ekkolodd

Den ekkolodd er en enhet som brukes i skips for den elektroakustiske måling av vanndybder ( høres ). Den tid som har forløpt mellom utsendelsen av en lydpuls ( vannbåret ), og ankomsten av de lydbølger som reflekteres fra bunnen av vannet måles . Det er nyttig å skille mellom ekkolodd for sikker navigering, de som er til oppmålingsformål for å lage sjøkart og bestemme behovet for mudring, spesielt for vannveier og ekkolodd for forskning. Aktive ekkoloddapparater har en veldig lignende funksjon . Disse brukes imidlertid ikke til vertikal bestemmelse av vanndypet, men til det overveiende vannrette stedet, hovedsakelig for militære formål.

Lydutbredelse med ekkoloddet (skjematisk)

historie

Ta opp ekkoene på en papirstripe

Rett før første verdenskrig ble ekkoloddet utviklet i forskjellige land samtidig og stort sett uavhengig av hverandre. I Tyskland oppnådde fysikeren Alexander Behm gjennombruddet med sine keiserlige patenter nr. 310690 fra 7. januar 1916 og nr. 367202 fra 1. juni 1920. For å utnytte oppfinnelsen kommersielt grunnla han Behm-Echolot-Gesellschaft i Kiel. i 1920 .

funksjonalitet

Svinger

For et ekkolodd trenger du en pulslignende lydkilde, det reflekterende gulvet, en lydmottaker, en enhet for å måle tiden mellom det øyeblikket pulsen sendes og mottakelsen av ekkosignalet, samt en metode for konvertering transittiden i avstanden mellom sender / mottakerinnretning og gulvet.

I dag brukes hovedsakelig korte, sinusformede, elektronisk genererte signaler, som konverteres til et akustisk signal med en lydtransduser - også kjent som en oscillator eller sender. Sylindere laget av piezoelektrisk blyzirkonattitanat (PZT) brukes vanligvis som transdusere , hvis sylinderhøyde bestemmer resonansfrekvensen og diameteren som bestemmer retningsoppløsningen. Vanligvis blir det akustiske mottatte signalet også konvertert til et elektrisk signal med den samme lydgiveren. De mottatte signalene vises vanligvis med en penn i vertikale linjer, modulert med intensiteten til det mottatte signalet. På denne måten oppnås en profillinje av havbunnen i rekkefølgen av disse linjene. Tidligere ble det brukt et vokskarbonpapir til dette, der det lette vokslaget ble brent bort avhengig av strømens intensitet. Denne ekkogramopptakeren er nå erstattet av en elektronisk skjerm som oppfyller samme funksjon.

Det er ikke bare havbunnen som forårsaker ekko, men også fisk, vannplanter og andre gjenstander. Luftbobler er spesielt effektive reflektorer. Indikasjonen på fisk er skapt av ekko av luften i fiskens svømmeblære. Resten av fiskekroppen har derimot en lignende akustisk impedans som vannet og reflekterer ikke lyden. Disse ekkoene gir verdifull informasjon til sportsfiskere og fiskere, for eksempel om bratte kanter, hull og vegetasjon der fisk spesielt liker å være. Tilsvarende brukte ekkolodd kalles "fish finders".

Avhengig av om det er en navigasjonslyd, et landmåler eller et ekkolodd for havforskning, er utformingen av elementene til et ekkolodd forskjellig, slik at de blir diskutert hver for seg.

Frekvens, åpningsvinkel og pulssekvens

Frekvensen som brukes, avhenger av oppgaven. Den lyddempning i vann øker sterkt med frekvensen. Dypvannets ekkolodd bruker derfor svært lave frekvenser, vanligvis 10 til 20 kHz. Selv lavere frekvenser er valgt for avløp på grunn av den sterke dempningen av lyden i bakken. I dag bruker navigasjonslydere hovedsakelig frekvenser over 50 kHz.

