Устройство и характеристики эхолотов
Устройство и характеристики эхолотов
Дисплей
Дисплей используется для отображения результатов ультразвукового зондирования и управления работой прибора. Для этого на нем имеется жидкокристаллический монохромный или цветной экран и клавиатура (рис. 2).
Для получения изображения подводного пространства под судном на экране используется развертка (иногда используется другое название – прокрутка). Быстрая вертикальная развертка на правой стороне экрана дает текущую (мгновенную) картину под судном.
Каждый принятый приемником эхо лота отраженный сигнал отображается на экране в виде темной точки или вертикальной полосы, отстоящей от линии поверхности на расстоянии, пропорциональной глубине отражающего объекта.
Отображение подводного пространства под судном в координатах «глубина – время» осуществляется посредством медленной горизонтальной развертки, передвигающей текущее изображение влево по экрану. Таким образом, создается запомненная на время прохождения экрана картина того, что происходило под водой во время зондирования.
Если судно неподвижно, то дно будет отображаться в виде горизонтальных полос, а попадающие в луч излучателя рыбы в виде отметок (о них речь пойдет позже), перемещающихся влево вместе с разверткой.
При движении судна изображение дна будет изменяться соответственно изменениям глубины. При этом для наглядности картины, скорость развертки должна соответствовать скорости движения судна – для этого в большинстве эхолотов имеется возможность ее регулировки.
В связи с таким способом получения изображения необходимо понимать, что находящаяся на экране картина – это прошлое событие. Так, находящаяся на экране отметка рыбы означает не то, что она в данный момент находится под судном в луче излучателя, а то, что она какое-то время назад была там. Для того чтобы видеть, что происходит непосредственно под судном в момент наблюдения, во многих моделях эхолотов вдоль правого края экрана создается окно, в котором отображение производится без горизонтальной развертки.
Рис. 2. Внешний вид эхолота
Преобразователи
Преобразователь является важнейшим элементом эхолота, во многом определяющим его характеристики. Он преобразует энергию электрических высокочастотных импульсов в ультразвуковые колебания и, в то же время, производит обратное преобразование отраженных ультразвуковых сигналов в электрические сигналы.
По способу преобразования электрической энергии в звуковую существуют несколько видов преобразователей – электромагнитные, магнитострикционные и пьезоэлектрические. На малых судах в силу их малых размеров прижились только последние.
Основным элементом пьезоэлектрического преобразователя является кристалл титаната бария (встречаются кристаллы и из других материалов) цилиндрической формы с нанесенными на его поверхности металлическими покрытиями. Такой кристалл помещается в металлический или пластиковый корпус и заливается хорошо проводящим звук компаундом.
Рис. 3. Диаграмма излучения преобразователя
Под воздействием приложенного к рабочим поверхностям кристалла переменного электрического поля в нем возникают упругие колебания, в результате чего кристалл начинает сокращаться и расширяться, вызывая возникновение волн в воде.
Отраженные от дна или каких-либо других подводных объектов волны, воздействуя на кристалл, вызывают появление на его рабочих поверхностях переменного напряжения, поступающего на приемник эхолота.
Принято считать, что преобразователь излучает и принимает звуковую энергию в пределах конуса. На самом деле «конус» – это лишь удобное для пользователей представление характеристики излучения. Реальная диаграмма излучения имеет многолепестковую структуру – главный лепесток, излучающий основную часть энергии, и ряд боковых лепестков (рис. 3).
Ширину диаграммы направленности («угол конуса») как электрических, так и акустических антенн, принято определять по половинному уровню мощности излучения. Этот угол при одинаковых размерах кристалла зависит от частоты – чем выше частота, тем уже конус.
Виды преобразователей
Используемые в рыбопоисковых эхолотах преобразователи различаются по следующим признакам:
– По составу данных, которые может поставлять преобразователь
– По материалу, из которого сделан корпус преобразователя;
– По количеству лучей;
– По месту установки преобразователя на судне.
Состав получаемых данных
Основное назначение преобразователя – получение сигналов о глубине объектов. Однако существуют преобразователи, в корпусах которых устанавливаются дополнительные датчики, позволяющие измерять и передавать в дисплей температуру воды и скорость судна.
Материал корпуса
Преобразователи изготавливаются из пластмасс или из металла – латуни или бронзы.
