Кіріспе
Судың тереңдігін дыбыс толқындарын суға жіберіп, оның қайту уақытын өлшеу арқылы анықтау. Эхолокация немесе тереңдік өлшеу – судың тереңдігін (батыметрия) анықтау үшін сонарды қолдану. Бұл суға акустикалық толқындарды жіберу және импульстің таратылуы мен қайтуы арасындағы уақыт аралығын тіркеуді қамтиды; нәтижеде алынған уақыт, судағы дыбыс жылдамдығын білу арқылы сонар мен нысана арасындағы қашықтықты анықтауға мүмкіндік береді. Бұл ақпарат көбінесе навигациялық мақсаттар үшін немесе карта жасау үшін тереңдіктерді алу мақсатында қолданылады. Эхолокацияны басқа нысандарға, мысалы, балық үйірлеріне қашықтықты өлшеу үшін де пайдалануға болады. Гидроакустикалық зерттеулер дәстүрлі түрде балықтың биомассасын және кеңістіктегі таралуын бағалау үшін қайықтан жүргізілетін мобильдік зерттеулерді қолданады. Керісінше, бекітілген орналасу әдістері өтетін балықтарды бақылау үшін тұрақты түрлендіргіштерді пайдаланады. "Тереңдік өлшеу" сөзі дыбыс қолданбастан тыс тереңдікті өлшеудің барлық түрлері үшін қолданылады және бұл сөз "дыбыс" сөзінің шу немесе тон мағынасындағы түбірінен мүлдем бөлек. Эхолокация – бұрынғы тереңдік өлшеу әдісіне қарағанда тереңдікті өлшеудің жылдам әдісі.
Echo sounding or depth sounding is the use of sonar for ranging, normally to determine the depth of water (bathymetry). It involves transmitting acoustic waves into water and recording the time interval between emission and return of a pulse; the resulting time of flight, along with knowledge of the speed of sound in water, allows determining the distance between sonar and target. This information is then typically used for navigation purposes or in order to obtain depths for charting purposes. Echo sounding can also be used for ranging to other targets, such as fish schools. Hydroacoustic assessments have traditionally employed mobile surveys from boats to evaluate fish biomass and spatial distributions. Conversely, fixed location techniques use stationary transducers to monitor passing fish. The word sounding is used for all types of depth measurements, including those that don't use sound, and is unrelated in origin to the word sound in the sense of noise or tones. Echo sounding is a more rapid method of measuring depth than the previous technique of lowering a sounding line until it touched bottom.
Тарих
Неміс өнертапқышы Александр Бехмге 1913 жылғы 22 шілдеде эхозонд (теңіздің тереңдігін, кемелердің немесе кедергілердің қашықтығы мен бағытын шағылысқан дыбыс толқындары арқылы өлшейтін құрылғы) ойлап тапқаны үшін неміс патенті №282009 берілді. Осы уақытта Францияда физик Пол Ланжевин (Мари Кюримен байланысы бар) және ядролық физика саласындағы зерттеулерімен танымал болды. Ол 2-ші дүниежүзілік соғыстың басында француз әскери-теңіз флотының зертханаларына қабылданды және (кейін құпия болған) суастына қарсы күреске арналған белсенді сонарлар бойынша зерттеулер жүргізді (пьезоэлектрлік сәуле шығарушыны пайдаланып). Оның жұмысын Чиловски, Флориссон және Пьер Марти сияқты басқа ғалымдар мен техниктер дамытып, іске асырды. Толыққанды жұмыс істейтін эхозонд (сонар) соғыс уақытында пайдалануға дайын болмаса да, 1920 жылы Тулон мен Манш (Канал) жағалауларында сәтті сынақтар өтті және азаматтық қолдану үшін француз патенттері алынды. Океанографиялық кемелер мен француз ашық теңізде балық аулауға көмектесетін кемелер 20-шы жылдардың ортасы мен соңында Langevin Florisson және Langevin Marti үлгілеріндегі дыбыс жазатын сонарлармен жабдықталды. Алғашқы коммерциялық эхо-талдамалық құрылғылардың бірі – Fessenden Fathometer, ол дыбыс толқындарын жасау үшін Fessenden осцилляторын қолданды. Бұл құрылғыны алғаш рет 1924 жылы Submarine Signal Company компаниясы M&M лайнері S.S. Berkshire-ке орнатты.
One of the first commercial echo sounding units was the Fessenden Fathometer, which used the Fessenden oscillator to generate sound waves. This was first installed by the Submarine Signal Company in 1924 on the M&M liner S. S. Berkshire.
Техника
Қашықтық сигналдың шығу импульсінен кері қайтуына дейінгі уақыттың жартысын судағы дыбыс жылдамдығына көбейту арқылы өлшенеді, ол шамамен секундына 1,5 шақырымды құрайды [T÷2×(секундына 4700 фут немесе секундына 1,5 км)]. Гидрография сияқты эхосондаудың нақты қолданылуы үшін дыбыс жылдамдығын суға дыбыс жылдамдығын өлшейтін зондты түсіру арқылы да анықтау қажет. Эхосондау – бұл түбін табу үшін қолданылатын сонардың арнайы түрі. Су тереңдігінің дәстүрлі бірлігі – фатом болғандықтан, су тереңдігін анықтайтын құрал кейде фатометр деп аталады. Картаға түсірілген мұхит тереңдіктерінің көпшілігі орташа немесе стандартты дыбыс жылдамдығын пайдаланады. Егер жоғары дәлдік қажет болса, мұхит аймақтары үшін орташа және тіпті маусымдық стандарттар қолданылуы мүмкін. Көбінесе арнайы мақсаттағы немесе ғылыми зерттеулерге арналған жоғары дәлдік тереңдіктер үшін температураны, қысымды және тұздылықты өлшеу үшін сенсор төмендетіледі. Бұл факторлар жергілікті су қабатындағы дыбыстың нақты жылдамдығын есептеу үшін қолданылады. АҚШ Жағалауды зерттеу кеңсесі осы әдісті АҚШ жағалау суларының навигациялық зерттеулері үшін жүйелі түрде қолданады.
