Влияние волнения моря на эффективность поиска рыбы и других водных объектов при вертикальной локации

Как уже говорилось, эффективность обнаружения объектов промысла рыболокационной аппаратурой существенно снижается при волнении моря. При качке судна происходит движение характеристики направленности в вертикальной плоскости, увеличивается зона "необнаружения" рыбы и других объектов у грунта, а между излучающей поверхностью антенны и невозмущенным слоем воды у корпуса при большом волнении моря возникает пенистый аэрированный слой. На границах аэрированного слоя может теряться до 80-90% акустической энергии. Интенсивность затухания звуковой энергии в этом слое настолько значительна, что использование гидроакустических приборов для поиска рыбы иногда становится невозможным даже на малых глубинах.

Физическая природа затухания звуковой энергии в аэрированном слое заключается в том, что акустическая волна возбуждает колебания газовых пузырьков, которые переизлучаются в окружающую водную среду и приводят к образованию вторичных акустических волн (эффект рассеяния звука). Эхо-сигналы, порожденные вторичным акустическим полем, регистрируются на самописцах аппаратуры в виде плотной темной полосы (бахромы), исключая из зоны наблюдения верхние слои воды толщиной до нескольких десятков метров. Кроме того, пузырьки поглощают почти всю излучаемую рыболокатором акустическую энергию. Часть энергии при этом расходуется на преодоление внутренних сил в системе пузырек - жидкость и выделяется в форме тепла (эффект поглощения звука).

Возникновение и концентрация газовых пузырьков в морской воде в значительной степени зависят от состояния поверхности моря, т. е. прежде всего от скорости ветра. При слабом ветре (до 6-8 м/с) пузырьков образуется относительно мало, причем возникают только маленькие пузырьки с резонансными частотами порядка 50 кГц и более. Начиная со скорости ветра 10 м/с (5 баллов), соответствующей появлению на вершинах волн белых гребешков пены, наблюдается резкое возрастание количества и размеров пузырьков, идущее по экспоненциальному закону. Характерно, что после прекращения ветра концентрация пузырьков, в первую очередь крупных, сравнительно быстро спадает (через 20-30 мин), несмотря на значительные высоту волн зыби и скорость дрейфового течения. Следовательно, наибольшее количество газовых пузырьков в морской воде образуется при разрушении гребней ветровых волн, сопровождающемся возникновением пенистых барашков.

Воздушные пузырьки диаметром 0,5 мм и более исчезают в процессе дегазации за счет всплытия, мелкие пузырьки диаметром порядка 0,025 мм растворяются. Пузырьки средних размеров (0,07-0,3 мм) существуют дольше мелких и крупных, поэтому они имеют наибольшую концентрацию и оказывают наибольшее отрицательное влияние на работу рыболокаторов с рабочими частотами в диапазоне 20-30 кГц, для которых пузырьки диаметром в 0,1-0,2 мм являются резонансными.

В связи с этим после штормовой погоды применение высокочастотных рыболокаторов дает больший эффект при поиске рыбы, чем использование низкочастотных (конечно, в пределах их дальности действия, т. е. при поиске в сравнительно небольшом диапазоне глубин, из-за большего коэффициента затухания звука, например, высокочастотный тракт рыболокатора "Сарган" позволяет регистрировать одиночных рыб с R_экв=0,1 м на глубине до 350 м при скорости судна 9 уз, а рыбные скопления - на глубинах 500-550 м) [23].

В зависимости от состояния поверхности моря и высоты волн толщина слоя аэрации колеблется от 10-15 до 50 м. Особо высокая концентрация пузырьков отмечается в слое до 20 м.

Значительные аэрированные слои, проникающие в район акустических антенн, создаются и при движении самого промыслового судна во время волнения моря (при ударах волн).

Нередко явления интенсивного затухания звуковой волны связаны не только с указанными выше причинами, но и с эффектом поглощающей воды - водной среды, в которой под влиянием штормового волнения и механического разрушения - захлопывания огромного количества воздушных пузырьков - насыщение растворенным воздухом на 4-5 порядков превышает содержание свободного газа в длительно (более 12 ч) отстаивавшейся воде.

"Поглощающая вода" имеет чрезвычайно большое начальное поглощение - порядка 100 дБ/км, которое со временем уменьшается очень медленно [8]. Практически указанный эффект имеет место в поверхностном слое воды толщиной до 20-30 м.

Воздействие повышенного волнения моря на работу рыболокаторов вертикального действия проявляется в увеличении пропусков в записях эхо-сигналов от рыбы и дна (рис. 65, а), в потере контакта со слабыми концентрациями, появлении сильных шумовых помех, особенно при ударах волн, регистрируемых в виде множества отметок различной продолжительности по всей ширине ленты регистратора и др. Записи рыбы, а иногда и грунта в этих условиях могут почти полностью отсутствовать.