Пластмассовые корпуса обычно используются на судах с корпусами из металла или из стеклопластика. Пластмассовый преобразователь, установленный в деревянный корпус, может быть раздавлен при набухании дерева после спуска судна на воду.
Металлические преобразователи предназначены для установки на суда со стеклопластиковыми или деревянными корпусами. При установке бронзового преобразователя на металлический корпус может возникать электрохимическая реакция, разрушающая корпуса судна и преобразователя в месте их контакта. В преобразователях с металлическими корпусами могут устанавливаться датчики температуры воды и скорости.
Количество лучей
Какое-то время назад эхолоты в основном были однолучевыми. Сейчас они постепенно вытесняются из номенклатуры фирм-производителей двухлучевыми, причем их цена становится сопоставима с ценам однолучевых эхолотов. Два луча получаются за счет наличия двух частот – 50 и 200 кГц, поэтому эхолоты называют двухчастотными. Такие приборы могут работать как на одной из двух частот, так и одновременно на двух.
Существуют так же и экзотические модели производства фирмы Humminberd, в которых формируются три и шесть лучей – для расширения зоны просмотра в первом случае и для создания псевдотрехмерной картины во втором.
Способы установки преобразователя
Существуют три основных способа установки преобразователя – с внутренней стороны корпуса («in-hull»), на транце и на днище («Thru-hull»).
Рабочая частота
Глубина обнаружения подводных объектов и точность их различения при одинаковой мощности излучения зависит от частоты.
В выпускаемых ранее эхолотах использовались либо высокие (192 кГц – в эхолотах Lowrance и Eagle, 200 кГц – в эхолотах Garmin, Raymarine и др.) либо низкие – 50 кГц. В настоящее время, в связи с широким распространением двухчастотных эхолотов, остались лишь две частоты – 50 и 200 кГц, позволяющие использовать один кристалл для работы на двух частотах одновременно и порознь.
Как уже отмечалось, ширина диаграммы излучения обратно пропорциональна частоте излучения – чем выше частота излучения, тем уже конус, и тем самым выше плотность заключенной в нем звуковой энергии, а отсюда – большая глубина и лучшая способность обнаружения мелких объектов, более подробное отображение на экране.
При работе на низких частотах ширина конуса намного шире и, соответственно, плотность энергии в конусе меньше со всеми вытекающими отсюда последствиями. Но, с другой стороны, более широкая диаграмма излучения позволяет обнаруживать рыбу в более широкой зоне, чем при работе на высокой частоте.
Появление двухчастотных эхолотов позволило объединить достоинства каждой из частот в одном приборе и избавило покупателя от необходимости разрешать проблему выбора эхолота с широким или узким лучом. Современные двухчастотные (двухлучевые) эхолоты позволяют работать с одним из двух имеющихся лучей, а также с обоими сразу.
Фирмы-производители рыбопоисковых эхолотов обычно выпускают большое количество моделей преобразователей с различными углами излучения. Так, компания Garmin предлагает преобразователи на частоте 200 кГц с углами конуса от 8 до 20 градусов, на частоте 50 кГц – с углом 45 градусов. Двухлучевые эхолоты этого производителя имеют ширину луча 15 и 45 градусов. Примерно такие же показатели имеют преобразователи и других фирм. Следует отметить, что преобразователи производят и поставляют всем изготовителям эхолотов несколько специализированных фирм.
Эффективность эхолота
Эффективность работы преобразователя зависит от ряда факторов – от окружающей среды, от частоты, места расположения, скорости судна, характеристик прибора и многого другого. Влияние некоторых из них будет рассмотрено ниже.
Влияние среды распространения звука
Вода, являясь средой распространения созданных преобразователем ультразвуковых волн, оказывает существенное влияние на работу эхолота, поэтому знание особенностей прохождения волн в воде полезно владельцу для эффективного использования прибора.
На эффективность работы оказывают влияние следующие характеристики среды распространения:
1. Затухание энергии звуковых волн в воде;
2. Наличие отражений звуковых волн в воде. Затухание звуковой энергии в воде состоит из двух составляющих – затухание свободного пространства и затухание в среде распространения.
Затухание свободного пространства – это абстрагированное от среды распространения, зависящее только от дальности, ослабление звуковой энергии.
При активной гидролокации, когда звук проходит одно и то же расстояние дважды, затухание свободного пространства пропорционально четвертой степени глубины.
