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

Transkript

1 FYS380/480 Forelesning: hydroakustikk H0 Forelesning for FYS380 hydroakustikk 0 Ti 5 sept. 4:5 5:00 Dr Helge Balk hbalk@fys.uio.no Hva driver vi med på avdeling for hydroakustikk 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 Ampdetektor TVG Amp ekkogram Vinkel detektor SED SED ekkogram Sporing 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.

2 FYS380/480 Forelesning: hydroakustikk H0 Hva kan vi finne ut med et ekkolodd Hvor dypt er det 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? Dypet finner vi ved å ta halve tiden på ekkoet og gange med lydhastigheten. ct R ct 500 /5 R 00m Hvor stor er fisken? Størrelsen på en fisk måles i TS db s TS 0log 4 0log Re m bs TS er desibel versjonen av fiskens tverrsnittsareal. Det er hovedsakelig tverrsnittsarealet av fiskens svømmeblære ekkoloddet ser. Derfor måler vi fisken som tverrsnittsareal kalt sigma (σ). Vi kaller det σ og ikke A fordi akustisk og virkelig areal kan være forskjellig. Se Figur. Dette avhenger av bølgelenge relativ til fiskestørrelse. Gitt at ekkoloddet viser en fisk med TS = 40 db Hvor stort er det akustiske tverrsnittsarealet? Men hvor stor er fisken da? Empiriske regresjonslikninger: 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. bs L 0 TS /0 40 / cm Eksempel: Gitt A=0, B= 68 for en art. Målt TS= 40dB TS A log(l) B TSB A cm Det finnes ulike regresjonsformler.

3 FYS380/480 Forelesning: hydroakustikk H0 Og hvordan finner vi så TS? Vi bruker punktmodellen Sonar likningen for enkeltobjekter Antakelser punktmål, Plane bølger og sfærisk spredning Vi kan sette opp en likning for hva som kommer tilbake til ekkoloddet. Punktmodellen EL = SL TL + TS + B(θ,φ) TS EL SL TL( R) B( ) SL=Source Level TL=Transmission Loss TS =Target strength B=Beam Pattern Ekkoloddet måler kun t tid mellom utsendt og mottatt lyd EL mottat ekkostyrke φ,θ Målets avakse vinkler. Resten beregnes. Eksempel: Finn TS TS EL SL TL( R) Utsendt SL =00dB, Målt EL= 0dB Målt posisjon i strålen 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 tidligere eksempel.) Finn L: Gitt A=0, B= 68. og målt TS= 40dB log(00) 40dB L 5cm Hvor mange fisk er det? Vi bruker volum modellen Sonar likningen for romklang fra vannvolumet Ekkoetfra vannvolumet. Antakelser Homogenitet i strålen* Plane bølger sfærisk spredning * Målene er jamt spredt i pulsvolumet. For eksempel fiskestim, plankton, oljesøl, leirepartikler. Volum modellen For å finne Sv måler vi RL med ekkoloddet og beregner de øvrige størrelsene. RL SL TL Sv PV Sv RL SL TL PV 3

