Eholots

Eholots ir ultraskaņas ierīce, kas paredzēta ūdenstilpju dziļuma noteikšanai. Ar to var noteikt arī zivju bara atrašanās vietas, bet no zemūdenes — uzmeklēt citas zemūdenes.

Eholota darbības shēma

Dziļuma mērīšanas principi

Eholots pēc būtības ir laika mērīšanas ierīce, kura izmanto raidītāju un uztvērēju, lai izmērītu ūdens dziļumu zem kuģa. Akustiskā enerģija no vibratora - raidītāja tiek pārraidīta perpendikulāri jūras dibena virsmai. Daļa no noraidītās enerģijas tiek atstarota un uztverta vibratorā - uztvērējā. Tā kā skaņas viļņu ātrums ūdenī ir 1 500 m/s, bet patērētais laiks starp signāla noraidīšanu un uztveršanu var tikt izmērīts, ir iespējams aprēķināt dziļumu:

$h={\frac {v\cdot t}{2}}$,

kur h - dziļums, v - skaņas ātrums, t - laika periods, kas nepieciešams signālam, lai nokļūtu līdz dibenam un atpakaļ.

Noraidītā impulsa ilgums nosaka iekārtas izšķirtspēju. Izšķirtspēja nosaka to vai ūdenī esoši tuvu viens otram vai tuvu dibenam izvietoti objekti tiks uzrādīti vai ierakstīti kā atsevišķi esoši. Šis raksturlielums ir īpaši svarīgs zvejas kuģu eholotiem, kur izmanto īpaši īsus 0,25 vai 0,5 ms impulsus.

$D=v\cdot l$,

kur D - izšķirtspēja metros, v - skaņas ātrums ūdenī, l - impulsa ilgums.

Samazinot impulsa ilgumu palielinās ne tikai izšķirtspēja, bet samazinās atbalsošanās (reverberation - angļu val.) trokšņi. Tomēr šādā veidā samazinot signāla stiprumu, samazinās kopējās noraidītās enerģijas daudzums un līdz ar to arī maksimālais darba dziļums. Vairumam eholotu impulsu ilgumu var regulēt atkarībā no darba dziļuma. Seklās vietās labākai izšķirtspējai izmanto īsākus impulsus. Bet darbam lielos dziļumos izmanto garākus impulsus.

Pie vienādiem impulsu ilgumiem, maksimāli uzrādāmo dziļumu nosaka impulsu sekošanas frekvence. Tas ir laika intervāls starp impulsiem, kad raidīšana ir pārtraukta un notiek atstarotā signāla gaidīšana. Maksimāli uzrādāmo dziļumu nosaka šādi:

$r={\frac {v\cdot p}{2}}$,

kur r - maksimāli uzrādāmais dziļums, v - skaņas ātrums ūdenī, p - laiks starp impulsiem sekundēs.

Akustiskais signāls var tikt atstarots no jūras dibena arī dziļāk par maksimāli uzrādāmo dziļumu. Tādā gadījumā atstarotais signāls tiks uztverts nākamajā gaidīšanas periodā un tiks uzrādīts dziļumā, kurš ir par maksimāli uzrādāmo dziļumu mazāks nekā faktiskais. Šādu signālu uztveršanu ierobežo ieviešot "aizturi", kad signāli tiek sākti uztvert tikai pēc kaut kāda laika perioda no pārraidīšanas brīža.

Darbības princips

Salīdzinot ar citiem kuģu vadīšanas tehniskajiem līdzekļiem eholotu darbības princips ir salīdzinoši vienkāršs. Pirmie eholoti bija elektromehāniski. Parasti tie bija aprīkoti arī ar pašrakstītāju. Pēc tam parādījās ciparu displeja iekārtas. Mūsdienās eholotus vada mikroprocesori.

Elektromehāniskais eholots

Svārstību kontūrs. Kondensators C uzkrāj enerģiju tā elektriskajā laukā un spole L uzkrāj enerģiju tās magnētiskajā laukā.

Elektromehāniskais ir pats vecākais eholota veids. Tas sastāv no apaļas ciparnīcas, kura sadalīta dziļuma iedaļās, un rādītāja, kurš nostiprināts uz ass. Rādītāja galā atrodas neona lampiņa. Asi kopā ar rādītāju griež elektromotors, kura rotācijas frekvenci uztur pastāvīgu ar automātisku frekvences regulatoru. Ir būtiski, lai rādītājs rotētu vienmērīgi un proporcionāli izmērītajam dziļumam. Uz ass izvietots izcilnis, kurš brīdī, kad lampiņa šķērso nulles atzīmi, saslēdz kontaktus un dod signālu releja vadības ķēdei.

