СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ИЗМЕНЧИВОСТИ ПАРАМЕТРОВ МОРСКИХ АКВАТОРИЙ

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для создания локальных региональных и глобальных акустических систем долговременного контроля вдоль трасс распространения звука таких параметров морской среды, как средняя температура вод и ее изменчивость, проекции на трассу скорости течения, наличие на трассе гидрофизических неоднородностей, льда, движения рыбных скоплений, прохождения судов и т.п.

Известны способы акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий, систематизированных в журнале J. Acoust. Joe. Amer., 1994, 86, N 4 [1] и статье Проблемы метрологии и гидроакустических измерений, Менделеево, ВНИИФТРИ, 1992, с. 96-101 [2], которые можно свети к двум основным группам:

- монохроматические, в которых излучается и принимается тонально-импульсный сигнал на заранее выбранной частоте и осуществляется измерение времени распространения этого сигнала на трассе либо по фронту импульса, либо по фазе несущей;

- широкополосные, например, когда излучают и принимают линейно-частотно модулированный сигнал [2] для спектроскопии временных задержек или псевдослучайный сигнал в виде фазоманипулированной М-последовательности с определением времени распространения по корреляционной функции между принятым и излученным сигналами.

Общими признаками известных способов [1, 2] акустического мониторинга являются формирование в морской среде акустической приемно-излучающей трассовой схемы и обработка принятого приемным элементом трассовой схемы акустического сигнала, прошедшего трассу распространения звука.

Известный также способ акустического мониторинга, описанный в работе W.И. Munk, R.C. Spindel, A. Baggeroel, T.C. "Birdsall The heard island feasibility test" // J. Acoust. Joe. Amer., 1994, 96, N 4, pp. 2330-2342 [3] из журнала [1], обладает общими признаками известных способов [1, 2].

Недостатками известных способов акустического мониторинга являются необходимость излучения больших акустических мощностей для их реализации для получения требуемой точности измерений [2].

Известен также способ акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий, техническим результатом, получаемым от внедрения которого, является значительное снижение требуемой мощности излучения для реализации способа, упрощение схемы реализации способа и повышение точности измерений при меньших временных реализациях обработки сигнала за счет самоадаптации автогенератора к условиям распространения звука на трассе (патент RU №2134432 С1, 10.08.1999 [4]).

Данный технический результат достигается за счет того, что в известном способе акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий, заключающемся в формировании в морской среде акустической приемно-излучающей трассовой схемы и обработке принятого приемным элементом трассовой схемы акустического сигнала, прошедшего трассу распространения звука схемы, принятый приемным элементом трассовой схемы сигнал подают на излучающую сторону трассы и нелинейно усиливают до появления режима автогенерации в трассовой схеме на одной из частот, определяемой гидрофизическими условиями на трассе распространения звука, затем измеряют частоту автогенерации в трассовой схеме, по значению которой судят об изменениях параметров морской среды [4].

В частном случае формирование режима автогенерации трассовой схемы через морскую среду проводят в двух направлениях: прямом и обратном.

При этом в трассе распространения звука могут выделить требуемую группу лучей (мод), а режим автогенерации трассовой схемы возбудить при использовании выделенный луч (мод), при этом в качестве приемного элемента используют вертикально ориентированную гидроакустическую антенну.

При обработке принятого приемным элементом трассовой схемы акустического сигнала анализируют спектры изменчивости частоты автогенерации, по которым судят о природе изменчивости гидрофизических параметров морской среды.

Известный способ акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий [4] наряду с его достоинствами обладает и существенным недостатком.

Как известно, скорость звука в воде (с) зависит от температуры, ее состава (наличия в ней различных химических элементов и примесей) и плотности. И может быть измерена как непосредственно, так и рассчитана по эмпирическим формулам, представляющим собой зависимости вида (Справочник по гидроакустике / А.П. Евтютов, А.Е. Колесников, У.А. Корепин и др. - 2 изд., перераб. и доп. - Л.: Судостроение, 1988. - 552 с. ):

где с₀ - опорное значение скорости звука при Т=0°C, S=35‰, Р=9,806 Па;

ΔС_T, ΔC_S, ΔС_P, ΔС_TSP - поправки на температуру, соленость, давление и совместное влияние температуры, солености и давления.

Наибольшее влияние на изменение скорости звука оказывает температура воды. Так при изменении температуры на 1°C при температуре воды 10°C скорость звука изменяется на 3,6 м/с, при температуре 15°C изменяется на 3,2 м/с. В то же время изменение солености на 1‰ (при S=30…35‰) вызовет изменение скорости звука на 1,40±0,01 м/с; изменение давления на 10 м глубины вызывает изменение скорости звука на 0,165…0,185 м/с.

Кроме того, изменение состава и плотности воды, вызванное ее загрязнением, приведет к изменению скорости распространения звука в ней.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение достоверности способа акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий, а также расширение функциональных возможностей.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий, заключающемся в формировании в морской среде акустической трассы распространения звука и обработке принятого приемным элементом трассы акустического сигнала, в котором в качестве приемного элемента трассы используют вертикально ориентированную гидроакустическую антенну, с помощью которой в акустической трассе распространения звука выделяют требуемую группу лучей, возбуждают режим автогенерации с использованием выделенных лучей путем направления принятого гидроакустической антенной сигнала на излучающую сторону трассы и нелинейного усиления до появления режима автогенерации на одной из частот, определяемой гидроакустическими условиями на трассе, при этом при обработке принятого гидроакустической антенной сигнала анализируют спектры изменчивости частоты автогенерации, по которым судят о природе изменчивости гидрофизических параметров морской среды, в отличие от прототипа способ акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий дополнительно включает измерение скорости распространения звука, температуры и давления в образцовой зоне водоема на фиксированных горизонтах, свободной от загрязнений техногенного характера, при этом полученные значения измеренной скорости распространения звука являются эталонными значениями для данного водоема и заносятся в память вычислительного устройства средства акустического мониторинга, при формировании в морской среде акустической трассы распространения звука и обработке принятого приемным элементом трассы акустического сигнала, измерения скорости распространения звука выполняют при температуре и давлении, соответствующих температуре и давлению полученных эталонных значений скорости распространения звука на фиксированных горизонтах акватории исследуемого водоема.

