Echolood
Een echolood wordt gebruikt in de hydrografie om met behulp van geluidspulsen vanaf een schip, verticaal naar beneden de afstand tot de zeebodem te berekenen. De afstand tot de zeebodem kan worden berekend door de geluidssnelheid in water te vermenigvuldigen met de helft van de gemeten tijd.
Singlebeam echoloden worden voor verscheidende doelen gebruikt. Bijvoorbeeld door grote vrachtschepen, om niet aan de grond te lopen en door vissers, om vissen op te sporen. Omdat de koopvaardij en vissers geen nauwkeurige dieptemeting nodig hebben, zullen ze een standaard geluidssnelheid gebruiken.
Voor hydrografische doeleinden is dit echter niet nauwkeurig genoeg. Daarom zal een singlebeam echolood altijd worden vergezeld door een geluidssnelheidsmeter. Omdat een schip nooit helemaal stil zal liggen in het water, zullen de bewegingen van het schip tijdens de meting moeten worden gecompenseerd. Dit gebeurt met een deiningscompensator.
Bij sonarinstrumenten noemt men de zender en ontvanger van geluidspulsen de transducer of transducent (latijn: trans = doorheen, ducere = leiden). In principe is een transducer een omzetter van één energievorm in een andere. Bij sonarinstrumenten is dit de omzetting van elektrische energie in geluid en omgekeerd.
Bepaalde materialen hebben de eigenschap dat ze van vorm veranderen als er een elektrische stroom doorheen wordt gevoerd. Een stukje van dergelijk materiaal wordt bijvoorbeeld korter en dikker. Breng je een wisselspanning aan dan wordt het stukje afwisselend korter en dikker en langer en dunner. Het gaat dus trillen.
De periode van de trilling is gelijk aan de periode van de wisselspanning, bijvoorbeeld 1 ms. De trilling veroorzaakt in het medium waarin deze wordt opgewekt een drukgolf, die zich naar alle kanten voortplant. Zolang de wisselspanning wordt aangebracht, ontstaat er een aantal malen overdruk en onderdruk ten opzichte van de normaal heersende druk in het medium. Dit geheel noem je een puls.
Drukpulsen zijn niets anders dan geluidspulsen (afgezien van 90˚ faseverschil). Geluid plant zich in zeewater veel beter voort dan elektromagnetische golven. Daarom gebruikt men sonar.
De puls plant zich door het medium voort en treft dan een reflector. Een dergelijke reflector is in wezen een overgang van het ene medium naar het andere. De reflector weerkaatst de puls en deel van de weerkaatste puls bereikt weer de geluidsbron. Het stukje materiaal gaat dan weer trillen, waardoor een variërende spanning wordt opgewekt, die kan worden waargenomen en geregistreerd.
Het trillend stukje materiaal bevindt zich in een behuizing die gevuld is met een soort olie (castorolie) die dezelfde akoestische impedantie als zeewater heeft.
De onderkant van de behuizing bestaat uit materiaal met opnieuw dezelfde akoestische impedantie, bijvoorbeeld ρc-rubber. De rest van de behuizing bestaat dan uit materiaal waarvan de impedantie juist sterk met die van zeewater verschilt.
De akoestische impedantie bepaalt in welke mate geluid wordt gereflecteerd. Bij transducers streeft men ernaar om de materialen zo te kiezen dat aan de kant waarheen het geluid moet worden uitgezonden, de impedantie ongeveer gelijk is aan die van zeewater. Een echolood meet dus de waterdiepte aan de hand van de verplaatsing van trillingen (geluid) in water. De transducer ‘hangt’ in het water en registreert het tijdsinterval tussen het moment van zenden, reflectie op de bodem en ontvangen.
Inhoud |
[bewerk] Bundelbreedte
De transducer die de geluidspulsen naar de bodem stuurt, heeft een bepaalde openingshoek. Dat wil zeggen dat de geluidspulsen worden uitgewaaierd, als een kegelvorm, weggezonden. De tophoek van deze kegel, de openingshoek van de transducer, wordt bundelbreedte genoemd. Deze bundelbreedte is van groot belang voor de nauwkeurigheid waarmee gemeten kan worden.
De bundelbreedte is afhankelijk van de gebruikte frequentie en van de afmetingen van de transducer.