4 FYS380/480 Forelesning: hydroakustikk H0 Refleksjonskoeffisienten forteller noe om hvor mye vannet reflekterer. Rent vann reflekterer lite. Øker tettheten av f.eks leirepartikler eller fisk i vannvolumet så øker refleksjonskoeffisienten.. Fisketetthet: Fra Punktmodellen vet vi hvor store fiskene er, men ikke hvor mange vi har per volumenhet sv/ ts pr meter 3. Kombinasjonen av likningene gir antall fisk Eksempel: Målt Sv = 39dB Målt midlere TS= 40dB Finn tetheten Små bokstaver indikerer at sv og ts er lineære. ts=0^ts/0 Beregner tettheten sv / ts /0 40 /0 0 fisk pr m 3 Hvor mye biomasse har vi? ( Biomass estimation) Fisketetthet varierer med sted og dyp. Derfor gjøres analysene ved at vi inndeler en sjø i lokale overflateområder i, som igjen består av en rekke dybdelag j. Dette gir celler som i en kube. Lokal volumtetthet beregnes for hver celle. For hvert lokale område omregnes alle volumtetthetene i dybdelagene til overflatetetthetstall. Volumtetthet i en celle forområde i, dyp j 3 antall/ m i,j Arealtetthet for område nummer i i overflate jbunn i,j h Antall fisk i område i j antall/ m Når vi har funnet antall fisk pr arealenhet for alle områdene i og vet hvor mye fisken veier i snitt, så er det lett å regne ut hvor mye fisk det totalt er i sjøen. N i i,j A i Hva slags fisk er det? Klassifikasjon er vanskelig med ekkolodd og sonar. Det er stort behov for å kunne klassifisere fisk Ekkolodd / Sonar typer: Enkeltstråle Splitstråle 4

5 FYS380/480 Forelesning: hydroakustikk H0 både for å unngå fangst av uønskede / truede arter og for å få riktig bestandsestimater. Vi forsøker å utvikle klassifikasjonsmetoder ved å bruke flere frekvenser og se på frekvensrespons, Ved å bruke mange lydstråler slik at vi får en form for bilde av fisken, og vi studerer formen på ekkoet som kommer i retur fra fisken. Det finnes i dag både D og 3D akustiske kameraer. Multifrekvens Multistråle Bredbånd Disse deles igjen inn i underklasser avhengig av formen på lydstrålene de sender ut og måten disse brukes på. Kunnskap om når og hvor det er sannsynlig å finne en fisk, målte fiskestimers form, enkeltindividers svømmehastighet, individstørrelse samt fangsdata brukes for å klassifisere fisk. Bakgrunn for hvordan ekkoloddet 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 5

6 FYS380/480 Forelesning: hydroakustikk H0 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 kompositelementer Transduceren Materialer, Oppbygging Vekting og forsinkelse av signal fra mange små elementer Plassering av elementer Styrte arrays Transducer typer Single dual split multibeam Multi.freq. Bredbånd SL Source Level (Kildenivåe) EL = SL TL + TS + B(θ,φ) SL eller kildenivået er styrken på den lyden ekkoloddet produserer. I m SL 0log rel upa at m I ref I p c log( I ) 8. db ref ref 76 SL 0 log I m 6

7 FYS380/480 Forelesning: hydroakustikk H0 Transmisjonstapet EL = SL TL + TS + B(θ,φ) Transmisjon mellom ekkolodd og fisk Nær og fjernfelt Vi skiller mellom transmisjonstap i nærfeltet og fjernfeltet. Ekkolodd brukes kun i fjernfeltet. Det er bare her vi kan beregne fiskens størrelse kvantitativt. Nærfelt : Fresnel sonen Fjernfelt : Fraunhofer sonen Grensen mellom nær og fjernfelt finnes et sted der vi har total kansellering. Vi multipliserer denne grensen med for å være på den sikre siden. Grensen mellom de to sonene finnes slik d r R R R r r R 4 r c= lyd hastighet i vann Hvordan beregner transmisjonstapet Lydintensiteten avtar med avstanden til senderen på grunn av geometrisk og termisk absorpsjonstap. TL TL tot tot TL g 0log(R) TL a R Geometrisk tap: TLg 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 har blitt tynnet ut over overflaten A=4 π R Areal A er beregnet meter fra kilden og blir derfor 4 π Fortegnet i svaret viser at TL er et tap TL g I 0 log I A 0 log A 0 log R Pac A 0 log Pac A 4 0 log 4 R 7

