воды включен во многие эхолоты, помогая определить благоприятную температуру для разных разновидностей рыб. Например, форель не может выживать в слишком теплых потоках. Окунь и другая рыба, в конечном счете, становятся пассивными в озерах, которые остаются слишком холодными в течение лета. В то время как у некоторых рыб более широкий температурный допуск, чем у других, каждый вид все равно имеет некоторый диапазон температур, в пределах которого он старается находиться. Рыба проходит сквозь глубокие холодные слои до того слоя, где температура комфортна для них. Температура в озере редко одинакова от поверхности до дна. Обычно присутствует теплый уровень воды и холодный уровень. То место где эти слои встречаются, называется термоклин. Глубина и толщина термоклина может измениться с сезоном или временем дня. В глубоких озерах может иметься два или больше термоклина. Это важно, потому что многие хищные разновидности рыбы любят находиться чуть выше или чуть ниже термоклина. Вероятно, что малек чаще находится выше термоклина, в то время как крупная хищная рыба, охотящаяся на него, стоит чуть ниже термоклина. К счастью это различие в температурах может быть замечено на экране эхолота. Чем больший температурный дифференциал, тем более плотный термоклин виден на экране. Литература
  1. Федоров И. И, Эхолоты и другие гидроакустические средства, Л., 1960;
  2. Толмачев Д., Федоров И., Навигационные эхолоты, "Техника и вооружение", 1977, Ї 1.
  3. Сташкевич А. П., Акустика моря, Л., 1966;
  4. Блинова Л. П., Колесников А. Е., Ланганс Л. Б., Акустические измерения, М., 1971;
  5. Рекламные буклеты «Торговый дом: Мир Рыбалова»