Затухание энергии звуковых волн в воде объясняется ее поглощением и рассеиванием находящимися в воде минеральными и органическими частицами, микроорганизмами и пузырьками воздуха.
Наименьшее затухание вносит пресная холодная вода – из-за низкой температуры она обладает более высокой плотностью и в ней находится минимум органики. В пресной воде с одинаковым успехом можно пользоваться эхолотами как с низкой, так и с высокой частотами излучения.
Соленая морская вода, напротив, содержит большое количество солей, планктона и минеральных частиц, особенно в хорошо прогретых верхних слоях моря, поглощающих и рассеивающих энергию звуковых волн. Значительное ослабление энергии в соленой воде вносят содержащиеся в ней пузырьки воздуха, возникающие при образовании ветровых волн.
Отражения в любой среде – в воде, в воздухе – образуются неоднородностями, отличными по плотности от среды. Ими могут быть какие-либо предметы (камни, грунт, рыба, растительность, воздушные пузыри), либо слои воды с разной температурой (так называемые термоклины, речь о которых пойдет позже). Здесь можно провести аналогию со стеклом – будучи прозрачным, оно отражает часть падающего на него света обоими поверхностями – границами перехода от малой плотности воздуха к большой плотности стекла и, наоборот – от большей плотности к меньшей.
В зависимости от перепада температур степень отражения волн может быть различной, вплоть до полного (чем пользуются подводники, уходя от сонаров противолодочных кораблей). На практике чисто зеркальное отражение встречается нечасто, обычно оно из-за неравномерности по глубине термоклина бывает диффузным, т.е. рассеянным. В глубоких водоемах может быть несколько тер-моклинов.
Если в пресной воде затухание звуковой энергии на разных частотах практически одинаковы, то в морской воде затухание и отражение от термо-клинов с ростом частоты увеличивается. Поэтому в эхолотах, предназначенных для поиска рыбы в море, используются частоты 50 кГц, а в некоторых профессиональных эхолотах для больших глубин применяется частота 28 кГц.
Отражающие свойства дна
Дно пресноводных водоемов и морей имеет неоднородную структуру, включающую разнообразные по плотности грунты – ил, песок, глину, каменную плиту, галечные россыпи, покрытые, как правило, разнообразной растительностью. Все эти виды грунтов имеют разную способность отражать и поглощать звуковые волны. Камни и глина хорошо отражают звуковые волны, создавая на экране широкую линию. Мягкие грунты – ил и песок, а также растительность плохо отражают волны, создавая на экране тонкую линию. В то же время мягкие грунты проницаемы для ультразвука, потому на экране эхолота можно наблюдать под ними более плотные подстилающие поверхности.
Влияние расположения преобразователя
Преобразователь с установкой внутри корпуса Преобразователи «in-hull» прикрепляются прямо к внутренней стороне корпуса судна. Они применяются только на судах с корпусом из стеклопластика. Преобразователи этого типа не подходят для судов с металлическим и деревянными корпусами, а также с многослойными стеклопластиковыми корпусами с пористым наполнителем.
Преобразователь «In-Hull» обычно крепится к стеклопластиковой обшивке с помощью эпоксидного клея. Применение пластичных герметиков для его крепления недопустимо из-за их плохой акустической проводимости. Преобразователи необходимо устанавливать так, чтобы между ними и водой была только обшивка корпуса без каких-либо усиливающих или повышающих плавучесть вставок.
При использовании преобразователя «In-hull» звуковые волны проходят через стеклопластиковую обшивку корпуса, теряя при этом часть энергии, в результате чего снижается максимальная глубина и возможность обнаружения рыбы.
Преобразователь с установкой на транец
Преобразователи этого типа (рис. 4.) используются, как правило, на небольших тихоходных судах.
Преобразователи этого типа устанавливаются на расположенный на транце специальный кронштейн ниже уровня воды. Конструкция кронштейна позволяет преобразователю откидываться при наезде на какое-либо препятствие, предотвращая тем самым повреждение преобразователя и транца.
Достоинства такой установки – простота монтажа, демонтажа и обслуживания. Недостаток – нахождение рядом с гребными винтами, вращение которых приводит к возмущениям воды, снижающим эффективность преобразователя. Если на малых оборотах еще можно найти подходящее место на транце, то на больших и скоростных судах работающие на больших оборотах винты создают сильное возмущение воды, насыщают воду пузырьками воздуха, которые экранируют преобразователь, практически исключая возможность работы.
