Принцип действия

Первоначально, во время Второй мировой войны, сонар (эхолот) создавался как средство для борьбы с вражескими подводными лодками. Потом он освоил мирную профессию, но принципиально его схема изменилась мало. Основными узлами сонара являются передатчик, преобразователь (излучательприемник), усилитель и экран.

Вкратце работу сонара можно описать так. Электрический импульс от передатчика превращается преобразователем (который в данный момент работает как излучатель) в звуковую волну, которая распространяется в водной среде. Когда звуковая волна встречает на своем пути какое-либо препятствие, то часть ее отражается и возвращается обратно к преобразователю, который теперь уже работает как приемник. Преобразователь превращает отраженную звуковую волну в электрический импульс, который усиливается приемником и выводится на экран. Так как скорость звука в воде постоянна (примерно 1,5кмсек ), то, измеряя время между отправкой сигнала и возвращением отраженного эха, можно определить расстояние до найденного объекта. В течение одной секунды этот процесс повторяется много раз. Наиболее часто используемая частота излучения — 192кГц, но также применяется и частота 50кГц. Хотя условно эти частоты лежат в звуковом диапазоне (точнее в ультразвуковом диапазоне) они не слышимы ни для человека, ни для рыбы, поэтому вы можете не беспокоиться, что ваш сонар распугает рыбу.

Как уже было сказано, эхолот отправляет и получает сигналы, а затем «распечатывает» эхосигнал на экране. Поскольку в одну секунду этот процесс повторяется многократно, то на экране появляется практически непрерывная линия, показывающая профиль дна под движущейся лодкой. Глубину до дна или, например, до плывущей рыбы, сонар легко расчитывает, исходя из известной скорости звука в воде и измеренного им времени прохождения сигнала до препятствия и обратно.

Характеристики сонаров

Чтобы считаться хорошим, сонар должен иметь:

• передатчик большой мощности
• эффективный преобразователь
• чувствительный приемник
• экран с высоким разрешением и контрастностью

Это называется общим требованием к системе. Все части системы должны быть спроектированы для совместной работы при любых погодных условиях и при любых температурах.

Большая мощность передатчика гарантирует вам возможность получения нормального эхосигнала даже с больших глубин и при плохом состоянии воды. Еще она позволяет вам рассмотреть мелкие детали подводного мира, например, мальков или донную структуру.

Приемнику приходится работать с сигналами в очень широком диапазоне уровней. Он должен подавлять сигналы очень большой амплитуды во время работы передатчика и усиливать очень слабые электрические сигналы, которые возникают, когда возвращающийся эхосигнал достигает преобразователя. Он также должен обеспечивать четкую видимость на экране близкорасположенных целей, разделяя для этого электрические импульсы.

Экран должен иметь высокое разрешение, т.е. достаточное количество пикселей по вертикали, а также обладать высокой контрастностью, чтобы все детали на экране были видны четко и ясно. Это позволяет разглядеть на экране дугообразные эхосигналы от рыб и разные мелкие объекты, расположенные под водой.

Рабочая частота сонаров

У каждой из частот есть свои плюсы и минусы, но для большинства случаев применения как в пресной так и соленой воде частота 192 кГц дает лучшие результаты. На этой частоте лучше видны мелкие детали, с ней сонар лучше работает на мелководьи и в движении на скорости и, как правило, с ней на экране получается меньше «шума» и нежелательных эхосигналов. На частоте 192 кГц достигается лучшее разрешение, т.е. если две рыбины находятся близко друг от друга, то на экране они в этом случае будут видны как два отдельных объекта, а не как одно пятно.