Elektromagnētiskā eholota raidītājs sastāv no kondensatora, kurš pieslēgts līdzstrāvas avotam. Tiklīdz releja vadības ķēdē nonāk signāls, tas pieslēdz uzlādēto kondensatoru magnetostrikcijas vibratora - raidītāja spolei. Izveidojas svārstību kontūrs ar rimstošām svārstībām. Vibrators - raidītājs noraida ultraskaņas enerģiju pārsvarā starā, kas vērsts pret ūdenstilpes dibenu. Tomēr staram ir arī nelielas sānu daivas un ar tām skaņas enerģija nonāk vibratorā - uztvērējā.

Vibratorā - uztvērējā raidīšanas laikā nonākušās mehāniskās svārstības inducē nelielu elektrodzinējspēku. Tas tiek pastiprināts un pievadīts transformatora primārajam tinumam. No sekundārā tinuma noņemto signālu pievada lampiņai, kura iedegas praktiski pie nulles atzīmes. Transformators nepieciešams, lai pārnestu signālu uz kustīgo asi ar rādītāju un lampiņu. Sekundārais tinums ir kustīgs un uzmontēts uz rotējošās ass.

Arī no dibena atstarotais skaņas impulss iesvārsta vibratoru - uztvērēju, inducē elektrodzinējspēku, kurš tiek pastiprināts un caur transformatoru iededz lampiņu. Tikai šoreiz rādītājs ar lampiņu ir pagriezies par leņķi, kurš ir tieši saistīts ar izmērīto dziļumu. Neona lampiņa tiek lietota, jo tai ir maza inerce, t.i. tā momentāni iedegas pievadot spriegumu un momentāni nodziest, kad spriegums pazūd. Kad rādītājs atkal sasniedz nulles atzīmi, process atkārtojas. Tā kā rādītāja rotācija ir visai ātra, novērojot skalu atsevišķie gaismas uzplaiksnījumi saplūst vienā un ir redzama nepārtraukta gaismas indikācija pie nulles atzīmes un atzīmes, kura atbilst ūdens dziļumam zem ķīļa.

Pašrakstītājs

Apgriezto kvadrātu likums. S ir starojuma avots, bet r attālums no tā. Līnijas ir plūsma, kuru izstaro avots. Kopējais plūsmas līniju skaits ir atkarīgs no avota stipruma un ir konstants palielinoties attālumam. Lielāks plūsmas līniju blīvums (uz laukuma vienību) nozīmē spēcīgāku lauku. Plūsmas līniju blīvums ir apgriezti proporcionāls attāluma no avota kvadrātam, jo sfēras laukums palielinās proporcionāli tās rādiusa kvadrātam. Tādējādi lauka intensitāte ir apgriezti proporcionāla attāluma no avota kvadrātam.

Eholots uzrāda dziļumu ne tikai skaitliskā veidā, bet arī grafiski, izmantojot pašrakstītāju. Pašrakstītājs ļauj aplūkot dziļuma mērījumu vēsturi un tas sastāv no diviem vertikāli novietotiem rullīšiem starp kuriem vienmērīgā ātrumā tiek pārtīts papīrs bezgalīgas lentes veidā. Viens no rullīšiem ir sazemēts un pa to slīd metālisks pašrakstītāja indekss, kurš, savukārt, nostiprināts starp diviem skrituļiem rotējošā siksnā. Svarīgi, lai indekss pa papīru slīdētu vienmērīgi un proporcionāli izmērītajam dziļumam, tādēļ siksnas piedziņas motora ātrumu regulē un uztur vienmērīgu tahoģenerators. Brīdī, kad indekss slīd caur nulles atzīmi, saslēdzas kontakti un tiek nosūtīts signāls uz raidītāju, uztvērēju un ciparu displeja iekārtu. Ja kontakti tiek saslēgti ātrāk, signāls tiek nosūtīts ar tādu laika aizturi, kas nepieciešama indeksam nulles atzīmes sasniegšanai.

Raidītājā no pašrakstītāja kontaktiem saņemtais signāls vispirms nonāk pārraidīšanas ilguma ķēdē, kur tiek formēts pārraidāmā impulsa ilgums. Impulsa ilgums tiek iestatīts lielāks, ja tiek izvēlēta lielāka dziļuma skala, savukārt, impulsa ilgums tiek iestatīts mazāks, ja tiek izvēlēta mazāka dziļuma skala. Pēc tam impulss tiek pievadīts oscilatoram, kura izejā tiek ģenerēts nepieciešamās frekvences un pārraidīšanas ilguma ķēdē noteiktā ilguma impulss. Pie tam oscilatora ģenerētā impulsa frekvence sakrīt ar vibratora - raidītāja pašsvārstību frekvenci. Pēc tam impulsu pastiprina un pievada vibratoram - raidītājam.