Рис. 65. Влияние периодического экранирования антенны рыболокатора аэрированными потоками и ее вертикальных перемещений на характер записей эхо-сигналов при волнении моря (а) и появление больших пропусков в записи эхо-сигналов от грунта при волнении моря 8 баллов (б)

Опыт использования рыболокаторов вертикального действия и экспериментальные работы с различными типами акустических антенн показывают, что в случае применения стационарно установленных в днище судна антенн (не выступающих за обводы корпуса судна) даже на крупных промысловых судах эффективность аппаратуры резко снижается уже при волнении около 4-5 баллов. При волнении 5 баллов появляются пропуски в записи эхо-сигналов от дна, увеличивающиеся при движении судна лагом к волне. При волнении свыше 5 баллов пропуски в записи обычно настолько возрастают, что возможность различения рыбы у грунта почти исключается. В случае волнения моря 6-7 баллов на встречных курсах в большинстве случаев на самописцах регистрируются лишь эхо-сигналы от дна моря с пропусками [39] (см. рис. 65, б). Размещение антенны ниже обводов судна с помощью выдвижного устройства или стационарная установка их ниже обводов корпуса существенно снижают помехи и экранирование при волнении моря до 5 баллов и скорости судна до 8-9 уз^*, однако в условиях большой волны пенистые потоки, в том числе срываемые с гребней волн, могут оказывать значительное влияние на работу аппаратуры, попадая под антенны при подъеме судна на волне.

^* (Суммарное время, в течение которого значительно снижается эффективность обнаружения скоплений рыболокаторами вертикального действия со стационарно установленными в корпусе судна акустическими антеннами, от общего возможного поискового времени в среднем составляет в Балтийском море 22-23%, Баренцевом - 41-44, Беринговом - 31-37, Охотском - 25-31, Каспийском - 19-21, Атлантическом океане - 33-44 (за исключением тропической зоны, где оно находится в пределах 11-25, и экваториальной, где это время равно 7%), в южной части Индийского океана 31-47, в субтропической и умеренной зонах южной части Тихого океана 41-60, в северной части Тихого океана - 11-25% (кроме экваториальной и тропической зон южной части, где оно составляет от 3 до 8%) [8].)

В наименьшей степени подвержены влиянию волнения моря антенны, размещаемые в буксируемых носителях и обеспечивающие уверенную запись эхо-сигналов при волнении моря свыше 6 баллов, практически уже начиная с глубины погружения 30-40 м. В этом случае излучение акустической энергии происходит непосредственно в водную, а не в аэрированную среду, а принимаемые слабые эхо-сигналы от рыб не ослабляются аэрированными потоками. Кроме того, помехи в месте приема в 5-10 раз ниже, чем под килем судна. На работу аппаратуры не оказывает влияния качка судна, как и при стационарной подкильной установке антенны (рис. 66). Эхограмма на рис. 66, а получена в условиях крупной зыби, когда под антенну рыболокатора почти не попадали пенистые гребни волн и влияние волнения приводило лишь к появлению зубчатых, волнообразных записей контура дна.

Рис. 66. Синхронные эхограммы рыболокаторов со стационарно установленной (а) и буксируемой (б) антенной при волнении моря

Буксируемая система фирмы "Симрад", например, снабжена носителем с двумя акустическими антеннами на частоту 50 (или 38) и 120 кГц. Первая антенна служит для зондирования в направлении к дну, а вторая - к поверхности воды для обнаружения скоплений рыб в приповерхностных слоях в стороне от судна. Общая масса системы составляет 600 кг, глубина буксировки до 50 м, 7-тонный буксирный кабель имеет разрывное усилие 4,5 т, буксировочное - до 1 т. Во время испытаний устойчивость работы аппаратуры сохранялась при скорости хода судна до 13-14 уз и волнении моря 7 баллов. Благодаря автоматической системе амортизации с датчиком усилия буксируемый носитель идет на одной глубине независимо от вертикальных перемещений судна.

Таким образом для повышения эффективности поиска скоплений объектов промысла при неблагоприятных погодных условиях целесообразно использование рыболокаторов с дополнительными буксируемыми антеннами. Результаты исследований и испытаний подобных систем на промысловых судах показывают, что в случае расположения спуско-подъемного устройства в носовой части судна, при котором буксирующий кабель входит в воду примерно в районе мидельшпангоута, возможно их применение не только при поиске рыбы без подъема антенны рыболокатора на борт в течение длительного времени, но и во время лова, так как они не затрудняют работу с тралом.