В то же время есть ситуации, когда лучше использовать частоту 50 кГц. Так например, излучение сонара, работающего на частоте 50 кГц (при тех же условиях и при той же мощности), способно проникать на большую глубину, чем излучение на частоте 192кГц. Это связано с различной способностью воды поглощать звуковую энергию, имеющую разные частоты. Коэффициент поглощения для более высоких частот больше, чем для низких. Поэтому частота 50 кГц в основном используется в глубоководных морских условиях. Угол расходимости звуковых волн при использовании частоты 50 кГц больше, чем у излучателей, работающих на частоте 192 кГц. Широкий угол обзора очень полезен при движении судна на мелководьи, изобилующем большим количеством подводных скал и рифов.

Вкратце разницу между частотами 192 кГц и 50 кГц можно представить в следующей таблице:

Преобразователи

Преобразователь для сонара — та же самая «антенна». Он превращает электрическую энергию в звуковые волны высокой частоты. Звуковые волны уходят от преобразователя и, распространяясь в воде, достигают какого-либо препятствия и затем, отражаясь, возвращаются обратно к преобразователю. В преобразователе объединены сразу две функции: преобразование электрической энергии в звуковую (излучатель) и обратно — звуковой в электрическую (приемник). Когда отраженная звуковая волна попадает на преобразователь, то он превращает ее снова в электрическую энергию, которая поступает в приемно-усилительный блок сонара. Каждый преобразователь может работать только на одной определенной частоте и эта частота должна совпадать с частотой, на которой работают передатчик и приемник сонара. Т.е. вы не можете использовать преобразователь 50кГц с сонаром, который работает только на частоте 192кГц. Кроме того преобразователь должен быть рассчитан на работу с той мощностью, которая развивается передатчиком, и он должен при этом преобразовывать в звуковую энергию максимальную долю, поступающей в него электрической энергии. В то же время преобразователь должен быть достаточно чувствительным, чтобы регистрировать очень слабые возвращающиеся эхосигналы. Все это должно иметь место для одной определенной частоты (192 или 50кГц), в то время как эхосигналы других частот должны отфильтровываться. Теперь понятно, что преобразователь для хорошей работы сонара должен быть очень эффективным.

Рабочий кристалл преобразователя

Активным элементом преобразователя, его сердцем является искусственный кристалл (цирконат свинца или титанат бария). Именно этот кристалл осуществляет преобразование одного вида энергии в другой и обратно. Составляющие будущего кристалла сначала смешиваются в жидком виде, потом разливаются по формам. Формы помещаются в специальные печи, где состав под действием температуры превращается в твердый кристалл. После охлаждения на противоположные поверхности этого кристалла наносятся электропроводящие покрытия, в которые вживлены провода для подключения к передатчику и приемнику. Форма кристалла определяет его рабочую частоту и угол расходимости излучаемых звуковых волн. Для цилиндрических кристаллов (такие используются в большинстве сонаров) толщина цилиндра определяет его рабочую частоту, а диаметр — угол расходимости или угол конуса излучения. Например, для частоты 192кГц угол излучения равный 20 градусам получается при диаметре кристалла примерно 25мм. Если диаметр кристалла увеличить до 50мм, то угол конуса излучения уменьшится до 8 градусов. Чем больше диаметр кристалла, тем меньше расходимость звуковых волн. Вот почему преобразователь с углом 20 градусов меньше, чем преобразователь с углом 8 градусов при той же рабочей частоте.

Корпуса преобразователей

Преобразователи выпускаются всех форм и размеров. Большинство преобразователей имеют пластмассовый корпус, но часть из них имеет обрамление из бронзы. Как указывалось выше, частота и угол расходимости излучения определяются размерами кристалла. Соответственно и размеры преобразователя определяются размерами размещенного в нем кристалла.

На сегодняшний день имеется 4 основных типа преобразователей: для установки через корпус (thru-hull), для прострельной работы сквозь корпус (shoot-thru-hull), портативные (portable) и для установки на транце (transom mount).