I standardversjonen brukes sylindriske lydgivere. Sylinderhøyden er avgjørende for frekvensen, mens sylinderdiameteren i forhold til sylinderhøyden (dvs. lydbølgelengden) er avgjørende for strålingsvinkelen. Ved 60 kHz og en diameter på det aktive svingerområdet på 5 cm er vinkelområdet omtrent 30 °. Området der overføringseffekten har falt med 3 dB sammenlignet med det maksimale lydnivået kalles strålingsvinkelen. Dette vinkelområdet er en funksjon av transduserdiameteren i forhold til bølgelengden. Vinkelområdet er derfor omtrent omvendt proporsjonalt med frekvensen. Ved høye frekvenser oppnås en veldig høy oppløsning selv med små transduserområder, mens det ved lave frekvenser for dypvannslydere ville være nødvendig med svært betydelige transduserdiametre, noe som ikke lenger teknisk kan oppnås med individuelle transduserelementer. Grupper av svinger brukes deretter for å oppnå den nødvendige konsentrasjonen.

Pulsrepetisjonsfrekvensen, dvs. hvor ofte ekkolodd kan utføres, avhenger fremfor alt av vanndypet, dybdeområdet som er angitt for den grafiske representasjonen og overføringskraften. Før en ny puls sendes, må selvfølgelig bakkeekkoet ventes. Hvis overføringseffekten er satt for høyt, kan signalet som reflekteres på havoverflaten sendes på nytt som det originale overføringssignalet. Som et resultat kan veldig like jordprofiler forekomme i nøyaktig dobbelt dybde, som deretter mottas etter neste overføringssignal hvis pulssekvensen er for rask og derfor mottas før ekkoet av dette følgende signalet og simulere en dybdeprofil med en mye mindre dybde enn riktig overføringssignal (fantom ekko). Overføringskraften må derfor innstilles avhengig av vanndypet. I moderne rørsystemer gjøres dette automatisk ved å regulere mottaksforsterkningen og tilpasse overføringskraften til det angitte dybdeområdet. Hvis vanndybdeområdet er satt for lavt, kan det fortsatt oppstå fantomekko. Slike flere ekkoer representerer et betydelig problem for sediment ekkolodd og seismiske lydgivere.

Mens signallengden til et rørleggesignal vanligvis er i størrelsesorden 1 ms, er pulsrepetisjonsfrekvensen minst 1,4 s for et dybdeområde på 100 m av de nevnte årsakene.

fotspor

Åpningsvinkelen resulterer i et flatt måleområde (fotavtrykk) på bakken, hvis diameter øker proporsjonalt med dybden. Når det gjelder et stort fotavtrykk, starter ekkoet brått fra det punktet som er nærmest ekkoloddet i fotavtrykket, dvs. bare hvis vanndypet er konstant rett under skipet. Ekkonivået synker ikke brått ved "kantene" av fotavtrykket, som skjematisk bilde antyder, men gradvis. Sterke reflektorer utenfor fotavtrykket kan derfor også gi ekko.

Åpningsvinkel og fotavtrykk
vinkel diameter
10 ° 0,17 × vanndyp
20 ° 0,35 × vanndyp
30 ° 0,53 × vanndyp
40 ° 0,72 × vanndyp
50 ° 0,93 × vanndyp
60 ° 1,15 × vanndyp
70 ° 1,40 × vanndyp
80 ° 1,68 × vanndyp
90 ° 2,00 × vanndyp
100 ° 2,38 × vanndyp

Målingsrekkevidde

Dybde måleområdet avhenger av overføringseffekt, frekvens, samt bakgrunnsstøy og følsomhet. Frekvenser mellom 15 og 50 kHz brukes i ekkolodd på dypt vann. Bakkeneko fra opptil 100 m er allerede nådd ved 200 kHz.

To-dimensjonale loddestrimler

Det konvensjonelle ekkoloddet leverer bare en dybdeverdi per overført lydsignal (ping), dvs. i sekvensen en dybdeprofil på en linje. Dette er utilfredsstillende for kartlegging av havbunnen fordi måleskipet må reise et tett nett av linjer for å generere et tilstrekkelig pålitelig todimensjonalt dybdekart. Det er to måter å komme fra denne rørledningen til en loddestripe i tilfelle overløp og dermed redusere antall nødvendige overløp. Begge er såkalte multibeam ekkolodd . Du kan ordne en hel serie loddbobber ved siden av hverandre, hver med parallelle loddlinjer med lav vinkeloppløsning (overflatelommebob), eller du kan oppnå det samme med et ekkoloddsystem med høy vinkeloppløsning med flere loddbjelker av forskjellige vinkelposisjoner ved siden av hverandre (fan lodd bob).

