Принцип работы эхолотов (часть1)

ПРЕДИСЛОВИЕ

Данной статье уже несколько лет. Современне эхолоты с тех пор обросли многими дополнительными возможностями и функциями, повысилось разрешение экранов, они стали цветными... Однако базовые принципы работы остались прежними, и эта статья по-прежнему полезна для ознакомления с тем, как работают эхолоты, чтобы в дальнейшем использовать полученные знания для понимания изображения на экране сонаров, а также для дальнейшего изучения новых моделей.

ВВЕДЕНИЕ

Люди ловят рыбу тысячу лет. Каждыйрыбак сталкивается с двумя проблемами - с поиском рыбы и ее поимкой.Хотя гидролокатор (эхолот) не может вываживать рыбу, он может решитьпроблему 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 началиподводное плавание, чтобы наблюдать рыбу и ее привычки. Этоисследование, заказанное местным и федеральным правительствами США,нашло, что приблизительно 90 процентов рыбы сконцентрировано в 10процентах воды озер. С изменением условий окружающей среды рыбаперемещается 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 наместоположение корма (планктона, малька, водорослей). Вместе этифакторы создают условия, которые вызывают частые перемещения популяциирыбы.
    В те далекие времена, буквально несколько людей использовали большие,громоздкие сонарные модули на рыбацких лодках. Работая на низкихчастотах, эти устройства использовали вакуумные лампы, дляфункционирования которых требовались громадные аккумуляторы. Хотя онипоказывали удовлетворительный сигнал дна и косяка рыб, они не моглипоказывать отдельных рыб. Карл и его сыновья начали разрабатыватькомпактный, с батарейным питанием эхолот, который мог бы показыватьотдельную рыбу. После многих летисследований, экспериментов, нестандартных решений и просто труднойработы, такой эхолот был сделан, что изменило рыбацкий мир навсегда.
    С этого простого начинания, была сформирована новая промышленность, спродажи в 1975 г. первого транзисторного эхолота для спортивнойрыбалки. В 1979 г. фирма Lowrance представила \"The Little Green Box\"который стал наиболее популярным эхолотом в мире. Весь выполненный натранзисторах, это был первый удачный эхолот для спортивной рыбалки.Более миллиона таких эхолотов были произведены до 1984 г., когда онибыли сняты с производства из-за высокой себестоимости. Фирма проделаладлинный путь с 1957, начиная с \"little green boxes\" и заканчиваясовременным высокотехнологичным эхолотом. Фирма Lowrance всегдаиспользует передовые технологии при производстве эхолотов.

КАК ЭТО РАБОТАЕТ

Слово сонар (эхолот) это сокращение трех английских слов: Звук, Передвижение, Расположение. Сонар был разработан во время Второй Мировой Войны дляотслеживания подводных лодок. Эхолот состоит из передатчика,преобразователя, приемника и дисплея.
     В самых простых словах:электрический импульс от передатчика преобразуется в звуковую волну впреобразователе и передается в воду. Когда волна попадает на объект(рыбу, дно, дерево и т.д.) она отражается. Отраженная волна попадает впреобразователь, где она трансформируется в электрический сигнал,усиленный приемником, и посылается на дисплей. Так как скорость звука вводе постоянна (приблизительно 4800 футов в секунду), промежутоквремени между отправкой сигнала и получением эха может быть измерен ипо этим данным расстояние до объекта может быть определено. Этотпроцесс повторяется многократно в течение секунды.
     Наиболеечасто используемая частота волны составляет 192 кГц, также иногдапроизводятся приборы на частоте 50 кГц. Хотя эти частоты находятся вдиапазоне звуковых частот, они неслышимы ни людям, ни рыбе. (Вы недолжны волноваться относительно звукового модуля, пугающего рыбу - онине могут слышать это.)
     Как упомянуто ранее, эхолот посылает ипринимает сигналы, затем \"печатает\" эхо на дисплей. Так как этослучается много раз в секунду, непрерывная линия идущая поперекдисплея, показывая сигнал дна. Кроме того, на экране отображаетсясигнал, возвращенный от любого объекта в воде между поверхностью идном. Зная скорость звука через воду (4800 футов в секунду) и времятребуется для возращения эха, прибор может показывать глубину инахождение любой рыбы в воде.

