Расчет сечения акустического кабеля: Подбор сечения акустического кабеля

Содержание

Какие провода лучше выбрать для акустики

Какие провода для акустики использовать? Чёткое звучание системы обеспечивает не только электроника, но и кабель. Верно подобранный провод способен компенсировать незначительные недостатки оборудования, это один из факторов чистого звучания аудиосистемы. Акустические кабели имеют множество различных характеристик, которые нужно учесть при выборе.

Что такое акустический провод

Акустический кабель (Acoustic) — это провод, предназначенный для передачи сигнала на усилители, например, колонки. В отличие от обычного он гарантирует передачу звука без искажений.

Акустические провода различаются по материалу и толщине

Важно! Акустические провода обеспечивают правильную работу всей системы, поэтому выбирать их нужно внимательно.

Характеристики

Как правило, проводящие сердечники изготавливают из меди. Этот материал идеально подходит, так как он износостойкий, точно передает все звуковые частоты.

Используют как технически чистую медь в качестве бюджетного варианта, так и бескислородную, обладающую лучшей проводимостью. Самым хорошим, но и самым дорогим материалом является чистая медь, которая создает корректную звукопередачу.

Акустический кабель из чистой меди

Также сердечники производят из серебра. Этот вариант наименее популярен из-за высокой стоимости. Серебро имеет замечательную электропроводность, что гарантирует качество.

Обратите внимание! Помимо материала сердечника, большое значение имеет изоляция. От неё зависят срок эксплуатации, отсутствие помех и шумов.

В качестве изоляции используют тефлон (самый подходящий, но редкий материал), полипропилен. Также широко распространен поливинилхлорид (ПВХ), к сожалению, уступающий по своим характеристикам и даже искажает звук.

Провод состоит из одной или нескольких токоведущих жил, но их количество и толщина не влияют на передачу звука, однако от этого зависит прочность. Чем больше жил и чем меньше их диаметр, тем эластичнее кабель.

Акустический кабель может быть выполнен из нескольких жил

Сечение варьируется от 0,25 мм² до 4 мм². Выбирать толщину следует из собственных потребностей. В руководствах к аудиосистемам обычно указывается рекомендуемый калибр акустического кабеля. В ином случае необходимое сечение рассчитывают из сопротивления материала и самой колонки, длины провода и мощности усилителя. Недостаточно широкий кабель не будет передавать весь диапазон частот, что заметно повлияет на звучание. Однако чем толще провод, тем выше его стоимость.

Какими бывают акустические провода

Акустические кабели подразделяются на монолитные и многожильные, которые бывают трёх типов.

Пучкообразные

Жилы расположены неровно, что оказывает значительное влияние на качество звука. Пучкообразное строение плохо подавляет шумы. Это наименее удачный вариант для акустических систем.

Пучкообразная жила в акустическом кабеле

Концентрические

Жилы распределены внутри провода равномерно.

Такой кабель имеет постоянное сечение, что способствует высокому качеству.

Концентрическое строение

Веревочные

Верёвочное строение — это усовершенствованные концентрические. Это отличный вариант. Такие кабели наиболее гибкие и эластичные.

Акустический кабель веревочного строения

Как правильно выбрать акустический провод для колонок

Есть несколько факторов, на которые стоит обратить внимание при выборе кабеля для колонок.

Материал сердечника должен иметь низкое удельное сопротивление, обладать отличной электропроводностью. Хорошо подойдет медь, если количество примесей в ней не превышает 1 %. Повышает качество обмотка благородными металлами. Если колонки используются в просторном помещении, не стоит экономить на хорошем кабеле. Для профессиональных аудиосистем наилучшим решением будет сердечник из серебра, сопротивление которого значительно ниже, чем у меди. Брать провод, покрытый оловом, не стоит, так как он не передает звуки высоких частот.

Важно! Чем короче и чем толще провод, тем выше качество звука.

Как выбрать сечение акустического кабеля для колонок? Это будет зависеть от требуемого сопротивления. Оно должно составлять не более 5 % сопротивления других компонентов системы. Это гарантирует передачу всех звуковых частот. Нужно помнить, что сопротивление растет с увеличением длины и уменьшается с повышением диаметра.

Узнать, какой провод нужен для конкретной системы, просто:

  1. Произвести расчёт максимального сопротивления. Сопротивление колонки умножить на 0,05.
  2. Подсчитать сопротивление. Это произведение удельного сопротивления материала и длины, делённое на площадь сечения.
  3. Сравнить полученные данные. Результат второго пункта не должен превышать результат первого. В ином случае нужно взять провод большего диаметра или укоротить его.

Качественные провода ровные, круглые. Не стоит забывать про изоляцию, ее повреждения недопустимы. На ощупь правильный кабель мягкий, легко гнётся. Для соединения с колонками подойдет, например, Speaker, сердечник которого выполнен из качественной бескислородной меди.

Как подключать акустический кабель

Прежде всего стоит убедиться, что все приборы аудиосистемы отключены от электросети. При подсоединении кабеля к динамикам необходимо соблюдать полярность, руководствуясь цветными маркировками или обозначениями плюса и минуса.

Для подключения рекомендуется установить разъемы типа «Банан»

Колонки могут иметь либо пружинные зажимы, либо винтовые клеммы. Их особенности:

  • в пружинные зажимы вставляются оголенные провода. Механизм таких разъёмов прочно зажимает кабель, с ними легко работать, но нельзя подключить «Бананы» или «Лопатку»;
  • для соединения с помощью винтовых клемм используются все виды штекеров. Чтобы подключить оголенные провода или «Лопатки», нужно отвинтить гайку, после чего зажать ей разъём. «Банан» и «Двойной банан» вставляются непосредственно в отверстие клеммы. Гайку откручивать не нужно.
На концы проводов можно установить разъём типа «Лопатка»

Использовать этот тип соединения не так удобно, но он надёжнее удерживает кабель. Соединение должно быть крепким, это обеспечит высокое качество звука.

Таким образом, для аудиосистем подойдет не любой провод. Идеальный акустический кабель короткий, достаточно толстый, имеет низкое сопротивление и надежную изоляцию. Не менее важно знать, как потом все подключить, чтобы услышать обещанный производителями кабелей чистый звук.

Как выбрать акустический кабель?

Приобретая автомобиль, его владелец хочет сделать звук динамиков наилучшим. Если потребитель желает сменить магнитолу, то он исходит из двух принципов: цены и марки магнитолы. Дело в том, что громкое название фирмы – это ещё не всё. Потребители часто обращают внимание на приятные скидки и акции, которые делаются только для того, чтобы по быстрее сбыть залежалый товар. Кроме удобной для каждого кошелька стоимости, необходимо обращать внимание на акустический кабель, который играет, чуть ли, не главную роль в качестве звучания.

Те, кто не особо разбираются в кабелях, а это абсолютное большинство, не понимают насколько важно качество акустического кабеля. Естественно, для ценителей      хорошего звука, кабель – должен быть основным приобретением. Для тех же, кто привык слушать музыку, не особо обращая внимание на её качество, могут не задумываться о качестве акустического кабеля.

Следующий текст будет интересен тем, кто не скупиться на качественную магнитолу и динамики, и хочет быть уверенным, что звук, производимый в его машине, будет идеальным, должен знать некоторые особенности кабелей. К примеру, потребитель должен знать, что электрическое сопротивление акустического кабеля, в первую очередь влияет на чистоту сигнала, который передаётся, а значит и на звук. На величину этого показателя влияет: состав токопроводящей жилы акустического кабеля и его внешней оболочки, а так же нужно обратить внимание на используемую длину, сечение жилы кабеля и внешний размер.

Кабель  представляет собой две жилы из металла, каждая из них изолирована и не в коем случае должна прикасаться к другой.

В настоящее время, самым популярным у потребителей акустическим кабелем является кабель с медными сверхгибкими жилами в прозрачной силиконовой изоляции. Этот провод обладает очень малым электрическим сопротивлением. У таких проводов площадь сечения жилы достигает четырёх миллиметров квадратных, и обычно не бывает меньше полутора. Кабель таких сечений лучше использовать в ограниченной длине, обычно она составляет не более трех метров. Если акустический кабель выбрать тоньше и при этом использовать на достаточно большой длине, то мощность, производимая усилителем, будет теряться на нагрев кабеля. Мощность, которая предназначается колонкам, не будет достигать своей цели.

Когда потребитель выбирает акустический кабель, первое на что он должен обратить внимание на кабельную маркировку длины. У качественного кабеля проверенной марки, маркировка обязана присутствовать, как и название выпускающей фирмы, через каждый метр длины.

Жилы, изготовленные из высокоочищенной меди, называются – OFC, а акустические кабели с жилами из монокристаллической меди, принято называть – OCC. Смешение металлов в кабелях, к примеру, серебра и меди, называют композитными кабелями. Акустический кабель нового поколения с использованием техники смешивания металла с углеродом, добавляет несколько очков этому типу. Для кабеля, в составе которого лежит витая пара, использует в своём производстве несколько жил. Чтобы добиться идеального звучания, при использовании этого типа, необходимо найти идеальное расстояние, на которое можно разнести проводящие элементы.

По оценкам специалистов и потребителей, лучшими акустическими кабелями признаны те, в которых используются серебряные жилы. В случае использования этого типа достигается идеальное звучание музыки и всех нот музыкального ряда, схожий со звучанием в музыкальной студии. Единственным минусом этого кабеля считается высокая цена, из-за использования серебра.

Как выбрать автомобильный акустический кабель | Новость

Критерии правильного выбора аудиокабеля для автомобиля

  • Для того чтобы получить качественный звук в автомобиле, недостаточно приобрести магнитолу высокого класса и правильно разместить в салоне динамики с идеальными характеристиками. Все затраты и усилия могут быть сведены на нет неправильным выбором акустических кабелей, соединяющих элементы звуковоспроизводящей системы.

Типы акустических кабелей для автомобиля

  • Соединения звуковоспроизводящей аппаратуры для авто выполняются тремя типами кабелей:
  • электрическими;
  • сигнальными;
  • акустическими, которые соединяют выход усилителя мощности магнитолы с динамиками или акустическими системами.
  • Электрические провода предназначены для питания автомагнитол, музыкальных центров и усилителей от бортовой сети автомобиля. К питающим кабелям предъявляются два основных требования – достаточное сечение и надежная изоляция. Минимальное сечение жил определяется номинальным током подключаемой аппаратуры. Его можно узнать из техдокументации на магнитолу или усилитель. Грубый расчет сечения медной жилы кабеля можно выполнить исходя из того, что максимальный ток, протекающий через 1 кв. мм жилы, не должен превышать 7-10 ампер. Сечение электрических проводников лучше выбирать с небольшим запасом.
  • Для питания автомобильной радиоаппаратуры следует применять кабели с многопроволочными (гибкими) жилами. Они имеют большую устойчивость к вибрации и изгибам по сравнению с однопроволочными проводами.

Сигнальные провода

  • Из самого названия этого типа проводников следует, что они применяются для передачи сигналов между блоками звуковоспроизводящего оборудования. Чтобы избежать наводок от электрооборудования работающего автомобиля, межблочные соединения должны выполняться экранированными проводами. То есть сигнальные проводники должны быть помещены в металлическую оплетку-экран.
  • При соединении блоков аппаратуры сигнальным проводом экран должен быть соединен с «массой» автомобиля с двух сторон.

Акустические кабели для авто

  • Специалисты в области звуковой техники настоятельно рекомендуют уделять особое внимание акустическим кабелям, с помощью которых динамики и акустические системы присоединяются к выходным усилителям автомагнитолы . Дело в том, что динамики, применяемые в автомобильной акустике, имеют низкое входное сопротивление (4-8 Ом). Если их подключить к магнитоле кабелем с тонкими жилами, то значительная часть электрической мощности, вырабатываемой усилителем, будет рассеиваться на проводах впустую в виде тепла. Расчет сечения акустических кабелей выполняется по тем же критериям, что и расчет питающих проводов.
  • Кроме сечения жил аудиокабеля имеет значение металл, из которого они изготовлены:
  • Омедненный алюминий. Бюджетный вариант, который редко используется на практике.
  • Бескислородная многопроволочная медь. При правильном выборе сечения имеет приемлемые электрические параметры.
  • Луженая медь. Обладает повышенной устойчивостью к коррозии.
  • Посеребренные многопроволочные жилы. При равном сечении обладают меньшим сопротивлением на средних и высоких частотах за счет меньшего влияния скин-эффекта.
  • Большой популярностью у истинных аудиофилов пользуются провода из монокристаллической меди. По их мнению, только этот материал позволяет получить идеальный автозвук.
  • Выбирая акустические кабели для автомобиля, не забудьте обратить внимание на диапазон рабочих температур. Он должен совпадать с диапазоном температур, при которых эксплуатируется ваш автомобиль.

Источник: 

Акустический кабель – измерения — AudioKiller’s site

Начало

Я уже писал статью про скин-эффект: Скин-эффект в аудио кабеле. Что это такое, откуда он берётся и почему нам не нужно бояться скин-эффекта в аудиокабелях. Также я измерил реальный скин-эффект на некоторых аудиокабелях. Результаты измерений приведены в статье Реальный скин-эффект в кабелях. Они подтвердили теорию: скин-эффект в аудиокабелях практически не проявляется, и его опасаться нет смысла. Борьба со скин-эффектом также не имеет смысла.

Главным врагом аудиокабеля является его индуктивность. Именно рост индуктивного сопротивления с частотой может привести к повышенному затуханию сигнала в аудиокабеле на высоких частотах. Поэтому имеет смысл изготовлять кабели не со сниженным скин-эффектом, а со сниженной индуктивностью. Хотя на самом деле производители делают не то, что выгодно нам – покупателям, а то, что выгодно им – производителям. А потом при помощи маркетинга и рекламы убеждают нас покупать именно эту продукцию.

В статьях, приведённых по ссылкам выше, реальные измерения выполнялись только на нескольких частотах, что снижало наглядность результатов. Недавно мне в руки попало измерительное оборудование, на котором было возможно измерить свойства аудиокабеля на различных частотах. Поэтому я выбрал четыре наиболее характерных аудиокабеля, и измерил их свойства. Два из этих кабелей участвовали и в предыдущих измерениях, так что можно сравнить результаты экспериментов. Ещё один кабель очень похож на тот, что использовался прошлый раз. Так что эти мои измерения можно считать дополнением предыдущих.

Все кабели медные и предназначенные для аудио.

Аудиокабели

Первый кабель показан на рисунке 1. Это очень дешёвый, но приличный кабель сечением 2,5 мм2 и стоимостью порядка 2…3 доллара за метр. Кабель такого сечения рекомендуется использовать, если расстояние от усилителя до колонок составляет 3…5 метров. Особенно для низкоомных колонок. Этот кабель аналогичен «обычному» кабелю, исследованному в прошлый раз.

Название кабеля на графиках – «2,5 мм2».

Рис. 1.

Второй кабель немного более красивый. Его проводники изготовлены из свитых пучков обычной и лужённой меди, что довольно красиво, рис. 2. И изоляция кабеля тоже более «благородная» — квадратного  сечения. И надписи на кабеле: OFC и Hi-Fi. Оно понятно, что написать можно всё, что угодно, но покупателю приятно. Технически такая конструкция кабеля не имеет никаких преимуществ. Кабель такого сечения рекомендуется использовать, если расстояние от усилителя до колонок составляет не более 3 метров.

Стоимость такого  кабеля порядка 1,5…2 доллара за метр, так что это тоже обычный дешёвый акустический кабель.

Название кабеля на графиках – «1,5 мм2».

Рис. 2.

Третий кабель (рис. 3) ещё красивее, тем более, что он монстр! По крайней мере так написано на самом кабеле — MONSTER. В этом кабеле приняты меры для снижения поверхностного эффекта. Центром кабеля является тонкий (порядка 1мм) полиэтиленовый стержень, а поверх него расположены обычные медные проводники, рис. 4. Таким образом, из центральной области кабеля, «где ток не течёт», медь удалена и перенесена в наружный слой, где течёт максимальный ток.

Название кабеля на графиках – «Low skin».

Рис. 3. Рис. 4.

Этот кабель принимал участие в предыдущем тестировании кабелей, и действительно, скин-эффект в нём немного меньше, чем в обычных кабелях.

Четвёртый кабель со сниженной индуктивностью. Принцип его конструкции показан на рисунке 5. Это четыре кабеля сечением 0,75 мм2 сложенные вместе таким образом, чтобы прямые проводники (на рисунке 5 красные) одного кабеля были расположены над обратными проводниками другого кабеля (на рисунке 5 синие). При таком взаимном расположении проводов, создаваемые ими магнитные поля вычитаются и компенсируются. В результате суммарное магнитное поле всего вот такого сложного кабеля уменьшается, значит, уменьшается и его индуктивность.

Рис. 5.

Поскольку такой кабель собран из проводников небольшого сечения, то вместе с индуктивностью в нём снижен скин-эффект. Внешний вид кабеля показан на рисунке 6. Этот кабель также принимал участие в предыдущем исследовании.

Название кабеля на графиках – «Low L».

Рис. 6.

Измерения аудиокабелей

Пример результата измерений показан на рисунке 7. В принципе, можно пользоваться и такими результатами, они достаточно хороши. Но для большего удобства я экспортировал результаты измерений в программу Excel и там строил более удобные и наглядные графики.

Рис. 7.

Измерения проводились в диапазоне от 100 Гц до 100 кГц. Использовать более низкие и более высокие частоты не имеет смысла. Шаг по оси частот был равен 1/6 октавы, что обеспечило отличное разрешение по частоте. На рисунке 8 показан пример графика, построенного по результатам измерений. На графике показаны точки, в которых производилось измерения – их шестьдесят штук. На других графиках такие точки не показаны для большей наглядности графиков.

Рис. 8.

Результаты измерений

Результаты измерений всех четырёх кабелей показаны на рисунке 9. Измерялись два параметра:

— активное (омическое) сопротивление, на графиках оно обозначено «R».

— реактивное (индуктивное) сопротивление, на графиках оно обозначено «X».

На самом деле измерительный прибор показывает значения сериесных — последовательных сопротивлений Rs и Xs (рис. 7). При измерении активного и индуктивного сопротивлений кабеля это не важно, а когда дойдёт до измерения ёмкости, я об этом расскажу подробнее.

Рис. 9.

Рисунок 9 сам по себе очень интересный, но им пользоваться неудобно из-за того, что все кабели имели различное сечение провода и разную длину: 10…12 метров. Поэтому дальше я показываю графики обработанных результатов измерений.

Для большей наглядности я нормировал графики параметров каждого из кабелей к активному сопротивлению этого кабеля на частоте 100 Гц. То есть все дальнейшие графики показывают, как изменяется сопротивление каждого из кабелей по отношению к его активному сопротивлению R на частоте 100 Гц. Тогда их можно корректно сравнивать. В этом случае на результаты не влияет ни длина кабеля, ни его сечение. Только конструкция.

И начнём, конечно же, с самого главного – страшного и ужасного скин-эффекта.

Скин-эффект

На рисунке 10 показано относительное изменение активного сопротивления R кабеля в зависимости от частоты. Помните, из-за влияния скин-эффекта активное сопротивление кабеля должно расти.

Так и есть, с увеличением частоты сопротивление кабеля увеличивается. «Волны» на графиках я сейчас объяснить не могу. Возможно, причина в том, что я не откалибровал как следует измерительное оборудование. Либо проявляются какие-то неучтённые эффекты. Сейчас мне разбираться некогда – оборудование надо отдавать. Но это и не очень важно: я не ставлю целью измерить мои кабели абсолютно точно. Цель данной работы – ещё раз показать принцип. Ещё раз продемонстрировать тот факт, что влияние скин-эффекта очень сильно преувеличивается, а влияние индуктивности кабеля (которая на самом деле является гораздо более важной) вообще замалчивается. Кстати, погрешность измерений даже в такой недостаточно калиброванной системе не превышает 5 миллиом.

Рис. 10.

Итак, скин-эффект проявляется, с увеличением частоты активное сопротивление кабеля увеличивается. На частоте 20 кГц в самом худшем случае сопротивление возрастает на 13%. Много это, или мало? Если говорить о самом кабеле, то такое увеличение сопротивления уже хорошо заметно. Для самого худшего в этом отношении кабеля. У кабеля, находящегося на втором месте по влиянию скин-эффекта, на частоте 20 кГц сопротивление увеличилось на 5%. Что уже немного. И это самые дешёвые кабели!!! В более дорогих, но всё же бюджетных кабелях, сопротивление практически не изменилось (с учётом погрешности измерений).

Но это относительное изменение сопротивления. Для малых величин большое относительное изменение ни на что не влияет. Например, если ваша зарплата составляет 1 доллар в год, то увеличение её даже на 300% вряд ли будет реально заметно. Так и в наших кабелях. В самом плохом из них (с точки зрения скин-эффекта) сопротивление изменилось с величины 127 мОм на частоте 100 Гц до 144 мОм на частоте 20 кГц. То есть по сравнению с сопротивлением нагрузки (а скин-эффект влияет именно на работу нагрузки), равному 4 ома, изменение сопротивление кабеля составляет полпроцента.

Рисунок 10 предназначен для наиболее наглядной демонстрации именно изменения сопротивления кабеля. Поэтому на нём изменение сопротивления выглядит значительным. Какое оно на самом деле, можно увидеть из рисунка 9, где показано сопротивление в чистом виде.

Индуктивность аудиокабеля

Влияние индуктивности на работу кабеля видно из рисунка 9, где тонкими штриховыми линиями показано индуктивное сопротивление кабеля. Именно индуктивное — оно положительно, тогда как ёмкостное сопротивление по правилам электротехники имеет отрицательный знак. С ним мы встретимся в конце статьи. Обратите внимание на то, что у всех кабелей индуктивное сопротивление растёт с частотой (это естественно для индуктивности). Выше определённой частоты индуктивное сопротивление кабеля становится больше активного. Причём это происходит на звуковых частотах!

Чтобы сравнить активное и индуктивное сопротивления в чистом виде, на рисунке 11 показаны графики, нормированные к активному сопротивлению кабеля на частоте 100 Гц. Они позволяют сравнить между собой все изменения сопротивлений.

Рис. 11.

Рисунок 11 показывает, что у кабелей, в которых не принимались меры по снижению индуктивности, на частотах 4…6 кГц индуктивное сопротивление превышает активное. И это индуктивное сопротивление продолжает расти с ростом частоты. В результате на частоте 20 кГц индуктивное сопротивлени превышает активное в 3…6 раз.

Сравните: активное сопротивление кабеля, вызванное скин-эффектом выросло на 1…13 процентов, а индуктивное – в 3…6 раз! Что больше?

У кабеля со сниженной индуктивностью на частоте 20 кГц индуктивное сопротивление больше активного в 1,5 раза, а до частоты 10 кГц (а это практически весь реальный звуковой диапазон) индуктивное сопротивление меньше активного.

Итак, с чем в реальности надо бороться? Со скин-эффектом, или индуктивностью? Учитывая, что снижение индуктивности в некоторых случаях (например, как у моего кабеля) приводит и к снижению скин-эффекта.

Для большей наглядности я построил нормированные графики импеданса (полного сопротивления) кабелей, рис. 12. Видите, как изменяется сопротивление? На частоте 100 кГц оно  увеличивается в 20…25 раз! И это влияет индуктивность кабеля, а совсем не скин-эффект!

Рис. 12.

На самом деле этот график предназначен больше для психологического воздействия. Импеданс состоит как из активного, так и из реактивного сопротивлений, а каждое из них влияет по-своему. Поэтому в реальности надо рассматривать активное и реактивное сопротивления кабеля по отдельности. Собственно, именно это я и делаю. Назначение рисунка 12 в том, чтобы ещё раз подтвердить то, о чём я говорю.

Для этого же предназначен и рисунок 13. Это тот же самый нормированный график импеданса, но в другом масштабе. Из рисунка хорошо видно, что на частоте 10 кГц сопротивление кабеля увеличивается в 2…3 раза, а на частоте 20 кГц в 3,5…6 раз. И всё это из-за влияния индуктивности. Скин-эффект составляет в этом всего несколько процентов.

Рис. 13.

Реальная работа аудиокабеля

Мы достаточно хорошо рассмотрели акустический кабель сам по себе. Но через кабель подключаются громкоговорители. Как происходит совместная работа системы кабель + нагрузка? Насколько в этом случае влияет индуктивность кабеля? Влияние индуктивности на затухание сигнала я кабеле я рассматривал в предыдущей статье. Сейчас рассмотрю только сопротивления и фазовые сдвиги.

Я подключил к кабелю нагрузку – безиндуктивный резистор сопротивлением 8 ом. Результаты показаны на рисунке 14. Активное сопротивление всей системы остаётся практически неизменным – наибольшее влияние скин-эффекта составляет порядка 0,2%. И индуктивное сопротивление на фоне сопротивления нагрузки выглядит небольшим. На частоте 20кГц индуктивное сопротивление обычных кабелей меньше активного в десять раз. Много это, или мало?

Рис. 14.

Если индуктивное сопротивление меньше активного в десять раз, то его влияние на амплитуду сигнала только-только начинается. Это влияние очень маленькое, и изменение амплитуды сигнала абсолютно незаметно. Так значит всё в порядке? Не совсем. Если сопротивление нагрузки равно 4 ома, то влияние индуктивного сопротивления становится выше. Правда на слух оно и в этом случае незаметно. Но ведь есть ещё и фазовый сдвиг…

Фазочастотная характеристика системы кабель + нагрузка показана на  рисунке 15. Как видите, на частоте 20 кГц сдвиг фаз составляет 5 градусов. На нагрузке 4 ома фазовый сдвиг будет равен 10 градусов. На слух это тоже незаметно.

Так что в принципе влиянием кабеля на работу нагрузки вполне можно пренебречь. Именно это и имеют в виду инженеры, когда говорят, что кабель не влияет на звучание усилителя и колонок. Они имеют в виду именно такой, правильно изготовленный и грамотно подобранный кабель.

Рис. 15.

Но не всё так просто.

  1. Наша система кабель + нагрузка находится близко к «границе незаметности» влияния кабеля. И если промахнуться со свойствами кабеля, то влияние кабеля на звук действительно можно будет услышать.
  2. Пуристы утверждают, что даже такое незначительное влияние кабеля на систему недопустимо. Если согласиться с ними, то ситуацию следует улучшать. Поскольку улучшать – это хорошо, то возможно, соглашаться надо. Посмотрите на рисунки 14 и 15. График, соответствующий кабелю с низкой индуктивностью: индуктивное сопротивление кабеля на два порядка ниже сопротивления нагрузки. Такой кабель не оказывает влияния ни на амплитуду, ни на фазу сигнала. Так что кабель со сниженной индуктивностью является почти идеалом. И не забудьте, скин-эффект в этом кабеле тоже снижен!
  3. Не все кабели таковы. Попытка изготовить какие-нибудь экзотические кабели со сниженным скин-эффектом может повысить индуктивность, и тогда её влияние станет заметно. В предыдущей статье описан подобный случай с дорогим кабелем.

Ёмкость аудиокабеля

В предыдущих статьях я уже писал, что ёмкость кабеля незначительна и незаметна на фоне индуктивности кабеля. При работе на низкоомную нагрузку ёмкостью кабеля можно пренебречь. Если конечно специально не делать кабель огромной ёмкости. В моей предыдущей статье был описан кабель, изготовленный из UTP проводников. Он обладал практически нулевым скин-эффектом, весьма малой индуктивностью и очень большой ёмкостью. К сожалению, он не сохранился. Поэтому я произвёл измерения влияния ёмкости кабеля на самом дешёвом из кабелей – участников сегодняшнего теста.

Когда влияет ёмкость кабеля, а когда индуктивность? Ёмкость кабеля подключена параллельно нагрузке, а индуктивность – последовательно с нагрузкой, рис. 16в. На низких частотах, когда длина кабеля в несколько тысяч раз меньше длины волны в кабеле, эффектом распределения индуктивности и ёмкости по длине кабеля можно пренебречь, и воспользоваться электрической схемой замещения с сосредоточенными параметрами.

Если концы кабеля замкнуты – короткое замыкание, то ёмкость кабеля окажется замкнутой накоротко, и влиять не будет, рис. 16а. Работает только индуктивность. Если концы кабеля разомкнуты – холостой ход (рис. 16б), то основное сопротивление для протекания тока будет оказывать ёмкость. Влияние ёмкости будет максимально, а влияние индуктивности настолько мало, что им можно пренебречь. Это граничные условия. На работу кабеля с нагрузкой, влияют и индуктивность, и ёмкость (рис. 16в). Чем сопротивление нагрузки больше, тем ближе система к холостому ходу. При этом влияние ёмкости больше, а влияние индуктивности меньше. Чем сопротивление нагрузки меньше, тем ближе система к короткому замыканию. При этом влияние ёмкости меньше, а влияние индуктивности больше.

Рис. 16.

Измерения сопротивления кабеля при работе с нагрузкой сопротивлением 100 ом и 200 ом показаны на  рисунке 17. Сопротивление нагрузки 200 ом оказалось «высокоомным» — реактивная составляющая сопротивления системы кабель + нагрузка оказалась ёмкостной. Об этом говорит знак реактивного сопротивления. Для индуктивности он положителен, а для ёмкости отрицателен. Нагрузка сопротивлением 100 ом оказалась «низкоомной». Реактивное сопротивление для неё положительно, так что во влиянии кабеля преобладает индуктивность.

Рис. 17.

Так что  если сопротивление вашей нагрузки меньше чем сто ом, про ёмкость кабеля можно забыть. Её влияние полностью перекрывается влиянием индуктивности кабеля.

Надо пояснить поведение графика на рисунке 17, чтобы не было неясностей. Из физики известно, что ёмкостное сопротивление с ростом частоты уменьшается. А красная пунктирная линия на рисунке 17 показывает обратное. Судя по графику, ёмкостное сопротивление кабеля с ростом частоты растёт. Это не ошибка. Дело в том, что на графике показано не ёмкостное сопротивление кабеля. График показывает так называемое Cs – вычисленное ёмкостное сопротивление, включённое последовательно в цепь. Для индуктивности всё получается прозрачно, индуктивность действительно включена последовательно, и измерения показывают истинные значения. Ёмкость включена параллельно нагрузке, поэтому реальная ёмкость кабеля (и её ёмкостное сопротивление) пересчитывается в эквивалентное последовательное сопротивление. Такое, какое будучи включённым последовательно с нагрузкой, даст аналогичный результат. Так работают многие измерительные приборы, и этот в том числе. Результаты можно было пересчитать в реальное параллельное ёмкостное сопротивление, но я не стал этого делать. Я не вижу в этом необходимости. Я уже говорил, что у меня другая цель.