Kad vibrators - raidītājs darbojas, uztvērējā nonāk lielas amplitūdas signāls, kurš to var sabojāt. Tādēļ no pašrakstītāja kontaktiem saņemtais signāls, pēc nelielas laika aiztures, kura nepieciešama, lai pabeigtu skaņas impulsa noraidīšanu, iedarbina mainīgā pastiprinājuma ķēdi. Uztvertā signāla pastiprināšana notiek atbilstoši apgriezto ceturto pakāpju likumam. Tādā veidā atstarotie signāli, kuri nonāk uztvērējā drīz pēc raidīšanas un ir ar lielu amplitūdu, netiek pārmērīgi pastiprināti un nepārslogo uztvērēju. Atstarotā skaņas signāla amplitūda samazinās palielinoties dziļumam, bet ar mainīgā pastiprinājuma ķēdi tiek iegūti apmēram vienādas amplitūdas signāli no visiem dziļumiem.

Tomēr dažāda sastāva grunts var dot dažāda stipruma (amplitūdas) atstarotos signālus pie vienāda izmērītā dziļuma. Šī iemesla dēļ, pēc mainīgā pastiprinājuma ķēdes, signālam var būt atšķirīga amplitūda. Mainīgā pastiprinājuma ķēdē pastiprināto signālu pievada logaritmiskajam pastiprinātājam, kura izejā tiek iegūts līdzstrāvas signāls ar amplitūdu logaritmiski proporcionālu uztvertā signāla stiprumam. Līdzstrāvas signāls no uztvērēja tiek nosūtīts atpakaļ uz pašrakstītāju.

Atzīme uz elektrotermiskā papīra tiek veikta to iededzinot ar augsta sprieguma maiņstrāvu. Metāliskajam pašrakstītāja indeksam tiek pievadīta maiņstrāva no drukas sprieguma oscilatora caur pastiprinātāju. Kamēr uztvērējā nav pienācis atstarotais signāls, drukas pastiprinātāja izejā esošais maiņspriegums nav pietiekošs, lai uz papīra iededzinātu atzīmi. Kad šim maiņspriegumam tiek pievadīts līdzstrāvas signāls no uztvērēja, tiek pacelta maksimālā voltāža un uz papīra tiek iededzināta atzīme. Jo stiprāks uztvertais signāls, jo lielāks spriegums ar ko to iededzina uz papīra.

Ciparu displeja iekārta

Ciparu displeja iekārta, tāpat kā raidītājs un uztvērējs, saņem signālu no pašrakstītāja, kad tā indekss šķērso nulles atzīmi un sākas jauns dziļuma mērījums. Šis signāls izdzēš iepriekšējo rādījumu no skaitītāja un iedarbina pulksteņa oscilatoru. Pulksteņa oscilators darbina trīs ciparu skaitītāju, turklāt tā impulsu sekošanas frekvence ir iestādīta tāda, lai skaitītājs saskaitītu no 000 līdz 999 tieši tik ilgā laikā, kāds nepieciešams pašrakstītāja indeksam, lai noietu attālumu no nulles atzīmes līdz maksimālā dziļuma atzīmei izvēlētajā dziļuma skalā. Tādā veidā skaitītāja rādījums ir tieši saistīts ar izmērīto dziļumu. Ja tiek pārslēgta lielāka dziļuma skala, vienlaicīgi tiek samazināta oscilatora frekvence tiek par tādu pašu reižu skaitu.

Skaitīšana tiek pārtraukta saņemot signālu par atstaroto impulsu no uztvērēja vai sasniedzot rādījumu 999. Kuģa radītais troksnis, aerācija u.c. var izraisīt kļūdainu skaņas impulsu uztveršanu, kuri tiks parādīti uz pašrakstītāja papīra lentes krasi atšķirīgā dziļumā un tādēļ viegli atpazīstami. Bet uz displeja šādi kļūdaini mērījumi izraisīs haotiskas indikācijas un nebūs viegli atpazīstami. Šī iemesla dēļ, katru mērījumu ievada atmiņā un parāda uz displeja tikai tad, ja divi viens otram sekojoši mērījumi ir vienādi. Displejā nav redzams kā skaitītāja rādījums tiek izdzēsts un mainās tā vērtība. Displejs mainās tikai tad, kad elektronisks aizbīdnis atļauj pārkopēt datus no skaitītāja. Izmaiņas displejā redzamas kā izmērītā dziļuma maiņa.