ВОЗМОЖНОСТИ ЭХОЛОТА

Хороший эхолот обладает четырьмя компонентами:

1) Мощный передатчик
2) Эффективный преобразователь
3) Чувствительный приемник
4) Дисплей высокого разрешения

Все части этой системы должны быть разработаны так, чтобы работатьвместе, при любых погодных условиях и критических температурах.
    Высокая мощность передатчика увеличивает вероятность, что Вы получитеэхо на глубоководье или в плохих водных условиях. Это также позволяетВам видеть мелкие подробности, типа мальков и мелкой структуры дна.
    Преобразователь не должен только проводить мощный сигнал отпередатчика, он также должен преобразовать электрический сигнал взвуковую энергию с наименьшей потерей в мощности сигнала. С другойстороны, он должен преобразовать самое малое эхо от малька или сигналдна с глубоководья.
     Приемник имеет дело с чрезвычайно широкимдиапазоном сигналов. Он должен отличить максимально сильныйпередаваемый сигнал и слабое эхо, пришедшее от преобразователя. Крометого, он должен различить объекты находящиеся близко друг к другу,превратив их в разные импульсы для дисплея.
     Дисплей должениметь высокое разрешение (вертикальные пиксели) и хороший контраст,чтобы показывать подводный мир детально и ясно. Это позволяет видетьдуги 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 состоянийсоленой воды, 192 кГц - лучший выбор. Эта частота дает лучшиеподробности, работает лучше всего в неглубокой воде и на скорости, иобычно дает меньшее количество \"шумовых\" и нежелательных отражений.Определение близлежащих подводных объектов, также лучше на частоте 192кГц. Это способность отобразить две рыбы как два отдельных эха вместоодной \"капли\" на экране.
     Существуют некоторые условия, прикоторых частота 50 кГц луче. Как правило, эхолоты, работающие начастоте 50 кГц (при тех же самых условиях и мощности) может проникатьболее глубоко через воду. Это происходит из-за естественной способностиводы поглощать звуковые волны. Скорость поглощения больше для болеевысоких частот звука, чем для более низких частот. Поэтому 50 кГцэхолоты находят использование в более глубокой соленой воде. Также,преобразователи 50 кГц эхолотов имеют более широкие углы обзора, чемпреобразователи 192 кГц эхолотов.

Резюме: различия между 192 кГц и 50 кГц:

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Преобразователь это \"антенна\" эхолота. Он преобразовываетэлектрическую 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 попадаетназад в преобразователь, он преобразовывает звук в электрическуюэнергию, которая посылается приемнику эхолота. Частота преобразователядолжна соответствовать частоте звукового приемника эхолота. Другимисловами, Вы не можете использовать преобразователь 50 кГц на звуковомприемнике предназначенном для 192 кГц. Преобразователь должен бытьспособен проводить мощные импульсы передатчика, преобразовываяэлектрические импульсы в звуковые с минимальными потерями мощности. Вто же самое время он должен быть достаточно чувствительным, чтобыпринять самые слабые из отраженных сигналов. Все это относится копределенной установленной частоте и при этом преобразователь долженигнорировать эхо приходящих на других частотах. Другими словами,преобразователь должен быть очень эффективен.

     КРИСТАЛЛ

    Активныйэлемент преобразователя - искусственный кристалл (цирконат свинца илититанат бария), компоненты смешиваются, а затем формуются. Эта формапомещается в печь, в которой превращается из смеси химикатов в прочныйкристалл. Как только кристалл охладится, к двум сторонам кристаллаприкрепляются провода. Провода прочно спаяны с поверхностью кристалла,так что кристалл может быть подключен к кабелю преобразователя. Формакристалла определяет частоту его работы и конический угол. Для круглыхкристаллов, используемый большинством эхолотов, толщина определяет егочастоту, а диаметр определяет угол конуса или угол зоны обзора.Например, в 192 кГц эхолоте, с коническим углом 20 градусов размерыкристалла приблизительно один дюйм в диаметре, при этом восьмиградусный 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 использованииодинаковой частоты.