Итак, «обычный» кабель на той реальной нагрузке, которую мы к нему подключаем, никак не проявляет своих ёмкостных свойств. Поэтому если ёмкость кабеля «правильная», то есть небольшая, как у обычного кабеля, то нет смысла о ней беспокоиться. Ёмкость кабеля не является важной.

Выводы

  • Измерения в очередной раз подтвердили теорию. Результаты совпали с тем, что я писал в предыдущей статье. Это и неудивительно.
  • Обычный дешёвый кабель показал достаточно хорошие результаты. Настолько хорошие, что нет необходимости использовать что-то более дорогое.
  • Когда инженеры говорят, что кабель не влияет на звучание усилителя и колонок, то они имеют в виду то, что правильно сконструированный и подобранный кабель изменяет параметры сигнала (амплитуду и фазу) настолько незначительно, что на слух это абсолютно незаметно. И это реально. Конечно, если вы не верите в волшебство, которое протекает по кабелю.
  • И ещё инженеры имеют в виду, что кабель не должен влиять на звук. Как цвет вашего автомобиля не должен влиять на его ходовые качества. И это тоже реально.
  • У дешёвого кабеля есть всего один, но очень большой недостаток – кабель дешёвый. На таком кабеле трудно заработать много денег как производителю, так и продавцу. Поэтому, они прикладывают много сил, чтобы заставить людей покупать дорогие кабели. Тем более что в дорогих кабелях под предлогом борьбы со скин-эффектом можно «нечаянно» сделать большую индуктивность или ёмкость. Тогда влияние индуктивности и/или ёмкости кабеля будет заметно на слух, кабель будет обладать «собственным звуком», и можно будет заставить потребителя многократно покупать различные дорогие кабели в поисках «наилучшего звучания».
  • Поэтому существует очень много информации о том, как звучат те или иные кабели. И о том, что кабель существенно влияет на звук. И о том, что кабель – самый главный компонент аудиосистемы. Это естественно, люди хотят заработать деньги, продавая аудиокабели. Даже если для этого приходится немного обманывать.
  • Я не пытаюсь бороться с этим явлением. Те, кто хочет быть обманутым, обязательно позволят себя обмануть. Я обращаюсь к тем, кто доверяет разуму.

05.05.2021

Total Page Visits: 1299 — Today Page Visits: 57

Чем отличается силовой кабель от акустического

Характеристика силового кабеля

Силовой кабель предназначен для передачи переменного тока от энергетического, коммунального предприятия к потребителю. Он рассчитан на 35 киловаттное напряжение, но есть марки, выдерживающие 330 киловаттное напряжение. Состоит из токопроводящей жилы, изоляции, оболочки и защиты. В зависимости от назначения, производственных особенностей, силовые кабели отличаются количеством, материалом жил, площадью сечения, изоляционным типом. Проводник используется во внутренней электроустановке, в закрытом кабельном сооружении, в жилой, общественной электропроводке. Он применяется в цепи питания пожаротушащих устройств, пожарной сигнализации, лифтовом питании, системе эвакуации и питания медицинских учреждений. Его нередко используют для устройства системы дымоудаления.


Характеристика акустического кабеля

Акустическим кабелем называется провод для подачи звукового сигнала на пассивные динамики от усилителя. Основной его задачей служит передача четкого сигнала. Он гарантирует защиту передающего сигнала от любой внешней звуковой помехи.

Главной его особенностью служит возможность передачи аудиосигнала к динамику без искажения. Этим он отличается от обычного проводника. При использовании некачественного изделия на выходе получается искажение, фоновый шум или низкий мощностный сигнал. Это происходит из-за того, что часть звуковой энергии отправляется на нагрев кабеля. Для сохранения качества сигнала, используют акустический кабель. Чтобы сохранилась максимальная акустическая проводимость, используется медный токопровод. В нем нередко используется оловянное или серебряное напыление, что делает провод почти идеальным.

Как правило, акустический кабель работает при температуре от -40 до 60 градусов. Его длина достигает свыше 25 метров. Функционирует он по гарантии свыше 10 лет. По виду бывает пучкообразным, концентрическим и веревочным.


Основные отличия

Чтобы кабель мог давать высококачественный сигнал, он должен иметь качественный материал, проводниковое сопротивление, скин-эффект, длину, сечение, показатель индуктивности и разъем. Зачастую именно акустический кабель передает лучший сигнал, поскольку основной его задачей служит передача сигнала без искажения. Силовой проводник призван передавать, принимать постоянную электроэнергию, в то время как акустический — должен передавать, принимать качественный сигнал.

Отличия заключаются в конструктивных особенностях. Жилы акустического кабеля свиты определенным образом. Количество их больше, чем в обычном проводнике. При наличии шумов, жилы его нуждаются в экранировании. Для автомобильной акустики, звукозаписывающей студии, это — критичный момент.

Стоит указать, что, как правило, акустический кабель в длину больше силового. Чем она больше, тем лучше работает проводник. Цена его выше, поскольку для его создания применяются улучшенные производственные технологии. Методы его создания на производстве направлены на сохранение качественного сигнала, снижения количества искажений, поэтому стоит он больше. По отметкам пользователей цена оправдывается качеством.

В дополнение можно отметить, что акустический и силовой кабель отличаются внешним видом, жесткостью. Гибким первый провод считается за счет отсутствия второй защитной оболочки. В силовом проводе каждая жила сделана с изоляцией. Сверху жилы силового проводника покрыты поливинилхлоридной, толстой оболочкой. Акустический провод покрытым мягким силиконовым материалом.

В результате, различие акустического проводника от силового кроется во внешнем строении, длине, гибкости, жесткости и качестве передаваемого сигнала. Кроме того, для первого используются лучшие технологии, что делает его незаменимым в звукозаписывающих студиях, автомобильных мультимедиа системах.

Влияют ли провода (кабель) на качество звука. Звучат провода или нет?

 Наименование нашей статьи словно вызов. Действительно, в интернете можно найти множество материалов, сомнительных форумов и компетентных мнений. Да и просто самобытных людей, которые готовы не жалея своей слюны разбрызгивать ею налево и направо, а иногда и в лицо, чтобы доказать как «звучат провода» или обратное… 
 Что же, попробуем разобраться в этом вопросе, приведя в качестве доказательства всем известные факты и некоторые метафизические выводы, это уже после фактов. Когда факты у нас закончатся, а выводы само собой делать все же придется. Начнем.

Что такое провода или как представить их электрическую схему

Так вот, мы понимаем, что не все участвующие в обсуждении или читающие эту статью имеют техническое образование, тем более связанное с электроникой, электрикой, хорошим знанием физики. Ну, а уж про высшее образование мы и вовсе умолчим. Это собственно говоря в нашем случае и ни к чему! 
  Для того чтобы все же общаться наравне, то есть понимать как провода могут влиять на прохождение сигнала, именно так мы называем НЧ волны, а у обывателя звук, все же придется постичь некоторые азы. Ведь в противном случае это так и останется все та же несостоятельная демагогия, которой далее окриков не пойдет.

Первое и совсем не важное…

 Провод обладает активным сопротивлением, измеряемым в Омах. Именно об этом сопротивлении помнят все и всегда, когда ссылаются на расчет проводника. Однако это наименее значительный из показателей, который влияет на звук, так как по сути, активное сопротивление никак не влияет на частотную характеристику звуковых пропускаемых волн, а лишь ослабляет уровень сигнала. Это проблема уже более относится к согласованию блоков звуковоспроизводящей аппаратуры, чтобы сигнал у выходного блока был должного уровня, а чувствительность у принимающего блока обеспечивала номинальные показатели.

Продолжая размышлять…

 Наиболее интересными в нашем случае будут емкостные и индуктивные показатели провода. По сути проводник можно представить как сборку индуктивностей и емкостей в «одном флаконе». Чем длиннее провод, тем будет больше его индуктивность, которая будет нарастать, если так можно сказать вдоль длины каждого из проводников в кабеле. А вот емкостный показатель, будет образован совокупностью двух проводников разом, то есть емкость будет измеряться между двумя проводниками. Отсюда и можно зарисовать следующую схему.


 
В ней индуктивность нарастет с каждым из проводников вместе взятых, а индуктивность для каждого в отдельности. Еще раз взгляните на картинку. Конечно, в нашей жизни вы не увидите таких радиоэлементов, которые мы в качестве эквивалента применили для описания схемы проводника, по сути вам необходимо это представить все самим. И провести некую аналогию между теорией на бумаге, в данном случае на экране монитора и тем, что в нашей жизни это всего лишь «какой-то» кабель. Но именно так эквивалентно можно и нужно представить провода, который передают, в том числе и наш сигнал от одного блока к другому.
 Дальше по сути нам и придется понять природу проявления индуктивности и емкости в проводе, чтобы попытаться представить, как же производитель может избавить искушенного меломана от этих нежелательных для звука составляющих.
 И начнем мы с геометрических форм кабеля. Ведь такие формы играют не последнюю роль во всем этом.

Виды кабелей по форме и расположению в них проводников (коаксиальный, двухпроводная линия)

 Начнем с того, что провод может быть выполнен по коаксиальной схеме, то есть когда ось одного проводника совпадает с осью другого, вроде того как это все реализовано в кабеле для подключения телевизионной антенны. Второй вариант, когда общий проводник сигнала представляет собой два независимых, рядом расположенных проводника, с диэлектриком между ними. Вроде тех электрических проводов, которыми мы подключаем наши электроприборы к розеткам и тех, что используются для проводки в нашем доме или квартире.

На самом деле мы сделали это разделение по типам проводов не ради праздного любопытства, ведь от этого также зависит распространение звука (сигнала) в проводе. Но чтобы вас огорошить неизвестно откуда взявшимися выводами, мы все же придержим наш пыл, до лучших времен, когда наши доказательства окрепнут и будут в силе изменить вашу точку зрения. А пока лишь примите к сведению, что практика изготовления тех и других проводов все же имеется. Значит что-то в этом есть…
В первую очередь здесь стоит сказать о том, как формируется электрическое поле от тока в проводе. Некоторые из вас еще помнят правила буравчика, когда при протекании тока (звука) через проводник вокруг него по ходу тока образуется перпендикулярное электрическое поле. (по часовой стрелке). Так вот, как и любое поле, оно влияет на ток. То есть здесь палка о двух концах. Ток создает поле, а это поле также влияет на этот самый ток. Это мы к чему? К тому, что при возникновении такого электрического поля, само поле старается оттянуть ток от центра проводника, так как сила поля будет больше у поверхности проводника. В итоге можно наблюдать очень интересный эффект, так называемый скин — эффект, когда ток будет в проводнике словно притягивать к поверхности проводника. При этом чем больше частота, тем более сильное электрическое поле, тем более явное влияние скин — эффекта будет наблюдаться. И здесь вернемся к сечению проводов.
 Если взять коаксиальный провод, то мы будем иметь два проводника с одним мнимым центром, но при этом ток в них будет протекать в разных направлениях. В итоге наложение электрических полей от двух этих проводников в одном кабеле сможет хотя бы отчасти компенсировать (самоуничтожиться) влияние электрического поля на ток, а значит и минимизировать влияние скин эффекта.
  Еще одним вариантом борьбы с скин — эффектом может стать и использование плоских проводов, в виде лент. Здесь если даже поле и будет притягивать электроны к поверхности, то ничего страшного не произойдет, так как это по сути и будет вся полезная площадь сечения провода.
 В общем-то главный вывод здесь о том, что от сечения кабеля и от расположения проводников в нем тоже кое-что зависит. Мы к этому еще вернемся, так что завтра можете об этом и забыть, но до конца статьи все же помните об этом факте.

Индуктивное сопротивление и влияние электрической емкости на кабель

 Вернемся к индуктивности и емкости кабеля, с чего мы и начинали. Что относительно индуктивности, то ею можно явно пренебречь. Ведь свернуть так «в каральку» кабель, чтобы он стал катушкой, на таком коротком расстоянии очень сложно. А если нет катушки, значит и электрическое поле будет не большим. Не значительным. Само собой и обратное его влияние на провод, вернее на электрический сигнал (ток) в нем будет никаким.
 С емкостью не все так радужно. Смотрим на формулу.


 
В ней все зависит от электрической постоянной, которая определяет напряженность электрического поля в вакууме Eo. А вот вторая величина Er (относительной диэлектрической проницаемости), это по сути коэффициент, который как раз и умножается на  первый показатель, для определения сравнительного соотношения диэлектрика и непосредственно вакуума. Ну и емкость, конечно же, будет прямо пропорциональна площади и обратно пропорциональна расстоянию.
Здесь подведем небольшой итог по емкости провода.
Чем больше площадь проводов, тем будет больше емкость, чем дальше они друг от друга, тем меньше емкость. Чем лучше диэлектрик, тем опять таки большую емкость можем создать.
Ну и тут получается в итоге так. Чтобы провод был с минимальной емкостью, ведь на кой она нам нужна, то надо провода отнести друг от друга как можно дальше. Но это как назло противоречит тому самому скин-эффекту, вернее тому самому выводу, что для того чтобы его избежать, надо в коаксиальном проводе максимально близко разместить провода между собой. Вот тут и начинается дилемма. Либо теряем на пропускаемой частоте, либо чтобы ничего не терять разносим провода и увеличиваем площадь. Опять же увеличивая площадь, мы автоматически повышаем емкость, а значит их надо разносить еще дальше. А все это надо реализовать в компактной оболочке. В общем, начинается Санта-Барбара…
 Собственно скажу честно, я не вхожу в группу специалистов на заводе, которая занимается производством кабельной  продукции для аудиоаппартуры. Но определенные проблемы здесь явно на лицо и решать их можно по-разному.
 Могу лишь сказать о том, что при смене проводов для акустики с меньшего сечения на большее, очень хорошо заметен эффект увеличения НЧ. И это связано именно с емкостной составляющей кабеля. И тут кому-то может показаться, что басы звучат «красиво», но это совсем не значит, что они там были первоначально. Получается, что добавление сечения уже привносит то, чего не было, а это нехорошо. Тем более нельзя просто так взять и увеличить сечения кабеля на межблочной аппаратуре. Входные сопротивления для первых каскадов большие, в итоге наш кабель с большой емкостью может еще дольше питать их своей излишней емкостью, а значит еще сильнее добавит басов. Для проводов на акустику это не столь критично, здесь сопротивление всего лишь несколько Ом и токи значительные. Емкостная составляющая провода «уйдет» значительно быстрее, но все же тоже будет!

Активное сопротивление в проводе

 По мне так это самый не интересный параметр, так как не влияет практически ни на что, разве что на падение уровня силы сигнала. И компенсируется легко, — выворачивание ручки громкости на усилителе погромче. Собственно акцентировать внимание на нем, вследствие подобной особенности не вижу смысла.

Другое при звучании проводов

Оставлю без комментариев случай, когда японцы пишут, что на распространение тока влияет чистота меди. Не особ представляю как сильно это может влияет, кроме как на активное сопротивление, про которое я уже сказал, но то что я не знаю не значит что это го не может быть. А факт этот часто используется для определения характеристики кабеля, как высококачественного. Поэтому я тут про него и упомянул.

Заключение по звучанию проводов

 Собственно из всей приведенной информации можно сделать вполне логические и научные выводы, даже не «слушая» проводов вовсе. Влияние на их звучание есть. Некоторые считают его незначительным, некоторые существенным. Здесь надо, наверное, сказать так. Если  вы в состоянии переплачивать деньгами, временем, настройкой, подбором проводов звучание вашей аппаратуры путем подбора провода, выбором качественного кабеля, то это хорошо! А нет, так нет!

 Ну и еще одно. Вначале я думал что наиболее явственным  и существенным, будет влияние кабеля в цепях низкого тока, то есть в межблочных соединениях. Меньшее влияние на звук будет при подключении акустического кабеля к акустике.  Однако в моей практике все получилось с точностью наоборот.

Акустические кабели до самой акустики имели большее значение, нежели межблочные.

Мой опыт прослушивания кабелей

Что лично слушал я, о чем могу сказать исходя из собственных ощущений…Далее мое мнение. Не принимал во внимание китайский ноунейм, о нем ни слова.

Межблочные кабели:

Audio-Technica AT6A58 Titan — это худший из того, что мне приходилось слушать за эти деньги. Глухой, все зажато, нет ни намека на какую-то конкретную выборочную частоту воспроизведения. Был в шоке. (примерно 60$)
Audioquest Snake (примерно 20$) — за свою цену очень даже ничего. Играет вполне.
Audioquest Cobra (примерно 100$)- лучшее соотношение цена качество из того, что я слышал.
Acrolink 7n-2070 (примерно 600$) — кабель хорош, замечаний по качеству никаких, но дорогой! Минус еще в том, что не со всей аппаратурой можно использовать, слишком толстые штекеры. Могут мешать друг другу при установке.

Акустические кабели:

Ortofon 6.7N-SPK500 (100$) — достойный начальный уровень. Без конкретных недостатков.
Saec 1000 (120$) — играет лучше чем китайский ноунейм, но до настоящих топов ему далеко.
Ortofon 4500 silver (200$) — весьма и весьма хорош, но лучшее враг хорошего.
Ortofon 7.8N SPK9000 Six (примерно 550$) — расширил весь диапазон воспроизведения по сравнению с просто медными кабелями. Самое лучшее, что мне приходилось слушать.  

* — цены приведены за какие примерно удавалось найти кабель в продаже, а не с нуля в магазине.

Подключение трансляционных усилителей и громкоговорителей

В этой краткой статье мы рассмотрим основные особенности подключения трансляционных усилителей и громкоговорителей. Мы не станем описывать «Почему», не будем приводить формулы расчетов подключений, мы просто опишем «Как».

Трансляционное оборудование принципиально отличается от техники, которую мы привыкли использовать у себя дома или от профессиональных концертных или клубных систем. Основная особенность трансляционных систем это использование в усилителе согласующего трансформатора, который выдает в линию сигнал с уровнем 100В (в некоторых случаях может быть 30В, 240В, но эти случаи мы рассмотрим отдельно). Такое напряжение позволяет (в отличии от домашних или профессиональных усилителей) проводить протяженные трансляционные линии до сотен метров (возможно примерно до 1 км, но при условии подбора подходящего кабеля). Громкоговорители, которые используются совместно с трансляционными усилителями также должны содержать понижающий трансформатор и иметь соответствующее входное напряжение 100В (соответственно в некоторых случаях 30 или 240В).  Важно помнить, суммарная мощность подключаемых трансляционных громкоговорителей не должна превышать мощность усилителя (в отличии от профессиональных акустических систем и усилителей, где рекомендуется обратное правило). В отличии от профессионального оборудования, у которого  подключение нескольких акустических систем на один усилитель может вызвать определенные трудности (последовательно-параллельная схема подключения), трансляционная техника избавляет нас от подобных сложностей. На схеме ниже, вы можете посмотреть общий принцип подключения трансляционных громкоговорителей к усилителям ROXTON AA-35/60/120/240/360/480 и линейки серии MA-60/120/240/360. Данная схема подключения вполне актуальна для техники других производителей.

 

Общая схема подключения 100В трансляционного усилителя выглядит примерно так:

Подключение 100В трансляционных громкоговорителей на выход усилителя 70В.

Большинство 100В трансляционных усилителей, помимо основного выхода 100В в линии громкоговорителей, имеют также выход 70В. При подключении громкоговорителей на этот выход, их мощность падает в два раза, но максимальное количество подключаемых громкоговорителей может быть также увеличена вдвое. Например к усилителю мощностью 30 Вт можно подключить не более 3-х громкоговорителей мощностью 10Вт на 100В выход. На 70В выход усилителя возможно подключение 6-ти 10Вт громкоговорителей.

 

Подключение трансляционных громкоговорителей к многозоновым усилителям.

Многозоновые усилители ROXTON серии AZ-120/240/360/480/560/650, серии MZ-120/240/360 а также комбинированные системы оповещения SX-240/480 позволяют подключать несколько шлейфов акустических систем для организации на объекте многозонового вещания. Подключение производится отдельными шлейфами на пронумерованные пары клемм. У этих усилителей также имеется общий выход 100В, 70В и 4 Ом, которые используются при отсутствии необходимости делить территорию предприятия на отдельные зоны трансляции. В этом случае используется соответствующий общий выход усилителя.

Можно ли подключать трансляционные усилители одного производителя к громкоговорителям другого производителя.

Конечно можно. Но важно учитывать тот момент, чтобы совпадали выходное напряжение усилителя и входное напряжение громкоговорителей. Наиболее распространенной техникой в данном сегменте рынка является 100В оборудование (и усилители и громкоговорители), однако могут использоваться системы с напряжением в сети 30В, 120В и 240В. Если к 100В усилителю подключить 30В громкоговорители ничего хорошего не произойдет и мы категорически не советуем поступать таким образом (хотя надо отметить, что были случаи подобного использования техники, но они требуют чрезвычайной аккуратности и мы не станем рассказывать о подобных экспериментах, что бы вообще не вводить в искушение поступать подобным образом). К усилителю с выходным напряжением 30В можно спокойно подключать 100В громкоговорители, но потери мощности (фактически громкости) будут совершенно неприемлемы. Сочетание 100В усилителей  и 120В громкоговорителей приемлемо, будет некоторая потеря мощности. 120В усилители и 100В громкоговорители в принципе работать будут, но мы очень не рекомендуем использовать подобную схему.

Подключение трансляционных громкоговорителей.

Мы здесь остановимся только на 100В схемах подключения громкоговорителей. Какие выходы усилителя необходимо использовать для подключения трансляционной акустики Вы можете посмотреть на схемах выше. Как правило это клемма «0» (в некоторых случаях обозначается как «СОМ») и клемма «100В».

На картинке ниже мы видим шильдик громкоговорителя (к примеру PA-20T). На нем помимо указания модели, входного напряжения и номинальной мощности есть еще три надписи, обозначающие цвета и назначение проводов выходящих от громкоговорителя.

  1. BLUE: COM (т.е. синий провод — общий, он подключается всегда на клемму усилителя «0» или «СОМ»)
  2. RED: 20 Вт (т.е. красный провод используется для подключения громкоговорителя на мощность 20 Вт, этот провод заводится на клемму усилителя 100В)
  3. YELLOW: 10 Вт (т. е. желтый провод используется для подключения громкоговорителя на мощность 10 Вт, этот провод заводится на клемму усилителя 100В)

Подключение громкоговорителя на 20 Вт.

 Подключение громкоговорителя на 10 Вт.

В некоторых случаях вместо проводов используются таким же образом подписанные клеммные колодки (например СОМ; 10 Вт; 5 Вт; 2,5 Вт), в этом случае подключение еще проще, соединяем 0 (СОМ) на усилителе с 0(СОМ) на динамике, а 100В клемму усилителя соединяем с выбранной мощностью, на которую необходимо подключить громкоговоритель.

Совсем простой является схема, когда из громкоговорителя выходят всего два провода (или стоит одна колодка с двумя клеммами), а на корпусе громкоговорителя установлен подписанный переключатель, позволяющий  просто установить регулятор в нужное положение, на нужную мощность.

Как подключать громкоговоритель, если не аказаны значения мощности, а обозначены только сопротивления отводов громкоговорителя.

Действительно, в некоторых типах акустических систем не указана возможная подключаемая на конкретный отвод мощность. Если с «общим» отводом («СОМ» или «0») всё понятно, то другие отводы, как на картинке внизу , могут обозначаться различными сопротивлениями.

В примере 1 (рупорный громкоговоритель Inter-M HS-20, 20/10Вт) мы видим общий отвод «СОМ» — черный провод (BLACK), а также несколько сопротивлений — 8 Ом (RED), 500 Ом (WHITE) и 1 кОм (GREEN).  Отвод 8 Ом (RED) предназначен только для подключения к низкоомным выходам усилителя и используется в трансляционной технике редко. Если Вы видите обозначение отвода громкоговорителя 4 или 8 Ом, то про него можно сразу забыть, использование этого отвода возможно только если сам усилитель мощности не является трансляционным и имеет только низкоомные выходы. (то же самое можно,кстати сказать про выходы трансляционных 100В усилителей 4-8-16 Ом, эти выходы используются в обратной ситуации, когда в силу тех или иных причин к трансляционному усилителю необходимо подключить бытовые, профессиональные или любые иные акустические системы с входным сопротивлением 4-8 Ом). Остаются два отвода — 500 Ом (WHITE) и 1 кОм (GREEN). Правило в данном случае простое, чем меньше сопротивление, на которое вы подключаетесь, тем большую мощность выдает громкоговоритель. Мы в этом примере рассматривали громкоговоритель HS-20 мощностью 20 и 10 Вт. При подключении на 500 Ом, громкоговоритель будет «играть» на 20 Вт, при подключении на 1 кОм он будет выдавать 10 Вт. Существуют формулы расчета соотношения сопротивления и мощности которые мы не станем приводить в рамках данной статьи. Просто можно запомнить: чем меньше сопротивление на которое вы подключаете громкоговоритель (8 Ом вообще не учитывать!), тем на большую мощность он будет работать.

В примере 2 мы показали обозначения громкоговорителя CS-810 мощностью 10 и 5 Вт. Что бы подключить акустическую систему на полную мощность (10 Вт) мы подключаем клеммы «СОМ» и 1 кОм, для подключения громкоговорителя на половину мощности (5 Вт), используем клеммы «СОМ» и 2 кОм.

Одинаковые громкоговорители в одной трансляционной линии можно подключать на различные мощности. Например часть акустики можно включить на полную мощность, часть на половину и часть на треть. Также можно в одну трансляционную линию подключать различные типы акустических систем (и различных производителей в том числе). Для подсчета нагрузки на данную трансляционную линию необходимо просто сложить все значения подключенной мощности на каждом громкоговорителе в линии.

Сколько громкоговорителей можно подключить к трансляционному усилителю.

Правило простое. Суммарная мощность акустических систем не должна превышать мощность усилителя. Желательно даже оставлять некоторый запас. Поэтому при подборе трансляционного усилителя необходимо учитывать возможность расширения системы. Если вы купили 12 громкоговорителей мощностью по 10 Вт и усилитель мощностью 120Вт, то для подключения дополнительной акустики не остается никакого резерва (разве только переподключить все громкоговорители на часть мощности).

Также отметим важный момент, некоторые многозоновые усилители не позволяют, например, подключить на отдельную зону мощность, превышающую примерное значение мощность самого усилителя, поделенную на количество зон. Так например, усилитель JPA-1120A с селектором на 5 зон трансляции не позволяет подключить более 25Вт на каждую зону трансляции. В этом случае, не смотря на то, что суммарная мощность громкоговорителей может быть существенно ниже мощности самого усилителя, при необходимости подключить на отдельную зону трансляции (например) нагрузку в 50Вт, необходимо или покупать усилитель, который позволяет включать такую нагрузку на отдельную зону трансляции или различными способами (иногда затратными, иногда неудобными) решать эту проблему.

Все усилители ROXTON, которые представлены на нашем сайте позволяют подавать на отдельную зону трансляции хоть всю подключаемую мощность, поэтому выше изложенный нюанс к ним отношения не имеет.

Можно ли использовать одновременно 100В выход усилителя и выход 8 Ом.

Нет. Нельзя.

Какой кабель использовать для подключения трансляционных громкоговорителей и усилителей.

Специальный акустический кабель (который используется в профессиональном звуке) использовать не стоит. Как правило системы радиотрансляции прокладываются обычным электрическим проводом сечением 0, 75мм и выше (ШВВП-2*0,75, любой ПВС и т.д.). Чем больше длинна трансляционной линии, тем с большим сечением должен использоваться кабель.

Вы можете использовать такую формулу для расчета сечения кабеля:

Минимальное сечение = 0,08 * (длину линии) * (суммарную мощность громкоговорителей в линии) / 10 000

Но, желательно не меньше 0,75 мм (ШВВП 2*0,75 например)

Для 100В систем пределом является расстояние около 1 км, при этом стоимость кабеля для прокладки сети на подобные расстояния может значительно увеличить стоимость самой системы. При построении систем оповещения людей о пожаре целесообразно использовать специальные огнестойкие кабели, марку которых Вам подскажут специалисты нашей компании.

9. ИСТОЧНИКИ ОШИБКИ В ОЦЕНКАХ

9. ИСТОЧНИКИ ОШИБКИ В ОЦЕНКАХ



9.1 Систематические / случайные ошибки
9.2 Оборудование в рабочем состоянии Ошибки
9,3 Шум
9,4 Ошибки покрытия
9,5 Избегание судна (изменчивость в зависимости от глубины рыбы)
9,6 Прочие ошибки


Статистические соображения играют роль в связи с физическими измерениями, поскольку последние включают ошибку или неточность, вызванную небольшими систематическими и / или случайными помехами, которые нельзя полностью устранить.Таким образом, измерения таких величин, как длина, давление, напряжение и температура (факторы, вызывающие большую озабоченность акустика), содержат ошибки, вызванные характером физического измерения. Это связано с тем, что человек, выполняющий измерение, используемый инструмент и измеряемая система, подвержены небольшим непредсказуемым помехам. Следует ожидать, что процесс, включающий акустическую систему в качестве «измерительного прибора», имеет потенциальные источники и причины ошибок, поскольку фактическая количественная оценка эхосигналов от рыбы достигается с помощью дистанционного зондирования, а измеряемая физическая величина связана с мобильное, живое существо.В результате ошибка , ошибка измерения , ошибка или , ошибка наблюдения , ошибка , связанная с акустическим измерением, и последующие оценки биомассы являются факторами, представляющими основной интерес для исследователя.

Акустические пробы, взятые во время измерения плотности рыбных запасов, и, следовательно, статистика, полученная из этих проб, подвержена двум видам ошибок, подразумеваемым выше, то есть систематическим ошибкам (систематическим ошибкам) ​​и случайным ошибкам. Оба вида ошибок могут входить в выбор наблюдений и в значения (например, показания интегратора) наблюдений.

Систематические ошибки — это ошибки, вызывающие смещение. На акустические измерения часто влияет ряд смещений, которые могут быть либо аддитивными, либо комбинированными, чтобы нейтрализовать друг друга. В этой связи важно отметить, что статистические формулы для стандартной ошибки и критерия значимости не могут применяться для оценки направления или величины систематических ошибок при отборе акустических образцов. Систематические ошибки, связанные с акустическими исследованиями, часто могут быть обнаружены и исправлены путем общего логического анализа процесса измерения / оценки, что подчеркивает огромную важность обучения и полевого опыта, необходимых для достижения желаемого уровня знаний в этой области.

В отличие от систематических ошибок, случайные ошибки связаны с вероятностными соображениями, поэтому их часто называют статистическими ошибками. Уровень и мгновенное направление этих ошибок (вариации, не показывающие воспроизводимого образца), как правило, не могут быть предсказаны, и, следовательно, их нельзя избежать или устранить. Однако их влияние можно понять на основе теории статистических ошибок, впервые разработанной Гауссом и Лапласом. С тех пор появился огромный объем статистической литературы, в которой содержится подробный анализ случайных ошибок.Таким образом, чтобы ознакомиться со связанными формулами и задействованными параметрами, такими как среднее арифметическое, стандартное отклонение, дисперсия, коэффициент дисперсии и доверительные границы среднего, читатель может обратиться к рекомендуемой литературе по этому вопросу. Наконец, в качестве важного вывода из вышеизложенного следует отметить, что, хотя случайные ошибки определяют точность, точность определяется систематическими ошибками.


