Forelesning for FYS3180 hydroakkustikk 2012 Ti 25 sept. 14:15 15:00. Hva driver vi med på avdeling for hydroakkustikk ved UiO

Transkript

1 Forelesning for FYS380 hydroakkustikk 0 Ti 5 sept. 4:5 5:00 Dr Helge Balk hbalk@fys.uio.no Hva driver vi med på avdeling for hydroakkustikk ved UiO Raytracing, utvikling av måleutstyr for ekkolodd posisjonering, analyse og utvikling av analysemetoder, energifangst, utvikling av ekkolodd, studier av lydbølge bevegelse i vann. Historie Bakgrunn ekkolodd/sonar 490 Leonardo da Vinci, Hearing sound from ships 87 Colladon and Sturm, Speed of sound, Lake Geneva 838 C. Bonnycastle, first echo sounder test, unsuccessful, lack of equipment 880 Jacques and Pierre Curie Piezo electricity. 904 H. Brggraf Published suggestion for a writing echo sounder 9 Alexander Behm Patented echo sounder Titanic could have been saved 94 R. A. Fessenden USA, Moving coil transducer, Detected an iceberg miles away 935 O. Sund. Echograms of cod 965 Dragsund and Olsen, Echo integration of fish schools Moderne ekkolodd (Split beam) Hardware Software Gain Ampdetector TVG Amp echogram Vinkel detektor SED SED echogram Tracking Et Ekkogram er et bilde som viser ekkodata med tid langs x aksen og avstand fra ekkoloddets transducer langs y aksen. Ekkointensiteten kodes med farger i dette todimensjonale bildet. SED=Single Echo Detection som betyr deteksjon av objekter som er alene i pulsevolumet. Amp

2 Hva kan vi finne ut med et ekkolodd Hvor dypt er det Dypet finner vi ved å ta halve tiden på ekkoet og gange med lydhastigheten. ct R ct 500 /5 R 00m Før i tiden målte vi havdypet ved å slippe ut ett lodd i en snor. Snorloddet ble byttet ut mot ekkoloddet etter at Colladon og sturm hadde funnet ut hvor fort lyden gikk i vann 87. Oppgave. Gitt at det tar /5=0.3 sec fra en lydpuls blir sendt ut til den kommer tilbake. Hvor dypt er det.? Hvor stor er fisken? Sonar likningen for et enkelt objekt Antar punktmodellen, Plane bølger, kulespredning EL = SL TL + TS + B(θ,φ) TS EL SL TL( R) B( ) TS Alog( L) B L 0 TSB A Vi finner vekt fra L med en annen empirisk formel Vi kan nå sette opp en likning for hva som kommer tilbake til ekkoloddet. Det vi ønsker å måle er fiskens størrelse og dypet R. B(θ,φ) er 0 i midten og avtar ut til sidene. Vi legger til en negativ verdi. EL avtar om målet flytter seg ut til siden. Ref mikrofon med svakere lyd til siden. Regresjonslikningen TS sier noe om størrelsen på det arealet som ble truffet av lyden, ikke om lengden til fisken. For å finne lengden bruker vi empirisk baserte regresjonsformler funnet ved å sette fisk i lydstrålen og måle TS for ulike størrelser, arter og vinkler. TS EL SL TL( R) log(00) 40dB Eksempel: Utsendt SL =00dB, Målt EL= 0dB Målt posisjon i strlen θ,φ =0,0 Målt tid = /5s = s Hvor dypt og hvor stor var fisken? (Vi har allerede regnet ut at dypet må være 00 meter i forrige eksempel.)

3 L 5cm Gitt A=0, B= 68. og målt TS= 40dB Hvor mange fisk er det? Volum modell Hvor mange fisk er det i havet. Abundance estimation RL SL TL Sv PV Sv RL SL TL V Refleksjonskoeffisienten forteller noe om hvor mye vannet reflekterer. Et akvarium med to like fisk reflektere mer enn om det bare var en fisk der. Vi måler RL og beregner resten for å finne Sv Fra punktmodellen vet vi hvor store fiskene er, men ikke hvor mange vi har per volumenhet. Antall sv / ts (antall pr meter 3 ) sv,ts er linearisert. Bruker små bokstaver. Beregner N 39 /0 0 3 N sv / ts 0 fisk pr m 40 /0 0 Kombinasjonen av likningene gir antall fisk Målt Sv = 39dB og midlere TS= 40dB Hvor mye biomasse har vi? ( Biomass estimation) Beregner N Vekt Antall * størrelse Når vi har funnet antall fisk pr volumenhet eller pr areal enhet og hvor mye de veier så er det lett å regne ut fiskemengde i vekt. Hva kan vi finne ut med et ekkolodd Hva slags fisk er det. Hva slags bunn er det. Multi frekvens Multistråle Bredbånd Fangst data stimform, sted, tid på døgnet, tid på dagen Klassifikasjon er fryktelig vanskelig med ekkolodd og sonar. Bunnekko analyse Parametriske ekkolodd. Akustisk kamera D og 3D 3

4 Bakgrunnen for hvordan det virker. Først litt fysikk c f t U I U Z P el f z ac c Lyd i vann Lydhastighet effekt, intensitet og akustisk impedans. P ac I A ac p A c I ac Pac A p c W/m Transducerene som sender og lytter Transduceren et nøkkel element. Omgjør mellom elektriske og akustiske signaler Det førdste leddet I sonarlikningen er SL Dette er kildenivået som skapes av transduceren når den sender ut et lydsignal Simrad ES 0x0 V: tonpilts elementer H: Nye Momposit elementer Transduceren Materialer, Oppbygging Vektede og forsinkelse av signal fra elementer Plassering av elementer Styrte arrays Transducer typer Single dual split multibeam Multi freq Bredbånd 4