Transduserenhet (brettet) av et ekkolodd på overflaten; For måleoperasjon brettes de to bevegelige rammedelene utover med svingere
Klingende skip "Laber"
transduserenhet forlenget

Den område ekkolodd blir brukt til å kartlegge meget grunt vann, særlig elver, kanaler og havneområder. En hel serie transdusere brukes ved siden av hverandre med en definert avstand og en liten åpningsvinkel. Nærliggende transdusere betjenes samtidig med forskjellige høye overføringsfrekvenser. Overføringsfrekvensområde, åpningsvinkel og svingeravstand bestemmes av måledybden og bunntilstanden til måleområdet og kan vanligvis stilles inn eller endres.

Vifte ekkolodd

Ved flerstråle er den totale bredden som tar loddestripen i forhold til dybden. Det er derfor uegnet for svært grunne vanndyp i forhold til ekkoloddet, som omvendt ikke lenger kan brukes på større vanndyp.

Når det gjelder flerstråle-ekkoloddet, brukes en gruppe transdusere i lengderetningen for å danne en retningslobe med høyt fokus (f.eks. 1,5 °), men en stor bredde på opptil ca. 150 ° på tvers av kjøreretningen. , dvs. en retningslapp i form av en vifte. I mottakersiden brukes en transdusergruppe på tvers av kjøreretningen. Disse transduserne er sammenkoblet ved forsinkelsestid eller faserotasjon av de mottatte signalene på en slik måte at et stort antall høyoppløselige enkeltlapper dannes samtidig i tverrretningen. Dette kan betraktes som elektronisk panorering av en høyoppløselig stråle. Hvis dette skulle utføres i serie, fra ping til ping (som vanlig med radar), vil dette ta for lang tid fordi lydhastigheten er treg i forhold til lysets hastighet. Resepsjonslappene dannes derfor samtidig. Avhengig av strålenes fordeling over kjøreretningen opprettes en vifte med en bredde på 120 til 150 °. Med moderne systemer kan romåpningen tilpasses vannprofilen, skipets hastighet og vanndypet. Viftevinkler på opptil 210 ° brukes til å måle havneanlegg. Viften fanger striper av havbunnen langs skipets kurs. Jo større vanndypen er, jo bredere blir den registrerte stripen.

Hvis flere overlappende striper er sammenføyd, kan en digital terrengmodell beregnes og til slutt et topografisk kart kan opprettes. En forutsetning for oppmåling med et multi-stråle ekkolodd er et høy presisjon posisjonsføler som data kan brukes til å korrigere den forfalskning av dybdedata forårsaket av skipets bevegelser. Dette er ikke uten problemer:

1. Fotavtrykket blir større og større etter hvert som vinkelen blir flatere, og ekkosignalinngangen blir mer og mer uskarp fordi den ikke lenger kommer fra nærmeste punkt på havbunnen, men fra "kanten" av fotavtrykket;

2. vinkelfeil fører til store feil i avstand og dermed til store feil i beregnet vanndyp; og

3. flatere stråler brytes i stratifisert vann, noe som kan føre til svært store målefeil hvis dette ikke blir tatt nøye i betraktning.

Hensyn til lydens hastighet i vann

Ekkolodd måler tiden fra overføring av overføringspulsen til mottakelsen av ekkoet, men indikerer vanligvis vanndypet, dvs. en avstand. Konverteringen skjer ved hjelp av lydhastigheten, som ikke er konstant, men avhenger av temperaturen, saltinnholdet og trykket. Antagelsen om en konstant lydhastighet, vanligvis 1480 m / s for ekkolodd, fører til dybdefeil på opptil 5%, noe som er forsvarlig for mange formål med ekkoloddet. Lydhastigheten kan ofte justeres. Da er en lydhastighet på 1450 m / s mer passende i ferskvann, noe som reduserer dybdefeilen til mindre enn 2%.