Преобразователи для установки через корпус крепятся через отверстие, просверленное в корпусе судна. Обычно они имеют длинную ножку, которая проходит сквозь корпус, а потом служит для крепления преобразователя с помощью специальной гайки. Если преобразователь ставится на днище с заметной килеватостью, то необходимо сделать специальную выравнивающую проставку из дерева или пластика, чтобы ножка преобразователя приняла вертикальное положение, а излучающая поверхность преобразователя имела горизонтальное положение. Такого типа преобразователи обычно ставятся на судах со стационарным двигателем так, чтобы они находились впереди рулевого пера, гребного винта и других предметов, выступающих из днища.

Преобразователи для прострельной работы сквозь корпус крепятся внутри корпуса на его днище с помощью, например, эпоксидных компаундов. Звуковые волны передаются и принимаются через корпус судна, правда, это удобство крепления получается при этом за счет некоторого ухудшения характеристик работы сонара. (Вы не сможете «видеть» так же глубоко как, например, в случае крепления преобразователя к транцу.) Корпус судна должен быть в месте установки преобразователя сделан из монолитного стеклопластика. Нельзя устанавливать преобразователи для работы сквозь алюминиевые, стальные или деревянные корпуса. Звук не проходит через воздух и металл, поэтому в выбранном для установки месте стеклопластикового корпуса не должно конструкционных прослоек из дерева, вспененных материалов или металла. Еще одним недостатком этого типа установки является невозможность подстройки положения преобразователя в процессе эксплуатации для получения наилучших дугообразных сигналов. Если теперь перейти к достоинствам преобразователей для прострельной работы сквозь корпус, то они весьма очевидны. Первое, это то, что преобразователь не подвержен случайным ударам о плавающие предметы или подводные препятствия. Второе, так как преобразователь не находится в потоке воды то, если он установлен там, где под днищем обеспечено ламинарное (плавное) обтекание водой при всех режимах движения, то эхосигнал имеет наиболее чистую форму с минимумом помех. Третье, его работа практически не зависит от осадки судна.

Портативные (переносные) преобразователи, как следует из названия, устанавливаются на лодке временно. Обычно эти преобразователи снабжены одной или несколькими присосками, которые позволяют быстро крепить их к корпусу. Некоторые портативные преобразователи имеют адаптеры для крепления к корпусу электрического проводочного двигателя.

Преобразователи для крепления на транце устанавливаются на транце лодки так, чтобы они находились в воде обычно немного ниже уровня днища. Из всех четырех типов преобразователей это наиболее популярный способ установки. Хорошо сконструированный преобразователь будет работать почти на любом корпусе (за исключением судов со стационарным двигателем) даже и при больших скоростях.

Влияние скорости на преобразователи

Во времена зарождения спортивной эхолокации большинство рыболовных лодок были небольшими и приводились в движение подвесными двигателями. Самые мощные двигатели тогда имели не более 50 л.с. И сонары в то время, в основном, были переносные, что позволяло быстро переставлять их с лодки на лодку. И это было важнее, чем возможность работы при больших скоростях. Но, по мере того как лодки совершенствовались, у многих стало появляться желание иметь на своем судне стационарно установленный сонар, который бы хорошо работал при всех скоростях движения судна. И это послужило поводом для разработки преобразователей, учитывающих условия движения при всех скоростях.

Основным препятствием для нормальной работы преобразователя при больших скоростях является кавитация. Если вода обтекает поверхность преобразователя (излучателяприемника) плавно, то процесс передачи и приема звуковых импульсов проходит нормально. Однако, если на пути водного потока оказывается грубая поверхность или острые края, то обтекание становится турбулентным. Это значит, что в потоке возникают разрывы, заполненные воздушными пузырьками. Это и называется кавитацией. Если эти пузырьки проходят мимо корпуса преобразователя, в котором находится рабочий кристалл, то на экране сонара появляется «шум». Сонар предназначен для работы в воде, а не в воздухе, а пузырьки отражают звук обратно к преобразователю. Поскольку они находятся очень близко к источнику сигнала, то и отражение от них идет очень сильное. Своим присутствием они экранируют сигнал, ослабляя полезные сигналы ото дна, от структуры, от рыб и делая их трудно различимыми.