5 SL Source Level Kildenivået EL = SL TL + TS + B(θ,φ) Definisjonen på SL I m SL 0log rel upa at m I ref I p c log( I ) 8. db ref ref 76 I SL 0 log m Transmisjonstapet EL = SL TL + TS + B(θ,φ) Transmisjon mellom ekkolodd og fisk Nær og fjernfelt Grensen mellom nær og fjernfelt finnes et sted der vi har total kansellering. c= lyd hastighet i vann Vi forsøker å unngå å bruke denne sonen da lydintensiteten er svert uberegnelig. d R r R R r r R 4 r Tap av lyd i Fraunhofer sonen. Fjernfelt Tapet i fjernfeltet måles som intensitet ved 5

6 Transmission Loss (TL) sender i forhold til intensitet ved fisken. TL g I 0 log I Pac A 0 log Pac A TLg = geometrisk tap. Vi ser på Intensiteten meter fra kilden og R meter fra kilden. Effekten P er den samme, men den har spredt seg ut over et større areal og blitt tynnet ut over overflaten A=4 π R A 0 log A 4 0 log 4 R Areal er beregnet meter fra kilden og blir derfor 4 π 0 log R TL tot R 0 log R Absorpsjon pga overgang til varme forårsaket av kjemisk relaksajonsprosesser av salter og Viskositet/ skjærkrefter i vann TS Target Strength EL = SL TL Størrelsen på en fisk. Target Stength TS s TS 0log 4 0log Re m bs + TS + B(θ,φ) Det er tverrsnittsarealet av fiskens svømmeblære ekkoloddet ser. Derfor måler vi fisken som tverrsnittsareal kalt sigma (σ). Vi kaller det σ og ikke A fordi akkustisk og virkelig areal kan være forskjellig. Se Figur. Dette avhenger av bølgelenge relativ til fiskestørrelse. Lengden finner vi med emiriske formler. Konstantene A og B bestemmes ved forsøk med mange forskjellige kjente fiskestørrelser målt med ekkolodd. For en fisk som har TS = 40 db bs TS /0 40/ cm Hvor stort er det akustiske tverrtsnittsarealet som ekkoloddet egentlig ser? Kalibrering Størrelsen på en kule Vi bruker små kuler (Standard target) med utvalgte størrelser når vi skal kalibrere et 6

7 ekkolodd. Størrelsen er valgt slik at ekkoet blir størst mulig for den frekvensen ekkoloddet har. Valg av frekvens pavirker også hvor små fisk vi kan se. Figur Akkustisk rel fysisk størrelse P P i I i S S s I I I A( r m) s i s 4 Underskrift i= innkommende, s =scattered (alle retninger). bs=back scatter. Forholdet mellom faktisk størrelse og akustisk størrelse avhenger av objektets størrelse i forhold til bølgelengden. Den røde fargen på kveldsskyer skyldes Rayleight scatter, mens den grå og hvite fargen på dagskyer kommer av Mie refleksjon (Geometrisk scatter) Vi tenker oss plane innkommende bølger. A(r=m), Vi ser på reflektert effekt igjennom en kuleflate med radius m. Overflatearealet A =4π I=intensitet, P=effekt BeamPattern og Splitståle EL = SL TL + TS + B(θ,φ) Beam pattern B(φ,θ) Lyden rett forfra treffer alle elementene samtidig. Lyd fra siden gir kansellering Derfor må vi korrigere for tapet av lyd hvis objektet ikke er midt i strålen. Beamforming i=element nr. 7

8 For å finne hvor i strålen man er, brukes splitståleprinsippet. Vi sender ut en lydpuls men lytter med fire elementer plassert på ulike steder. Faseforskyvningen kan omregnes til vinkel når vi kjenner elementforskyvningen. Pulse volum RL SL TL Sv PV PV PV A h R c C=Soundspeed =500m/s τ=transmitted pulse length 0.3mS Ekstra: Omforming mellom Elektrisk og akustisk lyd Fra elektrisk til akkustisk signal SL (Source Level) 8

9 Logaritmer må være relative til noe dvs ha en referanse. Husk db =0log(P/P 0 ) Sender følsomhet Su (Transmit ter sensitivity) DB mål trenger en referanse. Vi bruker volt. En transducer omformer elektiske signaler til lyd og omvendt Referanse U R R P ref Innsendt elektrisk effekt målt i db er da U / R P inn _ db 0log 0logU re volt / R Effektiviteten Su til transduceren er differansen mellom innsendt spenning og resulterende Lydstyrke (SL) S U SL 0log U Sender ut en spenning på 60 volt og måler at det gir SL på 00dB Senderens følsomhet S U er forskjellen mellom påtrykt spenning U og resulterende lydstyrke SL. Enhet = [db re upa per Volt] Vi påtrykker volt rms 56 db re upa per Volt Finner Su S U 000log(60 ) 00 0log(60) 56 Fra lyd målt i db ( EL EchoLevel) til elektrisk signal Mottakerfølsomhet Mu Intensiteten til et ekko som treffer transduceren betegnes Echo Level EL. EL måles i db re upa Mu beskriver hvordan 9

10 transduceren overfører ekkoet til ubelastet RMS spenning. Mu enehet= [db re V per μpa] M U 0 log U EL 0