Преобразователь с установкой на корпусе («Truehull»)
Устанавливаемые на корпус преобразователи типа «True Hull» (рис. 5) вставляются в отверстие, вырезанное в днище судна. Этот тип преобразователя обладает наилучшими характеристиками, но и наибольшей ценой. Они предназначены для установки на большие и скоростные суда с подвесными и стационарными двигателями. Размещаются обычно на плоской части днища перед винтами в местах с плавным обтеканием водой. Если судно имеет V-образные обводы, то для горизонтального расположения преобразователя используют специальные прокладки из пластмассы, что на большой скорости приводит к появлению кавитации и, соответственно, к снижению эффективности эхолота (о кавитации – см. ниже). Для улучшения обтекаемости излучателя существуют специальные обтекатели, снижающие турбулентность и кавитацию.
Рис. 4. Преобразователь с установкой на транец
Достоинством такого преобразователя является высокая эффективность, к недостаткам можно отнести сложность установки и обслуживания, необходимость регулярной очистки от обрастания водорослями.
Влияние скорости движения на работу преобразователя
Первыми с влиянием скорости на эффективность работы эхолота столкнулись военные моряки, использовавшие сонары на скоростных противолодочных кораблях.
Рис. 5. Преобразователь с установкой на корпусе
Перед рыбакам, профессионалами и любителями долгое время никаких проблем, связанных с использованием эхолотов на их судах, не возникало – скорости у тех и других были невелики. Но по мере роста скоростей владельцы эхолотов стали замечать нарушения в работе эхолотов – пропадания отражений, появление шумовых помех на экране, ослабление отраженных сигналов.
Главным источником таких помех является кавитация – нарушение непрерывности текущей жидкости. При движении правильно сконструированного судна в воде его подводная часть обтекается плавно. Если на корпусе имеются какие-либо выступающие части – фланец заборной или сливной трубы, заклепки, головки болтов и пр., вокруг них при движении начнут образовываться завихрения, т.е. поток станет турбулентным, а при достижении какой-то критической скорости начнут возникать наполненные паровоздушной смесью кавитационные пузырьки, переходящие в каверны. Воздушные пузырьки, вследствие малой плотности заполняющего их газа, отражают звуковые волны и частично или полностью маскируют пространство под судном.
Наиболее подвержены помехам преобразователи, устанавливаемые на транце: мало того, что они сами являются источником кавитации, они еще получают все пузырьки, образовавшиеся на корпусе судна. Но основным источником помех для транцевого преобразователя является высокооборотный гребной винт.
В наилучшем положении находятся преобразователи «In Hull» и «True Hull» при их правильном расположении в местах с плавным обтеканием. При установке преобразователя «True Hull» на скоростных судах его рабочая поверхность, во избежание образования на нем кавитации, не должна выступать из корпуса, но и не должна располагаться в углублении.
Чувствительность эхолота
Понятие «чувствительность» характеризует способность эхолота выделять слабые отраженные сигналы на фоне акустических помех и шумов приемника. Величина чувствительности определяет возможность обнаружения мелких предметов на больших глубинах.
Приемник эхолота работает в очень широком диапазоне напряжений – ведь мощность принимаемых отраженных сигналов пропорциональна четвертой степени глубины. Поэтому он должен хорошо принимать слабые сигналы от мелких предметов как на максимальных глубинах, так и на предельно малых.
Необходимость работы в столь широком диапазоне уровней сигналов приводит к определенному противоречию в выборе чувствительности. С одной стороны, высокая чувствительность позволяет получать большое количество информации о различных объектах на предельно больших глубинах, но, вместе с тем, на малых глубинах такой эхолот будет принимать сигналы вне главного луча боковыми лепестками диаграммы направленности преобразователя.
Для устранения этого противоречия в эхолотах имеется регулировка чувствительности, которая в недалеком прошлом осуществлялась вручную. В современных эхолотах в дополнение к ручной регулировке имеется автоматическая.
Автоматическая регулировка устанавливает чувствительность по уровню отражений от дна так, чтобы на экране были отметки от рыбы и дна. Изменение чувствительности осуществляется автоматически в соответствии с изменениями глубины и состояния воды. Автоматический режим обеспечивает нормальную работу эхолота практически во всех ситуациях, поэтому он, в основном, и используется. При необходимости, этот режим может быть отключен, и регулировка будет осуществляться вручную.