8 FYS380/480 Forelesning: hydroakustikk H0 Absorpsjonstap Absorpsjonstapet Alpha (α) er forårsaket av kjemiske varmeskapende prosesser knyttet til salter i vannet, spesielt borsalter, og varmedannende prosesser knyttet til viskositet og skjærkrefter. Alpha øker med økende frekvens. Ved lave frekvenser er det saltene som betyr mest for α og dempingen er derfor mye større i sjøvann enn i ferskvann. Ved høyere frekvenser > 800kHz blir α stor både i sjøvann og ferskvann. TL a R α finnes fra empiriske formler med frekvens, ph, dyp og temperatur som parametere. Gitt ekkoodd med frekvens på 0kHz Sjøvann: α = 40dB/km Ferskvann: α = 4dB/km Kalibrering Kalibrering Størrelsen på en kule Beregning av størrelsen fro en målkule: Vi tenker oss plane innkommende bølger. Vi ser på reflektert effekt igjennom en kuleflate med radius m. Arealet Overflatearealet A =4π Figur Akustisk rel fysisk størrelse Vi bruker kuler (Standard targets) med utvalgte størrelser når vi skal kalibrere et ekkolodd. Størrelsen er valgt slik at ekkoet blir størst mulig for den frekvensen ekkoloddet har. Valg av frekvens påvirker også hvor små fisk vi kan se. Forholdet mellom faktisk størrelse og akustisk størrelse avhenger av objektets størrelse i forhold til bølgelengden. Digresjon: Den røde fargen på kveldsskyer skyldes Rayleight scatter, mens den grå og hvite fargen på dagskyer kommer av Mie refleksjon (Geometrisk scatter) P P I i i S bs S s I I I A s i 4 s 4 s (rm) P=effekt, I=intensitet, A=areal av kuleflate med m radius, underskrift i= innkommende, s =scattered (reflektert i alle retninger) og bs=back scatter (Reflektert tilbake til kilde). 8

9 FYS380/480 Forelesning: hydroakustikk H0 Strålemønster og splittstråle: EL = SL TL + TS + B(θ,φ) (Beam pattern, split beam) 9

10 FYS380/480 Forelesning: hydroakustikk H0 Beam pattern B(φ,θ) Figur. Venstre Elementer i en transducer. Høyre lobemønster eller Følsomhetskart Som for en mikrofon så er også ekkoloddets transducer mer følsomt langs hovedaksen enn på sidene. Figur viser følsomhetskart B(φ,θ) hvor vi ser hovedloben samt noen svakere sidelober. Bredden på hovedloben og forholdet mellom hoved og sidelober styres ved å bruke mange mottaker elementer med ulik vekting og tidsforsinkelse. Lyden rett forfra treffer alle elementene samtidig. Lyd fra siden gir kansellering i=element nr. Hvordan finne fiskens avakse vinkel φ,θ. (Splittstråleprinsippet. ) Ekkostyrken fra en fisk taper seg når fisken beveger seg bort fra den akustiske aksen. Derfor må vi finne fiskens posisjon relativ til aksen for å kunne korrigere for dette tapet. Her brukes splittståleprinsippet sammen med følsomhetskartet Vi sender ut en lydpuls men lytter med fire elementer plassert på ulike steder. Faseforskyvningen i de fire mottatte signalene kan omregnes til målets vinkler som så mates inn i B(φ,θ) for å finne korreksjonsfaktoren. Pulse volum. RL=SL TL+Sv +PV 0

11 FYS380/480 Forelesning: hydroakustikk H0 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 akustisk signal SL (Source Level) 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 Senderens følsomhet S U er forskjellen mellom påtrykt spenning U og resulterende lydstyrke SL.

12 FYS380/480 Forelesning: hydroakustikk H0 Enhet = [db re upa per Volt] 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 Vi påtrykker volt rms 56 db re upa per Volt Finner Su S U 00 0log(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. M U 0 log U EL EL måles i db re upa Mu beskriver hvordan transduceren overfører ekkoet til ubelastet RMS spenning. Mu enehet= [db re V per μpa]