9.2.1 Отказ нижнего импульса
9.2.2 Селектор слоев
9.2.3 Создано в школе Нижний стоп-импульс
9.2.4 Вторичное эхо Помехи
9.2.5 Смещение прибора
9.2.6 Затухание пузырьками


Опыт последних 12 лет или около того, с тех пор как акустическое оборудование стало количественным инструментом в исследованиях рыболовства, показал, что при эксплуатации оборудования (научных эхолотов и интеграторов) требуется особая осторожность, чтобы избежать ненужных ошибок в оценке численности рыбы.Для отслеживания и исправления эксплуатационных ошибок или, что еще лучше, для принятия превентивных мер, чтобы избежать их возникновения, требуются навыки, должным образом приобретенные только на собственном опыте. Однако предварительное знание природы этих ошибок помогает увидеть проблемы в перспективе. В следующих подразделах резюмируются возникшие проблемы и объясняется, как можно внести исправления.

9.2.1 Отказ нижнего импульса

Когда эхолот не может произвести донный импульс для каждого зондирования (пинг), функция нижней остановки интегратора не будет; таким образом, донный эхосигнал будет интегрирован как ложный эхо-сигнал от рыбы.Это происходит только в том случае, если нижний предел глубины выбранного интервала интегрирования установлен ниже фактической глубины зондирования, и когда регулятор «Bottom Stop» находится в положении «ON».

Этот вид ошибки обычно наблюдается при следующих условиях:

1. очень неровное (неровное) каменистое или коралловое дно
2. чрезвычайно крутое наклонное дно
3. плохие морские условия (качение и качка судна)
4. исключительно «мягкие» донные отложения.

Типичная ситуация проиллюстрирована на Рисунке 78 рядом, который в значительной степени не требует пояснений.

Рис. 78.

Понятно, что ошибки такого рода могут достигать больших размеров, если оператор оборудования не будет их разумно контролировать. Такой контроль может осуществляться двумя способами. Во-первых, оператор должен удерживать регулятор «Дискриминатор» в относительно высоком положении (6-8). Это улучшает реакцию системы и увеличивает шанс надежного генерирования донной импульсной функции. Во-вторых, если это не минимизирует проблему в достаточной степени, переключитесь на ручное управление нижним пределом интервала интегрирования, регулярно используя колесико-переключатель «Интервал».В последнем случае проблема возникает, когда интересующая концентрация рыбы находится на морском дне или близко к нему, когда может быть трудно проследить контур последнего. Также переключение колесика большого пальца создает «всплески» (объясненные в следующем разделе), которые вызывают ложную интеграцию. Как читатель поймет из вышеизложенного, минимизация описанной ошибки может быть усвоена только на практике.

9.2.2 Пик выбора слоя

Эта конкретная ошибка вызвана нежелательным побочным эффектом в переключателе с ручкой регулировки эхо-интегратора QM, который при вращении генерирует электрический выброс, который улавливается интегральными схемами.Результаты интегрирования ложных эхосигналов рыбы, которые появляются на интегограмме почти так же, как и донные эхосигналы, показанные на рисунке 78. По-видимому, единственный способ для оператора интегратора избежать этой проблемы при использовании стандартного QM — это вручную рассчитать фактическое вращение. , чтобы это произошло, когда вращающийся стилус записывающего устройства EK не соприкасается с бумагой для печати. Это эффективно гарантирует, что интегратор выключен. Проблема может быть решена и другими улучшениями интегратора QM, которые увеличивают динамический диапазон и уменьшают дрейф.

9.2.3 Нижний стоповый импульс, генерируемый школой

В то время как две ошибки, описанные выше (9.2.1 и 2), приводят к явной ложной интеграции эхо-сигнала рыбы и, следовательно, к положительному смещению, ошибка S chool G была обнаружена B ottom P ulse E rror (далее SGBPE) всегда вызывает отрицательное смещение из-за блокировки интеграции эхосигнала от рыбы. В принципе, такая ошибка возникает из-за того, что эхолот EK иногда не может физически отличить косяк рыбы от морского дна; он может различать только низкие и высокие уровни эха.Следовательно, когда эхолот работает в режиме белой линии и обнаруживает очень плотный косяк рыбы, демонстрирующий силу цели, аналогичную силе цели морского дна (скажем, TS = 20 дБ), « резкое » сильное эхо, возвращаемое этой косой, будет быть неотличимым от эха морского дна. Будет сгенерирован «нижний импульс», что приведет к полной блокировке интеграции до следующей передачи. Чтобы лучше проиллюстрировать проблему, рассмотрим Рисунок 79, на котором показаны (а) теоретическая запись очень плотной пелагической косы на самописце эхолота, (б) соответствующий выходной сигнал графического интегратора (интегограмма) и (в) геометрическое поперечное сечение косяка, которое было эффективно заблокировано от эхосинтеграции во время движения исследовательского судна.

Как видно на соответствующих реалистичных изображениях, ошибка SGBPE может быть серьезной. В практических исследованиях, связанных с плотным скоплением школьников (например, косяки анчоусов в Перу, макрели в Черном море, Турции или косяки сардин в водах Марокко), это может иметь решающее значение. Фактически, многие операции по обследованию дали сильно предвзятые данные из-за неадекватного контроля таких ошибок, и в некоторых случаях приходилось отбрасывать значительный объем данных.

Ошибка SGBPE не может полностью контролироваться в сложных условиях, но квалифицированный оператор может удержать ее в допустимых пределах. Для достижения такого контроля важны следующие рекомендации:

а. Оператор должен должным образом осознавать тип исследуемых скоплений рыбы, а также проверять, чтобы регуляторы усиления эхолота и интегратора находились в нижних положениях, чтобы избежать насыщения оборудования. На практике это означает, что когда общие характеристики EK (SL + SRT) высоки, скажем, 30 дБ, его регулировка усиления будет в положении -20 дБ.Коэффициент усиления интегратора QM может быть в положении 10 дБ или, возможно, до 20 дБ, если красный индикатор насыщения не указывает на необходимость более низкой настройки. В случае относительно низких общих характеристик усиление EK обычно может оставаться в положении 0 дБ с QM, установленным на усиление 10 дБ.

г. Когда регуляторы усиления работают, как указано выше, регулятор «Дискриминатор» обычно необходимо держать в относительно высоком положении, чтобы обеспечить стабильную запись белых линий или, другими словами, эффективное предотвращение интеграции нижнего слоя.Следовательно, существуют противоречивые требования, а именно: хотя высокая установка управления дискриминатором помогает избежать нежелательной интеграции донного эхосигнала, она также предлагает генерируемый школой нижний импульс остановки и последующий SGBPE. Когда не удается найти разумный компромисс для настроек управления, единственное решение — вручную контролировать интервалы интеграции. В случаях, когда блокировка интеграции уже произошла, грубая корректировка может быть сделана, используя следующую процедуру. Предположим, что исследовательское судно движется со скоростью 10 узлов, эхолот работает со скоростью 96 импульсов в минуту.и скорость бумаги 25 мм / мин. Интегрирование производится по одной морской миле в качестве стандартной единицы расстояния, соответствующей 6 мин. время плавания при заданной скорости. Тогда общее количество импульсов на единицу расстояния Nt = 576 и соответствующее продвижение бумаги записывающего устройства между последовательными метками журнала длиной в одну милю lp = 150 мм.

Рисунок 79.

Из рисунка 79 мы можем определить l 0 как наблюдаемую длину в миллиметрах поперечного сечения школы, которая не интегрирована, что обозначено длиной белой полосы в верхней части школьный след.M p = максимальное наблюдаемое отклонение (мм) для отдельных импульсов до (или после) блокировки. Исходя из вышеизложенного, общее количество неинтегрированных «потерянных» эхо-запросов (N p ) можно рассчитать по соотношению
N p = (N t l o / l p )

Предполагая, что l o = 4,7 мм, N p = 576 x (4,7 / 150) = 18 пингов.

Зная N p и предполагая, что M p представляет собой « потерянные » средние интегралы ping из поперечного сечения школы, общая поправка или потерянное показание интегратора в школе M c можно рассчитать по формуле

M c = M p x N p

Следовательно, для M p = 4.5 мм коррекция, M c = 4,5 x 18 = 81 мм .

9.2.4 Вторичные эхо-помехи

Эта форма эхо-помех представляет собой особую проблему. Для настоящей цели он определяется как эхо-сигналы, полученные за один период передачи / приема, которые были инициированы предыдущей передачей. Это происходит как при морских съемках, проводимых на шельфе морей, так и на крупных озерах. Величина положительной ошибки смещения, вызванной этим эффектом, зависит от относительной глубины распределения рыбы, дна и его отражающей способности, а также от общих характеристик эхолота, а также от диапазона глубин, на котором он работает.

В качестве примера этой проблемы предположим, что эхолот работает в диапазоне от 0 до 125 м, то есть с частотой следования импульсов P r 96 импульсов в минуту. Это означает, что время между началом каждой передачи составляет

T t = 60 / P r = 60/96 = 0,625 секунды.

В течение этого временного интервала переданный импульс может пройти в воде полное расстояние

d = скорость x время

Следовательно, для этого временного интервала и используя в качестве приблизительной скорости акустических волн 1500 м / с, получаем

d = 1500 х 0.63 = 937 метров

, т.е. указанная (истинная) глубина 937/2 = 468 метров.

Принимая это расстояние как фактическую глубину и учитывая последовательность импульсов эхолота P 1 , P 2 , P 3 , P 4 , …….. P n ( 96 импульсов в минуту), будет понятно, что предпоследний импульс, скажем, P 3 , вернет свой обнаруженный донный эхо-сигнал одновременно с передачей P 4 . В более общем плане, если глубина дна изменяется в диапазоне от d 1 = 468 м до d 2 = 468 + 125 = 593 м, второй донный эхо-сигнал теоретически может мешать любому другому эхо-сигналу, возникающему в интервале основного диапазона 0 — 125 м.Эхограмма (а) соответствует ситуации, когда глубина дна теоретически изменилась от 593 (точка 1) до приблизительно 470 м (2). Как указано, нижний след сильно проявляется в конце шкалы 125 м, а затем постепенно ослабевает, пока обычно не исчезает, скажем, на расстоянии 20 м. Это связано с эффектами функции изменяемого во времени усиления (ВРЧ) приемника. Если бы глубина дна была постоянной 520 м, предпоследняя трасса донного эхосигнала была бы записана как относительно слабое дно на постоянной глубине 50 м по шкале 125 м.На рисунке 80 (b) показан теоретический вклад нежелательного донного эхо-сигнала в выходной сигнал интегратора, приводящий к ошибочному считыванию D M = M 2 — M 1 .

На рисунке 80 изображена проблема и показана основная ошибка, внесенная в наблюдение интегратора (M).

Единственные меры, которые оператор оборудования может предпринять для минимизации таких проблем, — это изменить частоту зондирования (диапазон глубин) и, возможно, интервал (интервалы) интегрирования в соответствии с распределением обследованной рыбы.Дальнейшие способы решения проблемы можно узнать в море.

9.2.5 Инструментальный дрейф

Одной из проблем, связанных с работой эхо-интегратора QM, с которой быстро сталкивается пользователь, является так называемая «проблема дрейфа». Это вызвано внутренними ограничениями задействованных аналоговых схем. Симптомы этого явления наблюдаются как вариации выходного сигнала интегратора (отклонения в миллиметрах) при отсутствии эхосигнала, т.е. когда не должно быть отклонения щупа самописца QM от его нулевого положения в течение заданного временного интервала или расстояния, например, на одну морскую милю. .На уровень дрейфа обычно влияют окружающие условия (температура и влажность), и на самописце он может отображаться как отрицательный или положительный график. Коэффициент наклона может оставаться довольно постоянным в течение длительных периодов времени, но иногда он имеет тенденцию к циклическим изменениям со временем, например, суточным колебаниям.

Наглядное представление проблемы сноса представлено на Рисунке 81 (a-e). Хотя иллюстрации (ad) не требуют пояснений относительно характеристики дрейфа, рисунок (e) предназначен для демонстрации взаимосвязи между наблюдаемым показанием интегратора M 0 , отклонением в миллиметрах, вызванным дрейфом M d , и миллиметровой составляющей эхо рыбы M c , которое способствовало наблюдаемым показаниям.Учитывая это, мы можем определить относительную ошибку дрейфа E d как отношение (M d / M o ) или, в более общем плане, ошибку в процентах можно выразить следующим образом:

Рис. 81.

Из этой формулы можно сделать вывод, что при измерении больших плотных скоплений рыбы (M o …… M d ) ошибка дрейфа составляет вероятно, будет незначительным, в то время как в ситуациях с низкой плотностью (M o ~ M d ) ошибка, вызванная дрейфом, может иметь большую величину.

Зная природу и то, что обычно определяет уровень ошибки смещения, читатель может спросить, что можно сделать, чтобы контролировать ее. Ответ на этот вопрос двусторонний; Во-первых, сервисный инженер или инженер-акустик, ответственный за геодезическое оборудование, должен приложить необходимые усилия для обеспечения того, чтобы все соответствующие цепи системы были настроены для оптимальной работы. Во-вторых, роль оператора (и аналитика данных) заключается в том, чтобы тщательно отслеживать «поведение» дрейфа во время обследования и, таким образом, иметь возможность отделить компонент M d от наблюдаемых значений интегратора, чтобы позволить разумное после исправления этих данных.Для цифровых интеграторов в этом нет необходимости.

9.2.6 Затухание пузырьками

Затухание акустических волн из-за вызванных ветром пузырьков в верхних слоях моря является проблемой, которая может влиять как на корпусные, так и на буксируемые датчики. Недавно Новарини и Бруно (1982) провели исследования влияния, которое такое затухание может иметь на эхо-интегральные обзоры. Их исследование охватывало частоты 8–60 кГц и скорость ветра до 30 узлов, что свидетельствует о том, что ослабление из-за этого эффекта начинается при более низкой силе ветра и имеет большую величину, чем сообщалось до сих пор для мелководных датчиков.

Многие съемки проводятся в погодных условиях при силе ветра до 7 баллов по шкале Бофорта (35 узлов). Чтобы максимизировать эффективность обследования, судно должно двигаться с максимально возможной скоростью в преобладающих условиях. Также важно поддерживать точность результатов в максимально возможной степени, поэтому следует применять любые доступные законные исправления.

Рисунок 82 взят из уравнения 9 Новарини и Бруно. Он показывает быстро возрастающее затухание, увеличение скорости ветра на 6 дБ на 7 узлов на частотах 38 и 120 кГц, когда глубина датчика составляет всего 1 м.

Скорость изменения затухания составляет 9 дБ на 7 узлов, когда датчик находится на глубине 5 м, но потери менее 0,3 дБ, пока ветер не достигнет 23 узлов. Следует отметить, что авторы заявляют о справедливости своей формулы только в диапазоне частот 8 кГц £ f £ 60 кГц и при скорости ветра от 6 до 30 узлов. Тем не менее результаты на частоте 120 кГц не отличаются от результатов, опубликованных Даленом и Ловиком (1981), хотя последние авторы включают пузырьки, отличные от пузырьков от источников, генерируемых ветром.

Авторы этих документов отмечают, что пользователи высокочастотных эхолотов должны особенно знать об этом возможном источнике серьезных ошибок.

Это еще один случай, когда использование буксируемого датчика может быть выгодным.

Рисунок 83.


9.3.1 Биологический шум
9.3.2 Электрический шум
9.3.3 Усилитель приемника Собственный шум
9.3.4 Акустический шум
9.3.5 Судовой шум
9.3.6 Прочие источники


Простое определение шума гласит, что он является причиной любого нежелательного выхода мощности на выходе усилителя приемника, независимо от источника. Обратите внимание на ударение на слове «нежелательный». Шум может возникать из-за электрических источников или из-за состояния моря, но по определению любая цель или цели, не являющиеся обнаруженными , вызывают шум. Военно-морские силы, ищущие подводные лодки, могут рассматривать косяки рыб как шум, ученые, проводящие съемку косяков рыб, могут рассматривать сигналы планктона как шум.Чего мы хотим избежать, так это записи любой формы сигнала, который может дать ложную оценку конкретного типа биомассы, которую мы ищем.

Имея опыт, бумажная запись может использоваться для достаточно точной интерпретации сигналов, чтобы различать электрический или акустический шум, который не синхронизирован с дисплеем, и, иногда, сигналы от мелких организмов. Из раздела 9.7.7 видно, что для некоторых размеров организмов на определенных глубинах акустические эхо значительно усиливаются.

Для правильного функционирования акустические системы должны обладать высокой чувствительностью, т.е. принимающий преобразователь и усилитель должны реагировать на очень слабые эхо-сигналы. Это делает их подверженными помехам из-за довольно низкого уровня акустических и электрических шумов, создаваемых на судне или рядом с ним. Шум редко ограничивается одной частотой или даже узкой полосой частот, он имеет тенденцию к широкому распространению, но его влияние на производительность системы ограничивается величиной мощности шума, возникающей в пределах рабочей полосы частот преобразователя эхолота и усилитель ресивера.Влияние высокого уровня шума на импульс показано на рисунке 83 ниже.

Рисунок 83.

9.3.1 Биологический шум

Биологический шум как предмет является частью более широкого исследования морских организмов, которое охватывает как их акустическое производство, так и способность к обнаружению. Краткий обзор этого предмета (Таволга) представлен в «Подводной акустике», Альберс (1967), том 2, но более подробный обзор можно найти в Таволге (1965).В контексте настоящего руководства, посвященного практическому применению акустики для оценки водной биомассы, нас интересуют последствия двух категорий шума; эти:

а. интенсивный шум; например, излучение косяка морских свиней, которое создает сильный след шума на записывающем устройстве эхолота и вызывает искажения показаний интегратора.

г. стридуляторный шум (трение и скрежет), например, производимый крабами, креветками или омарами, который в особых обстоятельствах может вызвать ошибку в наблюдениях интегратора и / или внести путаницу в интерпретацию эхограмм.

Последняя категория (b) может не иметь непосредственного значения при акустической съемке, но она достаточно важна, чтобы читатель знал о возможных последствиях. Согласно Таволге (1965), отдельные щелчки креветок достаточно сильны и на расстоянии одного метра могут достигать интенсивности более 150 дБ / 1 м Па.

Уровень шума окружающей среды , производимого скоплением креветок, может достигать уровней до 140 дБ / 1 м Па. В случае теплокровных млекопитающих (зубатых китов), таких как морские свиньи, дельфины, пилотные киты, и т.д., они издают пронзительный свист или визг, высота которого варьируется от 1000 до 10 000 Гц (у некоторых дельфинов частота превышает 200 кГц).Известно, что большие усатые киты, которые питаются планктоном, фильтруя воду через рот, издают множество звуков гармонического типа, большинство из которых имеют основные частоты ниже 400 Гц.

Из этих нескольких примеров станет ясно, что среда для водных исследований не является акустически тихой и что шумы биологического происхождения иногда могут играть роль в ошибках акустических измерений.

9.3.2 Электрический шум

Это может быть произведено электрическими машинами, и в этом случае оно может быть передано к эхолоту непосредственно через проводку, или оно может переизлучаться в виде электромагнитных волн и попадать на проводку преобразователя / усилителя в наиболее чувствительных частях. системы.Кабели, по которым передается питание или управляющие сигналы, которые проходят близко к проводке преобразователя, могут легко вызвать в последнем напряжение в несколько микровольт. Поэтому очень важно отделить кабель датчика от других кабелей, насколько это возможно, и обеспечить неукоснительное соблюдение мер экранирования и заземления, указанных производителем эхолота.

Шум, проникающий через линию питания, может быть связан с частотой сети. Для проверки подключите один из вертикальных каналов осциллографа к откалиброванному выходу эхолота.Установите переключатель запуска осциллографа в положение «сеть» и выберите скорость развертки 10 мс / см. Увеличьте вертикальную чувствительность, чтобы шум был четко отображен. Если это связано с частотой сети, шум останется на экране осциллографа. Однако может присутствовать много частот, так что кривая показывает случайные движения, и должна быть сделана оценка их пиковой амплитуды.

Для предотвращения чрезмерного шума, влияющего на эхолот, необходимо определить местонахождение источника и устранить его.Выявление источников шума может занять много времени и требует большого терпения. Обычный метод работы заключается в том, чтобы сначала выключить как можно больше оборудования, а затем повторно подключить один за другим различные двигатели, компрессоры, инверторы и т. Д. До тех пор, пока не будет обнаружен источник или источники. Каждый из этих источников шума необходимо отремонтировать, если он неисправен, или электрически подавить его. Если шум исходит от судового генератора, его можно определить путем переключения, если есть два или более вспомогательных двигателя, или, если имеется береговая мощность, это можно использовать для сравнения.

Установка шумоподавителей на генераторы или их регуляторы — это работа квалифицированного электрика, и ее никогда не должны предпринимать неспециализированные лица. Регуляторы напряжения легко повредить, если шумоподавители не установлены должным образом. В случае сомнений обратитесь к производителю генератора за советом.

Некоторые шумы в линии питания могут подавляться на входе в эхолот или внутри самого устройства. Это высокочастотный шум от вращающегося оборудования или твердотельных переключателей, таких как тиристоры, который мешает эхолоту.Часто этот шум подавляется фильтром на входе сети. Такие фильтры можно купить, но перед установкой важно убедиться, что они обладают достаточной пропускной способностью по току.

9.3.3 Усилитель приемника Собственный шум

Общий шум, измеренный на откалиброванном выходе приемника, обусловлен всем шумом на входе, плюс фактический шум, генерируемый внутри самого усилителя. Для практических рабочих целей общий шум является значительным, но важно иметь возможность отделить шум усилителя от электрического шума, воспринимаемого на проводке, и от акустического шума, поступающего через преобразователь.

Измерение собственного шума приемника серии EK может быть выполнено следующим образом.

Шаг 1 Подключите высокоомный вольтметр (электронная лампа или транзисторный вольтметр) к откалиброванному выходу эхолота.

Шаг 2 Настройте элементы управления эхолотом следующим образом:

TVG и усиление

: одна из двух позиций 0 дБ

Пропускная способность

: узкий

Тестирование / эксплуатация

: тест (нет сигнала на тестовом входе)

Выходная мощность

: 1/1

Шаг 3 Остановка передачи триггера

: для EK и EK-R установите переключатель фазированных диапазонов в положение ext.
: для EK-S установите переключатель основного диапазона на 0.
отключите триггер передатчика. (кабель №6 на главном зажиме регистратора 11000).

Шаг 4 Включите эхолот, вольтметр покажет собственный шум. Отметьте результат.

Шаг 5 Переключитесь на широкую полосу пропускания, обратите внимание на отклонение вольтметра. Нормальные значения ниже:

Частота

Типичные уровни шума, откалиброванный выход

Узкая полоса пропускания

Широкая полоса пропускания

12 кГц

-61 дБ / В

0.9 мВ

-55 дБ / В

1,8 мВ

18

-59

1,12

-53

2,2

38

-59

1.12

-50

3,2

50

-59

1,12

-49

3,5

120

-54

2.0

-48

4,0

Нет смысла проводить другие измерения, если уровень шума усилителя приемника не нормальный. Если он слишком высокий, попробуйте выяснить, производит ли шум эхолот или он проникает извне. Следующие измерения могут помочь определить источник.

Наблюдая за показаниями вольтметра, измените переключатель выходной мощности с 1/1 на 1/10, а затем на ext.передатчик. Если уровень шума сразу падает, переключатель мощности меняется с 1/1 на 1/10, а затем на ext. передатчиком, шум, вероятно, является электрическим, возникает вне эхолота, возможно, через сетевой кабель или индуцируется в проводах преобразователя. Если уровень шума медленно падает после изменения мощности с 1/1 до 1/10, вероятно, источником является сам передатчик. Чаще всего шум в этом устройстве генерируется выходным каскадом, в котором на одном или нескольких транзисторах может возникнуть утечка.

9.3.4 Акустический шум

Источники шума возникают по естественным причинам в самом море или на его границах. Они также могут возникать из-за движения корабля по воде или из-за средств движения. Шум, вызванный только естественными причинами, не находится под контролем человека, поэтому его необходимо измерить, а затем терпеть. Это происходит из-за дождя на поверхности моря, из-за волн, из-за взаимодействия водных потоков с материалом морского дна, а также из-за тепловой молекулярной активности на более высоких частотах.Шум от естественных причин обычно рассматривается как шум окружающей среды, т. Е. (Всеохватывающий), но он ни в коем случае не является постоянным.

Выходной шум эхолота можно измерить в любой момент времени, но многие источники шума являются динамическими, и результирующие уровни могут быстро меняться. Вероятно, наиболее важным примером этого является возрастающий шум от состояния моря по мере увеличения силы ветра; эффект от этого состоит в том, чтобы производить всплески шума, поскольку взаимодействие корабля и волн становится более сильным.Сопутствующим эффектом является потеря сигнала из-за аэрации на поверхности преобразователя, установленного на корпусе. Очевидно, что направление, в котором движется корабль, и его скорость относительно ветра и зыби могут существенно повлиять на уровень шума и потерю сигналов. Однако именно высокий переходный уровень шума, возникающий в результате погодных и связанных с ними морских условий, первоначально вызывает снижение скорости обзора судов, часто задерживая процесс исследования до тех пор, пока уровень шума не упадет (если более благоприятный курс невозможен).

Эффект, который малоизвестен, обнаруживается в прибрежных зонах с высокой скоростью приливного течения. Широкополосный шум (конечно, до 300 кГц) создается действием быстрой воды над песчаными грядами, очевидно, заставляя частицы песка переходить во взвешенное состояние, где их частые столкновения создают шум. Это часто проявляется в виде следа «шлейфа» над эхом от морского дна, простирающегося почти до поверхности, но не всегда связанного с морским дном. Шум полностью исчезает, когда скорость приливного потока падает, поскольку направление собирается измениться, поэтому в течение почти двух часов он может не проявляться. Минимальные уровни спектра на морском дне, измеренные на частотах 30 и 100 кГц у восточного побережья Великобритании, составили 93 дБ / 1 м Па / 1 Гц и 85 дБ / 1 м Па / 1 Гц соответственно (Harden Jones and Mitson, 1982).

На самом низком уровне находится тепловой шум, который можно обнаружить в очень тихих условиях примерно до 20 кГц, но обычно он важен только на частотах выше 100 кГц, см. Рисунок 35. Зная температуру воды, полосу пропускания приемника и радиационной стойкости преобразователя, можно рассчитать напряжение VRT на выводах преобразователя, которое возникает из-за теплового шума.

VRT = (4ktB RR) 1/2 (79)

где

VRT = V rms из-за теплового шума
k = постоянная Больцмана 1,37x 10 -23
t = температура, 271 + ° C
B = полоса пропускания в Гц
RR = сопротивление излучения (Ом)

Пример: преобразователь с полосой пропускания 10 кГц, работающий при температуре 10 ° C и имеющий сопротивление излучения 800 Ом, будет иметь напряжение теплового шума 0,35 мВ, создаваемое на его выводах, то есть -129 дБ / В.Если усилитель увеличит это значение, скажем, на 60 дБ, выходной шум будет равен 60-129 или -69 дБ / В, т.е. Antilog -69/20 = 350 мВ или 0,35 мВ. Тот же ответ будет получен, если мы скажем, что усиление напряжения 60 дБ составляет 10 3 раз, для 0,35 x 10 -6 x 10 3 = 0,35 мВ или 350 м В.

9.3.5 Судовой шум

Когда производятся широкополосные измерения шума, излучаемого кораблем, они обычно показывают высокую интенсивность на частотах в несколько сотен Гц, постепенно снижающуюся с увеличением частоты.Измерения редко превышают 10 кГц, поэтому для целей акустической съемки необходимо измерять уровень шума на выходе каждого эхолота. Основными источниками шума корабля являются механизмы, гребной винт и поток.

Шум от машин может возникать из-за высокого уровня вибрации, передаваемой через корпус в воду. Количество акустической энергии на частотах эхолота обычно невелико, но до 50 кГц может образовывать измеримый фоновый шум. В безветренную погоду он может установить эффективный порог работы исследовательского оборудования, хотя на большинстве судов это происходит из-за шума гребного винта.

Когда измерения шума производятся на выходе эхолота при различных скоростях судна и результаты отображаются на графике с шумовым напряжением по вертикальной шкале и скоростью по горизонтали, зависимость напряжения от скорости обычно почти горизонтальна. линия для медленных скоростей. Вероятно, это связано с оборудованием, возможно, с небольшим количеством от усилителя эхолота. Затем внезапно появляется почти вертикальная линия; это связано с началом кавитации гребного винта. Как физическое явление кавитация, очевидно, вызывает образование пузырьков под действием отрицательного давления, буквально разрыв воды, а внезапное схлопывание пузырьков вызывает шум в широком диапазоне частот.Кавитация возникает на концах или краях лопастей гребного винта.

Повреждение лезвий в виде небольших порезов может привести к значительному увеличению шума на частотах эхолота. Поэтому важно обеспечить, чтобы с гребного винта были удалены все шероховатые или зазубренные поверхности или кромки, а после постановки в сухой док все поверхности были гладкими и отполированными. Правильно спроектированный гребной винт не должен образовывать кавитацию на более низких скоростях, но если это произойдет, специалисты часто могут обработать передние кромки лопастей или наконечники, чтобы предотвратить чрезмерное ограничение скорости съемки кавитационным шумом.

По характеру своей работы гребные винты с регулируемым шагом (CP) являются источником переменного уровня шума, и когда измерения проводятся на судах, оборудованных таким образом, их необходимо повторять для нескольких настроек шага.

При буксировке трала уровень шума значительно увеличивается, и для этого необходимо делать поправки на систематической основе, используя результаты, полученные с конкретными сетями и при известных скоростях буксировки, чтобы установить увеличение порогового значения, при котором оборудование интегрируется.Поскольку мы привыкли смотреть на изображения сечений через луч преобразователя, легко забыть, что он на самом деле трехмерен и что есть боковые лепестки, которые могут смотреть прямо на пропеллер.

Пример: седьмой боковой лепесток преобразователя 30 кГц имел прямую видимость через положение гребного винта с диапазоном между преобразователем и гребным винтом 66 м. Отклик бокового лепестка составлял -24 дБ относительно главного луча, который имел чувствительность -184 дБ / В / 1 м Па.Таким образом, чувствительность к боковым лепесткам составила -208 дБ / В / 1 м Па с индексом направленности 15 дБ. Уровень шума на частоте 30 кГц для позиции на расстоянии 1 м от гребного винта = 125 дБ / 1 м Па / м в полосе частот 2 кГц при скорости судна 9 узлов.