Бір сәулелі
Бір сәулелі эхо-саундер – су асты дыбыс локаторларының ең қарапайым және негізгі түрлерінің бірі. Олар қайықтарда кеңінен қолданылады және түрлі теңіз роботтық құрылымдарда пайдаланылады. Ол суға импульс жіберіп, қайта оралған эхоны тыңдайтын түрлендіргішті пайдаланады. Алған деректерді пайдаланып, ол ең күшті эходан арақашықтықты анықтайды, ол теңіз түбі, бетонды құрылыс немесе басқа да ірі кедергі болуы мүмкін. Балық іздегіш – демалыс және коммерциялық балық аулаушылар қолданатын эхо-сондау құрылғысы.
Жалпы қолданылуы
Навигацияға көмек ретінде (көптеген ірі кемелерде кемінде қарапайым батырлық өлшегіші болады) эхо-сондау балық аулауда кеңінен қолданылады. Көтерілістегі өзгерістер көбінесе балық жиналатын жерлерді көрсетеді. Балықтардың үйірлері де анықталады.
Гидрографиялық
Деректі батиметрия қажетті аймақтарда гидрографиялық жұмыстар үшін дәл эхолот қолданылуы мүмкін. Мұндай жүйені бағалау кезінде вертикальдік дәлдік, ажыратымдылық, тарату/қабылдау сәулесінің акустикалық сәуле кеңдігі және түрлендіргіштің акустикалық жиілігі сияқты көптеген факторлар қарастырылады. Гидрографиялық эхолоттардың көпшілігі қос жиілікті болып келеді, яғни төмен жиілікті импульс (әдетте 24 кГц шамасында) жоғары жиілікті импульспен (әдетте 200 кГц шамасында) бір уақытта жіберіледі. Екі жиілік дискретті болғандықтан, екі қайтару сигналы әдетте бір-біріне кедергі келтірмейді. Қос жиілікті эхолокацияның көптеген артықшылықтары бар, соның ішінде тамыр қабатын немесе тау жынысы қабатының үстіндегі жұмсақ лай қабатын анықтау мүмкіндігі бар. Гидрографиялық операциялардың көпшілігі 200 кГц түрлендіргішін пайдаланады, ол жағалау аймағында 100 метрге дейінгі тереңдікте жұмыс істеуге қолайлы. Терең суларға төмен жиілікті түрлендіргіш қажет, себебі төмен жиілікті акустикалық сигнал су бағанында әлсіреуге аз бейім. Терең суды зерттеу үшін жиі қолданылатын жиіліктер – 33 кГц және 24 кГц. Гидрограф үшін түрлендіргіштің сәуле кеңдігі де маңызды, өйткені жиналған деректердің ең жақсы ажыратымдылығын алу үшін тар сәуле кеңдігі қажет. Жұмыс жиілігі жоғары болған сайын, сәуле кеңдігі тар болады. Сондықтан терең суда дыбыс шығару өте маңызды, себебі акустикалық импульстің қамту аймағы алыс теңіз түбіне жеткенде өте үлкен болуы мүмкін. Көп спектрлі көп сәулелі эхолот – қос жиілікті тік сәулелі эхолоттың кеңейтілген түрі, ол сонардың тікелей астында екі әртүрлі жиілікте екі өлшемді өлшеуден өзге, бірнеше жиіліктерде, әртүрлі жайылым бұрыштарында және теңіз түбіндегі әртүрлі жерлерде бірнеше өлшемді өлшеуге мүмкіндік береді. Бұл жүйелер «көп сәулелі эхолоттар» бөлімінде егжей-тегжейлі сипатталған. Эхолоттар зертханалық қолданбаларда шөгінділердің тасымалдануын, тозуын және эрозия процестерін масштабты модельдерде (гидравликалық модельдер, каналдар және т.б.) бақылау үшін қолданылады. Оларды 3D контурлардың сызбаларын жасау үшін де пайдалануға болады.
Гидрографиялық эхо-сондау стандарттары
Гидрографиялық эхосонданың қажетті дәлдігі мен туралығы Халықаралық Гидрографиялық Ұйымның (ХО) IHO стандарттары бойынша жүргізілетін зерттеулерге қойылатын талаптармен анықталады. Бұл мәндер IHO S44 басылымында қамтылған. Осы стандарттарға қол жеткізу үшін гидрографиялық зерттеуші эхосонда мен түрлендіргіштің тік және көлденең туралығын ғана емес, сонымен қатар зерттеу жүйесін тұтастай қарастыруы керек. Кеменің су бетіндегі қозғалысын ескере отырып, тереңдік өлшемдерін түзету үшін (бір сәулелі эхосондауда) қозғалыс сенсоры, әсіресе көтерілу компоненті қолданылуы мүмкін. Әр сенсордың белгісіздіктері анықталғаннан кейін гидрограф IHO-ның талаптарына зерттеу жүйесінің сәйкес келетінін анықтау үшін белгісіздік бюджетін жасайды. Әртүрлі гидрографиялық ұйымдар өздерінің далалық процедуралары мен нұсқаулықтарын гидрографиялық зерттеушілерге қажетті стандарттарды сақтауға бағыттайды. Мысалдардың екеуі – АҚШ Армиясының Инженерлік корпусының EM110 2 1003 басылымы және NOAA-ның «Далалық процедуралар жөніндегі нұсқаулық».