Решение этой проблемы состоит в том, чтобы сделать корпус преобразователя такой формы, чтобы вода обтекала его плавно без возникновения турбулентности. Однако сделать это не просто из-за многих ограничений, связанных с современными преобразователями. Он должен быть маленьким, чтобы не оказаться в зоне возмущения потока, создаваемой подвесным двигателем. Он должен легко устанавливаться на транце с минимальным количеством просверливаемых отверстий. Он должен «откидываться» при ударе о неожиданное препятствие.

Но проблема кавитации связана не только с формой корпуса самого излучателя. Корпуса многих лодок таковы, что они создают кавитационные пузырьки, которые достигают поверхности корпуса преобразователя. С этой проблемой хорошо знакомы владельцы алюминиевых лодок, у которых многочисленные головки заклепок создают турбулентные завихрения. За каждой из этих заклепок при движении, особенно при высоких скоростях, тянется шлейф из пузырьков. Чтобы уйти от этой проблемы устанавливайте корпус преобразователя так, чтобы он находился ниже пузырькового шлейфа. Это значит, что кронштейн крепления преобразователя надо смещать в этом случае, насколько возможно, вниз по транцу.

Угол излучения преобразователя

Звуковые волны распространяются от преобразователя (излучателяприемника) в определенном направлении, аналогично свету фар в тумане. Когда звуковой импульс удаляется от преобразователя, то, чем больше становится расстояние, тем большую площадь охватывает этот импульс. Если нарисовать картину распространения звуковых волн на бумаге, то получится конус, откуда и появился термин «угол конуса», характеризующий расходимость звукового излучения. По оси конуса мощность звуковых волн максимальна, а по мере удаления от оси она постепенно уменьшается до нуля.

Чтобы определить значение величины угла конуса для конкретного преобразователя, необходимо сначала замерить мощность излучения по оси конуса, а затем сравнить его со значениями, полученными в разных точках при удалении от оси. Далее нужно найти ту точку, в которой мощность излучения будет равна половине максимального значения (-3 db). Угол между линией, проведенной из вершины конуса через точку половинного значения мощности с одной стороны от оси и аналогичной линией с другой стороны оси, и будет искомым углом конуса.

Измерение угла по уровню половинной мощности (-3 db) является общепризнанным стандартом в электронной промышленности, но иногда угол определяют по уровню 0,1 от максимальной (-10db). Очевидно, что при таком способе замера угол конуса окажется больше. Конечо, работа сонара не зависит от способа измерения расходимости его звукового излучения. Меняется только система измерения параметров его работы. Например, если при измерении по уровню -3 db расходимость оказалась равной 8 градусам, то при измерении того же излучению по уровню -10 db угол конуса будет равен 16 градусам.

Преобразователи с рабочей частотой 192 кГц выпускаются как с узким углом конуса, так и с широким. Преобразователи с широким углом конуса следует применять в большинстве случаев на пресноводных водоемах. В то время как преобразователи с узким углом следует применять во всех случаях рыбалки на море. Излучатели с рабочей частотой 50 кГц обычно имеют углы конуса в диапазоне от 30 до 45 градусов. Так как угол конуса является условной границей, то вы можете получать эхосигналы также из области, выходящей за рамки этого конуса. Другое дело, что сигналы эти слабы.

Угол эффективного конуса — это область внутри конуса излучения, эхосигналы из которой, видны на экране эхолота. Если например, известно, что в конусе излучения преобразователя рыба появилась, но на экране из-за низкой чувствительности она не видна, то эффективный угол вашего преобразователя мал. Вы можете менять эффективный угол преобразователя, изменяя чувствительность приемника. При низкой чувствительности эффективный угол мал и на экране будет показана только та рыба, которая находится прямо по оси конуса, т.е. точно под лодкой, а пределы определения линии дна будут небольшими. Увеличение уровня чувствительности увеличивает эффективный угол, позволяя видеть объекты, которые находятся гораздо дальше по сторонам.