     РАЗМЕЩЕНИЕ НА ЛОДКЕ

    Преобразователипроизводятся различных форм и размеров. Большинство преобразователейсделано из пластмассы, но некоторые преобразователи \"через корпус \"сделаны из бронзы. Как показано в предыдущей части, частотный иконический угол определяют размер кристалла. Поэтому размещениепреобразователя опрделяется размером кристалла внутри.
     Имеютсячетыре 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 длиннаяоснова, которая проходит через корпус и фиксируется большим болтом.Если корпус лодки плоский это очень удобно для установки. Однако еслипреобразователь должен быть установлен на одной стороне V-образногокорпуса лодки, то блок, в котором находится кристалл должен быть сделаниз древесины или пластмассы, которые позволяют установитьпреобразователь вертикально. Преобразователи \"Через Корпус\" былиразработаны специално для лодок с внутренним мотором, и они могут бытьустановлен перед рулями, пропеллерами и валами судна.

Преобразователи \"Стреляет Через Корпус\" крепятся эпоксидной смолой непосредственно к внутренней частистекловолоконного корпуса лодки. Звук передается и возвращается черезкорпус лодки, что ведет к потере мощности звуковой волны. (Вы не будетеспособны \" видеть \" столь же глубоко с преобразователем \"Стреляет ЧерезКорпус\" как c преобразователем, установленным на транце.) Корпус лодкидолжен быть сделан из твердого стекловолокна. Не пытайтесь \"стрелять\"через алюминий, древесину или стальную оболочку. Звук не можетпроходить через воздух; так если на корпусе имеется любая древесина,металл или поролон, они должны быть удалены с внутренней стороныкорпуса перед установкой преобразователя. Другой недостатокпреобразователя \"Стреляет Через Корпус \" является то, что он не можетбыть откорректирован для лучших дуг рыбы. Хотя имеются недостатки, но ипреимущества такого преобразователя значительны. Первое, он не можетбыть поврежден, зацепившись за дно, бревна или камни, так как находитсявнутри корпуса. Второе, такой преобразователь не имеет выступающихчастей в водный поток, он отлично работает на больших скоростях, еслиустановлен там, где чистый ламинарный поток воды проходит по корпусулодки. Третье, он не может обрасти морскими водорослями илиракушками.

Переносные преобразователи,как следует из их названия, крепятся временно на корпус лодки. Этипреобразователи обычно используют одну или две присоски для крепления ккорпусу лодки. Некоторые переносные преобразователи также могут бытьприкреплены 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 четырехтипов размещения, крепление к транцу наиболее популярно. Хорошоразработанный преобразователь, крепящейся к транцу (такой как LowranceHS-WS SkimmerR), будет работать почти на любом корпусе (кроме лодок свнутренним мотором) и на высокой скорости.