Потери при распространении = 20 log66 = 36,4 дБ и
VRT (шум) = 125 + (-208) — 36,4 + 15 = -104,4 дБ / В, что является антилогарифмическим -104,4 / 20 = 6 м В

Поскольку уровень шума от гребного винта может внезапно измениться во время эксплуатации, его следует регулярно проверять, записывать и строить графики.

Шум потока во многом зависит от расположения датчика и способа завершения установки. Если вдоль корпуса перед датчиком есть выступы или полости, они часто создают шум, зависящий от скорости. Неровные края возле лицевой поверхности преобразователя из-за сварки или стороны корпуса, недостаточно тщательно прилегающие к корпусу, также могут быть причиной высокого уровня шума.

9.3.6 Прочие источники

Акустическая интерференция возникает, когда разные инструменты работают на одной и той же частоте, но это редко вызывает какие-либо проблемы, когда лучи направлены вертикально вниз, как для эхолокации.Два оборудования на одном судне, работающие одновременно, могут серьезно мешать друг другу, и даже если они будут синхронизированы, количественные измерения будут невозможны. Несмотря на значительное частотное разделение систем, возникают взаимные помехи из-за широкого диапазона частот, присутствующих в импульсе.

Измерения акустического шума в море необходимо регистрировать подробно, потому что существует множество переменных, таких как погода и глубина. Для этих измерений глубина воды должна быть не менее 20 м, но, по возможности, она должна быть глубже, а море спокойным.Глубина важна, потому что шум отражается от морского дна, и это вызывает проблемы, степень которых зависит от уровня шума судна, излучаемого по направлению к морскому дну. Уровни шума на мелководье и в плохих морских условиях также важны, поэтому следует использовать возможность для их измерения при подходящих условиях.

Обычная процедура измерения начинается с остановленных двигателей, за исключением вспомогательного оборудования, обеспечивающего питание. После первоначальных измерений, когда судно находится в этом состоянии, запускается главный двигатель (двигатели) и измерения повторяются, но без вращения гребного винта.Результаты этих статических измерений следует записать в подходящую таблицу, которой также будет достаточно для проведения следующих измерений. Затем включается гребной винт (винты), и судно проходит свой диапазон скоростей с интервалом в 2 узла, при этом уровень шума регистрируется в каждом интервале после того, как судно фактически достигает требуемой скорости. Наконец, судно разгоняется до полной скорости и гребной винт останавливается. На полной скорости движения шум потока, иногда называемый «шумом скорости», измеряется через различные промежутки времени по мере снижения скорости.

Для буксируемых датчиков требуется аналогичная процедура, хотя влияние шума оборудования обычно будет меньше. Часто бывает необходимо примерить корпус с разной длиной выпущенного кабеля, чтобы добиться наилучшего положения относительно приема сигнала с низким уровнем шума.

Графики измерения шума в зависимости от скорости судна лучше всего проиллюстрировать в журнале / журнале, как на рисунке 84. Если известна чувствительность преобразователя, плюс его полоса пропускания или чувствительность усилителя приемника, можно рассчитать акустический спектр. уровень звукового давления на лицевой стороне преобразователя по измерениям шумового напряжения.SPL — это мощность шума за один цикл (Гц) энергии, выраженная в дБ / 1 м Па / 1 Гц. Эта информация является полезной ссылкой на уровень звукового давления окружающего шума, который может встречаться при различных состояниях моря. Можно использовать осциллограф или чувствительный вольтметр, но показания должны быть преобразованы в среднеквадратичные значения, и следует сделать поправку на любое усиление в системе между клеммами преобразователя и точкой, откуда проводятся измерения.

Рисунок 84.


9.4.1 Приповерхностный слой
9.4.2 Придонная зона
9.4.3 Недоступный Раздача рыбы


Акустические исследования основаны на предположении, что если судно движется по заданному участку морской поверхности, акустические сигналы, полученные от его научного эхолота, представляют истинную долю биомассы в этом районе.

Бывают моменты и ситуации, когда пространственный охват данной области является адекватным, но по ряду других причин глубина охвата водной толщи ограничена.В следующем разделе обсуждается внутреннее ограничение эхолотов при обнаружении и оценке рыбы вблизи границ морской поверхности, дна и берега.

9.4.1 Приповерхностный слой

За исключением случаев, когда они абсолютно плоские, поверхность и дно по-разному действуют как отражатели акустических волн. Часто водная поверхность движется случайным образом, отражая, таким образом, значительное количество акустической энергии в разных направлениях по отношению к датчику. Поэтому трудно использовать водную поверхность в качестве надежного ориентира либо с точки зрения ее расстояния от преобразователя, либо с точки зрения стабильности амплитуды сигнала, полученного из его эхо-сигнала.Это означает, что в дополнение к «мертвой зоне» (раздел 9.4.3) существует объем воды, в котором существует неопределенность из-за движения волн, и это трудно определить.

Для практических целей обнаружения рыбы кажется вероятным, что чем больше волнение воды у поверхности, тем меньше вероятность того, что значительное количество рыбы окажется в пределах объема неопределенности. В качестве приблизительного предположения было бы разумно предположить, что никакая рыба не будет обнаружена на расстоянии от поверхности, вдвое превышающем высоту волны плюс половину длительности импульса.Другой фактор, связанный с воздействием волн, — образование пузырьков, которые могут сохраняться в течение длительного времени в приповерхностной области. Пузырьки создают дополнительное затухание на акустическом пути, что снижает эффективность обнаружения, см. Раздел 9.2.6. При поиске рыбы вблизи поверхности необходимо использовать буксируемый датчик, который смотрит вверх. Таким образом, акустический луч озвучивает брюшную поверхность рыбы, а не спинную поверхность; у некоторых видов это может означать меньшую силу цели.

9.4.2 Ближняя нижняя зона

Первый фактор, который необходимо установить при рассмотрении ошибок из-за недостаточного покрытия у дна, — это ближайшая к дну точка, в которой возможно обнаружение / оценка рыбы. Расстояние до этой точки над дном составляет половину физической длины передаваемого импульса ct, где c — скорость акустических волн в водной среде, а t — длительность импульса во времени. График высоты обнаружения по оси луча над дном моря в зависимости от длительности импульса показан на рисунке 85.

Рисунок 85.

Причина, по которой это расстояние составляет половину длительности импульса, проиллюстрирована на рисунке 18, где нижний из двух объектов xy (представляющих рыбу) может рассматриваться как морское дно для целей объяснение. Когда расстояние между рыбой и дном равно половине длительности импульса, очевидно, что, когда задняя часть импульса покидает рыбу, но все еще движется к дну, его эхо начинает двигаться к датчику.Однако передний фронт импульса (или волновой фронт) уже был внизу, и его эхо-сигнал прошел на половину длины импульса, также обратно к датчику. Следовательно, в рассматриваемый момент передний край нижнего эхосигнала находится на одном уровне с задним краем переданного импульса в позиции, которую только что покинул задний край эхо-сигнала рыбы. Если рыба находится ближе ко дну, чем половина длительности импульса, задний край импульса не покинул бы рыбу до того, как волновой фронт донного эхо-сигнала вернулся в положение рыбы.Следовательно, рыба и донные эхосигналы будут объединены.

Половина длительности импульса — это теоретическое расстояние для различения между объектами / целями, но на практике оно может быть больше, потому что импульсы редко бывают идеальными, и требуется конечное время для нарастания и затухания. Вместо того, чтобы просто принимать значение ct / 2 из номинальных значений скорости акустических волн и длительности импульса производителя, полезно, а иногда и важно измерить эти факторы.

Скорость акустических волн может быть получена из рисунка 8, если известны температура и соленость воды.Эта скорость затем должна быть умножена на измеренную длительность импульса передатчика , от точки, где она сначала достигает 10% максимальной амплитуды импульса, до того места, где она снижается до уровня 10%. Скорость указывается в метрах в секунду, а время — в секундах, например, c = 1495 м / с, а если t = 0,5 x 10 -3 секунд, то ct / 2 = 1495 x 0,5 x 10 -3 /2 = 0,374 метра. .

Если невозможно измерить скорость и время, следует принять c равным 1500 м / с, t берется из данных производителя и произведение двух делится на 1.5 вместо 2, чтобы учесть несовершенную форму.

Конечно, эти цифры для минимального расстояния относятся только к оси луча, и из-за сферической формы волнового фронта импульса расстояния от оси намного больше, см. Рисунок 86.

Рисунок 86.

Минимальное расстояние (высота), на котором может быть обнаружена рыба, для углов луча относительно оси и для заданной длительности импульса передатчика, может быть рассчитано по формуле

h = d (1 — cosq / 2) + ct / 2

где

h = высота в метрах
d = общая глубина воды от поверхности датчика до морского дна
q = полный угол луча датчика в точках половинной мощности
ct / 2 = половинной длительности импульса.

Поскольку обнаружение прекращается в точке ct / 2 на оси, все другие обнаружения вдоль волнового фронта прекращаются одновременно, таким образом, общий объем, в котором рыба не может быть обнаружена, мертвая зона, может быть значительным, Митсон (1982).

Объем «мертвой зоны» по отношению к конической балке включает усеченную часть конуса за вычетом крышки сферы. С точки зрения глубины воды от преобразователя до дна (d), угла луча q и длительности импульса ct это может быть выражено как

Объем мертвой зоны = Объем усеченного конуса — Объем крышки

V усеченная поверхность = 0.268 (d — ct / 2) ((1 — sinq / 2) / tanq / 2) + ct / 2 (2d tan q / 2) 2 + 2 ((d — ct / 2) sinq / 2) 2 + (2d tanq / 2) (2 [d — ct / 2] sinq / 2) (83)

V cap = p / 3 [(d — ct / 2) ((1-sinq / 2) / tanq / 2)] 2 [3 (d — ct / 2) — (d-ct / 2) ) ((1-sinq / 2) / tanq / 2)] (84)

Объем, указанный выше для мертвой зоны, относится только к одной передаче, в то время как при нормальной работе исследования последовательность передач происходит по мере того, как судно движется по своему курсу.В зависимости от угла луча, скорости судна и глубины воды эти передачи могут перекрываться, особенно вблизи морского дна. Таким образом, эти факторы вызывают некоторую изменчивость в эффективном объеме выборки в области, где импульс приближается к высоте ct / 2 над морским дном. Но каким бы ни был угол луча, глубина воды или скорость передачи, расстояние ct / 2 над морским дном отмечает определенную границу, под которой отбор проб вообще невозможен.

Рисунок 87.

Для каждого км 2 исследуемой площади общий объем воды у морского дна, который не может быть отобран, составляет 10 6 карат / 2 (м 3 ), как показано на Рисунке 87 для длительности импульса От 0 до 1,2 мс. Это четко подчеркивает необходимость минимально возможной длительности импульса, чтобы минимизировать эту зону, которую можно было бы обозначить как определенную мертвую зону (DDZ).

В определенных обстоятельствах может быть важно учитывать объем луча по мере приближения импульса к дну, особенно если важна проба у дна.Громкость акустического импульса увеличивается по мере того, как он продвигается по глубине, но он резко уменьшается по мере приближения к высоте половины длины импульса над морским дном. Пока передаваемый импульс, содержащийся в коническом луче, проходит через море без каких-либо границ, его объем содержится в сферической оболочке с общим телесным углом между диапазонами от d 2 до d 1 , где d 1 — d 2 равна длительности импульса ct.

Этот объем можно рассчитать по

В 1 = (2p / 3) (1 — cosq / 2) (d 1 3 — d 2 3 ) (85)

где

В 1 = объем оболочки диапазона в м 3
d 1 = глубина от преобразователя до фронта пульсовой волны (м)
d 2 = глубина от преобразователя до задней части импульса ( м)
q / 2 = половина угла луча в градусах до уровня половинной мощности

В точке, где фронт волны находится на расстоянии одного импульса над морским дном, объем, в котором может быть произведено обнаружение, уменьшается до

В 2 = (p / 3) (1 — cosq / 2) (d 1 3 — d 2 3 ) (86)

, где блоки имеют такие же размеры, как указано выше.

По мере того, как волновой фронт проходит через последнюю половину длительности импульса, чтобы достичь расстояния ct / 2 над морским дном, объем уменьшается до вершины сферы, которая в конечном итоге уменьшается до нуля на высоте ct / 2. В этой ситуации « шапка » находится на оси балки, и минимальный полезный объем для целей отбора проб можно рассматривать как тот, который возникает, когда высота дуги шапки немного больше, чем дорсивентальная высота одиночной рыбы на балке. ось.

Объем шапки шара, В 3 3 ).

V 3 = ((p h 1 2 ) / 3) [3 d 1 — h 1 ] (87)

где

h 1 = высота дуги (м)
d 1 = глубина воды от преобразователя до дна дуги (м).

Простая обработка, описанная выше при изучении вместе с рисунками, должна быть достаточной для организатора акустической съемки, чтобы провести анализ объемов воды, которые он может взять, и тех, которые он не может.

9.4.3 Недоступное распространение рыбы

В разделе 9.4.1 / 2 обсуждались ситуации, когда зона покрытия ограничена длительностью импульса эхолота и неровностями морской поверхности или дна. Более сложная ситуация для оценки и учета, когда часть популяции рыб движется в воду настолько мелко, что комбинация осадки судна, минимального расстояния от датчика и ограничения глубины ct / 2 оставляет желать лучшего. мало или совсем нет воды для обследования.

В таких обстоятельствах необходимо небольшое прибрежное судно, желательно с тихим двигателем, чтобы нести калиброванный эхолот подходящего размера и буксировать датчик как можно ближе к поверхности. Для этой цели подходит Simrad EY-M плюс магнитофон, хотя он работает на частоте 70 кГц, и необходимо соблюдать осторожность при соотнесении результатов с более высокими или более низкими частотами. Результаты могут быть обработаны с помощью интегратора QM с помощью интерфейса, описанного Ларсеном (1983).

Оператору съемки необходимо знать о поведении рыбы по отношению к исследовательскому судну, поскольку это может привести к неправильной оценке запаса.Рыбы реагируют как на акустические, так и на визуальные раздражители, но степень реакции варьируется в зависимости от вида, сезона, времени суток (вероятно, связанного с кормлением), интенсивности источника беспокойства и диапазона акустических частот. Известно, что некоторые пелагические рыбы перемещаются из районов, где большое количество судов должно производить значительное количество низкочастотного шума.

Следует учитывать два эффекта. Рыба полностью уходит с траектории судна, а рыба плывет вниз, но остается на пути акустического луча.Если рыба съезжает с траектории, ситуация серьезная, что же делать? Редко бывает возможно модифицировать судно так, чтобы значительно снизить уровень шума. Меры, необходимые для устранения низкочастотного шума, производимого дизельными двигателями, очень дороги, даже если они будут введены во время постройки судна. Возможно, удастся найти периоды, когда конкретный вид менее чувствителен к шуму, поскольку есть данные, свидетельствующие о значительной изменчивости в зависимости от времени суток и сезона.

Сделаны записи, показывающие, что присутствие судов или создаваемый ими шум влияет не только на скопления рыбы очень близко к поверхности.Концентрации взрослой сельди под траекторией судна, простирающейся от примерно 10 м под поверхностью до 40 м, полностью исчезли, но быстро вернулись снова после прохода, Olsen (1979). Тот факт, что рыба была плотно упакована сверху донизу косяка, возможно, привел к быстрой реакции «испуга». Возможно, что интенсивность шума от конкретного судна была очень высокой, что вызвало такую ​​экстремальную реакцию через толщу воды, но данные об уровне шума на этом судне отсутствуют.

Во избежание возможности влияния этого типа поведения по отношению к его судну на результаты съемки оператору акустической съемки рекомендуется по возможности проводить наблюдения, которые могут помочь ему в определении масштабов проблемы, или даже если она существует вообще. Иногда можно проводить визуальные наблюдения, но они могут вводить в заблуждение, потому что рыба, находящаяся очень близко к поверхности и на пути судна, будет отходить в сторону. Горизонтально направленный луч сонара может дать полезные подсказки, показывая общее распределение рыбы в районе, которое может быть связано с количествами, регистрируемыми эхолотом.

Иногда можно наблюдать быстрое погружение рыбы под судно, если используется датчик с широким лучом. Обычно рыба, находящаяся на постоянной глубине относительно датчика, будет давать перевернутый след в форме буквы «V», если ось луча пересекает ее, но быстрый спуск будет отображаться в виде наклонной линии на бумажной записи. Этот тип движения вызывает изменение ориентации рыбы относительно акустического луча, следовательно, его эффективная сила цели изменяется, почти наверняка снижаясь.Если такое поведение широко распространено среди исследуемой популяции рыбы, то общая оценка запаса будет заниженной. Поведение избегания, вероятно, будет более распространено на мелководье, потому что шум судна не утихает быстро, а отражается между поверхностью и дном.

Использование буксируемых датчиков может быть хорошим решением в некоторых условиях, если их можно буксировать на достаточном расстоянии от судна и они вряд ли будут видны исследуемой рыбе. У них также есть другие преимущества, см. Разделы 9.3.4, 9.3.5, 9.6.1.


9.6.1 Ошибки, вызванные движением
9.6.2 Перекрытие акустического луча
9.6.3 Эффекты затенения
9.6.4 Резонанс организмов


Следует учитывать и другие возможные источники ошибок. Первые два относятся к оперативным вопросам, а последние два — к исследуемой биомассе.

9.6.1 Ошибки, вызванные движением

Условия для акустической съемки наиболее удовлетворительны, когда ось луча преобразователя остается приблизительно перпендикулярной (под углом 90 °) морскому дну или слегка колеблется вокруг этого положения.

Трудно дать количественную оценку точному влиянию движений судна по крену и тангажу по отношению к исследуемым им косякам — чем больше амплитуда движения и чем уже луч, тем значительнее становится ошибка. Стэнтон (1982) изучил эту проблему, и его статья рекомендуется тем, кто использует преобразователи, устанавливаемые на корпусе.

Когда скорость и амплитуда движения велики, а рыба достаточно глубока, передача, сделанная в один момент времени, может произойти при крайнем крене судна, и к тому времени, когда эхо начнет возвращаться, датчик может « смотреть » ‘в другом направлении.Этот эффект является значительным, когда преобразователи с узким лучом используются в судне, которое имеет высокую скорость движения по тангажу или крену. Рассмотрим максимальную амплитуду крена ± 15 ° со скоростью 5 ° / с для судна, оснащенного датчиком, имеющим полный угол луча 15 °. Ясно, что на любом конце поворота луч преобразователя будет «смотреть» в сторону от вертикали, и на обнаружение у дна будет влиять быстрое изменение дальности при повороте луча. Будет уменьшение амплитуды эхо-сигнала из-за того, что внешние края луча (низкая интенсивность / чувствительность) находятся на самом коротком расстоянии до дна.Оба этих эффекта вызывают «рваный» донный эхосигнал, что затрудняет эффективное функционирование любой автоматической «остановки дна» или «блокировки дна», а также затрудняет распознавание рыбы по эхосигналу от дна. Полная потеря сигнала для угла луча, скорости и угла движения, приведенных выше для практических диапазонов обнаружения рыбы, не будет происходить только из-за эффекта движения. Акустические волны распространяются со скоростью около 1500 м / с, поэтому, если мы предположим, что максимальная дальность / глубина составляет 375 м, время, за которое импульс переместится в этот диапазон, а эхо — обратно, будет равно 0.5 с. За это время луч сместился бы на 2,5 °, чего было недостаточно, чтобы вызвать серьезную потерю сигнала.

Поскольку многие виды рыб обладают характеристиками направленного рассеяния, где основная «доля» отклика не обязательно перпендикулярна оси длины тела рыбы, может возникнуть эффект, когда датчик «рассматривает» эти отклики как угол. изменения из-за движения. Направленные эффекты реакции силы цели рыбы значительно увеличиваются на более высоких частотах, и рыба длиной 40 см на частоте 38 кГц может иметь отклик шириной 5 °, который на частоте 120 кГц будет уменьшен примерно до 1.5 °. Возможно, случайные углы максимальной реакции рыбы и движения датчика дают незначительные ошибки.

9.6.2 Перекрытие акустического луча

Величина перекрытия будет варьироваться в зависимости от ширины луча в продольной плоскости, скорости, с которой выполняются передачи, скорости судна и интервала глубин, на котором происходит интегрирование. Каждый из этих параметров необходимо учитывать при расчетах.

9.6.3 Эффекты затенения

Проблема, которую трудно определить количественно, возникает, когда плотность рыбы в косяках такова, что рыбы на нижних уровнях косяка находятся в «тени» верхних слоев.В результате акустические эхо-сигналы могут быть непропорциональны плотности рыбы, что является обычной предпосылкой для интегрирования эхо-сигналов. Этот эффект был изучен теоретически и с использованием практических данных Эртугрулом и Смитом (1982). Другие полезные ссылки: Røttingen (1976), Foote (1978, 1978a, 1978b) и Lytle and Maxwell (1982).

9.6.4 Резонанс организмов

Пузырьки воздуха появляются в биологических организмах в широком диапазоне размеров, от личинок рыб до плавательных пузырей взрослых рыб, и они были изучены в отношении резонанса.Когда акустическая волна ударяется о пузырек, последний реагирует на сжатие и разрежение волны. В резонансе частота волны и размер пузырька взаимодействуют таким образом, что сжатия и разрежения пузырька максимальны, то есть его колебания максимальны. Таким образом, из акустической волны извлекается максимум энергии. Часть энергии рассеивается во всех направлениях пульсирующим пузырем, а оставшаяся часть заменяется другими формами энергии, такими как тепло.

Различные эффекты не позволяют плавательным пузырям действовать как идеальные резонаторы, наиболее важным из которых является вязкое демпфирование окружающей плотью и тканями. Подробное описание физического процесса выходит за рамки данного руководства, но необходимо понимать, что явление резонанса может иметь большое значение в акустике рыболовства, поскольку оно может привести к увеличению силы цели.

Необходимо учитывать две составляющие резонанса.

1.Частота: зависит от размера плавательного пузыря и глубины рыбы, рисунок 88.

2. «Q»: этот коэффициент определяет увеличение энергии, рассеянной назад, по сравнению с энергией, обусловленной геометрическим поперечным сечением цели. «Q» — это величина, обратная коэффициенту демпфирования, который представляет собой сумму эффектов, ограничивающих колебания.

Рисунок 88.

В резонансе идеальный пузырь будет иметь отношение акустического поперечного сечения к геометрическому поперечному сечению, равное 4Q 2 .Измерения на крупных рыбах, таких как треска и сайда, показали, что Q составляет около 2,5, но возможно, что более мелкие организмы могут иметь более высокие значения Q для фактора демпфирования, что, как считалось, связано, в основном, с потерями на сдвиг в ткани стенки плавательного пузыря. Даже при Q = 2,5 отношение акустического поперечного сечения к геометрическому увеличивается в 25 раз (14 дБ). Эффект этого показан на рисунке 89, где видно, что сила цели одного организма длиной 5 мм увеличивается на эту величину, и 100 организмов того же размера, очевидно, могут достичь TS -24 дБ, что сравнимо с очень большой рыбой. .Слой таких организмов на глубине около 40 м может дать значительный результат на эхо-интеграторе, используемом на частоте 38 кГц. Из-за повышенного TS таких организмов может быть трудно отличить плотно агрегированные резонансные цели от нерезонансных рыб с плотным обучением.

Рисунок 89.


C — термины и определения звука и вибрации

C: Термины и определения звука и вибрации


C-взвешивание

C и Ctr: условия адаптации спектра при звукоизоляции


Калибровка Звуковые и вибрационные инструменты самого высокого качества обычно стабильны и надежны.Однако «точность» электронных компонентов может «дрейфовать», поэтому оборудование необходимо время от времени калибровать в компетентной лаборатории. Также рекомендуется выполнять «полевую калибровку» до и после измерений.

Доступны портативные калибраторы для этой цели.


Конденсатор электрический компонент, пропускающий переменный ток, но блокирующий постоянный ток. Также называемый конденсатором, он способен накапливать электрическую энергию.

Синдром запястного канала вызывает покалывание, онемение и боль в руках и пальцах.

См. Также • синдром вибрации кисти руки


CB: критический диапазон

CCLD: линейный привод постоянного тока

Маркировка CE Наклейка , показывающая, что прибор соответствует спецификации Европейской директивы.

сантиметр (см) = 0,01 метра

CGS система измерения с использованием сантиметра, грамма и секунды в качестве основных единиц длины, массы и времени.

Центральная частота частота в середине полосы частот, например октавная полоса 1 кГц.



Усилитель заряда — усилитель с низким входным сопротивлением, выходное напряжение которого пропорционально выходному заряду пьезоэлектрического преобразователя. Имеет то преимущество, что на выходное напряжение не влияет длина соединительного кабеля к измерителю / анализатору, а также может использоваться обычный экранированный кабель, а не дорогой кабель акселерометра.

Чувствительность к заряду Чувствительность к заряду акселерометра не зависит от длины кабеля.Однако указанная чувствительность к напряжению относится к акселерометру при использовании кабеля стандартной длины.

Чтобы учесть различную длину кабеля или преобразовать чувствительность к заряду в чувствительность по напряжению, разделите чувствительность по заряду на общую емкость акселерометра и кабеля. Например, акселерометр 1 пКл / мс -2 и 9,8 пКл / г с емкостью 900 пФ и кабелем 1,2 м (100 пФ) даст 1 пКл / (900 + 100) пФ = 1 мВ / мс -2 или 9.8 пКл / (900 + 100) пФ = 9,8 мВ / г. По определению 1 г = 9,807 мс -2 и, наоборот, 10 мс -2 = 1,01 г

Многие акселерометры поставляются со встроенным предусилителем для преобразования выходного заряда с высоким импедансом в сигнал напряжения с низким импедансом, который может передаваться на большие расстояния

См. Также IEPE, пьезоэлектрик со встроенной электроникой


CIC (калибровка с подачей заряда) — это метод, запатентованный Bruel & Kjaer для проверки целостности всей измерительной цепи, например микрофона, предусилителя и кабелей.Ручная калибровка впрыска заряда может выполняться в любое время, когда измерение не выполняется, или автоматически в начале и в конце каротажного измерения.

CIS: общая шкала разборчивости

Clarity

Class 0 Прецизионная звуковая аппаратура, лабораторные измерения, также известная как Type 0

Класс 1 Прецизионные звуковые приборы для лабораторного и полевого использования, также известные как Тип 1 .

Класс 2 шумомеры общего назначения для использования в полевых условиях, также известные как Тип 2 .

Примечание: октава и 1/3 октавные фильтры, используемые для измерения уровня звука, также должны соответствовать одному из вышеуказанных классов.

Ограничение электрический сигнал ограничивается, если уровень сигнала превышает возможности усилителя. Это искажение сигнала.

см, сантиметр = 0,01 метра

CNEL: эквивалентный уровень шума сообщества

Когерентность — это число от единицы до нуля, которое является мерой степени линейности между двумя связанными сигналами, такими как сила возбуждения (вход) конструкции, связанный с вибрационным откликом на эту силу (выход).

Спектр когерентной выходной мощности — мера того, какая часть (выходного) спектра мощности полностью согласована с входным сигналом.

Когерентные источники Звук, поступающий непосредственно от источника, и звук, поступающий в одну и ту же точку от одного и того же источника, но измененный реверберирующим полем, называются когерентными. Изменения уровня, фазы или времени не меняют того факта, что звук является когерентным.

См. Также некогерентные источники

Эффект совпадения

Общая шкала разборчивости


Комплексный акустический импеданс , как правило, существует фазовая зависимость между давлением и скоростью частицы, а комплексный импеданс определяется как Z = R + iX.где R — резистивная часть, а X — реактивная часть импеданса. Резистивная часть представляет различные механизмы потерь, которые испытывает акустическая волна, например, случайное тепловое движение.

См. Соответствующие разделы по акустическому импедансу



Соответствие , соответствует экологическим законам, постановлениям, стандартам и другим требованиям.


Волна сжатия

CONCAWE: Сохранение чистого воздуха и воды в Европе , учрежденная в 1963 году небольшой группой ведущих нефтяных компаний для проведения исследований по экологическим вопросам, имеющим отношение к нефтяной промышленности.


Конденсаторные микрофоны широко используются для измерения шума, поскольку они обеспечивают лучшую линейность, частотный диапазон и высокую стабильность, из-за их важности у нас есть полная страница с измерительными микрофонами

Сопряженные импедансы Определение (IEC 801-25-14) импедансы, действительные составляющие (сопротивления) которых равны, а мнимые составляющие (реактивные сопротивления) равны, но противоположны по знаку.
Примечание: сопряженные импедансы выражаются сопряженными комплексными величинами.

См. Также акустический импеданс и связанные темы

Линейный привод постоянного тока (CCLD) со встроенной электроникой для передачи выходного сигнала по «длинным» кабелям, также известный как IEPE.

Фильтр постоянной полосы пропускания с фиксированной частотой полоса пропускания, выраженная в герцах (Гц), независимо от центральной частоты.

Фильтр постоянной процентной полосы пропускания полоса пропускания — это фиксированный процент от центральной частоты. Ширина отдельных фильтров определяется относительно их положения в интересующем диапазоне.Чем выше центральная частота фильтра, тем шире полоса пропускания. Полоса пропускания обычно определяется в октавах, 1/3 октавах или как фиксированный процент от центральной частоты фильтра.



Правила контроля шума на рабочем месте 2005 г. Вступили в силу , чтобы гарантировать защиту слуха рабочих от чрезмерного шума на рабочем месте за счет ежедневного воздействия шума, действия и предельных значений

См. Также дозу шума


Правила контроля вибрации на рабочем месте вступили в силу в июле 2005 года для защиты рабочих от рисков для их здоровья, связанных с вибрацией, на основании рука рука и вибрация всего тела воздействие воздействия и предельные значения .

Корреляция измеряет степень сходства или идентичности двух сигналов во временной области. Чем выше корреляция, тем сильнее связь между обоими сигналами.

Коэффициент корреляции , когда корреляция равна 1, тогда существует идеальная положительная корреляция , а -1 соответствует полной отрицательной корреляции . Когда корреляция равна 0, нет никакой связи между двумя наборами данных.

Смотрите также автокорреляция • взаимная корреляция

Кулон (C) Кулон — это единица электрического заряда, определяемая как количество электрического заряда, переносимого 1 ампером за 1 секунду.Символ C.

1 микрокулон = 1 x 10 -6 C = 1 мкКл
1 пикокулон = 1 x 10 -12 C = 1 пКл.


