AKUSTYKA W BADANIACH OCEANÓW wykład II

Transkrypt

1 AKUSTYKA W BADANIACH OCEANÓW wykład II Akustyka pasywna i aktywna - podstawowe narzędzia akustyki morza Jarosław Tęgowski 1

2 E G Z A M I N 2

3 AKUSTYKA W BADANIACH OCEANÓW Czym zajmuje się oceanografia akustyczna podstawy fizyki falowej propagacja fal akustycznych zjawiska falowe odbicie, interferencja, dyfrakcja Akustyka pasywna i aktywna podstawowe narzędzia akustyki morza hydrofony, echosondy, sonary Akustyczne badania fauny i flory morskiej, dźwięki emitowane przez zwierzęta morskie Akustyczne badania dna morskiego, akustyczna klasyfikacja osadów dennych, wykrywanie gazu w dnie Zjawiska dynamiczne w morzu załamywanie się fal, pęcherzyki, prądografy akustyczne - ADCP, tomografia akustyczna oceanu Dźwięki geosfery 3

4 AKUSTYKA MORZA METODY PASYWNE METODY AKTYWNE Rejestracja ( nasłuchiwanie ) dźwięków generowanych przez zjawiska geofizyczne, organizmy morskie lub urządzenia techniczne METODY ANI ( AMBIENT NOISE IMAGE ) Rejestracja dźwięków odbitych i rozproszonych przez różne obiekty 4

5 AMI - ( AMBIENT NOISE IMAGE ) - Acoustic Daylight Sonar pasywny Metoda zaproponowana przez Buckinghama w 1992 Źródła dźwięku statki, załamujące się fale, opady atmosferyczne, śpiewające pęcherzyki gazowe, krewetki (w Pacyfiku). Obraz będący cieniem akustycznym obiektu 5

6 CIŚNIENIE FALI AKUSTYCZNEJ p = F S 1 N 1 = 1 m [ Pa] 2 F - siła S - powierzchnia Ciśnienie to wielkość skalarna określona jako wartość siły działającej prostopadle do powierzchni podzielona przez powierzchnię na jaką ona działa 6

7 NATĘŻENIE FALI AKUSTYCZNEJ Natężenie jest równe średniej wartości strumienia energii akustycznej przepływającego w czasie 1 s przez jednostkowe pole powierzchni (1 m 2 ). Dla fali kulistej wyraża się ono wzorem: I P 4πR W m = 2 2 Natężenie fal akustycznych maleje ze wzrostem odległości np. jeżeli odległość rośnie 2 razy, natężenie maleje 4 razy, energia fal akustycznych podlega procesom dyssypacji i absorpcji w ośrodku I = 2 p 2ρc = 2 p ρc rms gdzie: r gęstość ośrodka, c prędkość dźwięku, p rms = 0.707p ciśnienie skuteczne, p ciśnienie maksymalne 7

8 DLACZEGO W AKUSTYCE STOSUJEMY SKALE LOGARYTMICZNE CIŚNIENIA I NATĘŻENIA DŹWIĘKU - DECYBELE średni próg słyszalności przy częstotliwości f =1000 Hz I 0 = W/m 2 - natężenie odniesienia jednostka: bel = log 10 I I o log a b= c a c = b (np. log = = 100) niech I = W/m 2, poziom natężenia log 10 (10-10 /10-12 ) = log 10 (10 2 ) = 2 bele 8

9 PRZYKŁADOWE WARTOŚCI NATĘŻEŃ DŹWIĘKU 1 decybel = 1/10 bela db = 10log 10 cichy szept - 10 db normalna rozmowa - 60 db hałaśliwa fabryka - 90 db średni próg bólu db I I o 9

10 Słyszalny zakres natężeń ( ) bilion 10

11 SKALA LOGARYTMICZNA CIŚNIENIA DŹWIĘKU p o = 1 µpa p = 20log db 10 p p o db re 1µPa p o -ciśnienie odniesienia (w wodzie) p/p 0 db = 20log 10 p/p

12 METODY PASYWNE AKUSTYKI MORZA 12

13 Z CZEGO SKŁADA SIĘ WIDMO SZUMÓW PODWODNYCH wal błękitny trzęsienie Ziemi croaker krewetki szumy opływu kodłuba statku siłownia okrętowa 13

14 WIDMO SZUMÓW PODWODNYCH ŹRÓDŁA SZUMÓW Geofizyczne trzęsienia Ziemi, erupcja wulkanów, transport osadów dennych Biologiczne dźwięki emitowane przez organizmy morskie Dynamika morza załamywanie się fal (pełne morze, strefa przybrzeżna), nieliniowe oddziaływanie fal ze sobą Opady atmosferyczne deszcz, śnieg Antropogeniczne Hałasy emitowane przez statki i inne morskie urządzenia techniczne.. 14

15 SZUMY GENEROWANE PRZEZ STATKI 15

16 Zależność poziomu szumów od prędkości statków 16

17 SZUMY GENEROWANE PRZEZ DESZCZ 17

18 JAK MIERZYĆ CIŚNIENIE FALI AKUSTYCZNEJ? ZJAWISKO PIEZOELEKTRYCZNE Zjawisko piezoelektryczne lub efekt piezoelektryczny Piotr Curie 1880r. Zjawisko piezoelektryczne proste - odbiór Zjawisko piezoelektryczne odwrotne - nadawanie Przykłady materiałów piezoceramicznych: BaTiO 3 tytanian baru, PbZrTiO 6 18