For nøyaktige målinger må disse parametrene bestemmes og tas i betraktning når konverteringstidspunktet til vanndyp omgjøres. Det er forskjellige empiriske formler for dette. Enkel tilnærmelsesformel:

Det betyr:

c = forplantningshastighet (m / s)
T = vanntemperatur (° C)
S = saltholdighet (‰)
D = vanndyp (m)

Denne empiriske formelen beskriver forholdet for 0 ° C <T <40 ° C og 0 ‰ <S <40 ‰.

Typer av ekkolodd

Det er veldig forskjellige ekkolodd, fra håndholdte lydgivere til dypvannsvifter, hvis installasjon krever strukturell vurdering, selv i store forskningsfartøyer.

  • De vanligste ekkoloddene er navigasjonslydene, som finnes på nesten alle vannscootere fra større fritidsseilbåter og motorbåter, og er ofte knyttet til funksjonen til en fiskefinner.
  • Landmåler for landmåling må oppfylle betydelig høyere krav for nøyaktigheten av vanndypebestemmelsen og plasseringen av dybdemålingen.
  • Forskning lodd bobs kan ikke lett skilles fra kartlegging lodde bobs, men de må oppfylle et bredere spekter av oppgaver.

Navigasjonssondere og fiskeoppdagere

Navigasjonslommer brukes primært for å forhindre at transportkjøretøyet treffer bakken og for å støtte sikker navigering. De har vanligvis en loddpenn eller, mer moderne, en for det meste farget skjerm. For å beskytte mot bakkekontakt er det ikke nødvendig at loddboben har nok overføringskraft til dybdeområder på noen få 100 m. Kravene for å bestemme dybdenøyaktigheten reduseres også med økende vanndyp under kjølen. Det er derfor ikke nødvendig å korrigere lydhastigheten for konvertering fra ekkotid til vanndyp. Videre krever en navigasjonsstyrke ikke høy vinkeloppløsning. Innen fotavtrykket måles alltid neste punkt, som i tilfelle av et stort målevinkelområde bare kan være rett under skipet eller på en mindre avstand. Hvis vinkeloppløsningen er lav, er vertikal stabilisering ikke nødvendig for å kompensere for hælen .

I tillegg til advarsel om umiddelbar bakkekontakt, er navigasjonslommer viktige navigasjonshjelpemidler. De planlagte kursene er tegnet med blyant av skipets kommando på sjøkart, som også inneholder konturlinjer og individuelle dybdemålinger relatert til sjøkart null . En sammenligning av disse dybdene med loddedypene gir informasjon om riktig navigering. I tillegg er det ofte i områder med sterke vanndypesvingninger nødvendig å reise gjennom baner ved for høy tidevann , som ifølge sjøkartinformasjonen (vanndybde ved lavest forventede vannstand) ikke er tilstrekkelig. Ekkoloddet gir informasjon om dagens vannstand sammen med sjøkartet. Men selv for dette formålet kreves ikke høyt nøyaktighetsnivå på store vanndyp fordi på grunn av de forventede dybdesvingningene, er en lengre prognose til den lave dybden er nådd ikke lenger nøyaktig.

Luftbobler er veldig gode akustiske reflektorer. Derfor lever fisk lett gjenkjennelige ekko. Ekkoene utløses praktisk talt bare av svømmeblæren og ikke av hele fisken, hvis tetthet og komprimerbarhet er for lik den i det omkringliggende vannet. Så du kan ikke gjenkjenne formen i ekkoloddet, og selv med god erfaring kan du bare estimere størrelsen i svært begrenset grad ut fra ekkostyrken. Likevel gir ekkoloddet fiskeren eller fiskeren viktig informasjon om antall fisk under båten. Av denne grunn blir ekkolodd ofte brukt som " fiskeoppdagere ". Mens man ikke tilstreber en høy oppløsning for navigasjonsrørleggerfunksjonen, er det mer en fordel for fiskefunnfunksjonen. Derfor blir ekkoloddene nå utstyrt med en ytterligere, betydelig høyere overføringsfrekvens, spesielt i fritidsbåtsektoren. Fordi vinkeloppløsningen er proporsjonal med transduserdiameteren i forhold til bølgelengden, er den betydelig høyere ved den andre, høyere frekvensen (vanligvis 200 kHz) enn ved frekvensen 50 til 80 kHz ellers brukt.