CPB: фильтр с постоянной процентной полосой пропускания

Пик-фактор — это пиковая амплитуда сигнала, деленная на среднеквадратичное значение. Например, синусоидальная волна (чистый тон) имеет пик-фактор 1,414 или 3 дБ, а прямоугольная волна имеет пик-фактор 1.

Уровни звука часто имеют высокий пик-фактор , поэтому для оценки риска повреждения слуха требуются как LAeq, так и Сообщаемые пиковые значения.


Критерии: множественное число критерия
Уровень критерия
Время критерия


Critical Band человеческое ухо объединяет звуки одинаковой частоты в полосы частот, называемые «критическими полосами». Цвикер разделил звуковой спектр на 24 критических полосы и назвал единицы Барком.

Понятие критических полос объясняет слуховое маскирование узкополосного (синусоидального) сигнала источником широкополосного шума. Критические частоты диапазона.

См. Также громкость.



Критическое расстояние в условиях рассеянного поля Расстояние
Критическая частота


Взаимная корреляция. — мера сходства двух сигналов во временной области. Если сигналы идентичны, взаимная корреляция будет равна единице, а если они полностью не похожи, взаимная корреляция будет равна нулю.

См. Также автокорреляцию


Cross Power Spectrum измерение двух сигналов с амплитудой, которая является произведением двух амплитуд сигналов, и фазы, которая является разностью двух фаз.


Поперечное сечение Форма, которую мы получаем, разрезая объект, обычно под углом 90 °. Например, поперечное сечение цилиндра — это круг, а пирамида — это прямоугольник. Другие углы дают бесконечное количество форм и площади поперечного сечения . В акустике предполагается плоскость, перпендикулярная направлению распространения.


Кросс-спектр прямое преобразование Фурье функции взаимной корреляции. Как правило, перекрестный спектр — это сложная функция.


Перекрестные помехи Сигнал на одном канале, дорожке или цепи, создающий помехи для другого.


Ctr: условия адаптации спектра — звукоизоляция

куб.м (м 3 ) под кубометром.

кубических метров на килограмм (м 3 / кг) ниже кубических метров на килограмм.

кубических метров в секунду (м 3 / с) ниже кубических метров в секунду.

Кумулятивное распределение метод представления изменяющегося во времени шума путем указания процента времени, в течение которого уровень шума присутствует выше (или ниже) ряда уровней амплитуды.


Курсор — тонкая линия роста волос, которую можно расположить на графиках спектра или временного сигнала для получения результатов. Доступны различные типы курсоров. Например, одиночный курсор — линия, дельта-курсор — выделяет полосу, гармонический курсор — отмечает набор гармоник.


Частота среза , частоты, которые отмечают концы полосы, или точки, в которых характеристики фильтра меняются от прохода к непроходу.


Цикл — полная последовательность значений периодической величины, возникающая в течение одного периода.



Цилиндрическая волна

Дом • Сертифицированные звуковые и вибрационные приборы для аренды .

Этот сайт обслуживается
01234 708835 e-mail
Специалисты по найму и калибровке звуковых и вибрационных приборов
Приложения • Производители • Калибровка • Примечания к аренде • Поиск по сайту

Справочник по детекторам движения

: третье издание — том II

Этот отчет является заархивированной публикацией и может содержать техническую, контактную и ссылочную информацию с датой

Номер публикации: FHWA-HRT-06-139
Дата: октябрь 2006 г.

ПРИЛОЖЕНИЕ D.ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОВОДА И КАБЕЛЯ

В этом приложении описан расчет электрических характеристик скрученного подводящего провода, состоящего из медного проводника Belden # 14 AWG. Определения сечения проводов и расстояния между ними показаны на рисунке D-1. Здесь D представляет собой расстояние между центрами жил провода в витой паре, а d — диаметр жилы провода.

Рисунок D-1. Определение расстояния между проводами и размеров, используемых при расчетах индуктивности и емкости.

ЕМКОСТЬ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ПРОВОДНИКОВ

Емкость C витой пары проводов равна

.
(D-1)

где коэффициент ε / ε 0 — относительная диэлектрическая проницаемость материала покрытия провода.

# 14 AWG Belden 9438 обычно используется для создания индуктивных контуров.

Для Belden 9438 относительная диэлектрическая проницаемость полиэтиленового покрытия сердечника провода равна 2.3. Следовательно,

(D-2)

Емкость также может быть выражена как

(Д-3)

или

(D-4)

На рисунке D-2 показаны линии электромагнитного поля, окружающие диэлектрический материал в виде витой пары проводов.

Рисунок D-2. Диэлектрическое поле, окружающее пару проводов.

Эта геометрия упрощена, как показано на рисунке D-3, за счет включения области, которая охватывает большую часть электромагнитного поля.

Рисунок D-3. Упрощенная геометрия, включающая большую часть электромагнитного поля, окружающего витую пару проводов.

Следующий эвристический подход изменяет значение емкости, заданное уравнением D-1, для оценки емкости витой пары проводов на основе геометрии рисунка D-3. Предполагается, что вся энергия электромагнитного поля содержится в коробке, окружающей два провода и их изоляцию.Это дает разумное приближение к емкости в уравнении в замкнутой форме. Точное решение для емкости в замкнутой форме неизвестно.

Площадь кабеля равна

(D-5)

где L — диаметр провода, включая полиэтиленовую изоляцию.

Площадь коробки вокруг витой пары проводов равна

.
(D-6)

Таким образом, отношение площади кабеля к площади коробки составляет:

(D-7)

Из уравнения D-3 емкость витой пары проводов становится равной

.
(D-8)

Для кабеля длиной 100 футов (30 м),

(D-9)

Таблица D-1 показывает, что фактическая измеренная емкость находится в диапазоне от 997 до 1006 пФ на 100 футов (30 м) провода.Все единицы пикофарад на фут могут быть преобразованы в пикофарады на метр путем умножения на 0,305 метра на фут. Таким образом, эвристический расчет дает разумное значение. Эвристический результат может быть введен в модели анализа методом конечных элементов в качестве первого приближения к окончательному «точному» ответу.

ИНДУКТИВНОСТЬ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ПРОВОДНИКОВ

Внутренняя индуктивность Li рассчитывается с использованием уравнения A-23 Приложения A с µ r = 1 и µ 0 = 4 p x 10 -7 Гн / м.

мкГн / м можно преобразовать в мкГн / фут путем деления на 0,3048.

Индуктивность L витой пары проводов равна

.
(D-10)

Внутренняя индуктивность Li меди на частоте 1 кГц составляет 0,05 мкГн / м. Таким образом,

(D-11)

Для провода Belden 9438,

(Д-12)

или

(D-13)

Для кабеля длиной 100 футов (30 м),

(Д-14)
Таблица D-1.Измерены электрические характеристики вводного кабеля витой пары №14 AWG.
Частота (кГц) Измерение емкости разомкнутой цепи (пФ) Измерение проводимости разомкнутой цепи ( µ mhos) Измерение индуктивности короткого замыкания ( µ H) Измерение сопротивления короткого замыкания (Ω)
0,1 997 -0,0005 22.87 0,57
1,0 999 -0,0082 22,95 0,57
5,0 1000 -0,056 22,97 0,58
10,0 1001 -0,14 22,91 0,60
15,0 1002 -0,24 22,83 0,63
20,0 1002 -0.36 22,72 0,67
25,0 1002 -0,51 22,60 0,72
30,0 1002 -0,67 22,47 0,77
35.2941 1003 -0,85 22,33 0,82
40,0 1003 -1,02 22,21 0,87
45.4545 1003 -1,21 22,09 0,92
50,0 1003 -1,40 21,99 0,97
54,5454 1003 -1,58 21,90 1,01
60,0 1003 -1,77 21,8 1,06
66,6666 1003 -2,03 21.69 1,12
71,4286 1003 -2,26 21,62 1,16
75,0 1004 -2,43 21,57 1,19
80,0 1004 -2,67 21,51 1,24
85,714 1004 -2,95 21,44 1,28
96.0 1004 -3,46 21,33 1,37
100,0 1005 -3,79 21,29 1,4
120,0 1005 -4,74 21,12 1,56
125,0 1006 -5,02 21,09 1,59
150,0 1006 -6,52 20.93 1,78
Тип: витая пара провода Belden 9438 (неэкранированный)
Калибр: # 14 AWG
витков на фут: 5,5 (18,14 витков на метр)
Длина пары: 100 футов (30 м)
Расположение провода: пол лаборатории, Исследовательский центр шоссе Тернер-Фэрбэнк
Измерительный прибор: HP 4284A
Примечание: Балун недоступен; прибор не сбалансирован во время измерений
Таблица D-2.Измеренные электрические характеристики вводного кабеля: Экранированный ввод кабеля.
Частота (кГц) Кабель Belden 8718 (# 12 AWG) Кабель Belden 8720
Индуктивность ( µ Гн) Сопротивление (Ом) Индуктивность ( мк Гн) Сопротивление (Ом)
0,1 19,78 0,35 21,00 0,59
1 19.96 0,35 21,14 0,59
5 19,94 0,37 21,16 0,60
10 19,78 0,43 21,07 0,64
15 19,54 0,51 20,94 0,71
20 19,26 0,62 20,76 0,80
25 18.96 0,74 20,56 0,91
30 18,65 0,87 20,33 1,04
35.2941 18,33 1,02 20,08 1,19
40 18,05 1,16 19,84 1,33
45,4545 17,74 1,33 19,57 1.50
50 17,49 1,47 19,34 1,64
54,5454 17,24 1,62 19,11 1,79
60 16,96 1,79 18,84 1,97
66,6666 16,63 2,00 18,51 2,20
71,4286 16.39 2,16 18,28 2,36
75 16,23 2,27 18,11 2,48
80 16,00 2,43 17,88 2,65
85,714 15,75 2,60 17,78 2,89
96 15,32 2,91 17,18 3,18
100 15.16 3,03 17,01 3,30
120 14,43 3,58 16,25 3,90
125 14,27 3,711 16,07 4,04
150 13,52 4,29 15,27 4,67
91 100209 м Длина м
Тип: Экранированный кабель
Калибр: # 12 или # 14 AWG
Расположение провода: Пол лаборатории, Исследовательский центр шоссе Тернер-Фэйрбанк
Измерительный прибор: HP 4284A
Примечание: Балун недоступен; прибор не сбалансирован во время измерений
Таблица D-3.Измеренные электрические характеристики индуктивного контура: экранированный ввод Belden 8718.
Частота (кГц) Индуктивность ( µ Гн) Сопротивление (Ом) Фактор качества ( Q )
0,1 94,80 0,53 0,1
1 94,52 0,53 1
5 94.08 0,56 5
10 93,27 0,63 9
15 93,37 0,73 12
20 92,98 0,86 14
25 92,59 1,01 15
30 92,21 1,16 15
35.2941 91,81 1,34 15
40 91,47 1,49 15
45,4545 91,09 1,68 16
50 90,79 1,84 16
54,5454 90,50 2,00 16
60 90,17 2,18 16
66.6666 89,79 2,41 16
71,4286 89,53 2,57 16
75 89,34 2,69 16
80 89,09 2,85 16
85,714 88,82 3,03 16
96 88,36 3,33 16
100 88.20 3,44 16
120 87,47 3,93 17
125 87,31 4,03 17
150 86,65 4,44 18
Размер петли: 1,8 x 1,8 м (6 x 6 футов)
Число витков: 3 (близко намотка)
Калибр: # 14 AWG
Расположение контура: 3 фута (0.9 м) над полом лаборатории электроники, Turner-Fairbank
Highway Research Center
Подводящий кабель: Belden 8718 (# 12 AWG)
Длина подводящего кабеля: 100 футов (30 м)
Измерительный прибор : HP 4284A
Примечание: Балун недоступен; прибор не сбалансирован во время измерений
Таблица D-4. Измеренные электрические характеристики индуктивного контура: экранированный ввод Belden 8720.
Частота (кГц) Индуктивность ( µ Гн) Сопротивление (Ом) Фактор качества ( Q )
0,1 96,80 0,77 0,1
1 95,78 0,77 0,8
5 95,37 0,79 4
10 95.10 0,85 7
15 94,85 0,94 10
20 94,59 1,05 11
25 94,29 1,18 13
30 94,00 1,33 13
35.2941 93,67 1,49 14
40 93.38 1,65 14
45,4545 93,04 1,84 14
50 92,76 2,00 15
54,5454 92,48 2,17 15
60 92,16 2,37 15
66,6666 91,78 2,60 15
71.4286 91,51 2,77 15
75 91,20 2,90 15
80 91,06 3,07 15
85,714 90,77 3,26 15
96 90,28 3,59 15
100 90,10 3,70 15
120 89.30 4,24 16
125 89,12 4,35 16
150 88,35 4,80 17
Размер петли: 1,8 x 1,8 м (6 x 6 футов)
Число витков: 3 (тесно намотанных)
Калибр: # 141232 Калибр AWG
Расположение петли: 3 фута (0,9 м) над полом лаборатории электроники, Turner-Fairbank
Highway Research Center
Подводящий кабель: Belden 8720 (# 14 AWG)
Подводящий кабель длина: 100 футов (30 м)
Измерительный прибор: HP 4284A
Примечание: Балун недоступен; прибор не сбалансирован во время измерений
Таблица D-5.Измеренные электрические характеристики индуктивного контура: ввод витой пары Belden 9438.
Частота (кГц) Индуктивность ( µ ч) Сопротивление (Ом) Фактор качества ( Q )
0,1 98,19 0,75 0,1
1 97,83 0,75 0,8
5 97.43 0,77 4
10 97,20 0,81 8
15 97,04 0,86 11
20 96,88 0,92 13
25 96,74 0,99 15
30 96,61 1,06 17
35.2941 96,50 1,14 19
40 96,43 1,21 20
45,4545 96,37 1,30 21
50 96,34 1,36 22
54,5454 96,34 1,43 23
60 96,36 1.51 24
66.6666 96,43 1,60 25
71,4286 96,50 1,67 26
75 96,56 1,72 27
80 96,68 1,78 27
85,714 96,83 1,86 28
96 97.18 2,00 29
100 97,34 2,05 30
120 98,34 2,31 32
125 98,63 2,38 33
150 100,42 2,7 35
Размер петли: 1,8 x 1,8 м (6 x 6 футов)
Число витков: 3 (тесно намотанных)
Калибр: # AWG
Расположение контура: 3 фута (0.9 м) над полом лаборатории электроники, Turner-Fairbank
Highway Research Center
Подводящий кабель: витая пара Belden 9438 (5,5 витков / фут) (15 / м)
Длина подводящего кабеля: 100 футов (30 м)
Измерительный прибор: HP 4284A
Примечание: Балун недоступен; прибор не сбалансирован во время измерений
Таблица D-6. Измеренные электрические характеристики индуктивной петли: Петля без вводного кабеля.
Частота (кГц) Индуктивность ( µ H) Сопротивление (Ом) Фактор качества ( Q )
0,1 75,02 0,18 0,3
1 74,33 0,19 3
5 74,35 0,20 12
10 74.15 0,21 22
15 74,04 0,23 30
20 73,95 0,25 37
25 73,86 0,28 42
30 73,79 0,30 46
35,2941 73,71 0,33 50
40 73.66 0,36 52
45,4545 73,61 0,39 55
50 73,57 0,41 57
54,5454 73,53 0,43 59
60 73,48 0,46 61
66,6666 73,44 0,49 63
71.4286 73,41 0,51 64
75 73,39 0,53 65
80 73,36 0,55 67
85,714 73,34 0,58 68
96 73,30 0,62 71
100 73,29 0,64 72
120 73.25 0,73 76
125 73,25 0,75 77
150 73,25 0,84 82
Размер петли: 1,8 x 1,8 м (6 x 6 футов)
Число витков: 3 (тесно намотанных)
Калибр: # AWG
Расположение петли: 3 фута (0,9 м) над полом лаборатории электроники, Turner-Fairbank
Highway Research Center
Подводящий кабель: Нет
Подводящая длина: 0 футов (0 м) )
Измерительный прибор: HP 4284A
Примечание: Балун недоступен; прибор не сбалансирован во время измерений

Предыдущая | Содержание | Следующий

Электроакустические системы — TOA Electronics

Системы громкой связи (системы громкой связи)

Системы громкой связи обычно монофонические.Обычно они распределяют один или несколько аудиосигналов в разные области, которые мы называем зонами. Тип звукового сигнала может быть фоновой музыкой, ручными или автоматическими объявлениями или звуковыми сигналами (гонги, сигналы будильника). Аудиосигналы обычно не смешиваются. Аудиосигнал передается в одну или несколько определенных зон.

Приоритеты назначаются, чтобы избежать случайного слияния различных аудиосигналов, например если несколько объявлений должны транслироваться в одной и той же зоне одновременно.Большинство систем PA работают с громкоговорителями с высоким сопротивлением.

Центральная система оповещения

В центральной акустической системе все динамики устанавливаются в одном месте, например посреди потолка холла.

Фронтальная звуковая система

Если звук сопровождает оптическое событие, он также должен исходить со стороны этого события. Зритель раздражается, если звук идет с другой стороны.В большинстве случаев такое мероприятие происходит в передней части зала, например, на сцене. Громкоговорители обычно располагаются слева и справа от мероприятия. Громкоговорители также должны быть установлены достаточно высоко, чтобы звуковое давление не было слишком высоким в непосредственной близости от слушателей, не в последнюю очередь для предотвращения повреждения слуха аудитории.

Если рассматриваемая комната глубокая, громкоговорители могут быть установлены вдоль стены или потолка («линия задержки») для поддержки передней системы громкоговорителя.Чтобы фронтальный сигнал оставался разборчивым, эти динамики должны воспроизводить звук с задержкой (настраивается индивидуально, в зависимости от расстояния от фронтальной системы). Создается впечатление, что звук идет прямо со сцены. Задержку можно рассчитать по следующей формуле: T = d / 340 + 0,01 с

T: Время задержки (с)
d: Разница в расстоянии от передних громкоговорителей слушателя / громкоговорителей задержки (м)

Децентрализованная система громкой связи

Если опора не требуется для направленной постановки или в больших помещениях с низкими потолками (например,грамм. супермаркеты), установка фронтальной акустической системы нецелесообразна. В таких случаях лучше использовать децентрализованную акустическую систему, в которой громкоговорители устанавливаются там, где они необходимы.

Потолочные громкоговорители должны быть равномерно распределены по полезной площади системы громкоговорителя, как правило, с одинаковым расстоянием между всеми громкоговорителями. Требуемая степень разборчивости является важным параметром при планировании такой системы громкой связи. Это зависит от нескольких факторов:

  • Высота потолка
  • Угол охвата громкоговорителя
  • Тип использования (качество звука)

Чем выше можно установить громкоговорители, тем больше эффективный диапазон громкоговорителя и, следовательно, также акустический диапазон на уровне ушей (высота уха ≈ 1.5 м над полом), но уровень звукового давления ниже, чем при более низкой установке.

Для хорошей разборчивости частотная характеристика системы должна обеспечивать воспроизведение сигналов с частотой до 6 кГц в каждой точке зоны аудитории. Приемлемая разборчивость речи обеспечивается при частотной характеристике до 4 кГц. Это значение следует игнорировать в случае фоновой музыки, поскольку фоновая музыка не является вопросом разборчивости

Усилитель

Существуют системные усилители PA для громкоговорителей с низким сопротивлением с импедансом от 4 до 16 Ом, для громкоговорителей с высоким сопротивлением (часто 50 В, 70 В и 100 В), а также некоторые для обоих типов.Для громкоговорителей с низким сопротивлением следует использовать только короткие кабели (до 10 м) или кабели с большим поперечным сечением жил, чтобы снизить потери в кабеле и обеспечить хорошее качество звука. Только несколько громкоговорителей могут работать от усилителя с низким сопротивлением. Системы громкоговорителей с высоким сопротивлением позволяют использовать кабели большой длины и использовать несколько громкоговорителей на одной линии.

Анализ аэродинамических характеристик и шума поперечного сечения кабельной опоры для длиннопролетных мостов

1.Введение

Мосты, являясь основным компонентом автомагистралей и ключевым транспортным узлом, играют очень важную роль в развитии дорожного движения. Мосты также являются важным средством национальной экономики и социального развития и представляют собой всеобъемлющую национальную силу, включая экономическую мощь, науку и технологии, развитие производственной силы и так далее. Большое место в инженерном строительстве морских переходов занимают длиннопролетные мосты. Из-за вибрации тонких строп, вызываемой ветром, длиннопролетные мосты подвергаются множеству испытаний с точки зрения долговечности и безопасности движения.Большое количество ученых провели множество исследований по ветровым вибрациям, статическому модальному анализу, антисейсмическим исследованиям и технологиям сейсмической изоляции, динамическому анализу свайных фундаментов мостов, оценке надежности сервисных мостов, разработке новых материалов для мостов и т. Д. аспекты [1-5]. В [6] принят метод экспериментальных исследований для изучения различных поперечных сечений (круглых, квадратных, прямоугольных, эллиптических и т. Д.) И углов распределения, результаты исследований которых могут обеспечить экспериментальную основу для численной проверки и метода прогнозирования аэродинамических шумов.В [7, 8] проводились экспериментальные исследования колеблющейся подъемной силы и числа Струхаля (St) поперечного сечения цилиндрического стержня. В [9] использован экспериментальный метод исследования корреляции между углом ветра и колеблющимся давлением на поверхности поперечного сечения цилиндрического стержня. Аналогичным образом, в [10-14] использовался экспериментальный метод для проведения подробного исследования взаимосвязи между колеблющимся давлением на поверхности, сроком службы и углом ветра цилиндрического стержня, прямоугольного стержня и эллиптического стержня.Однако проведено мало исследований аэродинамических шумов, создаваемых ветром, на длиннопролетных мостах, и мало исследований проводится по влиянию радиационных шумов, вызываемых ветром, на пешеходов и транспортные средства на мосту. Таким образом, в данной работе на основе методов вычислительной гидродинамики (CFD) и вычислительной акустики (CAA) были изучены характеристики аэродинамического шума поперечного сечения конструкции главной башни длиннопролетных мостов, изучено поведение воздушного потока вокруг главной башни и механизм генерации аэродинамических шумов путем сравнения аэродинамического шума главной башни с улучшенным поперечным сечением и исходным прямоугольным поперечным сечением и предоставлены ссылки для оптимизации дизайна аэродинамических шумов кабельных опор большепролетных мостов.

2. Расчетная модель аэродинамического шума кабельных вышек

Кабельная опора длиннопролетных мостов, принятая на строительном участке автомобильной дороги, показана на рис. 1. На рис. 2 показано поперечное сечение кабельных опор. За исходную модель было взято прямоугольное сечение, которое на рисунке представлено пунктирными линиями. Улучшенная структура поперечного сечения улучшила четыре позиции, включая A, B, C и D, на основе прямоугольного поперечного сечения, показанного на рис.2, а на рисунке он изображен сплошными линиями. В этой статье была установлена ​​конструкция кабельной мачты и соответствующая расчетная область жидкостей, как показано на рис. 3. Кабельные мачты с исходным прямоугольным поперечным сечением и улучшенным поперечным сечением были смоделированы, чтобы изучить, сыграла ли улучшенная кабельная мачта роль в снижении аэродинамических шумов.

Рис. 1. Геометрическая модель кабельной мачты большепролетных мостов

Фиг.2. Принципиальная схема поперечного сечения кабельной мачты

Обе стороны расчетной области были заданы как периодические граничные условия. Скорость воздушного потока расчетной области была задана в положительном направлении оси X. Скорость притока составляла 25 м / с. Кабельная мачта была установлена ​​как граничное условие с нескользящей стенкой. Гексаэдрические элементы были разбиты по всей расчетной области. В районе кабельной мачты и в спутной струе сетки были в порядке.Размер элемента составлял 0,5 мм вокруг кабельной мачты и 1 мм вокруг следового потока. Максимальный размер элемента во всей расчетной области составлял 6 мм. Для более точного учета влияния поверхности кабельной мачты на поток жидкости на ее поверхности были разделены сетки пограничного слоя. Скорость роста пограничного слоя 1,1. 12-слойные трехпризменные элементы толщиной 10 мм обеспечивали максимальное значение y + меньше 1. Общее количество соответствующих элементов составляло около 6,350,000.

Фиг.3. Расчетная область кабельных вышек

3. Аналитический метод аэродинамических шумов кабельных опор

В 1952 году Лайтхилл [15] начал с уравнения Н-С для текучей среды и вывел знаменитое уравнение Лайтхилла, как показано в Ур. (1) и (2). Левый конец уравнения имел ту же форму, что и классическое уравнение акустической волны. Правым концом уравнения был элемент колебаний, а именно элемент источника звука, вызванный гидродинамикой. Уравнение Лайтхилла показало, что элемент квадрупольного источника звука гидродинамического источника звука подвергался напряжению в турбулентной жидкости:

(1)

∂2c02∂t2-∇2ρ = ∇⋅∇Tij,

(2)

Tij = ρuiuj-τijp-p0-c02ρ-ρ0,

, где in, Tij представляет тензор Лайтхилла.как показано в формуле. (2) ρ0 и p0 обозначают плотность и давление невозмущенной жидкости; ρ и p относятся к плотности и давлению возмущенной жидкости; ui — составляющая скорости жидкости в направлении xi; ∇ означает гамильтонов оператор; c0 — пропагандистская скорость звука в однородной среде.

Уравнение Лайтхилла было получено при исследовании шума струи и не учитывало влияние границы движения на шумы. Ффаукс-Вильямс и Хокингс расширили уравнение Лайтхилла до границы движущихся объектов согласно акустической аналогии Лайтхилла и получили уравнение Фвхилла [16, 17], как показано в уравнении.(3):

(3)

1c02∂2p’∂t2-∇2p ‘= ∂2∂xi∂xjTijHf-∂∂xipijnj + ρuiun-vnδf
+ ∂∂tp0un + ρun-vnδf,

, где p ‘- звуковое давление в звуковом поле, p’ = p-p0. не относится к компоненту скорости жидкости в нормальном направлении; vn представляет собой нормальную составляющую скорости движущегося объекта, перпендикулярную поверхности; f = 0 обозначает управляющее уравнение, описываемое неявной функцией. Когда в качестве контрольной поверхности выбрана твердая поверхность, un = vn. f> 0 представляет внешнюю область контрольной поверхности, а f <0 - внутреннюю область контрольной поверхности.Первый элемент в правом конце уравнения был элементом в правом конце уравнения Лайтхилла, представлял космический квадрупольный источник звука и существовал в области пространства за пределами твердой поверхности. H (f) была обобщенной функцией Хевисайда, функция которой заключалась в ограничении шума, вызванного тензором напряжений Лайтхилла в области за пределами плоскости управления. Второй элемент в правом конце уравнения был элементом дипольного источника звука; Третий элемент в правом конце уравнения был источником монопольного звука.Дипольный источник звука и монопольный источник звука имели поверхность объекта. δ (f) = dH (f) / df было принято, чтобы ограничить его дипольный и монопольный источник звука твердой поверхностью. Если квадрупольный источник звука и монопольный источник звука игнорировались [18-20], и функция Грина использовалась для решения уравнения. (3), решение интегральной формы плотности звука аэродинамического носа на внешней поверхности кабельных вышек может быть получено, как показано в уравнении. (4):

(4)

ρ’x, t≈12πc03∂∂t∫sxipiy, tx21-MardSy,

, где in, y — вектор точки источника звука; x представляет вектор точки приема звука; Мар относится к числу Маха газа; Sy имел в виду бесконечно малую площадь поверхности источника звука.

Основываясь на предположениях о малых возмущениях и предположениях о газовой адиабатике [21, 22], газ удовлетворял уравнению физического состояния Eq. (5). Тогда уравнение. (4) можно было заменить на формулу. (6):

(6)

p’x, t≈12πc0∂∂t∫sxipiy, tx21-MardSy,

, где in, py, t — колеблющееся давление на поверхности источника звука, что указывает на то, что колеблющееся давление на твердой поверхности является важным фактором, вызывающим аэродинамические шумы. Если было получено колеблющееся давление на поверхность изогнутой кабельной опоры, можно было получить аэродинамический шум кабельных опор.

4. Расходные характеристики аэродинамических шумов кабельных опор

На рис. 4 представлено состояние потока начального поперечного сечения кабельной опоры в области следового потока после стационарного расчета. На рис. 5 показано состояние потока улучшенного поперечного сечения кабельной мачты в области следового потока после стационарного расчета. Обращалось внимание на состояние потока, и поток начального поперечного сечения кабельной мачты и улучшенного поперечного сечения кабельной мачты был очень нестабильным в области следового потока, а скорость потока регулярно колебалась.Подобно цилиндрическому турбулентному потоку, начальные и улучшенные поперечные сечения кабельной опоры сформировали явление Karman Vortex Street за следом. Улучшенное поперечное сечение кабельной мачты могло ослабить влияние воздушного потока Karman Vortex Street в области следового потока.

Рис. 4. Результаты для скорости стационарного расчета начальных кабельных опор.

На рисунках 6 и 7 показана контурная поверхность градиента скорости кабельных опор на основе Q-критерия (размерность 0.00242) до и после улучшения и раскрасил его амплитудой скорости. В переходном состоянии вихрь образовывался на краю наветренной стороны для начального поперечного сечения кабельной мачты. С обеих сторон кабельной мачты образовывалось большое количество прилипших вихрей. Многочисленные водовороты собрались на краю и позади подветренной стороны. Движение вихря было периодическим на расстоянии от подветренной стороны. Для улучшенных кабельных вышек длиннопролетных мостов воздушный поток отделялся после встречи с наветренной стороной, степень рассеивания которой была меньше, чем у исходных кабельных вышек.Явного явления образования вихрей на краю наветренной стороны не наблюдалось. Ряд вихрей разошелся и показал явную периодичность в области следового потока за подветренной стороной.

Рис. 5. Результаты для скорости стационарного расчета улучшенных кабельных вышек.

Рис. 6. Контурная поверхность градиента скорости исходных кабельных опор

Фиг.7. Контурная поверхность градиента скорости улучшенных кабельных опор

5. Аэродинамические шумы поперечного сечения кабельных опор
5.1. Расчет и экспериментальная проверка аэродинамических шумов в дальней зоне

Элемент источника звука уравнения FW-H содержал три различных типа звуковых источников аэродинамических шумов. Данные поля течения, полученные с помощью моделирования CFD, могут помочь вычислить монопольные аэродинамические шумы, дипольные аэродинамические шумы и квандрупольные аэродинамические шумы [7].В процессе моделирования флюидов 72 точки наблюдения были распределены с интервалом 5 ° против часовой стрелки, а радиус составлял 0,3 м от центра кабельных вышек в поле потока. Точка наблюдения за шумом 1 располагалась в горизонтальной симметричной плоскости вышестоящей кабельной вышки. Точка наблюдения шума 37 была расположена в горизонтальной симметричной плоскости нижележащей кабельной вышки и имела интервал 180 ° с точкой наблюдения шума 1. Точка наблюдения шума 19 находилась прямо над центром кабельных вышек; Пункт наблюдения за шумом 55 находился прямо под центром кабельных вышек.Две точки наблюдения имели интервью под углом 90 ° с точками наблюдения за шумом 1 и 37. Конкретное распределение точек наблюдения за шумом показано на рис. 8.