19 PRZYKŁADY KONSTRUKCJI HYDROFONÓW HYDRO" = "woda" i FON" = dźwięk (gr.) I Wojna Światowa amerykanie wykrywali Uboty 19

20 PRZYKŁADOWE PARAMETRY HYDROFONU SH = 20log 10 czułość V 1µ Pa V ref db re 1V / 1µPa V 1µPa napięcie mierzone na hydrofonie przy ciśnieniu fali akustycznej 1µPa, V ref = 1V 20

21 CHARAKTERYSTYKA KIERUNKOWA HYDROFONU 21

22 ANTENA AKUSTYCZNA 22

23 BOJA AKUSTYCZNA Pasywny odbiornik sprzężony z nadajnikiem informacji akustycznych.. 23

24 ODBIORNIKI UŻYWANE W TOMOGRAFII AKUSTYCZNEJ OCEANU - PRZYKŁAD Antena składająca się z 40 hydrofonów - sygnał przesyłany 100 km kablem do Pillar Point Płn. Kalifornia. 24

25 METODY ANI ( AMBIENT NOISE IMAGE ) 25

26 NADAJNIKI HYDROAKUSTYCZNE Echosonda BioSonics DTX (430 khz) NADAJNIK TYPU HLF-5 o częstotliwości 250 Hz o wymiarach 2.4 x 2.1 x 1.0 m i wadze 1590 kg w powietrzu i 590 kg w wodzie. Maksymalna głębokość pracy 1000m, Butle z azotem służą do kompensacji ciśnienia w nadajniku 26

27 PRZYKŁADOWE PARAMETRY NADAJNIKA p1 SV 20log 10 p czułość nadajnika V = db re 1µPa/1m/1V ref p 1V ciśnienie mierzone w odl. 1 m od źródła dla napęcia 1V i ciśnienia referencyjnego 1µPa 27

28 CHARAKTERYSTYKI KIERUNKOWE I CZUŁOŚCI NADAJNIKA 28

29 METODY AKTYWNE AKUSTYKI MORZA ECHOSONDY I SONARY ECHOSONDA JEDNOWIĄZKOWA ECHOSONDA WIELOWIĄZKOWA SONAR BOCZNY KAMERA AKUSTYCZNA SUBBOTOM PROFILER BOOMER SPARKER ŁADUNKI WYBUCHOWE. 29

30 ECHOSONDA JEDNOWIĄZKOWA - SCHEMAT POMIARU 30

31 ECHOSONDA JEDNOWIĄZKOWA Przetwornik hydroakustyczny echosondy BioSonics, f = 420 khz echogram 31

32 PRZYKŁAD ECHOGRAMU Algi o wysokości ok. 1m ławica ryb 520 m 32

33 ECHOSONDA WIELOWIĄZKOWA Gómez Sichi et al., in press 33

34 ECHOSONDA WIELOWIĄZKOWA poszukiwanie wraków 34

35 ECHOSONDA WIELOWIĄZKOWA archeologia Zatopione miasto Włochy 35

36 ECHOSONDA WIELOWIĄZKOWA archeologia Rzymski port 36

37 ECHOSONDA WIELOWIĄZKOWA archeologia palisada 37

38 ECHOSONDA WIELOWIĄZKOWA budownictwo morskie podstawa mostu 38

39 ECHOSONDA WIELOWIĄZKOWA poszukiwania przedmiotów kontener i samochód 39

40 ZOBRAZOWANIE SONAROWE DNA ZA POMOCĄ SONARU BOCZNEGO 40

41 SONAR EDGETECH 4125-P sztuczna rafa 41

42 Habitat Mapping Biological Resources A B C D E Klein Rao et Inc. al., 1994 Lurton, 2002 Fish stocks / Algae Behaviour (fish, marine mammals) Habitat (sustainable?) Management + pollution issues (man-made, red tides, ) IOPAS Workshop Poland, October

43 Deep-Sea Mounds and Coral Reefs Huvenne et al., 2002 New areas of exploration: IOPAS Workshop Poland, October biology - hydrocarbon exploration - Exclusive Economic Zones 43

44 Gas Seeps Ivanov et al., 1996 Geological interest - Potential risk (e.g. the 2001 mud volcano offshore Baku created a new 1-km 2 island; a neighbouring volcano erupted 10+ times since 1980, with flames 300 m high) Important for geochemical budgets in the ocean Essential component of global carbon cycle assessments (e.g. Wollast, 2002) IOPAS Workshop Poland, October

45 Pollution Old bicycles Traces of old oil rigs Old cars IOPAS Workshop Poland, October

46 SONAR BOCZNY 4100 Side Scan Sonar System Frequency 100 khz 46

47 SONAR BOCZNY wraki 47

48 SONAR BOCZNY wraki Louise B.Crary Frank A. Palmer 48

49 SONAR BOCZNY 49

50 KAMERA AKUSTYCZNA DIDSON Dual frequency IDentification SONar 50

51 KAMERA AKUSTYCZNA SOCZEWKOWANIE AKUSTYCZNE 51

52 KAMERA AKUSTYCZNA 52

53 KAMERA AKUSTYCZNA 53

54 SUBBOTOM PROFILER echosonda jednowiązkowa niskoczęstotliwościowa f=2khz 14kHz 54

55 Profilowanie akustyczno - sejsmiczne Profil sejsmiczny uzyskany u ujścia Amazonki 55

56 SPARKER 56

57 TECHNIKA WOJSKOWA 57

58 Pęcherzyki gazu wydobywające się z rurociągu 58

59 59 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