Ciparu displeja iekārta var strādāt arī ar izslēgtu pašrakstītāju. Tādā gadījumā tiek iedarbināts atsevišķs impulsu ģenerators mērīšanas sākšanas signāla nosūtīšanai uz raidītāju, uztvērēju un ciparu displeja iekārtu. Šis impulsu ģenerators strādā ar skaņas impulsu sekošanas frekvenci.

Pastāv iespēja iestatīt trauksmes signālu, kad uzrādītais dziļums zem kuģa ķīļa samazinās zem kaut kāda iepriekš izvēlēta lieluma.

Vibratori

Eholoti var būt apgādāti ar diviem vai vienu vibratoru. Elektromehāniskajam eholotam nepieciešami divi vibratori. Pārējie bieži, it sevišķi mūsdienās, raidīšanai un uztveršanai izmanto vienu un to pašu vibratoru.

Akustiskā enerģija tiek pārraidīta vertikāli uz leju šaurā starā. Stara platumam nevajag būt pārlieku šauram, jo tad, kuģim zvalstoties, atstaroto signālu var neuztvert. Tāpat ātri kuģi izmantojot zemu impulsu sekošanas frekvenci var aiziet tālāk uz priekšu un nepaspēt uztvert atstaroto signālu. Parasti stara platums ir robežās no 15° līdz 25°. Lai iegūtu šādu, relatīvi šauru, staru, jāizmanto vibratori ar izmēru salīdzināmu daudziem skaņas viļņa garumiem. Tātad priekš izmantotajām zemākajām akustiskajām frekvencēm, vibratoram būs lieli gabarīti.

Lai samazinātu vibratora izmēru pie nemainīgi šaura stara, var palielināt darba frekvenci. Tomēr tādā gadījumā signāls tiek vairāk vājināts. Vibratori tiek izgatavoti ievērojot kompromisu starp frekvenci, gabarītiem un stara platumu.

Pjezoelektriskais efekts.

Vibratoru uz kuģa izvieto pēc iespējas tālāk no tādām turbulencei pakļautām vietām kā dzenskrūve vai dzesēšanas ūdens izplūdes rajoni. Iespējams lielākā problēma ir aerācija. Kaut kādu iemeslu dēļ ūdenī radušies gaisa burbuļi, plūstot tuvu vibratoram, atstaros tā signālus un eholots uzrādīs nepareizu dziļumu. Kuģim ejot caur ūdeni veidojas priekšgala vilnis. Šis vilnis paceļoties no ūdens virsmas un plūstot gar kuģa bortu tiek piesātināts ar gaisu. Vilnis iegāžas atpakaļ jūrā apmēram pēc vienas trešdaļas no kuģa garuma. Šī iemesla dēļ vibratoru uzstāda kuģa priekšējā trešdaļā. Cits aerācijas iemesls ir kavitācija. Kuģa korpuss reti ir līdzens un dažādi iespiedumi vai nelīdzenumi radīs burbuļus. Tomēr nelīdzenumus korpusā nav iespējams paredzēt, jo tie netiek projektēti.

Kā vibratorus izmanto elektrostrikcijas, pjezoelektriskos vai magnetostrikcijas elementus. Elektrostrikcijas un pjezoelektriskie materiāli maina savu izmēru, ja tiem pievada elektrisko strāvu. Un otrādi - pakļaujot tos mehāniskam spiedienam rodas potenciālu starpība. Elektrostrikcijas materiālu pašsvārstību frekvence ir apgriezti proporcionāla to biezumam. Lai iegūtu augstas frekvences, kristāla gabalam jābūt plānam un tas kļūst trausls. Kristāla trauslums ierobežo pievadāmās jaudas lielumu, jo mehāniskais spriegums, kas rodas kristālā, ir tieši saistīts ar pievadīto jaudu. Kuģim šūpojoties tā priekšgalā izvietotais vibrators var tikt pakļauts lielām slodzēm un, būdams trausls, saplīst. Un otrādi, ja nepieciešams iegūt zemas frekvences, kristāla gabals būs pārmērīgi biezs un būs jāpievada liela jauda, lai tas vibrētu. Elektrostrikcijas vibratorus uz lieliem kuģiem izmanto tur, kur var iztikt ar nelielu pievadīto jaudu un kur tiek izmantota augsta frekvence, piemēram, Doplera lagās.