Рис. 8. Распределение точек наблюдения за шумом

В качестве источника аэродинамических шумов выбрана поверхность кабельных вышек. Модель аэродинамического шума On-The-Fly использовалась в программе STAR-CCM + [23]. Во время моделирования поля потока были также рассчитаны аэродинамические шумы, вызванные источником звука в точках наблюдения за шумом.Преобразование Фурье (данные были разделены на три сегмента. Коэффициент перекрытия был установлен равным 50%. Была принята функция окна Хэннинга) для сигналов. Наконец, разрешение по частоте составляло 2 Гц, а верхний предел частотного спектра составлял 5 кГц. После задания расчетных параметров можно было получить распределение аэродинамических шумов кабельных вышек. Результаты расчета шумов в точке наблюдения 1 были извлечены для сравнения с экспериментальными результатами в аэродинамической трубе, как показано на рис.9.

Рис. 9. Сравнение экспериментов и моделирования аэродинамических шумов исходных кабельных опор

Из рисунка 9 видно, что результаты численных расчетов и экспериментальные результаты сохранили хорошую согласованность и в основном одну и ту же тенденцию изменения, что показало, что использование численной вычислительной модели было надежным и ее можно было использовать для последующего анализа моделирования. Кроме того, реальное граничное условие не может быть смоделировано полностью, поэтому были некоторые различия между экспериментом и моделированием.Максимальный результат расчета составил 72,3 дБ, а минимальный — всего 19,5 дБ. С увеличением анализируемой частоты уровень звукового давления снижался в общем тренде. На рис. 10 представлен частотный спектр аэродинамических шумов исходных изогнутых опор в точках наблюдения шума 1, 19, 37 и 55. Аэродинамический шум исходной кабельной опоры в точке наблюдения 1 не показал явного пикового значения. В точке наблюдения шума 19 по обе стороны от первоначальных кабельных опор основные частоты составляли 121 Гц и 245 Гц соответственно.Что касается характеристик распределения шумового спектра точек наблюдения шума 37 и 1, очевидно, что не было основных частот во всей частотной области. Однако основные частоты составляли около 121 Гц и 245 Гц для характеристик распределения частотного спектра точек наблюдения шума 55 и 19. Амплитуда точки наблюдения шума 55 была меньше амплитуды точки наблюдения шума 19.

Рис. 10. Частотный спектр аэродинамических шумов начальных кабельных опор

a) Пункт наблюдения за шумом 1

б) Пункт наблюдения за шумом 19

c) Пункт наблюдения за шумом 37

г) Пункт наблюдения за шумом 55

Подобно процессу расчета исходных кабельных опор, распределение аэродинамического шума улучшенных кабельных опор может быть получено после установки вычислительных параметров.Спектры шума в точках наблюдения были извлечены для сравнения с экспериментальными результатами в аэродинамической трубе, как показано на рис. 11. Было обнаружено, что на рис. 11 результаты расчетов и эксперименты сохранили хорошую согласованность и в основном такую ​​же тенденцию изменения, что указывает на то, что Расчетная модель была надежной и ее можно было использовать для последующего имитационного анализа. Кроме того, реальное граничное условие не может быть смоделировано полностью, поэтому были некоторые различия между экспериментом и моделированием.Максимальный результат расчета составил 83,1 дБ, а минимальный — всего 7,2 дБ. С увеличением анализируемой частоты уровень звукового давления снижался в общем тренде. На рис. 12 представлены частотные спектры аэродинамических шумов, вызванных улучшенными кабельными мачтами в точках наблюдения за шумом 1, 19, 37 и 55. Частотные спектры аэродинамических шумов в пунктах наблюдения за шумом 1, 37 в передней и задней части кабельных вышек соответствуют аналогичным нормам. . Пиковые частоты появились на 302 Гц, 608 Гц и 912 Гц.Аналогичным образом частотные спектры аэродинамических шумов в точках наблюдения за шумом 19 и 55 с обеих сторон кабельных вышек показали аналогичные нормы. Пиковые частоты появились на 302 Гц и 608 Гц. Пиковое значение точки наблюдения шума 55 на частоте 302 Гц было меньше амплитуды точки наблюдения шума 19.

Рис. 11. Сравнение экспериментов и моделирования аэродинамических шумов улучшенных кабельных вышек.

Фиг.12. Частотный спектр аэродинамических шумов улучшенных кабельных вышек

a) Пункт наблюдения за шумом 1

б) Пункт наблюдения за шумом 19

c) Пункт наблюдения за шумом 37

г) Пункт наблюдения за шумом 55

5.2. Исследование механизма генерации основных частот

На рис. 13 (a) — рис. 13 (d) представлено состояние потока улучшенных кабельных опор в области следового потока.Периодически в конце кабельных вышек появляются вихри. При t = 0,3005 с вихрь 1 сходил с края кабельных опор, а вихрь 2 находился на нижнем крае кабельных опор. В следующий момент (t = 3022 с) вихрь 2 слетел с нижнего края кабельных вышек. При t = 0,3039 с вихрь 3 сходит с верхнего края кабельных опор. При t = 0,3056 с вихрь 4 сходит с верхнего края кабельных опор. За кильватерным потоком кабельных опор среднее время интервала сбрасывания (цикла сбрасывания) соседних вихрей составляло 0.00165 с, частота срыва 608 Гц. С каждой стороны цикл выпадения (вихри от 1 до 3, вихрь от 2 до 4) вихрей составлял 0,0033 с. Соответствующая частота сброса с каждой стороны составляла 302 Гц. В районе по обе стороны кабельных вышек на аэродинамические шумы влияло вихревое движение с каждой стороны. Основное пиковое значение было на 302 Гц. В передней и задней части кабельных вышек на аэродинамические шумы повлияли возмущения, вызванные вихревым рассыпанием с каждой стороны и альтернативным отрывом с обеих сторон.На частотах 302 Гц и 608 Гц пиковые значения аэродинамических шумов были очень очевидны.

Первоначальные вантовые опоры длиннопролетных мостов имели прямоугольное сечение. Рис. 13 (e) — Рис. 13 (f) отображают состояние потока в начальных кабельных опорах в области следового потока. Воздушный поток разделился и полетел в обе стороны после встречи с наветренной стороной кабельных вышек. На краю с наветренной стороны кабельных опор длиннопролетных мостов сразу образовался вихрь. После зарождения вихрь двигался вниз по потоку вдоль двух сторон кабельных вышек и постоянно развивался.С обеих сторон можно было увидеть два, три и даже больше вихрей. Поскольку размер вихрей был меньше геометрического размера кабельных вышек длиннопролетных мостов, на состояние движения воздушного потока, проходящего к обеим сторонам кабельных вышек, влияла форма каждой стороны кабельных вышек. Что касается состояния потока на разрезе рисунка, вихревые выбросы не были периодическими, по-видимому, в области следового потока, и вихри с обеих сторон кабельных опор строго и альтернативно не рассеивались. Когда t = 0.4008 с, образовались два зрелых вихря на верхней и нижней сторонах. В следующий момент (t = 0,4048 с) вихрь нижней стороны пролился на краю нижней стороны, а вихрь верхней стороны вылетел в горизонтальном направлении. Кроме того, в области следового течения не было ни вихря (t = 0,4088 с), ни одновременного образования двух вихрей (t = 0,4128 с). Однако интервал выхода соседних вихрей был периодическим для вихревого движения каждой стороны, и средний интервал составлял 0,004 с. Соответствующая частота составляла 245 Гц.По обе стороны кабельных вышек аэродинамические шумы имели локальное пиковое значение на низкой частоте 121 Гц. Механизм его генерации требует дальнейшего изучения.

Рис.13. Состояние потока в области следового течения

а) t = 0,3005 с

б) t = 0,3022 с

в) t = 0,3039 с

г) t = 0,3056 с

д) t = 0.4008 с

е) t = 0,4048 с

г) t = 0,4088 с

ч) t = 0,4128 с

5.3. Радиационные характеристики аэродинамических шумов

Улучшенные кабельные опоры длиннопролетных мостов отличались от состояния потока исходной кабельной опоры и в дальнейшем отражались в различии аэродинамических шумов. Разница в частотном спектре аэродинамических шумов между ними в основном проявлялась в следующем: частотный спектр аэродинамических шумов исходных кабельных опор не показал явных пиковых значений в передней и задней части воздушного потока, а аэродинамические шумы имели пиковое значение ниже частоты его вихря, разлетающегося по обе стороны воздушного потока.Аэродинамические шумы, создаваемые усовершенствованными вантовыми вышками длиннопролетных мостов в различных направлениях, имели пиковые частоты, соответствующие его вихревому расслоению. Во всем анализируемом частотном диапазоне величина шума увеличивалась при частоте (302 Гц и 608 Гц) аэродинамических шумов, вызванных улучшенными кабельными опорами длиннопролетных мостов, соответствующих циклу сброса вихрей. На других частотах величина шума уменьшилась. На Рис. 14 представлено общее УЗД улучшенных и исходных кабельных опор в точках наблюдения за шумом.Аэродинамические шумы были сильнее с обеих сторон кабельных вышек. Были небольшие различия в значениях аэродинамического шума в точках наблюдения за шумом (точки наблюдения за шумом 19 и 55) вверху и внизу. Значения аэродинамического шума в точках наблюдения за шумом (точки наблюдения за шумом 13 и 1) в передней и задней части кабельных вышек сильно различались. Улучшенные кабельные мачты могли ослабить аэродинамические шумы. Кабельные мачты длиннопролетных мостов улучшенного сечения имели на 4,2 дБА меньше, чем у прямоугольного сечения в УЗД в дальней зоне, и показали очевидный эффект снижения шума.

Симметричный центр улучшенных кабельных вышек был взят за центр сферы для создания сферической точки звукового поля с радиусом 2,5 м. Звуковое давление на узел сферического звукового поля было решено путем извлечения сигнала во временной области колеблющегося давления на поверхности в поле потока и принятия BEM. Акустическое программное обеспечение VIRTUAL.LAB было адаптировано для расчета звуковой пропаганды кабельных вышек. Граничные условия звукового давления были применены, чтобы отобразить колеблющееся давление на поверхности кабельных опор, полученное с помощью CFD, на акустические сетки кабельных опор.Дискретное преобразование Фурье было принято для передачи данных о колебаниях давления на поверхности и вычисления акустических откликов. Радиационные характеристики аэродинамических шумов кабельных вышек в дальней зоне были получены путем анализа акустических откликов. Максимальный размер акустической сетки и максимальная частота вычислений должны были удовлетворять следующим требованиям:

, где in, fmax — самая высокая частота вычислений, fmax = 5000 Гц; c0 = 340 м / с, требуемый максимальный размер ячейки L≤ 11.3 мм.

Рис.14. Сравнение аэродинамических шумов между улучшенными и исходными кабельными мачтами.

Рис. 15. Излучение шума улучшенных кабельных вышек в дальней зоне

В этой статье выбрано L = 11 мм, что соответствует требованиям звуковой пропаганды для минимальной длины волны. Излучение звукового поля, вызванное улучшенной структурой, показано на рис.15. Аэродинамические шумы, вызванные улучшенной структурой поперечного сечения, излучаются в основном в направлении, перпендикулярном воздушному потоку. Направление излучения было взаимно перпендикулярным плоскости симметрии усовершенствованной конструкции поперечного сечения, вертикальной направлению воздушного потока. Аэродинамическое звуковое поле было симметричным относительно плоскости XY, плоскости YZ и плоскости ZX.

5.4. Исследование шумоподавления геометрических параметров кабельных вышек

По сравнению с кабельными мачтами с прямоугольным поперечным сечением, цикл образования вихрей, вызванный улучшенными кабельными мачтами, был более очевидным.Значения аэродинамического шума уменьшились на других частотах, за исключением того, что значения аэродинамического шума увеличились при частоте образования вихрей. В области за пределами кабельных вышек общее УЗД аэродинамических шумов микрофонов снизилось. В этой статье были приняты фаски в четырех частях, включая A, B, C и D кабельных опор с начальным поперечным сечением, и получены варианты от 1 до 6, как показано на рис. 16. Кроме того, в этой статье изучались характеристики воздушного потока и аэродинамика. шумы, вызванные 6 различными типами поперечных сечений.

Рис.16. Форма поперечного сечения корпуса 1 — корпуса 6 (мм)

На рис. 17 показано различие между случаем 1 и случаем 6 в состоянии потока. После снятия фаски с верхней стороны наветренной стороны (случай 1 и случай 2) воздушный поток, который разделился с наветренной стороны и устремился к верхней стороне, не создавал явного завихрения на стороне кабельных вышек. Однако были вихри, отходящие от заднего края верхней стороны.После снятия фаски с верхней и нижней сторон наветренной стороны (случай 4 и случай 5) явные вихри можно было обнаружить только в области следа. В случае отсутствия фаски на наветренной стороне (случай 3 и случай 6) воздушный поток сразу же генерировал вихри на краю наветренной стороны после прохождения в обе стороны. Поскольку размер вихрей был меньше геометрического размера вариантов 3 и 6, по обеим сторонам кабельных вышек можно было увидеть множество вихрей.

На рис. 18 показан спектр звукового давления 6 видов поперечных сечений в четырех микрофонах.После снятия фаски с верхней стороны наветренной стороны (случай 1 и случай 2) на спектральной кривой аэродинамических шумов появились явные пиковые значения. Эти пиковые значения соответствовали соответствующим циклам выпадения вихрей. После того как нижняя сторона наветренной стороны была скошена (случай 4 и случай 5), частота, соответствующая пиковым значениям, сместилась в сторону высоких частот (случай 1 и случай 4; случай 2 и случай 5). Аналогичным образом после снятия фаски с подветренной стороны частота, соответствующая пиковым значениям, также будет показывать тенденцию перехода к высоким частотам (случай 1 и случай 4; случай 2 и случай 5).Это произошло потому, что снятие фаски на подветренной стороне усилило эффект отвода воздушного потока, ускорило распространение вихрей за подветренной стороной и увеличило частоту рассеивания. Однако частота, соответствующая пиковому значению аэродинамического шума, демонстрирует тенденцию перехода к низким частотам (случай 3 и случай 6) только в случае снятия фаски с подветренной стороны. Было пиковое значение в области низких частот (соответствующее 254 Гц в случае 3; соответствующее 222 Гц в случае 6). Его механизм требует дальнейшего изучения.

Рис.17. Состояние потока от случая 1 до случая 6 в области следового потока

a) Дело 1

б) Дело 2

c) Дело 3

d) Дело 4

e) Дело 5

f) Дело 6

Что касается аэродинамических шумов, то степень уменьшения аэродинамических шумов была ограничена в случае снятия фаски с одной стороны наветренной стороны (случай 1).Уровень шума на микрофоне 1 уменьшился на 2,8 дБА; аэродинамический шум на микрофоне 13 уменьшился на 3,7 дБА; уровень шума микрофонов 7 и 19 с обеих сторон уменьшился примерно на 1 дБА. В случае снятия фаски на краю одной и той же стороны с наветренной стороны и с подветренной стороны кабельных мачт (случай 2) амплитуда уменьшения шумов на микрофоне 7 и 19 с обеих сторон кабельных мачт составила менее 2 дБА. Шумы в микрофонах 1 и 13 спереди и сзади кабельных вышек уменьшены примерно на 4 дБА.В случае снятия фаски только с одной стороны кабельных опор уменьшение амплитуды аэродинамических шумов было небольшим.

Однако аэродинамические шумы в передней и задней части кабельных вышек значительно снизились (амплитуда уменьшения была более 10 дБА) в случае симметричных скосов с обеих сторон наветренной стороны кабельных вышек (случай 4). Шум микрофонов по обе стороны кабельных вышек снизился примерно на 2 дБА. За исключением того, что шум четырех микрофонов в случаях 2 и 4 был очень большим на пиковых частотах, их шумы значительно уменьшились на других частотах.Таким образом, форма наветренной стороны оказала значительное влияние на аэродинамические шумы в передней и задней части кабельных вышек. Форма наветренной стороны с хорошим эффектом отклонения может эффективно снизить аэродинамический шум в передней и задней части кабельных вышек. С другой стороны, распространение вихрей за подветренной стороной в случае 4 показало очевидную периодичность. На частоте образования вихрей аэродинамические шумы оставались на высоком уровне, что было основной причиной небольшого уменьшения амплитуды величины шума по обе стороны кабельных опор.Симметричные фаски на наветренной и подветренной сторонах (случай 5) дополнительно усилили эффект отклонения воздушного потока, проходящего через кабельные опоры. Точно так же, за исключением того, что шумы четырех микрофонов в случае 5 были большими при частоте распространения вихрей, шумы в случае 4 еще больше уменьшились при других частотах; аэродинамические шумы в передней и задней части кабельных опор уменьшились более чем на 5 дБА в случае 5 по сравнению с уменьшением амплитуды в случае 4; аэродинамические шумы с обеих сторон кабельных вышек уменьшены еще на 1.5 дБА. Периодическое вихревое движение препятствовало уменьшению аэродинамических шумов по обе стороны кабельных опор. Снятие фаски с подветренной стороны, включая фаску с одной стороны (случай 3) и симметричные фаски с обеих сторон (случай 6), не могло полностью снизить аэродинамические шумы.

Рис.18. Аэродинамические шумы от вариантов 1 до 6

a) Пункт наблюдения за шумом 1

б) Пункт наблюдения за шумом 19

c) Пункт наблюдения за шумом 37

г) Пункт наблюдения за шумом 55

6.Выводы

В данной работе исследован аэродинамический шум улучшенных кабельных опор и исходных прямоугольных кабельных опор длиннопролетных мостов, проанализирована причина улучшения кабельных опор для ослабления аэродинамических шумов и получены следующие выводы:

1) Прямоугольные кабельные мачты оптимизированы по четырем углам и получили улучшенную кабельную мачту, а улучшенная кабельная мачта может уменьшить степень рассеивания воздушного потока, усилить эффект отклонения воздушного потока, ослабить Karman Vortex Street и продемонстрировать хорошую эффективность снижения шума в передней части. и назад.Усовершенствованные кабельные опоры длиннопролетных мостов имели на 4,2 дБА меньше, чем у первоначальных кабельных опор в SPL в дальней зоне, и продемонстрировали очевидный эффект снижения шума.

2) Поскольку улучшенная кабельная мачта вызвала периодическое вихревое движение, аэродинамические шумы были большими ниже частоты, соответствующей циклу распространения вихрей, что привело к трудностям в уменьшении аэродинамических шумов с обеих сторон кабельных мачт. Улучшенные кабельные мачты могли ослабить аэродинамические шумы. Аэродинамические шумы, создаваемые улучшенными кабельными мачтами, излучались в основном в направлении, перпендикулярном воздушному потоку.Направление излучения было перпендикулярно направлению потока воздуха.

3) Четыре части улучшенных кабельных вышек были оптимизированы, чтобы прийти к следующему выводу: Оптимизация наветренной стороны была ключом к ослаблению аэродинамических шумов в передней и задней части улучшенных кабельных вышек, а хорошая форма наветренной стороны сыграла важную роль. в снижении аэродинамических шумов в передней и задней части улучшенных кабельных вышек. Оптимизация подветренной стороны сыграла вспомогательную роль в ослаблении аэродинамических шумов в передней и задней части улучшенных кабельных вышек.Неполная оптимизация наветренной стороны, такая как снятие фаски на одной стороне наветренной стороны или оптимизация подветренной стороны, а не наветренной стороны, не может играть очевидной роли в снижении аэродинамических шумов. Ослабление периодического движения вихрей при условии наличия хорошего эффекта отклонения и снижения аэродинамических шумов на частоте образования вихрей может значительно снизить аэродинамические шумы с обеих сторон улучшенных кабельных вышек.

биологическая проверка обратного акустического рассеяния ADCP посредством прямого сравнения с сетевыми образцами и предсказаниями моделей, основанными на моделях акустического рассеяния | Журнал ICES по морским наукам

Аннотация

Данные средней силы объемного обратного рассеяния (MVBS), собранные с помощью узкополосного акустического доплеровского профилографа (ADCP) с частотой 153 кГц, сравнивались с данными о численности и биоме зоопланктона, собранными с помощью регистратора планктона Longhurst – Hardy (LHPR).Прямое сравнение показало, что существует линейная зависимость между MVBS и логарифмически преобразованным сухим весом зоопланктона. Эта линейная зависимость, определенная на основе смешанной популяции зоопланктона и видов, затем сравнивалась с той, о которой сообщалось в предыдущей работе, в регионе, где преобладает один вид веслоногих, и было обнаружено, что они существенно отличаются. Разброс линейных соотношений, определенных между MVBS и логарифмически преобразованными значениями сухого веса в регионах со сложными смешанными популяциями зоопланктона, приводит к нашей неспособности различать разные взаимосвязи, которые можно было бы ожидать от разных популяций в разных океанских регионах.Предполагается, что без дальнейшей обработки данных ADCP MVBS нельзя использовать для определения количественных оценок численности и биомассы зоопланктона в смешанных популяциях.

«Наблюдаемая MVBS» сравнивалась с прогнозируемым моделью обратным рассеянием, рассчитанным с использованием акустических моделей и измерений численности и размеров зоопланктона по сетевым образцам. Результаты показывают, что при высоких интенсивностях обратного рассеяния (> -80 дБ) наблюдаемая MVBS от ADCP в целом соответствовала предсказаниям модели.Показано, что вклад шести групп «значительного акустического рассеяния» (амфиподы, хетогнаты, веслоногие раки, эвфаузииды, рыбы и крылоногие) в изобилии, биоме и прогнозируемом моделью обратном рассеянии непропорционально велик. В частности, редкий и небольшой, но сильный акустический рассеиватель, такой как птеропод, может вносить всего 0,1% в общую численность выборки и 0,1% в биометрический объем, но составляет 69,5% от общего предсказанного моделью обратного рассеяния.

Модельные, инструментальные и методологические артефакты определены как потенциальные источники несоответствий между наблюдаемым и прогнозируемым моделью обратным рассеянием.К ним относятся влияние ориентации зоопланктона, недостаточное знание параметров модели, таких как контраст скорости звука и плотности, несоответствие между объемами отбора проб сети и акустическим инструментом, а также уклонение от сети более мобильными рассеивателями.

1 Введение

Биологическое распространение в открытом океане неоднородно в результате либо поведенческих факторов, либо факторов окружающей среды, либо сочетания обоих факторов. Чтобы понять результирующие закономерности и их причинные процессы, необходимо собрать биологические данные с высоким разрешением и в тех же пространственных и временных масштабах, что и другие данные об окружающей среде.Акустическое дистанционное зондирование — это один из методов получения биологических данных, отвечающих этим критериям. Использование коммерчески доступных систем, таких как Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) и многочастотный эхолот SIMRAD EK500, в рамках междисциплинарных и биологических исследований в настоящее время является обычным делом (Roe et al ., 1996; Brierley et al . , 1998; Herring et al ., 1998; Fielding et al ., 2001; Wade and Heywood, 2001) и специализированные системы также часто используются (Holliday and Pieper, 1995; Wiebe et al ., 1996; Крисп и Харрис, 2000). Однако, хотя использование акустических данных для качественного описания распределения и поведения зоопланктона является обычным явлением, количественная взаимосвязь между акустическим обратным рассеянием и численностью, размером и таксономией зоопланктона в сложной, смешанной среде зоопланктона и сообщества остается неуловимой «биоакустической» целью.

Акустическое рассеяние от зоопланктона связано с используемой акустической частотой и размером, ориентацией (Chu et al ., 1993; McGehee et al ., 1998), морфологии и физиологии (Stanton et al ., 1994) мишени. Таким образом, среднее поперечное сечение обратного рассеяния одного животного может резко отличаться от другого, аналогичного или большего размера и биомассы (Stanton et al ., 1994). Поэтому в смешанном сообществе видов зоопланктона (которое обычно встречается в открытом океане) очень трудно напрямую связать среднюю силу объемного обратного рассеяния с биомассой зоопланктона.

Модели акустического рассеяния были разработаны для описания и прогнозирования акустического обратного рассеяния от одного зоопланктона различных таксономических групп.Эмпирические измерения зоопланктона в вольерах (Greene et al ., 1989; Foote, 1990) и отдельных привязанных животных в контролируемых лабораторных условиях (Greene et al ., 1991; Stanton et al ., 1994) способствовали дальнейшему развитию. их развитие и уточнение (Stanton et al ., 1998a, b; Chu, Stanton, 1998). Эти модели требуют валидации в полевых исследованиях путем объединения их с данными о таксономии, численности и размерах из чистых выборок, чтобы предсказать акустическое обратное рассеяние, а затем связать результат с наблюдаемыми MVBS, собранными одновременно (т.е. решение акустической «прямой задачи», Холлидей и Пайпер, 1995). Интерпретация данных об обратном акустическом рассеянии с поля признана сложной (Stanton et al ., 1996), и эти модели рассеяния были применены в полевых исследованиях зоопланктона только недавно (Wiebe et al ., 1996; Greene et al. ., 1998). Обе эти статьи сравнили прогнозируемое обратное рассеяние, рассчитанное по длине и численности различных классов зоопланктона, отловленных с использованием моделей MOCNESS и акустического рассеяния, с данными высокочастотных (420 кГц) наблюдений и обнаружили, что они сильно коррелированы.В своих сравнениях использовались данные из Georges Bank и залива Мэн соответственно. В этом исследовании представлены данные по Индийскому океану (Аравийское море), где в распределении зоопланктона и, возможно, их морфологии и физиологии преобладает интенсивный слой с минимальным содержанием кислорода (Childress and Thuesen, 1992; Herring et al ., 1998). ). Он сравнивает прогнозируемое акустическое обратное рассеяние, рассчитанное по образцам сети Longhurst – Hardy Plankton Recorder (LHPR) и моделям акустического рассеяния, с наблюдаемыми данными MVBS от установленного на корпусе ADCP.

ADCP может предоставить качественную информацию о зоопланктоне (Flagg and Smith, 1989a, b; Plueddemann and Pinkel, 1989) и использовался для описания диких миграций (Smith et al ., 1989; Heywood, 1996) и распределения зоопланктона на мезомасштабных объектах (Ashijan et al ., 1994; Roe et al ., 1996). Продолжаются дискуссии об использовании узкополосных ADCP в качестве количественных эхолотов. Это в первую очередь по двум причинам. Во-первых, прибор не измеряет непосредственно амплитуду принятого сигнала, а скорее измеряет косвенное значение — значение автоматической регулировки усиления (АРУ), необходимое для обеспечения постоянного уровня сигнала для процессора сигналов (Flagg and Smith, 1989a).Во-вторых, наклон четырех лучей к вертикали (обычно 30 °) очень затрудняет калибровку на месте со стандартными целями (Foote, 1983). Гриффитс и Диаз (1996) сравнили текущие измерения бортовым ADCP 153 кГц с измерениями откалиброванного 200-кГц эхолота EK500 в диапазоне MVBS от -88 до -68 дБ. Данные от двух инструментов были сильно коррелированы (r 2 = 0,989), но со смещением, которое составило 7 дБ; с ADCP на -75 дБ, EK500 показал -82 дБ.После применения поправок на наклон и смещение к ADCP стандартная ошибка разницы между данными ADCP и EK500 составила 0,7 дБ.

Схема АРУ ​​измеряет сигнал плюс шум, и по мере приближения уровня сигнала к уровню шума он становится все более слабым аналогом истинного сигнала. В этом исследовании данные с низким отношением сигнал / шум были исключены из-за практики игнорирования данных из интервалов глубины с подозрительными скоростями течений (Roe et al ., 1996). Это также частично корректирует нелинейность ADCP, которая дополнительно корректируется путем принятия только сырых значений AGC, по крайней мере, на 15 отсчетов (6,3 дБ) выше уровня шума (определяемого по самой глубокой глубине бина). В этом исследовании рассеяние никогда не было настолько высоким, чтобы поместить прибор в известную область нелинейности при счетах AGC выше 200 (RDI, 1990). Таким образом, ошибки из-за использования AGC в качестве прокси для амплитуды сигнала, вероятно, приведут к ошибкам смещения от истинного MVBS.Хотя эти ошибки смещения вызывают беспокойство в абсолютном смысле, они не умаляют корреляционного анализа, выполненного в этой статье, особенно с учетом неопределенности в параметрах модели, таких как коэффициент отражения, которые влияют на абсолютные значения полученных из модели MVBS.

Эти проблемы с ADCP являются дополнением к более общему вопросу о том, может ли одночастотная акустика предоставить значимые данные о размере и численности популяций зоопланктона. Тем не менее, средний объем обратного рассеяния по ADCP сравнивался непосредственно с биометрическим объемом зоопланктона, отобранным сетью (Flagg and Smith, 1989a, b; Heywood et al ., 1991; Batchelder et al ., 1995), и было показано, что они связаны между собой. Совсем недавно прогнозы акустической модели, полученные на основе оценок размерного состава доминирующих рассеивателей по сетчатым пробам, взятым в Мексиканском заливе, были сопоставлены с MVBS (Ressler, 2002). Была обнаружена существенная разница (∼19 дБ) между прогнозируемым и наблюдаемым рассеянием, учитывая, что 3 дБ — это удвоение сигнала.

2 Методология

В рамках мультидисциплинарного круиза Discovery 209, август 1994 года, в Аравийском море (Herring et al ., 1998), для картирования распределения зоопланктона по отношению к зоне минимального содержания кислорода и изучения взаимосвязи между акустическим обратным рассеянием и зоопланктоном были предприняты одновременные сетевые и акустические отборы проб.

2.1 Чистый сбор данных

проб зоопланктона было собрано с использованием планктонного регистратора Longhurst – Hardy (LHPR) (Longhurst et al ., 1966; Williams et al ., 1983). LHPR, оснащенный сеткой 280 мкм, буксировался с постоянной скоростью 4 узла (2 мс -1 ) по V-образному профилю на глубину 250 м, обеспечивая серию последовательных 2-минутных проб. .Данные, представленные в этой статье, взяты из образцов в пределах станции LHPR 12670 # 4, разгон которых осложняется засорением сети. Каждую двухминутную выборку анализировали с точки зрения таксономического состава, общей численности и общего биомера, а также численности, биологического объема (где возможно, в результате небольшого размера выборки, изначально собираемой LHPR) и размера шести «значимых акустических -рассеивающие »группы (амфиподы, хетогнаты, копеподы, эвфаузииды и декаподы, рыбы и крылоногие), идентифицированные Стэнтоном и др. .(1994).