                                                                 СКОРОСТЬ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

    Годыназад, когда спортивные эхолоты были в младенчестве, большее количестворыбацких лодок имели маленькие навесные моторы. Самый большой внешниймотор имел 50 лошадиных сил. В то же самое время, большинство эхолотовбыли переносные, их было легко перенести с лодки на лодку. В те временаэто рассматривалось более важным чем способность эхолота работать навысокой скорости. Со временем возможности лодок увеличивались и всебольше людей хотели иметь постоянно установленный эхолот, который будетработать на той скорости, на которой движется лодка. Так началасьразработка преобразователя, который будет работать на любых скоростях.
     Кавитация - главное препятствие для высокоскоростных измерений. Если поток воды вокруг преобразователягладок (ламинарный), то преобразователь посылает и принимает сигналынормально. Однако если поток воды прерван грубой поверхностью илиострыми гранями, то водный поток становится турбулентным, настолько чтовоздух отделяется от воды в форме пузырьков. Это называется\"кавитацией\". Если эти воздушные пузырьки проходят через корпуспреобразователя (ту часть, в котором закреплен кристалл), то на дисплееэхолота виден \"шум\". Преобразователь разработан для работы в воде, а нев воздухе. Если воздушные пузырьки проходят через корпуспреобразователя, то сигнал от преобразователя отражается от воздушныхпузырьков 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 вообщенезаметными.
     Решение этой проблемы состоит в том, чтобы делатьпреобразователь позволяющий воде течь мимо без создания турбулентности.Однако это сделать трудно из-за многих компонентов помещенных всовременный преобразователь. Он должен быть маленьким, так, чтобы несталкиваться с навесным мотором и его водным потоком. Преобразовательдолжен просто устанавливаться на транце так, чтобы просверливатьминимум отверстий. Он должен подниматься без проблем при столкновении сподводными объектами. Фирма Lowrance запатентовала HS-WSпреобразователь - самая передовая разработка в области высокоскоростныхпреобразователей. Эта технология объединяет высокоскоростные измеренияс простым крепежом и безопасным подъемом при столкновении с постороннимобъектом на высокой скорости.
     Проблема кавитации не ограниченаформой и размещением преобразователя. Многие корпуса лодок создаютвоздушные пузырьки, которые проходят через корпус преобразователя. Умногих алюминиевых лодок эта проблема появляется из-за сотен головокзаклепок, которые высовываются в воду. От каждой заклепки течет струйкавоздушных пузырьков, когда лодка движется, особенно на высокойскорости. Чтобы ликвидировать эту проблему нужно устанавливать корпуспреобразователя ниже воздушных пузырьков, струящихся от оболочки. Этообычно означает, что Вы должны установить крепежную скобу как можнониже на транце.

КОНИЧЕСКИЙ 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 \"коническийугол\". Мощность звука наибольшая на оси конуса и постепенно уменьшаетсяк краям.
     Чтобы измерить конический угол преобразователя,сначала мощность измеряется в центре или на оси конуса, а затемизмеряется на удалении от центра. Когда достигается точка половинымощности от максимальной (или -3db в электронных терминах), угол отсредней оси измерен. Полный угол от точки -3db на одной стороне оси иточки -3db с другой стороны оси называется коническим углом.
    Эта точка половины мощности (-3db) стандарт для электроннойпромышленности, и большинство изготовителей измеряет конический уголтаким образом, но некоторые используют точку -10db, где мощностьсоставляет 1/10 средней мощности оси. Это дает больший конический угол,поскольку Вы измеряете точку дальше от средней оси. Никакого отличия вработе 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 идругие фирмы, предлагает преобразователи с разнообразными коническимиуглами. Широкий конический угол покажет Вам большую область подводногомира, за счет уменьшения показа глубины, так как необходимоперераспределить мощность передатчика. Более узкий конический уголпреобразователи не будут показывать Вам такую большую область, нопроникнет глубже, чем широкий конус. Узкий конический преобразовательконцентрирует мощность передатчика в меньшую область. Сигнал дна надисплее эхолота будет более широкий на широком коническом угловомпреобразователе, чем на узком, потому что Вы видите большую областьдна. Область обзора широкого конуса намного больше, чем у узкого конуса.
    Высокочастотные (192 кГц) преобразователи поставляются как с узким, таки с широким коническим углом. Широкий конический угол используется дляпресной воды, а узкий конический угол используется в морской воде.Низкочастотные (50 кГц) звуковые преобразователи обычно поставляются сконическим углом в диапазоне от 30 до 45 градусов. Хотя преобразовательнаиболее чувствителен внутри конического угла, Вы можете также видетьобъекты на экране и вне него; они только не так четки. Эффективныйконический угол - область в пределах указанного конуса, который Выхорошо видите на экране дисплея. Если рыба находится внутри конусапреобразователя, но чувствительность недостаточно высока, чтобы видетьее, то у Вас узкий эффективный конический угол. Вы можете изменитьэффективный конический угол преобразователя, изменяя чувствительностьприемника. С низким значением чувствительности, эффективный коническийугол узкий, показывая только цели строго внизу преобразователя и нанебольшой глубине. При увеличении чувствительности увеличиваетсяэффективный конический угол, что позволяет видеть Вам дальше в стороны.

Продолжение