Hoe lager de frequentie, hoe hoger de bundelbreedte. Hoe lager de frequentie, hoe groter de transducer.
Het effect van de bundelbreedte op echolodingen is echter zeer groot.
In alle gevallen zal echter het echolood de punten in het bundelgebied registreren die het dichtst bij liggen, de echo’s van deze punten zijn tenslotte het eerst terug. Dit kan onder andere tot gevolg hebben dat relatief smalle sleuven niet geregistreerd worden en dat in het algemeen oneffenheden verminkt zichtbaar worden. Bovendien zal de afwijking van de werkelijke diepte altijd naar ondiepere waarden leiden.
Er zijn transducers beschikbaar met zeer kleine bundelhoeken, bijvoorbeeld 3 graden bij een frequentie van 210 kHz is een veel toegepast type transducer. Men moet hierbij echter goed bedenken dat de voordelen van deze kleine bundelhoek alleen opgaan bij scheepsbewegingen die ook binnen die 3 graden (ofwel +1,5 en –1,5 graden) liggen. Over het algemeen zal een peilvlet al snel meer slingeren dan deze waarde, zodat dan niet meer verticaal onder de transducer gemeten wordt en het effect van de kleine bundelhoek door de positiefout weer tenietgedaan wordt.
[bewerk] Piëzo-elektriciteit, electrostrictie & magnetostrictie
Er zijn drie principes die kunnen worden toegepast in akoestische transducers: piëzo-elektriciteit, electrostrictie en magnetostrictie.
Het verschijnsel van vormverandering als gevolg van een elektrische stroom noemt met piëzo-elektriciteit. Materialen, die deze eigenschap hebben, zijn onder meer kwarts, rochelle-zout, lithiumsulfaat en dihydrogeenfosfaat.
Voorbeelden van elektrostrictieve materialen zijn bariumtitanaat, loodtitanaat, zirkonaat en Ceramic-B. Deze materialen zijn opgebouwd uit verschillende gebieden (domeinen) met elk hun eigen elektrische veldje. Deze veldjes zijn willekeurig gericht met een resulterend moment gelijk aan 0. Leg je op een dergelijk materiaal een uitwendig elektrisch veld aan, dan richten de veldjes in alle domeinen zich in dit externe veld en veranderen de fysische afmetingen van het stukje materiaal.
Deze verandering in afmetingen is onafhankelijk van de richting van het aangelegde elektrische veld en evenredig met het kwadraat van de veldsterkte. Dit houdt in dat de mechanische verplaatsing niet lineair is. Om dit toch te bereiken wordt het materiaal gepolariseerd. Dit gebeurt door het materiaal tot de Curietemperatuur te verhitten en het daarna in een sterk magnetisch veld te laten afkoelen.
Magnetostrictieve materialen zijn bijvoorbeeld nikkel en kobalt.
De duur waarmee het materiaal trilt (de pulsduur) bedraagt enkele milliseconden.
[bewerk] Montage transducer
Positie transducer
De ideale positie van de echosounder is tussen 1/3 en de helft van de lengte van het schip, gemeten vanaf de boeg, en zo dicht mogelijk bij de midden-as. Dit minimaliseert onnodige bewegingen door pitch en roll, en meestal ligt dit punt ook recht beneden de antenne van de positionering.
Bronnen van storing
De transducer moet zo ver mogelijk van geluidsbronnen gemonteerd worden, vooral van bronnen die bijna dezelfde frequentie gebruiken. Boeg-platen kunnen trillen als het schip beweegt, en deze trillingen kunnen op dezelfde frequentie zijn als die van de uitgezonden frequentie.
Montage transducer
De transducer zou zo gemonteerd moeten worden dat hij een beetje onder een hoek vooruit staat, en een klein beetje onder de romp van het schip vandaan komt. Dit zorgt ervoor dat er genoeg waterdruk op het transduceroppervlak staat, en het is noodzakelijk voor het goed uitzenden van het akoestische signaal in het water.
Als waterbubbels onder en langs het schip een probleem zijn, zal de transducer vrij van de romp gemonteerd moeten worden; mogelijk zo dat de transducer uit het water kan worden gehaald als hij niet gebruikt wordt.