I tillegg til fiskefinnerfunksjonen til en navigasjonsdykk, bruker større kommersielle fiskefartøyer vanligvis andre spesielle lommer for å finne fisk og fiskeskoler, ved hjelp av hvilke fiskeskoler som kan spores og ved hjelp av hvilke nettedypen kan også settes i pelagisk havfiske . Funksjonen til disse lydgiverne er ofte lik den for et vifteassistert ekkolodd eller en høyfrekvent ekkoloddanordning .

Undersøkelse ekkolodd

Helt forskjellige krav stilles til ekkolodd for dybdemåling for datainnsamling og korrigering av sjøkart, samt for å bestemme behov og fakturering i mudring enn for navigasjonslydere. Den IHO har bestemt den nødvendige nøyaktighet av dybder og posisjoner

Dybde [m] Dybdefeil [m] Posisjonsfeil [m]
5 1 20.
20. 1.2 21
100 2.5 25
500 11.5 45
IHO dybde og posisjonsnøyaktighet

Disse feilene inneholder summen av alle målefeil som navigasjonsnøyaktighet, krengning av skipet, korrekthet av lydhastigheten, bestemmelse av ekkotiden og gjeldende vannstand. I havner og andre spesielle steder kreves det mye høyere nøyaktighet. I tillegg til tiltak som ikke påvirker ekkoloddet, for eksempel veldig presis navigering og tar hensyn til gjeldende vannstand, på større vanndyp, må ekkolodddybden beregnes ved hjelp av den nåværende målte lydhastigheten og bruken av en godt bunket svinger som er vertikalt stabilisert. Den tette buntingen og den vertikale stabiliseringen tjener mindre for den nøyaktige lokaliseringen av målepunktet enn for å unngå dybdefeil på skrå havbunn eller krengende målefartøy.

I tillegg er det mer effektivt å bruke ekkolodd med multistråler, fordi det ellers er nødvendig med for tette maskelinjer for en dybdemåling. De såkalte overflatelommene er spesielt egnet i veldig grunt vann fordi de relativt enkelt oppfyller nøyaktighetskravene. Vifte-ekkolodd er uunngåelig i dette tilfellet på større vanndyp. Imidlertid avtar nøyaktigheten av dybdemålingen med økende avstand mellom de respektive målebjelkene fra vertikalen, fordi målebjelkenes fotavtrykk øker, noe som øker effekten av skrå havbunn og feil i hælkorreksjonen. I tillegg brytes målebjelkene hvis lydhastigheten er avhengig av dybden, noe som kan føre til betydelige målefeil selv med en kompleks korreksjon. Det krever evaluering av en god spesialist som kan vurdere viftevinklene som den nødvendige nøyaktigheten fremdeles kan oppnås med. Men til tross for disse begrensningene, er det fornuftig å bruke en vifteformet loddbob. Den vertikale stabiliseringen er lettere med vifteformede perpendikularer enn med single-beam perpendiculars, fordi det kan gjøres elektronisk ved å tilordne bjelkene til vinklene. I tillegg kan små dybdeavvik som ellers kunne overses mellom banemasker registreres i det minste kvalitativt slik at de kan måles nøyaktig ved et supplerende overløp.

Ekkolodd for forskning

Spesielle ekkolodd brukes ofte på forskningsfartøy som går utover behovet for generell skipsfart og måling av vanndyp. Fremfor alt er dette de ofte svært komplekse loddbobene, spesielt for havbruk. Vifteformede perpendikularer krever høy vinkeloppløsning, dvs. store svingeråpninger . På grunn av den frekvensavhengige lydabsorpsjonen er det imidlertid nødvendig med en lav overføringsfrekvens (10 til 20 kHz) for store vanndyp. Derfor er veldig store grupper av vibratorer nødvendig. Tidligere ble såkalte hylleplomber med lav frekvens (10 til 20 kHz) og høy vinkeloppløsning brukt, spesielt ved skrå hyllekanter, som måtte stabiliseres mot hælen. De har i stor grad blitt erstattet av vifteformede perpendikularer, der stabilisering kan utføres elektronisk. I tillegg, spesielt i hylleskråningene, gir den tredimensjonale representasjonen av vifteplommens bobber store fordeler.