Измерив одновременно при одной и той же температуре и давлении скорость распространения звука в исследуемой точке водоема и в образцовой зоне прямым способом и получив некоторую разность показаний, можно с определенной степенью вероятности выявить отличие в составе (минерализации) и плотности исследуемых проб воды.

Для реализации способа акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий могут быть использованы схемы измерения скорости распространения звука прототипа [4] с добавлением каналов измерения температуры и гидростатического давления или аналогичные подводные зонды промышленного изготовления.

Способ осуществляется следующим образом.

Способ акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий включает измерение скорости распространения звука, температуры и давления в образцовой зоне водоема на нескольких фиксированных горизонтах, свободной от загрязнений техногенного характера, например, посредством известного измерителя [6], дополнительно снабженного каналами измерения температуры и гидростатического давления.

Полученные при этом значения измеренной скорости распространения звука являются эталонными значениями для данного водоема и заносятся в память вычислительного устройства средства акустического мониторинга.

При формировании в морской среде акустической трассы распространения звука и обработке принятого приемным элементом трассы акустического сигнала измерения скорости распространения звука выполняют при температуре и давлении, соответствующих температуре и давлению полученных эталонных значений скорости распространения звука на нескольких горизонтах акватории исследуемого водоема.

В настоящее время разработаны и применяются целый ряд контактных и бесконтактных способов определения физико-химического состава водоемов и измерения загрязненности воды (нейтронно-активационный, рентгеноспектральный, атомно-абсорбционный и атомно-эмиссионный анализ, спектрофотометрический и флуориметрический методы, инфракрасная спектрометрия и т.п.). Учитывая, что скорость распространения звука в воде зависит от ее гидрофизических и гидрохимических характеристик, предлагаемый способ определения загрязненности воды измерением скорости звука в ней может быть предложен в качестве одного из них.

Очевидным преимуществом данного подхода является возможность оперативного определения скорости звука прямым способом (по измерению промежутка времени прохождения акустического луча определенного расстояния) in situ и тем самым оперативно устанавливать факт загрязнения данного участка водоема. По мере накопления статистического материала по данным измерениям может использоваться и относительный способ определения загрязненности (по измерению поправок за счет разности скорости звука, электропроводности и плотности воды с применением соответствующих эмпирических зависимостей).

Задача исключения влияния изменения температуры при проведении измерений, может быть решена одновременным измерением скорости распространения звука при одних и тех же условиях (при одинаковой температуре и давлении) в образцовой (незагрязненной) пробе и в определяемой на загрязнение воде на нескольких фиксированных горизонтах.

Измерение температуры воды необходимо, поскольку ее влияние на скорость звука в воде при различных значениях варьируется. Как правило, современные измерители скорости звука оснащены датчиками температуры.

В зависимости от цели исследований технология измерений указанным способом может варьироваться. Так для обследования загрязненности какого-либо участка водоема возможно проведение замеров в узлах равномерной или неравномерной сети измерений расположенной по исследуемому водоему (фигура).

Если предположительно или точно известно место источника загрязнения, то целесообразно сгущение сети измерений у этого источника с последующим разрежением сети по мере удаления от него. Для определения степени загрязнения воды каким-либо промышленным или сельскохозяйственным предприятием возможна организация сравнительного контроля проведением замеров у водозабора и у водоотведения данного предприятия.

Рассматривая величину погрешности предлагаемого способа и полагая, в первом приближении, измеряемые скорости звука в исследуемой воде и эталонной пробе статистически независимыми, можно допустить, что средняя квадратическая погрешность (СКП) способа будет равна:

где m_из - СКП измерителя скорости звука;

СКП современных измерителей скорости звука, например Valeport Mini SVS, составляет не более 0,02 м/с. То есть СКП способа не превысит 0,028 м/с.

Для сравнения такая величина изменения скорости звука при температуре воды 15°C в практически пресной воде (соленость 0÷1‰) будет определяться изменением солености примерно в 0,25‰. (Зубов Н.Н. Океанологические таблицы. Гидрометеоиздат. Л. 1957 г. - 407 с. ).

Предлагаемый способ измерения скорости распространения звука позволяют с достаточными разрешением и оперативностью устанавливать факт загрязнения воды в водоеме и оценивать величину этого загрязнения с последующим анализом физико-химического состава по известным методикам.

Источники информации

1. Авторское свидетельство SU №640221 А, 30.12.1978.

2. Смирнов А.Д. Импульсная ультразвуковая измерительная аппаратура. - М.: Энергия, 1967, с. 100,108.

3. Колесников А.Е. Ультразвуковые измерения. - М.: Издательство стандартов, 1970, с. 55-73.

4. Патент DE №4409999 А1, 15.15.1994.

5. Патент DE №4315794 Al, 17.11.1994.

6. Патент RU №2208823 C2, 10.07.2003.