Magnetostrikcija ārēja, mainīga magnētiskā lauka iespaidā.

Eholotos parasti izmanto magnetostrikcijas vibratorus. Tie sastāv no feromagnētiska stieņa, kurš ievietots elektriskajā spolē. Pievadot spolei strāvu, rodas magnētiskais lauks un stieņa garums palielinās. Atvienojot no spoles strāvu, stienis atgriežas sākotnējā garumā. Pievadot spolei pretējas polaritātes strāvu, stieņa garums atkal palielinās. Tāpat ir spēkā arī apgrieztais efekts - iesvārstot stieni spolē inducējas neliels elektrodzinējspēks. Stieni parasti izgatavo no daudzām, kopā satītām, niķeļa plāksnēm, lai samazinātu zudumus virpuļstrāvās. Vibrators ir izturīgs pret viļņu triecieniem, piemērots darbam zemās frekvencēs un tam var pievadīt lielu jaudu, kāda nepieciešama darbam lielos dziļumos. Magnetostrikcijas vibratoru trūkums ir tāds, ka tie vibrē ar divas reizes lielāku frekvenci nekā pievadītais signāls. To novērš uzstādot pastāvīgu magnētu, kurš kopējam magnētiskajam laukam neļauj mainīt polaritāti mainoties spoles magnētiskā lauka polaritātei.

Hidrogrāfiskie eholoti

Hidrogrāfiskais kuģis izmantojot daudzstaru eholotu un sānus skenējošo hidrolokatoru.

Hidrogrāfiskie kuģi izmērot ar eholotu ūdens dziļumu zem ķīļa un pieskaitot kuģa iegrimi iegūst patieso ūdens dziļumu, kādu uznes uz jūras kartēm. Mērījumus veic sekojot līnijām, kuru attālumu nosaka izgatavojamās kartes mērogs. Jo lielāks mērogs, jo mazāks attālums starp blakus esošajām mērījumu līnijām. Jo mazāks kartes mērogs, jo lielāks var būt attālums starp mērījumu līnijām. Metodes trūkums ir tāds, ka var pastāvēt izolēti objekti ar mazāku ūdens dziļumu virs tiem, izvietoti starp mērījumu līnijām, kuri var netikt pamanīti.

Sānus skenējošais hidrolokators (Side Scan Sonar (SSS) - angļu val.) ir ierīce, kuru, parasti, velk aiz kuģa un zem ūdens. Tā izstaro akustisko enerģiju vēdekļveidā. Izstarotās enerģijas platums kuģa priekšgala un pakaļgala virzienā ir mazs, bet kuģa bortu virzienā, ļoti liels. Ar sānus skenējošo hidrolokatoru tiek iegūts ūdenstilpes dibena attēls abās pusēs kuģa ceļa līnijai. No iegūtā attēla nevar spriest par ūdens dziļumu virs redzamajiem objektiem, bet iespējams atklāt šādus objektus, kuri izvietoti starp mērījumu līnijām. Pēc tam, nepieciešamības gadījumā, jāatgriežas virs atklātā objekta un ar eholotu jāizmērī ūdens dziļums virs tā.

Daudzstaru eholots (Multi-Beam Echo Sounder (MBES) vai Swathe Echo Sounder - angļu val.) izstaro akustisko enerģiju vēdekļveidā. Izstarotās enerģijas platums kuģa priekšgala un pakaļgala virzienā ir mazs, bet kuģa bortu virzienā, ļoti liels. Zinot laiku, kāds nepieciešams, lai atstarotais signāls atgrieztos, un zinot skaņas ātrumu ūdenī, sistēma var aprēķināt daudzus dziļumus dažādos leņķos un attālumos no kuģa visā izstarotās enerģijas vēdekļa platumā. Tas ļauj katram impulsam ģenerēt simtiem dziļuma mērījumu. Ar daudzstaru eholotu skenētas ūdenstilpes dibenā nav nepamanītu, bīstamu objektu vai vietu ar neizmērītu dziļumu virs tām, ja vien atsevišķu mērījumu līniju vēdekļi nedaudz pārklājas.

Ārējās saites

• Vikikrātuvē par šo tēmu ir pieejami multivides faili. Skatīt: Eholots.

• Encyclopædia Britannica raksts (angliski)
• Tetley L. un Calcutt D. grāmata par elektroniskajām navigācijas sistēmām Electronic Navigation Systems 3. izdevums. Tās 2. nodaļa veltīta lagām (angliski)
• Video par eholotu darbību (angliski)