2.2 Сбор акустических данных

ADCP использовался для отображения вертикальных диаграмм обратного акустического рассеяния вдоль траектории движения судна. Установленный на корпусе узкополосный ADCP с частотой 153 кГц RD Instruments регистрировал силу сигнала обратного рассеяния от каждого из четырех акустических лучей. Разрешение по вертикали составляло 128 × 4 м по глубине бункера, что давало диапазон от 10 м до> 500 м: 10 м — это минимальное расстояние, разрешенное прибором с учетом глубины корпуса, импульса передачи и холостого хода после передачи.Акустическое обратное рассеяние измеряется ADCP как функция автоматической регулировки усиления (AGC). Эти данные, полученные от всех четырех лучей ADCP, были усреднены с двухминутными интервалами. Средняя сила объемного обратного рассеяния (MVBS, дБ) была рассчитана для каждой глубины бина в соответствии с уравнением производителя (RDI, 1990). Хотя ADCP теоретически мог измерять MVBS на глубинах более 500 м, отношение сигнал / шум на глубине было низким, и, следовательно, данные были отклонены при обработке.

Поскольку данные об окружающей среде, температуре и солености в данном случае не собирались одновременно при буксировке сети, использовался постоянный коэффициент звукопоглощения (α), в отличие от современной обработки, которая позволяет изменять α в зависимости от измеренных изменений температуры. и соленость (как использовано Roe et al ., 1996; Филдинг и др. , 2001; Уэйд и Хейвуд, 2001). Среднее значение α для всего озвученного столба воды было рассчитано на основе CTD-заброса перед буксировкой LHPR.

2.3 Сравнение данных

Наблюдаемая взаимосвязь MVBS / зоопланктон была исследована двумя способами: (i) путем сравнения наблюдаемого MVBS с биомом зоопланктона, преобразованного в логарифмически преобразованный сухой вес, и (ii) путем сравнения наблюдаемого MVBS с рассчитанным моделью обратного рассеяния. с использованием моделей рассеяния звука и измерений размеров и численности нескольких групп зоопланктона.

Каждая переменная (биометрический объем и прогнозируемое моделью обратное рассеяние) сравнивалась с наблюдаемой MVBS, оцененной путем интегрирования эхо-сигналов в непосредственной близости от объема чистой выборки. Следовательно, первым шагом было выявление во времени и пространстве акустических данных, совпадающих с сетевыми образцами.

Все акустические данные были усреднены по 2-минутным интервалам, поэтому как акустические, так и сетевые данные были доступны в одном и том же интервале выборки. Конфигурация оборудования, акустические данные, собираемые непосредственно под судном, и образцы сети LHPR, расположенные позади судна, привели к тому, что система сети всегда оставалась позади акустических преобразователей на некотором переменном расстоянии (L).Следовательно, LHPR фактически прошел через горизонт глубины (d) в момент времени (t d ), который отличался переменным периодом (Δt) после того, как ADCP произвел выборку той же глубины.

Чтобы согласовать данные сети с акустической информацией, скорректированное время (t c ) было рассчитано в соответствии с методом, представленным Zhou и др. . (1994), где (1) где t d — это фактическое время, в которое LHPR прошел через глубину d, а t c — это время, когда глубина d прошла через запись ADCP.Переменный период времени Δt был рассчитан по формуле: (2) где L c — длина буксирного троса между LHPR и A-образной рамой, d — глубина в момент времени t d , зарегистрированная CTD LHPR, и v — скорость корабля (мс -1 ). Скорость буксировки судна поддерживалась на уровне 2 м с -1 , а длина троса, выданного на самой глубокой части (d = 250 м) любой буксировки, составляла 750 м. Таким образом, LHPR буксировали через заданную глубину с периодами от 0 до 4 минут после того, как он был взят ADCP.Буксировки

LHPR были реконструированы по данным ADCP с использованием переменной временной поправки, заданной уравнениями (1) и (2) выше. Хотя интервал выборки акустических данных можно было согласовать с интервалом выборки LHPR, интервал глубины, измеренный LHPR, был более изменчивым. Следовательно, акустические данные были интегрированы в линейной форме по вертикальному диапазону, который LHPR прошел в течение любого 2-минутного периода выборки, когда LHPR прошел дальше по глубине, чем у одного акустического бункера.

2.4 Прямое сравнение

Биологический объем каждого образца LHPR был количественно определен с использованием нормализованного объема вытеснения (Beers, 1976; Postel et al ., 2000). Для сравнения результатов с результатами Flagg and Smith (1989b), в дальнейшем обозначаемого как FS2, Heywood et al . (1991), далее обозначаемый HSB, и Batchelder et al . (1995), далее обозначаемый как BVVS, биометрический объем был преобразован в сухой вес (мг м -3 ) с использованием Wiebe et al . (1975) таблицы преобразования, где: (3) где DV — объем вытеснения или общий биотак зоопланктона, а DW — сухой вес.FS2 обнаружил, что файл Wiebe et al . (1975) метод переоценил сухой вес и применил следующую поправку: (4) где DW м — это сухой вес, оцененный Wiebe et al . (1975). В целях сравнения здесь также была применена эта поправка. Следует отметить, что таблицы преобразования подробно описаны в Wiebe et al . (1975) были позже исправлены (Wiebe, 1988).

Данные по сухому весу были разделены на 4π и логарифмически преобразованы в соответствии с теорией, предложенной FS2: а именно, учитывая, что сила цели и, следовательно, сигнал обратного рассеяния, равны log (σ s / 4π), где σ s — акустическое поперечное сечение, а сухой вес приблизительно пропорционален площади поперечного сечения, которая должна быть пропорциональна акустическому поперечному сечению, логично построить график (DW / 4π) против MVBS, переменной, преобразованной в логарифмическую форму. сечения обратного рассеяния.

t-критерий Стьюдента использовался для проверки того, различается ли наклон линии регрессии логарифмически преобразованным данным (ΔDW / ΔMVBS) между этим и предыдущими исследованиями. Прогнозирующая регрессия, используемая FS2 и HSB, использовалась для расчета ΔDW / ΔMVBS. Однако следует отметить, что функциональная регрессия более подходит (Ricker, 1973; например, Wiebe, 1988), и здесь представлены оба метода. Линия функциональной регрессии использовалась для изучения взаимосвязи между сухой массой и наблюдаемой MVBS, а также общим прогнозируемым моделью обратным рассеянием и наблюдаемой MVBS (см. Ниже), потому что все это независимые измерения одной и той же переменной, биомассы зоопланктона, и поэтому все возможны погрешности в измерениях.Мы предположили, что погрешность измерений аналогична величине.

2,5 Прогнозы модели

Прогнозируемое моделью обратное рассеяние рассчитывалось путем решения прямой задачи (Holliday and Pieper, 1995) и определялось для каждой 2-минутной выборки LHPR путем объединения данных о таксономическом размере и численности зоопланктона с соответствующими моделями рассеяния. В этом случае модели рассеяния использовались для расчета прогнозируемого моделью обратного рассеяния от шести групп: больших (> 2 мм) и малых (Clay and Medwin, 1977).Таким образом, прямая задача может быть описана следующим уравнением (Greene et al ., 1998): (5) где TMPB — прогнозируемый коэффициент объемного обратного рассеяния, n ij — численное содержание для размерного класса j таксона. i, 〈σ bsij 〉 — репрезентативное сечение обратного рассеяния для размерного класса j таксона i, а s и t — номера соответствующих размерных классов и таксонов, соответственно.

Модели рассеяния звука, используемые при вычислении прямой задачи, были разработаны Стэнтоном и др. .(1994). Модель изогнутого цилиндра, заполненного жидкостью, использовалась для амфипод, хетогнат, копепод, эвфаузиид и рыб, а сферическая модель, заполненная плотной жидкостью, использовалась для птеропод. Все представительные коэффициенты обратного рассеяния, полученные из моделей, были рассчитаны для частоты 153 кГц.

Выходные данные для каждой выборки представляют собой значение прогнозируемого акустического обратного рассеяния для каждой группы, то есть сумму всех вкладов от этой группы акустического рассеяния и общего прогнозируемого моделью обратного рассеяния.С помощью этих данных можно определить вклад в TMPB каждой группы зоопланктона. TMPB сравнивали с наблюдаемым MVBS с использованием функциональной регрессии, причем наклон линии регрессии (v) сравнивали с идеальным однозначным соотношением с использованием t-критерия Стьюдента (H 0 , v = 1, p> 0,05. ).

3 Результаты

Станция LHPR 12670 № 4 была дневным буксиром (09: 07–11: 59 LT), снятым вблизи контрольного участка Арабеск (ARS, Herring et al )., 1998), 19 ° с. Во время опускания буксира LHPR преодолел расстояние примерно 14 км. Отливка CTD непосредственно перед LHPR показала, что, хотя поверхностные воды были хорошо насыщены кислородом, на глубине от 70 до 300 м существовал отчетливый слой с минимальным содержанием кислорода (рис. 1a): фактически, слой с минимальным содержанием кислорода продлен до глубин> 1000 м (Herring et al ., 1998). Данные ADCP MVBS в период остановки LHPR Station 12670 # 4 показали наличие двух основных слоев рассеяния звука (рис. 1b).Первый слой рассеяния звука (SSL1) возник между поверхностью и глубиной 70 м с MVBS от -64 до -76 дБ, с наибольшей интенсивностью у поверхности выше 50 м. Второй слой рассеяния звука (SSL2) находился ниже 250 м и с MVBS приблизительно -70 дБ. Между этими двумя слоями рассеяния находилась область с низким значением MVBS, в диапазоне от -94 до -80 дБ, с самыми низкими значениями, зарегистрированными между 100 и 175 м. Кроме того, в течение первого часа между 180 и 225 м присутствовал «слабый» рассеивающий слой (от -80 до -72 дБ).

Рис. 1

(a) Вертикальный профиль концентрации кислорода от станции CTD 12663 и (b) цветной контурный график средней силы объемного обратного рассеяния ADCP (MVBS) во время станции LHPR 12670 №4. Идентифицируются два слоя рассеивания звука (SSL): SSL1 на поверхности от 0 до 70 м и SSL2 ниже 250 м.

Рис. 1

(a) Вертикальный профиль концентрации кислорода от станции CTD 12663 и (b) цветной контурный график средней силы объемного обратного рассеяния ADCP (MVBS) во время станции LHPR 12670 №4.Идентифицируются два слоя рассеивания звука (SSL): SSL1 на поверхности от 0 до 70 м и SSL2 ниже 250 м.

Сводная статистика акустического объемного обратного рассеяния, а также стандартизованные биометрический объем и численность на средней глубине для каждой пробы показаны в таблице 1. Если LHPR, отобранный на расстоянии в один интервал глубины, был рассчитан средний MVBS. Последний столбец указывает, был ли образец взят из воды с высокой или низкой концентрацией кислорода, как было определено с помощью CTD перед LHPR.Образцы, собранные с поверхности до 50 м, находились в кислородных условиях (45–200 мкмоль л -1 ), образцы с 50 до 100 м находились в дизоксических условиях (4,4-45 мкмоль л -1 ), а образцы ниже 100 мкмоль. m находились в бескислородных условиях (<4,4 мкмоль l -1 ) — согласно Бернхарду и Сен-Гупте (1999).

Таблица 1

Сводная статистика средней силы объемного обратного рассеяния (MVBS), а также биомов и численности зоопланктона для образцов LHPR со станции 12670 №4.

Средняя глубина (м) . MVBS (дБ) . Биологический объем LHPR-образца с точностью до 2 десятичных знаков (мл · м −3 ) . Обилие LHPR-образца с точностью до 2 знаков после запятой (№ m −3 ) . Условия содержания кислорода * .
17,5 −64,85 0,26 678,82 Oxic
31.5 −66,71 0,37 585 Оксик
45,5 −68,04 0,68 408,03 Оксик

4 4
60,5 -73,08 0,53 366,94 Дизоксический
75,5 -78,94 0,20 443.56 Дизоксический
81,5 −79,29 0,09 88,98 Дизоксический
87,5 −79,94 384 9324 9324 9324 9324 9324 9324 9324 0,08 135,33 Дизоксический
104,5 −82,03 0,06 38,2 Аноксический
113.5 -88,25 0,12 28,71 Аноксический
122,5 -90,86 0,07 21,26 21,26 9324
154,5 −85,79 0,02 16,17 Аноксический
159,5 −85,82 0,03 25.71 Аноксический
168,5 -84,81 0,10 33,30 Аноксический
178 -86,00 0,21 444 9344 0,21 444 9344 0,21 444 0,07 65,59 Аноксический
207,5 -82,33 0,04 32,13 Аноксический
215.5 −81,33 0,04 19,53 Аноксический
223 −80,72 0,01 11,72
−80,72
9324 9324
9324
242 −78,81 0,02 0,64 Аноксический
252 −78,26 0,05 2.69 Аноксический
263,5 −75,65 0,02 1,44 Аноксический
4 9384 9384
Средняя глубина (м) . MVBS (дБ) . Биологический объем LHPR-образца с точностью до 2 десятичных знаков (мл · м −3 ) . Обилие LHPR-образца с точностью до 2 знаков после запятой (№ m −3 ) . Условия содержания кислорода * .
17,5 −64,85 0,26 678,82 Oxic
31,5 −66,71 0,37 5834 0,37 5834 408,03 Oxic
54,5 −71,58 0,38 469,08 Dysoxic
60,5 −73.08 0,53 366,94 Дизоксический
75,5 −78,94 0,20 443,56 Dysoxic
4 9324 9324 9324 9324 9324 9324 9324 9324 9349 9324 9349 87,5 -79,94 0,15 57,33 Дизоксический
95,5 -77,98 0,08 135.33 Дизоксический
104,5 −82,03 0,06 38,2 Аноксический
113,5 −88,25 0,12 0,12 0,12 0,12 0,12 0,07 21,26 Аноксический
131,5 -89,93 0,07 29,85 Аноксический
154.5 −85,79 0,02 16,17 Аноксический
159,5 −85,82 0,03 25,71
25,71
9384
178 −86,00 0,21 44,93 Аноксический
194,5 −81,87 0,07 65.59 Аноксический
207,5 −82,33 0,04 32,13 Аноксический
215,5 −81,33 −3 −81,33 −0,94 0,01 11,72 Аноксический
236,5 −78,99 0,01 5,18 Аноксический
242 −78.81 0,02 0,64 Аноксический
252 −78,26 0,05 2,69 Аноксический
263,5 Таблица 1

Сводная статистика средней силы объемного обратного рассеяния (MVBS), а также биомов и численности зоопланктона для образцов LHPR со станции 12670 №4.

9324 9384 9324 9324 9384 9324 9324 9324 9324 9329 4 0,07

Аноксикогенный 9129 4 . 9324 9384 9324 9324 9384 9324 9324 9324 9324 9329 4 0,07 Поверхность пробы и изобилие 70 м, выше оксиклина, одновременно с самыми высокими зарегистрированными значениями MVBS (рис. 2a, b).Ниже оксиклина биоразмер и численность были низкими по сравнению с поверхностными значениями, без заметного увеличения ниже 150 м, где MVBS начинала увеличиваться с увеличением глубины. Распределение биологического объема и численности значимых групп акустического рассеяния (рис. 2c) было сходным с общими значениями, за исключением образцов на поверхности. Вблизи поверхности максимумы как в биоме, так и в численности для значительных акустико-рассеивающих групп совпадали с минимумом общего биобъема и максимумом общей численности.Поскольку веслоногие рачки были доминирующей таксономической группой и классифицируются как значительный акустический рассеиватель, значения общей численности и значительной численности акустической группы аналогичны. Однако биологический объем значительной группы составляет долю от общего биома в насыщенных кислородом поверхностных водах, поскольку преобладающая часть общего биома на поверхности образуется медузами и остатками мертвого органического вещества и фитопланктона.

Рисунок 2

Распределение с глубиной (а) наблюдаемой средней силы объемного обратного рассеяния ADCP (MVBS), (b) общего биобъема LHPR-образца (черные точки) и общей численности образца (незаполненные треугольники) и (c) акустического -групповой биобъем (черные точки) и акустико-групповой обилие (незаштрихованные треугольники).

Рисунок 2

Распределение с глубиной (а) наблюдаемой средней силы обратного рассеяния по данным ADCP (MVBS), (b) общего биобъема LHPR-образца (черные точки) и общей численности образца (незаполненные треугольники) и (c) биологический объем акустической группы (черные точки) и численность акустической группы (незаполненные треугольники).

3.1 Прямое сравнение

Несмотря на высокий биобъем и, следовательно, высокий логарифм (DW / 4π) в поверхностных образцах одновременно с высоким MVBS, несоответствие между высоким MVBS и низким логарифмом (DW / 4π) в более глубоких образцах привело к низкому, хотя и значительному, корреляция между MVBS и LHPR log (DW4π) (рис. 3а).Линия прогнозирующей линейной регрессии, подобранная к данным, дала соотношение: (6) Коэффициент корреляции составляет 0,47 (n = 27, r 2 = 0,22, p

Рисунок 3

(а) график LHPR-образца (DW / 4π) в сравнении с наблюдаемым MVBS и (b) график LHPR-образца (DW ag / 4π) в сравнении с наблюдаемым MVBS.

Рис. 3

(а) график LHPR-образца (DW / 4π) в зависимости от наблюдаемого MVBS и (b) график LHPR-образца (DW ag / 4π) в сравнении с наблюдаемым MVBS.

Кроме того, более подходящая функциональная регрессия была применена к логарифмически преобразованным данным о сухом весе, которые были рассчитаны с использованием более поздних таблиц преобразования, приведенных в Wiebe (1988), что дало соотношение: (7) с идентичными значениями r (0,47) и r 2 (0,22) в качестве прогнозирующей регрессии. Эти расчеты также применялись к данным, относящимся только к значимым группам зоопланктона с акустическим рассеянием (DW ag ), идентифицированным Стэнтоном и др. .(1994), где: (8) и (9) Взаимосвязь между log (DW ag / 4π) и MVBS была улучшена по сравнению с общей сухой массой образца (рис. 3b), и полученные линии регрессии имели коэффициент корреляции 0,56 (n = 27, r 2 = 0,32, p

ΔDW / ΔMVBS сравнивали с предыдущими результатами (0,115, FS2; 0,056, HSB; и 0,055, BVVS) и 0,1 (после теории журнала FS2 (DW / 4π ) ≈0,1 × MVBS) с использованием t-критерия Стьюдента. Нулевая гипотеза (H 0 ) заключалась в том, что ΔDW / ΔMVBS в этом исследовании существенно не отличался от наклона предыдущих линий регрессии (т. Е.е. 0,115, 0,056 и 0,055 и предполагаемое 0,1). Нулевая гипотеза была принята при сравнении ΔDW / ΔMVBS с HSB и BVVS и отвергнута при сравнении с FS2 (таблица 2).

Таблица 2

Изучение ΔDW / ΔMVBS по сравнению с предыдущими исследованиями

Таблица 2

Изучение ΔDW / ΔMVBS по сравнению с предыдущими исследованиями

3.2 Обратное рассеяние, предсказанное моделью

Прогнозируемое обратное рассеяние шести групп зоопланктона со «значительным рассеянием звука», определенных в уравнениях модели для конкретных таксонов, приведенных Стэнтоном и др. .(1994), были рассчитаны и сравнены с наблюдаемыми MVBS вблизи образца LHPR-net (рис. 4a – f). Прогнозируемое обратное рассеяние от копепод, амфипод, хетогнат и рыб было меньше, чем наблюдаемое MVBS, с самыми низкими значениями прогнозируемого обратного рассеяния от групп хетогнат и амфипод (~ -135 дБ). Прогнозируемое обратное рассеяние от группы крылоногих было близко к наблюдаемому MVBS. Фактически, наклон уравнения функциональной регрессии, подобранный исключительно для предсказания, основанного на вкладе крылоногих и наблюдаемых MVBS, существенно не отличается от ожидаемой взаимно-однозначной связи для всей выборки (v = 1.13, r 2 = 0,84, t-критерий, n = 5, p <0,05) и имеет очень положительную корреляцию (r = 0,92). Евфаузииды были единственной группой, в которой предсказания модели в некоторых случаях превышали наблюдаемые значения MVBS.

Рис. 4

Расчетное моделирование обратного рассеяния в сравнении с наблюдаемыми MVBS для (а) веслоногих ракообразных, (б) эвфаузиид и декапод, (в) амфипод, (г) хетогнат, (д) ​​рыб и (е) крылоногих моллюсков.

Рисунок 4

Прогнозируемое моделью обратное рассеяние в сравнении с наблюдаемыми MVBS для (а) веслоногих ракообразных, (б) эвфаузиид и декапод, (в) амфипод, (г) хетогнатов, (д) ​​рыб и (е) крылоногих моллюсков.

Был исследован процентный вклад каждой группы в общее прогнозируемое моделью обратное рассеяние (TMPB) (рис. 5). В поверхностных водах на высоте более 70 м у крылоногих было самое большое обратное рассеяние, предсказанное моделью, составляющее до 69,5%. Амфиподы внесли наименьший вклад, составляя всего 0,3% от TMPB. На глубине ниже 70 м эвфаузииды обладали самым большим обратным рассеянием, предсказанным моделью, доминируя над TMPB с уровнями до 99,5%. Веслоногие ракообразные были вторыми по величине вкладчиками, за исключением ниже 230 м, где они были заменены рыбами.Вклад каждой группы в TMPB не обязательно был связан с ее численностью или биологическим объемом. Три образца, с глубины 17,5, 159,5 и 242 м, подчеркивают расхождения между процентным вкладом каждой группы в биобъем, численность и общее обратное рассеяние, предсказанное моделью (рис. 6). В то время как птероподы были численно (0,1%) и объемно (2,2%) незначительными на высоте 17,5 м, они преобладали в прогнозируемом моделью акустическом сигнале (69,5%). В более глубоких пробах, где не было крылоногих моллюсков, в численности преобладали веслоногие рачки, а в биоме и TMPB преобладали эвфаузииды.

Рисунок 5

Процентный вклад каждой значительной группы акустического рассеяния в общее обратное рассеяние, предсказанное моделью.

Рисунок 5

Процентный вклад каждой значительной группы акустического рассеяния в общее обратное рассеяние, предсказанное моделью.

Рис. 6

Вклад каждой значительной группы рассеяния в численность, биометрический объем и прогнозируемое обратное рассеяние в точке 17 (а).5 м, б — 159,5 м, в — 242 м.

Рис. 6

Вклад каждой значительной группы рассеяния в численность, биометрический объем и прогнозируемое обратное рассеяние на (а) 17,5 м, (б) 159,5 м и (в) 242 м.

TMPB для каждого образца сравнивали с MVBS, наблюдаемым в непосредственной близости от нетто-отобранного объема (рис. 7). Подгонка линии функциональной регрессии к логарифмически преобразованным данным значительно отличалась от ожидаемого наклона 1 (v = 0,67, r 2 = 0,29, t-критерий, n = 25, p <0.05). Кодирование данных в соответствии с доминирующей группой акустического рассеяния указывает на то, что когда в образцах присутствовали крылоногие моллюски, TMPB был сопоставим с наблюдаемыми значениями. В более глубоких пробах, где группа эвфаузиид вносила наибольший вклад в TMPB, она обычно превышала наблюдаемое значение. Это означает, что при сделанных нами здесь допущениях модель эвфаузиид не может воспроизвести акустическое обратное рассеяние в соответствии с нашими наблюдениями. Возможной причиной неточности может быть эффект ориентации, имеющий как биологическое, так и инструментальное происхождение (Griffiths et al ., 2002). Обратное акустическое рассеяние от животного, имеющего форму эвфаузииды, носит направленный характер. Его зависимость от угла изучалась Кристенсеном и Даленом (1986), Стэнтоном и др. . (1993a) и Macaulay (1994), а совсем недавно в лаборатории McGehee et al . (1998), когда были обнаружены вариации до 25 дБ. Используемые нами модели предполагают попадание акустического сигнала на зоопланктон в поперечном направлении. Однако ориентация отдельных эвфаузиид в водной толще малоизвестна и может меняться в течение периода суточной миграции (биологическое происхождение).Кроме того, лучи ADCP наклонены на 30 ° от вертикали (инструментальное начало).

Рисунок 7

Общее прогнозируемое моделью обратное рассеяние (TMPB) в сравнении с наблюдаемым ADCP MVBS.

Рис. 7

Общее прогнозируемое моделью обратное рассеяние (TMPB) в зависимости от наблюдаемого ADCP MVBS.

Для угловых отклонений от борта 30 °, Кристенсен и Дален (1986) наблюдали, а Маколей (1994) смоделировал снижение силы цели на 5 дБ для одиночной эвфаузииды.Поэтому поправка -5 дБ, не противоречащая угловому изменению обратного рассеяния на 30 °, была применена к вкладу эвфаузиид и декапод. Корректировка данных, предсказанных моделью, в то время как принудительное согласование наклона линии функциональной регрессии с ожидаемым наклоном 1 (v = 0,87, r 2 = 0,44, t-критерий, n = 27, p <0,05) , не устраняет значительный разброс, и, следовательно, соответствие данных линии регрессии существенно не улучшилось (рис. 8).

Рисунок 8

Общее прогнозируемое моделью обратное рассеяние с поправкой на ориентацию эвфаузиид (cTMPB), построенное против наблюдаемой ADCP MVBS.

Рисунок 8

Общее прогнозируемое моделью обратное рассеяние с поправкой на ориентацию эвфаузиид (cTMPB), построенное против наблюдаемой ADCP MVBS.

Кодирование данных в соответствии с доминирующей группой рассеяния также выявило, что разбросанные точки данных были теми, которые имели наибольший вклад от группы эвфаузиид в TMPB.Дальнейшее исследование источника образцов зоопланктона, например, концентрации кислорода в воде, из которой был взят образец, показывает, что модель и наблюдаемые акустические данные сопоставимы для кислородных и дизоксичных вод, а не для образцов, взятых из бескислородной воды (рис. 8). Поскольку для некоторого зоопланктона, живущего в слое с минимальным содержанием кислорода, были предложены вариации морфологии и физиологии, возможно, что этот разброс связан с неадекватным определением коэффициента отражения в модели акустического рассеяния.Это следует из предпосылки, что можно ожидать, что эвфаузииды и декаподы, живущие в слое с минимальным содержанием кислорода, будут иметь более мягкий панцирь, чем их другие океанические собратья (Herring et al ., 1998). Вполне возможно, что их коэффициент отражения меньше 0,058, значение, используемое в этом исследовании, как определено эмпирически Стэнтоном и др. . (1994), что привело к завышенному предсказанию обратного рассеяния эвфаузиид в Аравийском море, как это наблюдается здесь.

Однако содержание кислорода в водной толще меняется с глубиной, и образцы с наибольшей разницей между моделью и наблюдаемым обратным рассеянием происходят с глубин от 100 до 200 м, что совпадает со слоем низко наблюдаемых MVBS.Альтернативный подход — анализировать только акустические данные от «равномерно» распределенных или часто встречающихся целей. Это следует из заключения Brierley et al . (1998), что акустическое обратное рассеяние ADCP выгодно отличается от калиброванного эхолота только в этих условиях. Чтобы проверить, действителен ли этот вывод для нашего исследования, были проанализированы все образцы, в которых наблюдаемая MVBS была больше -80 дБ, а все ниже -80 дБ было отброшено. Этот динамический диапазон был сопоставим с наборами данных, проанализированными Wiebe и др. .(1996) и Грин и др. . (1998). Полученный наклон линии функциональной регрессии (рисунок 9), согласованный с данными, существенно не отличался от ожидаемого наклона 1 (v = 1,00, r 2 = 0,62, t-критерий, n = 12, p <0,05). .

Рисунок 9

Рисунок 9

Это различие не является инструментальной неспособностью надежно обнаруживать редко встречающиеся цели, оно может быть связано с разницей в вероятности того, что каждый инструмент отбирает одних и тех же животных.ADCP имеет четыре конических луча (каждый с шириной луча 3 ° и длиной импульса 4 м), а объем воды, подвергшейся звуковому излучению, увеличивается с глубиной, в то время как объем образца LHPR остается постоянным. На поверхности отобранные объемы находятся в пределах порядка величины, ADCP измеряет от ∼200 м 3 воды, исходя из объема отбора проб 5 м 3 на пинг из бункера глубиной 4 м на глубине глубина 10 м и 2-минутный ансамбль из ∼40 импульсов, а LHPR от ∼40 м 3 . На 200 м, в субкислотной зоне, измерения ADCP MVBS производятся для ∼56 300 м 3 воды, исходя из объема отбора проб 1408 м 3 за пинг из 2-минутного ансамбля из ∼40 пингов, почти на три порядка больше, чем LHPR.Это расхождение в объеме отобранной воды влияет на вероятность того, что каждый инструмент столкнется с нечасто распространенным зоопланктером. Например, если мы предположим, что вероятность встретить одного зоопланктера на кубический метр в толще воды составляет 0,025, что эквивалентно поимке одного зоопланктера в среднем в 2-минутной выборке LHPR, мы можем показать, что из-за большего объема выборки, ADCP с большей вероятностью отберет более одного зоопланктера, чем LHPR (рис. 10). Это несоответствие в объемах выборки может вызвать некоторый разброс между наблюдаемой MVBS и прогнозируемым моделью обратным рассеянием, возникающим из-за вероятности встречи.Тем не менее, должно быть предположение, что это должно привести к смещению наблюдаемой MVBS, чтобы она была больше, чем прогнозы модели из-за нечастого вылова либо редкого, либо дефицитного, либо комбинации обоих зоопланктона в чистых пробах по сравнению с акустической системой. Это противоречит представленным здесь результатам, если мы сохраним значения g, h и R, которые мы также приняли.

Рисунок 10

Распределение вероятности количества крылоногих в выборке, учитывая, что вероятность встретить одного на кубический метр равна 0.025, то есть эквивалент поимке одного в 2-минутной пробе LHPR.

Рисунок 10

Распределение вероятности количества крылоногих в выборке, учитывая, что вероятность встретить одного на кубический метр составляет 0,025, то есть эквивалентно поимке одного в 2-минутной выборке LHPR.

4 Обсуждение

Наши результаты показывают, что логарифмически преобразованный сухой вес (DW) зоопланктона линейно связан с наблюдаемым ADCP MVBS. Это согласуется с предыдущей работой и означает, что MVBS можно использовать в качестве общего показателя распределения зоопланктона (после FS2, HSB).

Эта и другие работы включают использование «относительного» акустического обратного рассеяния, и для статистического сравнения с предыдущей работой объем зоопланктона (DV) был преобразован в сухой вес, разделен на 4π и преобразован в логарифмический масштаб, а затем нанесен на график относительно ADCP MVBS. , с различными элементами управления методом преобразования в соответствии с предыдущими анализами. Результирующий наклон линии регрессии (ΔDW / ΔMVBS) выражает скорость изменения биомассы с изменением MVBS, а точка пересечения зависит от прибора и эксперимента.FS2 ожидал, что это обеспечит линейную зависимость с константой пропорциональности 1/10 (т.е. ΔDW / ΔMVBS = 0,1), где чем больше наклон, тем менее чувствительным будет ADCP к изменениям концентрации зоопланктона.