Det kreves enda lavere frekvenser for rørleggerarbeid, der ekko fra havbunnen også blir evaluert. De må også ha høy vinkeloppløsning fordi jordoverflaten nesten alltid gir det sterkeste ekkoet, men de svakere ekkoene fra sedimentlaget kan tilsløres av senere ekko fra fotavtrykket. Av samme grunn er det også nødvendig med høy rekkeviddeoppløsning, og derfor et veldig kort overføringssignal. Begge er i strid med de lave frekvensene.

Av denne grunn er det en spesiell form for ekkolodd i sediment, det parametriske ekkoloddet. Her genereres ikke lavfrekvensen i selve Lot, men to høye frekvenser sendes ut samtidig. Ved veldig høy effekttetthet er ikke lydutbredelsen lenger lineær . Under overføringen dannes et signal fra forskjellen mellom de to primære frekvensene foran transduseren. Dette resulterer i en høy vinkel- og avstandsoppløsning uten at svingeren har veldig store dimensjoner. Dette er grunnen til at denne metoden er verdt til tross for den lave effektiviteten til å generere sekundærfrekvensen. Siden sekundærfrekvensen bare dannes i vannet, krever det parametriske ekkoloddet en større vanndyp.

Hardheten til sedimentene på havoverflaten kan estimeres med en spesiell evaluering av det mottatte signalet med et hvilket som helst ekkolodd, og derfor er ekkoloddene ofte utstyrt med evnen til å estimere ekkostyrker på forskningsturer. Dette kan redusere behovet for å ta jordprøver.

Ekkolokalisering

Den ekkolokalisering er en nært beslektet fremgangsmåte som også plassering av objekter, så som skip eller fisket kan bestemme. Ekkolokalisering brukes til å søke på ubåter og til å søke etter miner (aktiv ekkoloddmetode ). Enheter med høy oppløsning brukes til å søke etter vrak og til å søke etter mennesker og lik. Tannhvaler og flaggermus bruker ekkolokalisering for orientering.

Beslektede prosedyrer

En sammenlignbar metode brukes av og til i luftfarten . Den soniske høydemåler brukes til å måle høyden av luftfartøyet over bakken.

Den autofokussystem av enkelte kameraer arbeider med en ultralyd-avstandsmåleinnretning.

Endringer i jorden blir synliggjort med geoscanneren .

Mennesker kan også utvikle en viss følelse for størrelsen på rommene hvis de har noe etterklang, som er spesielt brukt i mørket eller av blinde mennesker.

Bathymetrisk kart

General Bathymetric Chart of the Oceans (GEBCO) er et bathymetrisk , verdensomspennende datasett basert på data samlet fra ekkolodd fra skip. På kartene laget av dette kan du se den nøyaktige formen på havbunnen med sine rygger og daler. Google og OpenSeaMap bruker slike kart.

litteratur

weblenker

Wiktionary: Echolot  - forklaringer på betydninger, ordets opprinnelse, synonymer, oversettelser
Commons : Echolote  - samling av bilder, videoer og lydfiler

Individuelle bevis

  1. Patentspesifikasjoner som PDF, se Alexander Behm: Dokumenter, nedlastinger , tilgjengelig 12. januar 2014.
  2. a b Lisa-Maria Mic: Sammenligning av hydrografiske målemetoder for måling av undergrunnsmåling av elver og innsjøer. (PDF, 11,7 MB) I: Diplomavhandling. Juli 2013, s. 25–26 , åpnet 7. mars 2014 .
  3. EA MCU - Hydrografisk ekkolodd. Kongsberg Maritime AS, åpnet 7. mars 2014 .
  4. Bobby Schenk, Trick-Seventeen on Board (100)