ΔDW / ΔMVBS в этом исследовании было 0,042 (2 значащих цифры) (n = 27, r 2 = 0,22, p <0,05), что ниже, чем в предыдущих исследованиях прямого сравнения между ADCP MVBS и зоопланктоном, отобранным сетью. Согласно FS2, это означает, что ADCP, использованный в этом исследовании, был наиболее чувствительным или, в качестве альтернативы, анализируемый зоопланктон был больше.Последнее утверждение, безусловно, верно, потому что размер ячейки сети, используемой в этом исследовании (280 мкм), был больше, чем размер ячейки, используемой FS2 и HSB. Таким образом, средняя длина выловленного зоопланктона варьировалась от 1 до 15 мм, что больше, чем у зоопланктона, отобранного HSB (где 50% популяции <1 мм).

Представленные здесь данные демонстрируют более слабую корреляцию между log (DW / 4π) и ADCP MVBS, чем это было обнаружено предыдущими авторами (Flagg and Smith (1989a, b), HSB, BVVS). Однако следует отметить, что исследование, имевшее наибольший коэффициент регрессии и корреляции (по Flagg and Smith (1989a, b), r 2 = 0.96) проводился в районе, где преобладает единственный вид копепод, Calanus finmarchicus (Smith and Lane, 1988), то есть в упрощенной «акустической ситуации». Батчелдер и др. . объяснили, что их собственная корреляция и «худшие» корреляции Heywood et al . связаны с использованием интегрированных по глубине выборок сети по сравнению с вертикально стратифицированной выборкой сети.

HSB предложила альтернативную причину вариаций ΔDW / ΔMVBS. Они показали, что наклон линии регрессии (ΔDW / ΔMVBS) и соответствие данных линии (r 2 ) менялись, если значение коэффициента звукопоглощения (α), используемого при вычислении акустического обратного рассеяния , был изменен.Значение α, которое зависит от температуры и солености водной толщи, использованное для расчета MVBS в настоящем исследовании, составило 0,44 дБ м -1 по сравнению с 0,46 и 0,40, используемыми HSB. Наклон их линии регрессии варьировался от 0,056 до 0,052 с изменением α, что недостаточно для объяснения вариации 0,0144 (∼25%) между исследованием HSB и исследованием, о котором сообщается здесь. HSB также посчитал, что ошибка, вызванная изменениями α, будет незначительной по сравнению с ошибками в методе смещения для измерения биометрического объема и неоднородности зоопланктона.

Тем не менее, должны ли мы на самом деле пытаться связать биоразмер зоопланктона или сухой вес с MVBS или акустическим обратным рассеянием от любого одночастотного эхолота? Было обнаружено, что ΔDW / ΔMVBS из этого исследования значительно отличается от моноспецифического примера FS2 и незначительно отличается от исследований, проведенных в более сложных, смешанных средах зоопланктона (например, HSB, BVVS). Эти вариации могут быть объяснены большим разбросом результатов исследований, проводимых в регионах, где не доминирует ни один вид зоопланктона.Это можно объяснить уже известными различиями в соотношении между площадью поперечного сечения и акустическим поперечным сечением между различными типами зоопланктона, что привело к классификации сильных и слабых акустических рассеивателей (Stanton et al ., 1994, 1996; Griffiths et al ., 2002). Теория FS2 для использования каротажа (DW / 4π) была основана на предположении, что сухой вес пропорционален площади поперечного сечения, которая, в свою очередь, пропорциональна акустическому поперечному сечению, преобразование акустического поперечного сечения в MVBS или S v , обеспечивающий 0.1 (на основе S v = lon (Nρ / 4 φ V), где N — количество рассеивателей, V — объем выборки, а σ — акустическое поперечное сечение). FS2 представил данные для среды, в которой преобладает один вид зоопланктона, где вышеприведенные предположения могли быть верными, тогда как в сложном смешанном сообществе зоопланктона эти предположения не могут быть выполнены.

Таким образом, сравнение взаимосвязи между MVBS и биомассой зоопланктона, обнаруженное в настоящем исследовании, с предыдущими исследованиями является более сложным, чем просто сравнение значения ΔDW / ΔMVBS.Каждое исследование проводилось в разных регионах: западная часть Северной Атлантики, Гольфстрим (FS2), южная часть Индийского океана (HSB), восточная часть Северной Атлантики (BVVS) и северная часть Индийского океана (это исследование), с разными популяциями зоопланктона и общественные структуры (Ван дер Споэль и Хейман, 1983). Кроме того, в каждом исследовании использовалась разная сеть зоопланктона с разным размером ячеек. Flagg и Smith (1989a, b) использовали MOCNESS с ячейкой 149 мкм, HSB использовал WP2 с ячейкой 142 мкм, BVVS использовал кольцевую сетку с ячейкой 153 мкм, а в настоящем исследовании использовали LHPR с ячейкой размер ячейки 280 мкм.Поскольку MVBS является сложной функцией размера зоопланктона, не следует ожидать сходных морфологических и физиологических результатов от разных сетей, поскольку каждое исследование будет вылавливать разные популяции зоопланктона с разными размерами, морфологией и физиологией. Поскольку неоднородность зоопланктона может иметь место в субкилометровых пространственных масштабах (Haury et al ., 1978; Folt and Burns, 1999), правомерность использования прогнозируемой средней биомассы из линейных соотношений между рейсами, а также в пределах одного рейса становится сомнительной. .

Использование моделей для описания акустического рассеяния возникло потому, что возврат эха от цели зависит не только от ее размера, но и от ее состава (Stanton et al ., 1993b). Представленные здесь результаты показывают, что вклад шести групп зоопланктона в численность, биологический объем и прогнозируемое моделью обратное рассеяние непропорционально сильно различается. В частности, редкий и небольшой, но сильный акустический рассеиватель, такой как птеропод, вносил всего 0,1% в общую численность выборки и 0.1% к биобъему, но в одной из наших выборок составлял 69,5% TMPB. Эти результаты подчеркивают как необходимость в точных моделях акустического рассеяния, так и необходимость осторожности при описании численности зоопланктона и биомера на основе акустического обратного рассеяния без одновременных сетевых данных, указывающих на типы рассеивателей.

Они также убедительно демонстрируют, что при интенсивностях выше -80 дБ наблюдаемые данные ADCP MVBS согласовывались с прогнозами прямой задачи.Взаимосвязь между наблюдаемыми ADCP MVBS и TMPB выгодно отличается от взаимосвязи, обнаруженной при использовании хорошо откалиброванного биологического эхолота (Wiebe et al ., 1996; Greene et al ., 1998), а также в исследовании Wiebe et al. al ., вклад птеропод обычно был больше, чем у других таксонов. Однако результаты этого исследования также предоставляют примеры ситуаций, в которых несоответствия между наблюдаемым и прогнозируемым моделью обратным рассеянием указывают на потенциальные модельные, инструментальные и методологические проблемы.

4.1 Модель

Когда группа эвфаузиид была доминирующей группой рассеяния, TMPB обычно превышал наблюдаемые значения. Два потенциальных источника ошибок, влияющих на прогнозы модели для этой группы, — это, во-первых, эффект ориентации, а во-вторых, недостаточное знание контрастов скорости звука и плотности зоопланктона. Эффект ориентации потенциально учитывался в результатах, хотя следует отметить, что если животные в океане имеют предпочтительную ориентацию, уровни эха могут легко отличаться на несколько децибел от уровня, усредненного по всем ориентациям (Wiebe et al ., 1996). Вторая ошибка относится к вычислению коэффициента отражения, используемого в модели. Евфаузииды и декаподы, которые существуют в слое с минимальным содержанием кислорода в Индийском океане, имеют более мягкие панцири, чем их другие аналоги в океанской среде (Herring et al ., 1998). Это повлияет на их плотность и, следовательно, на их коэффициент отражения, что приведет к большему предсказанному обратному рассеянию, чем наблюдаемые значения. Это согласуется с наблюдением, что модели завышали предсказание обратного рассеяния от образцов, собранных при низких концентрациях кислорода.Значение коэффициента отражения, использованное в Stanton et al . (1993b) и Грин и др. . (1998) было R = 0,058. Использование альтернативного значения R (R = 0,031, данное Футом (1990)) уменьшило бы среднее смещение выборок с преобладанием эвфаузиид на 4,6 дБ. Неадекватные или приблизительные измерения скорости звука и контрастов плотности, а также отсутствие знаний об ориентации эвфаузиид и декапод в открытом океане приводят к нашей неспособности различить эти две ошибки.Это указывает на необходимость учитывать окружающую среду и ее влияние на зоопланктон, а также важность правильных измерений скорости звука и параметров контраста плотности в моделях рассеяния звука.

4,2 Инструментальный

Бриерли и др. . (1998) отметили ненадежность акустических измерений, выполненных с помощью ADCP в регионах с низким или неравномерным распределением целей. Результаты, представленные в этом исследовании, показывают, что при высоких (> −80 дБ) интенсивностях MVBS, которые связаны со многими или равномерно распределенными целями, прогнозируемое моделью обратное рассеяние и наблюдаемое MVBS сопоставимы, поведение ADCP, а также «биологический» эхолот .При низкой интенсивности MVBS предсказания модели становятся все более плохими. Бриерли и др. . (1998) указали ориентацию лучей ADCP как возможный источник ошибки. Однако модели, использованные в этом исследовании, предполагают случайную ориентацию всех целей в пределах озвученного объема. Дополнительные факторы неадекватного разрешения параметров модели, а также несоответствие между объемами выборки приводят к нескольким потенциальным источникам плохой корреляции, из которых два последних применимы к любому эхолоту.

4.3 Методологическая

Сравнение прогнозируемого моделью обратного рассеяния с наблюдаемым MVBS предполагает, что два инструмента, то есть ADCP и зоопланктонная сеть LHPR, отбирают образцы одной и той же популяции зоопланктона. Первым основным условием, которое необходимо выполнить, является то, что оба инструмента отбирают образцы в одном и том же диапазоне размеров. В этом случае размер зоопланктона, пойманного LHPR (> ∼1 мм, Nichols and Thompson, 1991), попадает в категорию ka> 0,3 на используемой акустической частоте 153 кГц, где k = 2π / λ, λ — длина волны, а — эквивалентный сферический радиус, поэтому он относительно хорошо согласован.Второе условие должно заключаться в том, чтобы оба инструмента имели сопоставимые объемы выборки. Очевидно, существует большое расхождение между объемами отбора проб ADCP и LHPR на глубине. Простые расчеты вероятности встречаемости идентифицируют это несоответствие как источник вариации между сетевыми и акустическими измерениями зоопланктона, особенно когда акустический инструмент может отбирать больше образцов от редкой, но сильной акустической цели, такой как птеропод, а не с помощью net (рисунок 10).Этот источник ошибок применим и должен учитываться при любом сравнении современных методов съемки зоопланктона.

Дополнительная проблема, связанная с расширением, характерна только для ADCP. ADCP имеет четыре луча, каждый из которых расположен под углом 30 ° от вертикали. Это приводит к тому, что передний и задний лучи располагаются под углом 60 ° друг к другу, так что на глубине 10 м центр лучей разделяется на 17 м, а на глубине 300 м — на 520 м. Если судно движется со скоростью 2 мс -1 (4 узла), проба, взятая на глубине 10 м, будет содержать информацию о зоопланктоне, собранном в течение 2-минутной пробы на расстоянии ~ 240 м, тогда как проба, взятая на 300 -м глубина покрыла бы расстояние ∼750 м.Следовательно, участки зоопланктона на глубине могут быть размазаны ADCP. Комбинация этих проблем и знание того, что, когда LHPR находится на глубине 250 м, он может находиться на расстоянии до 750 м позади корабля, что учитывается при идентификации одновременных MVBS, создает большой допуск на ошибку. Эта ошибка не включает никаких расхождений между коэффициентом обнаружения или «эффективностью улова» каждого инструмента. ADCP или любой другой корпусной или буксируемый эхолот — это незаметная система отбора проб, в то время как буксируемая сеть подвержена реакциям избегания со стороны зоопланктона (например,грамм. Orr, 1981), что может дополнительно приводить к смещению различий между биомассой, полученной с помощью дистанционной акустической оценки, и биомассой, отобранной сетью.

5 Выводы

Результаты, представленные в этой статье, являются частью продолжающегося поиска по определению взаимосвязи между акустическим обратным рассеянием и зоопланктоном с использованием простых манипуляций с данными зоопланктона, чтобы они напоминали среднюю силу объемного обратного рассеяния (согласно FS2), с использованием современных методов акустического рассеяния. модели (например, Stanton и др. ., 1998а, б).

Путем непосредственного сравнения биомера зоопланктона и MVBS можно сделать вывод, что они взаимосвязаны, хотя взаимосвязь более сложна, чем простое увеличение биомера, приводящее к более высокой акустической интенсивности. Это исследование всесторонне показывает, что прямые сравнения и использование линейных зависимостей между акустическим обратным рассеянием ADCP и зоопланктоном, отобранным сетью, не воспроизводятся, и что без дальнейших манипуляций с данными среднюю силу объемного обратного рассеяния ADCP следует использовать в качестве инструмента описания, а не для получения оценок численности и биомассы зоопланктона (например,грамм. Велес-Бельчи, и др., , 2002).

Приведенный выше вывод, присущий любой одночастотной акустической системе, привел к исследованию того, что многие авторы назвали «прямой проблемой» (Holliday and Pieper, 1995; Griffiths et al ., 2002). Подход, основанный на прямой задаче сравнения акустического обратного рассеяния, наблюдаемого in situ , с тем, который был предсказан на основе комбинации данных выборки сети и моделей акустического рассеяния, применялся в исследованиях зоопланктона редко и только относительно недавно (Zhou et al ., 1994; Wiebe и др. , 1996; Greene et al ., 1998). В этом исследовании представлены первые результаты, сравнивающие ADCP MVBS с прогнозами модели, рассчитанными непосредственно на основе собранных в сети образцов смешанной популяции зоопланктона в открытом океане. Следует отметить, что решение прямой задачи не приводит напрямую к цели акустического определения популяций животных. Однако решение этой проблемы может предоставить ценную диагностическую информацию, такую ​​как определение относительного вклада каждой группы «значительного акустического рассеяния» в TMPB, возможность обнаружения того, когда модели акустического рассеяния неадекватны, что позволяет обнаруживать неадекватные акустические или сетевой отбор проб и, наконец, определение согласованности между наблюдаемыми MVBS и данными, полученными с помощью сетевых выборок, при условии, что модели верны, а используемые сети соответствуют отобранному размеру зоопланктона.

Таким образом, наш общий вывод состоит в том, что хотя ADCP и любые другие одночастотные эхолоты полезны для некоторых аспектов биофизической связи и определения паттернов и процессов, их следует использовать с особой осторожностью, если предпринимаются попытки извлечь количественные данные о размере и биомассе из них.

Мы благодарим капитана, команду и ученых на борту RRS Discovery Cruise 209. Мы также хотели бы поблагодарить доктора П. Вибе и доктора Т. Стэнтона за предоставление и использование моделей акустического рассеяния.Исследование финансировалось Программой PRIME НКРЭ.

Список литературы

,,,,,.

Влияние меандра Гольфстрима на распределение биомассы зоопланктона

,

Склонная вода, Гольфстрим и Саргассово море, описано с помощью судового акустического доплеровского профилометра течений. Deep-Sea Research I

,

1994

, т.

41

1

(стр.

23

50

),,,.

Пространственное и временное распределение акустически оцененной биомассы зоопланктона вблизи морской станции со смешанными слоями света (59 ° 30′N 21 ° 00′W) в Северной Атлантике в мае 1991 г.

,

Journal of Geophysical Research — Oceans

,

1995

, т.

100

C4

(стр.

6549

6563

). .

Определение биомассы зоопланктона

,

Фиксация и сохранение зоопланктона

,

1976

Париж

Пресса ЮНЕСКО

(стр.

35

84

),. .

Фораминиферы обедненной кислородом среды

,

Современные фораминиферы

,

1999

Дордрехт

Kluwer Academic Publishers

(стр.

201

216

),,.

Оценка полезности акустического доплеровского профилографа течения для оценки биомассы

,

Deep-Sea Research I

,

1998

, vol.

45

9

(стр.

1555

1573

),. ,.

Метаболический потенциал глубоководных животных: региональные и глобальные масштабы

,

Глубоководные пищевые цепи и глобальный углеродный цикл

,

1992

Дордрехт

Kluwer Academic

(стр.

217

236

), ,.

Дальнейший анализ измерений силы цели антарктического криля на частотах 38 и 120 кГц — сравнение с моделью деформированного цилиндра и вывод распределения ориентации

,

Журнал Американского акустического общества

,

1993

, vol.

93

5

(стр.

2985

2988

),.

Применение методов сжатия импульсов к широкополосному акустическому рассеянию живым индивидуальным зоопланктоном

,

Журнал Акустического общества Америки

,

1998

, vol.

104

1

(стр.

39

55

),. ,

Акустическая океанография: принципы и применение

,

1977

Нью-Йорк

Wiley-Interscience

,. ,

TUBA II — компактный многочастотный гидролокатор, подходящий для использования на автономных или буксируемых платформах для изучения распределения и численности зоопланктона в верхних слоях океана

,

2000

Токио, Япония

IEEE Underwater Technology

,,,,,.

Мезомасштабная субдукция на Альмерия-Оранском фронте.часть 2. Биофизические взаимодействия

,

Journal of Marine Systems

,

2001

, vol.

30

(стр.

287

304

),.

Об использовании акустического доплеровского профилометра течения для измерения численности зоопланктона

,

Deep-Sea Research I

,

1989

, vol.

36

(стр.

455

474

),.

Измерения численности зоопланктона с помощью акустических доплеровских профилометров

,

1989

OCEAN ’89, Marine Technology Society и I.E.E.E.

Сиэтл, Вашингтон

,.

Биологические факторы неоднородности зоопланктона

,

Дерево

,

1999

, т.

14

8

(стр.

300

305

).

Обеспечение прецизионных калибровок с оптимальными медными сферами

,

Журнал Американского акустического общества

,

1983

, vol.

73

3

(стр.

1054

1063

).

Скорость звука в Euphausia superba

,

Журнал акустического общества Америки

,

1990

, vol.

87

(стр.

1405

1408

),,,.

Акустические оценки антарктического криля

,

Nature

,

1991

, vol.

349

стр.

110

,,.

Анализ распределения размеров зоопланктона с помощью высокочастотного звука

,

Лимнология и океанография

,

1989

, vol.

34

1

(стр.

129

139

),,,,,,,,,,.

Оценка распределения и численности зоопланктона: сравнение акустических методов и методов отбора проб с помощью D-BAD MOCNESS

,

Deep-Sea Research II

,

1998

, vol.

45

7

(стр.

1219

1237

),.

Сравнение измерений обратного акустического рассеяния от судового акустического доплеровского профилометра и научного эхолота EK500

,

ICES Journal of Marine Science

,

1996

, vol.

53

2

(стр.

487

491

),,. ,,.

Биологическое-физико-акустическое взаимодействие

,

Биологическое-физическое взаимодействие в море

,

2002

Нью-Йорк

John Wiley & Sons, Inc

(стр.

441

474

),,. .

Модели и процессы во временных масштабах планктона

,

Конференция НАТО, серия IV: Морские науки

,

1978

Plenum Press

(стр.

277

327

),,,,,,,,.

Поперечные отношения между биологическими популяциями, эвфотической зоной и слоем минимального содержания кислорода у побережья Омана во время юго-западного муссона (август 1994 г.)

,

Progress in Oceanography

,

1998

, vol.

41

(стр.

69

109

).

Diel Вертикальная миграция зоопланктона в Северо-Восточной Атлантике

,

Journal of Plankton Research

,

1996

, vol.

18

2

(стр.

163

184

),,.

Оценка численности зоопланктона по данным судового обратного рассеяния ADCP

,

Deep-Sea Research I

,

1991

, vol.

38

6

(стр.

677

691

),.

Биоакустическая океанография на высоких частотах

,

ICES Journal of Marine Science

,

1995

, vol.

52

3–4

(стр.

279

296

),.

Акустическая оценка распределения размеров и численности зоопланктона

,

Журнал акустического общества Америки

,

1986

, vol.

80

(стр.

601

611

),,,.

Новая система для сбора нескольких серийных проб планктона

,

Deep-Sea Research

,

1966

, vol.

13

(стр.

212

222

).

Обобщенная модель силы цели для эвфаузиид с приложениями к другому зоопланктону

,

Журнал акустического общества Америки

,

1994

, vol.

95

(стр.

2452

2466

),,.

Влияние ориентации на акустическое рассеяние антарктическим крилем на частоте 120 кГц

,

Deep-Sea Research I

,

1998

, vol.

45

(стр.

1273

1294

),.

Сетчатая селекция копеподитов и науплиусов четырех видов каланоид-веслоногих

,

Journal of Plankton Research

,

1991

, vol.

13

3

(стр.

661

671

).

Дистанционное акустическое обнаружение реакции зоопланктона на жидкостные процессы, океанографические приборы и хищников

,

Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Science

,

1981

, vol.

38

(стр.

1096

1105

),.

Характеристика закономерностей глубинной миграции с помощью доплеровского сонара

,

Deep-Sea Research I

,

1989

, vol.

36

(стр.

509

530

),,. ,,,,.

Биомасса и численность

,

Руководство по методологии зоопланктона

,

2000

Сан-Диего, Калифорния

Academic Press

(стр.

83

192

)

RDI

,

Расчет абсолютного обратного рассеяния

Сан-Диего, Калифорния

RD Instruments

.

Измерения обратного акустического рассеяния с помощью ADCP 153 кГц в северо-восточной части Мексиканского залива: определение доминирующих рассеивателей зоопланктона и микронектона

,

Deep-Sea Research I

,

2002

, vol.

49

(стр.

2035

2051

).

Линейные регрессии в исследованиях рыболовства

,

Журнал Совета по исследованиям рыболовства Канады

,

1973

, vol.

30

3

(стр.

409

435

),,,.

Изменчивость в биологическом распределении и гидрографии по данным одновременных съемок с акустическим доплеровским профилометром течений и SeaSoar

,

ICES Journal of Marine Science

,

1996

, vol.

53

(стр.

131

138

),.

Выпас весеннего цветения диатомовых водорослей в Нью-Йоркской бухте каланоидными веслоногими ракообразными Calanus finmarchicus, Metridia lucens и Centropages typicus

,

Continental Shelf Research

,

1988

, vol.

8

(стр.

485

510

),,.

Анализ закономерностей распределения скоплений зоопланктона с помощью акустического доплеровского профилометра

,

California Cooperative Oceanic Fisheries Investigations Reports

,

1989

, vol.

30

(стр.

88

103

),,,.

Средние эхосигналы от случайно ориентированных цилиндров конечной длины случайной длины: модели зоопланктона

,

Журнал акустического общества Америки

,

1993

, vol.

94

(стр.

3463

3472

),,.

Лучевое представление рассеяния звука слаборассеивающими деформированными жидкостными цилиндрами: простая физика и приложение к зоопланктону

,

Журнал акустического общества Америки

,

1993

, vol.

94

(стр.

3454

3462

),,,,,,.

Об акустических оценках биомассы зоопланктона

,

ICES Journal of Marine Science

,

1994

, vol.

51

4

(стр.

505

512

),,.

Акустико-рассеивающие характеристики нескольких групп зоопланктона

,

ICES Journal of Marine Science

,

1996

, vol.

53

2

(стр.

289

295

),,,,.

Рассеяние звука несколькими группами зоопланктона. I. Экспериментальное определение доминирующих механизмов рассеяния

,

Journal of the Acoustical Society of America

,

1998

, vol.

103

1

(стр.

225

235

),,.

Рассеяние звука несколькими группами зоопланктона. II. Модели рассеяния

,

Журнал Американского акустического общества

,

1998

, vol.

103

1

(стр.

236

253

),. ,

Сравнительный атлас зоопланктона: биологические закономерности океанов

,

1983

Берлин

Springer-Verlag

,,.

Новый способ взглянуть на мезомасштабное распределение зоопланктона: приложение на Антарктическом полярном фронте

,

Deep-Sea Research Часть II — Тематические исследования в океанографии

,

2002

, vol.

49

18

(стр.

3917

3929

),.

Наблюдения за численностью и поведением зоопланктона с помощью обратного акустического рассеяния и влияния океанических фронтов в Северо-Восточной Атлантике

,

Deep-Sea Research II

,

2001

, vol.

48

4–5

(стр.

899

924

).

Уравнения функциональной регрессии для объема вытеснения зоопланктона, сырого веса, сухого веса и углерода: поправка

,

Fishery Bulletin

,

1988

, vol.

86

4

(стр.

833

835

),,.

Взаимосвязь между объемом вытеснения зоопланктона, влажным весом, сухой массой и углеродом

,

Fishery Bulletin

,

1975

, vol.

73

4

(стр.

777

787

),,,,,,,.

Акустическое исследование пространственного распределения планктона на банке Джорджес и взаимосвязи между силой объемного обратного рассеяния и таксономическим составом планктона

,

Deep-Sea Research II

,

1996

, vol.

43

7–8

(стр.

1971

2001

),,.

Двойная система LHPR, высокоскоростной пробоотборник микропланктона и макропланктона

,

Deep-Sea Research I

,

1983

, vol.

30

3

(стр.

331

342

),,.

Измерения ADCP распределения и численности эвфаузиид у Антарктического полуострова зимой

,

Deep-Sea Research I

,

1994

, vol.

41

9

(стр.

1425

1445

)

© 2004 Международный совет по исследованию моря

Падение напряжения

Падение напряжения
Падение напряжения в кабелях питания

Падение напряжения в силовых кабелях вызвано сопротивлением материала кабеля (обычно меди или алюминия). Это зависит от размера (сечения) кабеля и протекающего тока (потребляемой мощности).

Падение напряжения в сетях 230 В должно быть:
1.от входа в дом до розетки потребителя: менее 4% (немецкий стандарт VDE 0100-520)
2. от счетчика силы тока до розетки потребителя: менее 3% (немецкий стандарт DIN 18015-1).

Падение напряжения можно рассчитать:

Средняя глубина (м) . MVBS (дБ) . Биологический объем LHPR-образца с точностью до 2 десятичных знаков (мл · м −3 ) . Обилие LHPR-образца с точностью до 2 знаков после запятой (№ m −3 ) . Условия содержания кислорода * .
17,5 −64,85 0,26 678,82 Oxic
31,5 −66,71 0,37 -66,71 0,37 5855 −68,04 0,68 408,03 Оксик
54,5 −71,58 0,38 469,08 Дизоксик38 469,08 Дизоксик 38344
75,5 −78,94 0,20 443,56 Дизоксический
81,5 −79,29 0,09 88.98 Дизоксический
87,5 −79,94 0,15 57,33 Дизоксический
95,5 −77,98
0,06 38,2 Аноксический
113,5 -88,25 0,12 28,71 Аноксический
122.5 −90,86 0,07 21,26 Аноксический
131,5 −89,93 0,07 29,85 32 Аноксический 9324 9324 0,09
159,5 −85,82 0,03 25,71 Аноксический
168,5 −84,81 0,10 33.30 Аноксический
178 −86,00 0,21 44,93 Аноксический
194,5 −81,87 0,07 9324 65349 0,07 9324 65344 0,07 9324 9349 0,04 32,13 Аноксический
215,5 −81,33 0,04 19,53 Аноксический
223 −80.72 0,01 11,72 Аноксический
236,5 −78,99 0,01 5,18 Аноксический
242 9078,84 252 −78,26 0,05 2,69 Аноксический
263,5 −75,65 0,02 1,44
MVBS (дБ) . Биологический объем LHPR-образца с точностью до 2 десятичных знаков (мл · м −3 ) . Обилие LHPR-образца с точностью до 2 знаков после запятой (№ m −3 ) . Условия содержания кислорода * .
17,5 −64,85 0,26 678,82 Oxic
31,5 −66,71 0,37 -66,71 0,37 5855 −68,04 0,68 408,03 Оксик
54,5 −71,58 0,38 469,08 Дизоксик38 469,08 Дизоксик 38344
75,5 −78,94 0,20 443,56 Дизоксический
81,5 −79,29 0,09 88.98 Дизоксический
87,5 −79,94 0,15 57,33 Дизоксический
95,5 −77,98
0,06 38,2 Аноксический
113,5 -88,25 0,12 28,71 Аноксический
122.5 −90,86 0,07 21,26 Аноксический
131,5 −89,93 0,07 29,85 32 Аноксический 9324 9324 0,09
159,5 −85,82 0,03 25,71 Аноксический
168,5 −84,81 0,10 33.30 Аноксический
178 −86,00 0,21 44,93 Аноксический
194,5 −81,87 0,07 9324 65349 0,07 9324 65344 0,07 9324 9349 0,04 32,13 Аноксический
215,5 −81,33 0,04 19,53 Аноксический
223 −80.72 0,01 11,72 Аноксический
236,5 −78,99 0,01 5,18 Аноксический
242 9078,84 252 −78,26 0,05 2,69 Аноксичный
263,5 −75,65 0,02 1,44 Аноксиктон
падение напряжения падение напряжения (cos (phi) = 1
Падение напряжения в процентах
l: длина кабеля (от источника до места назначения) [м]
P: потребляемая мощность [Вт]
æ: проводимость (медь при 20ºC = 56)
A: поперечное сечение кабеля [мм²]
U: номинальное напряжение [В] ( е.G. 230 В)

Пример 1:
l: длина кабеля от распределения питания до розетки = 50 м
P: потребляемая мощность на розетке = 200 Вт
æ: (медь) = 56
A: силовой кабель сечением 2,5 мм²
U : номинальная мощность 230 В
cos (phi) = 1
падение напряжения: (2 * 50 * 200 * 1) / (56 * 2,5 * 230) = 0,6 В
Напряжение будет падать в линии питания от источника по назначению от 230В до 229,4В (230В — 0,6В).

Пример 2:
l: длина кабеля от распределительного щита до розетки = 200 м
P: потребляемая мощность на розетке = 1.000W
æ: (медь) = 56
A: силовой кабель сечением 2,5 мм²
U: номинальная мощность 230 В
cos (phi) = 1
падение напряжения: (2 * 200 * 1000 * 1) / (56 * 2,5 * 230) = 12,4 В
Напряжение в линии электропередачи от источника к месту назначения упадет с 230 В до 217,6 В (230 В — 12,4 В).

Скачать: файл Excel с расчетами падения напряжения

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *