HISTORIA POWSTANIA ECHOSONDY

- Historia echosond
- Zasada działania sonarów / echosond
- Optymalny sonar - echosonda
- Częstotliwość pracy sonaru
- Przetworniki

Skąd się wzięły echosondy - trochę historii.

Wynalezienie echosondy nie różni się niczym od wynalezienia koła, radia, telefonu czy telewizora. Po prostu istniała potrzeba znalezienia urządzenia które w prosty sposób wskaże głębokość oraz obecność ryb w danym miejscu. Ludzie zajmują się połowem ryb od tysięcy lat. Na początku ryby były podstawowym składnikiem diety ludzi żyjących nad wodą, aby w miarę udoskonalania metod połowu stać się towarem którym się wymieniano. Trochę później połów ryb stał się źródłem utrzymania dla części ludzi zwanych rybakami, którzy wyspecjalizowali się w ich połowie. Ponieważ w obecnych czasach większość ryb spożywanych na świecie pochodzi z hodowli zmalało znaczenie połowu siecią, a od ubiegłego wieku wzrosło zainteresowanie "sportowym połowem ryb na wędkę". Każdy z nas wędkarzy ma podstawowy problem wybierając się na ryby szybko znaleźć miejsce przebywania ryb i skłonić je do brań. Echosonda nie potrafi skłonić ryb do brania, pozwala jednak rozwiązać problem ich odnajdywania. Nie oszukuj się nie możesz złowić ryby jeśli nie łowisz w miejscach gdzie aktualnie przebywają. Właśnie z takiej potrzeby powstały pierwsze echosondy.

Każda echosonda używa SONAR-u w swojej pracy. Rozwój tej technologii (SOund NAvigation Ranging ) nastąpił w czasie II wojny światowej. Później pod koniec lat pięćdziesiątych, w Joplin w stanie Missouri Carl Lowrance i jego synowie Arlen oraz Darrell rozpoczęli nurkowanie z akwalungiem aby obserwować ryby i ich zwyczaje. W trakcie tych rekonesansów podwodnych doszli do wniosku (co później zostało potwierdzone przez inne źródła ) i odkryli, że większość ryb jest skupionych na bardzo niewielkim obszarze jeziora. Gdy tylko warunki otoczenia zmieniały się - (kierunek i siła wiatru, opady, spadek lub wzrost temperatury/ciśnienia ) ryby przemieszczały się do korzystniejszych dla nich w danych warunkach obszarów. Potwierdzono także wpływ podwodnych struktur (takich jak drzewa, rośliny, skały), temperatury, uciągu wody, nasłonecznienia oraz wiatru na większość gatunków ryb. Te oraz inne czynniki wpływały również na położenie pokarmu (alg i planktonu), a razem tworzyły warunki powodujące częste przemieszczanie się populacji ryb.

W tamtych czasach istniały jedynie duże, drogie i nieporęczne sonary. Pracujące z niską częstotliwością sonary wykorzystywały próżniowe lampy elektronowe, wymagające do pracy zasilania z dużych akumulatorów samochodowych. Pomimo, że mogły pokazywać zadowalający obraz dna oraz duże ławice ryb, nie potrafiły pokazywać pojedynczych ryb. Carl wraz z synami postawił sobie zadanie zbudowania echosondy o niewielkich rozmiarach, możliwą do przenoszenia, zasilaną z własnych baterii, potrafiącą wykrywać pojedyncze ryby i jednocześnie niedrogą. Między innymi dzięki wprowadzeniu do powszechnego użytku tranzystorów została wyprodukowana echosonda, która zmieniła wędkarstwo światowe na zawsze.

Rozmiar: 4895 bajtów

W 1957 roku wraz ze sprzedażą pierwszej tranzystorowej wędkarskiej echosondy utworzony został nowy przemysł. W listopadzie 1959 roku, Lowrance wprowadził "The Little Green Box" (Małe zielone pudełko) do sprzedaży, które stało się najbardziej popularną w tym czasie echosondą na świecie. Zbudowana na bazie tranzystorów, była pierwszą udaną konstrukcją echosondy wędkarskiej. W 1957 roku profesjonalne sonary były sprzedawane w cenie min. 2000 USD natomiast pierwsze echosondy Lowrance były kupowane za mniej niż 150 USD. Do roku 1984, kiedy ze względu na koszty zakończono jej produkcję, zostało wyprodukowanych ponad milion egzemplarzy tej pierwszej popularnej echosondy. Następnym etapem rozwoju echosond było zastosowanie papieru jako nośnika. Występowanie ryb, obraz dna i zmiany głębokości w czasie były drukowane na rolce papieru. Takie systemy są stosowane do dzisiaj na statkach handlowych. Technologia wyświetlaczy ciekłokrystalicznych umożliwiła miniaturyzację echosond i wyparła papier jako nośnik do prezentacji obrazu podwodnych struktur i ryb. Obecnie rozwój echosond zmierza w kierunku coraz większych wyświetlaczy o rozdzielczościach rzędu 240 pikseli w pionie w popularnych modelach i 800 pikseli w pionie w topowych modelach .

Stosuje się również selektywną penetrację wody przez zastosowanie przetworników wielostożkowych o różnych częstotliwościach pracy, mających większe efektywne kąty penetracji. Wzrost mocy powoduje że głębokości rzędu 300-400 metrów również nie stanowią bariery.


Zasada działania sonarów / echosond

Słowo "sonar" jest skrótem trzech wyrazów angielskich - "SOund, NAvigation, and Ranging"(dźwięk, nawigacja, lokalizacja). Podczas II Wojny Światowej nastąpił gwałtowny rozwój sonarów . Zostały one stworzone m.in. dla US Navy do lokalizacji łodzi podwodnych oraz do komunikacji między statkami. Głównymi elementami sonaru są przetwornik (pełniący rolę nadajnika i odbiornika sygnału dźwiękowego), układ elektroniczny wyzwalający i odbierający sygnał elektryczny z przetwornika oraz wyświetlacz.

Zasada działania sonaru w uproszczeniu jest następująca: impuls elektryczny pochodzący od nadajnika układu elektronicznego (oscylator /kwarc) jest przekształcany w przetworniku w falę dźwiękową o określonej częstotliwości i wysyłany w wodzie w wybranym kierunku. Kiedy fala dźwiękowa dotrze do podwodnego obiektu/przeszkody odbija się od niego i powraca. Echo to dociera z powrotem do przetwornika, który przekształca je w sygnał elektryczny wzmacniany następnie przez odbiornik układu elektronicznego i wysyłany dalej do wyświetlacza. Ponieważ prędkość fal dźwiękowych w wodzie jest znana i stała (wynosi około 1500 metrów na sekundę zależnie od temperatury) to przez pomiar tego krótkiego czasu jaki upłynął między wysłaniem i odebraniem sygnału można obliczyć odległość między przetwornikiem i obiektem od którego fala została odbita. Proces ten jest powtarzany wielokrotnie w ciągu każdej sekundy. Miękkie obiekty jak muliste dno mają tendencję do pochłaniania fali dźwiękowej. Twarde dno skaliste dużo mocniej odbija sygnał nie pochłaniając go.

Te subtelne różnice w otrzymywanym sygnale znajdują odzwierciedlenie w obrazie wyświetlanym na ekranie. Właśnie w ten sposób echosonda "czyta" dno i wszystko co się nad nim znajduje.



W echosondach najczęściej stosuje się częstotliwości pracy równe lub bliskie 200 kHz, jednak produkowane są również urządzenia wykorzystujące częstotliwość 50 kHz, 83kHz a nawet 455 kHz. Częstotliwości te znajdują się w spektrum dźwiękowym, ale nie są słyszalne ani przez ludzi, ani przez ryby. Nie ma obawy że sonar wystraszy ryby - one go nie słyszą.

Jak to wynika z jego konstrukcji sonar wysyła i odbiera sygnały dźwiękowe, a następnie zamienione na sygnały elektryczne wyświetla je na wyświetlaczu. Ponieważ dzieje się to wielokrotnie w ciągu sekundy, to kolejne punkty odpowiadające poszczególnym odczytom głębokości tworzą w rezultacie ciągłą linię, która przedstawia zarys/kontur dna. Jak wyżej opisano, każdy obiekt między powierzchnią wody a dnem jest również rozróżniany (zostaje odbite echo) i wyświetlany na ekranie. Znając prędkość rozchodzenia się fal dźwiękowych w wodzie oraz czas powrotu echa, urządzenie oblicza i wskazuje głębokość wody oraz do każdej ryby znajdującej się w wodzie.


Optymalny sonar - echosonda

Na jakość sonaru wpływają cztery główne czynniki, przy czym optymalny sonar powinien posiadać następujące cechy:
-Duża moc nadajnika
-Wydajny i szybki przetwornik
-Czuły odbiornik
-Duży i kontrastowy wyświetlacz o jak największej rozdzielczości pionowej

Wszystkie powyżej wymienione elementy echosondy muszą być zaprojektowane do współpracy i niezależne od warunków pogodowych i ekstremalnych temperatur.
Im wyższa moc nadajnika tym większe prawdopodobieństwo, że możliwe będzie wykrycie powracającego echa w głębokich lub zanieczyszczonych/zasolonych wodach. Większa moc pozwala również na prawidłowe zaprezentowanie ławic drobnicy czy różnego rodzaju obiektów podwodnych.



Przetwornik ma za zadanie zamienić sygnał elektryczny z oscylatora/kwarcu na dźwięk z jak najmniejszymi stratami energii (działa podobnie do głośnika. Jego drugą funkcją jest zdolność do odebrania nawet najmniejszych fal dźwiękowych powracających z głębokiej wody lub pochodzących od małych ryb (działa podobnie jak mikrofon).
Sam układ elektroniczny odbiornika musi pracować z ekstremalnie szerokim zakresem mocy sygnału. Musi umieć przytłumić bardzo mocne sygnały, jak również wzmocnić te najsłabsze powracające z przetwornika. Poza tym odbiornik odseparowuje obiekty podobne do siebie, rozróżnia odbicia powracające od tego samego obiektu i następnie w wyrazisty, przejrzysty sposób przedstawia te odbicia na wyświetlaczu. Ważną więc rolą odbiornika jest zastosowany algorytm separacji odbić i ich interpretacji.
Dobry wyświetlacz musi posiadać wysoką rozdzielczość (szczególnie ilość pikseli w pionie) oraz wyraźny kontrast, aby poprawnie zaprezentować wszystkie szczegóły czysto i ostro. Tylko takie wyświetlacze pozwalają przedstawić drobne szczegóły ukształtowania dna oraz łuki ryb (Arches) będące ich rzeczywistym odbiciem. Dla przykładu na głębokości 15 metrów jeden punkt na wyświetlaczu 128x64 odpowiada 11,72 cm, na wyświetlaczu 320x320 już tylko 4,69 cm.


Częstotliwość pracy sonaru

Większość sonarów pracuje na częstotliwościach około 200 kHz, a kilka dodatkowo na 50 kHz, 83kHz (HUMMINBIRD DualBeam ) i 455kHz (HUMMINBIRD TriBeam).
Oba zakresy częstotliwości mają swoje zalety, ale dla większości zastosowań w wodach śródlądowych i w większości morskich częstotliwość 200 kHz jest najlepszym wyborem. Częstotliwości te dają największą szczegółowość, lepiej pracują w płytkich wodach oraz przy dużych prędkościach, generują mniej szumów i niepożądanych ech. Separacja obiektów jest również najlepsza przy tych częstotliwościach. Separacja obiektów to zdolność do wyświetlania na ekranie dwóch ryb przebywających blisko siebie jako dwóch osobnych ech. Dla echosond HUMMINBIRD pracujących na częstotliwości 200kHz separacja wynosi ok. 6,25 cm.

Jednak istnieją pewne zastosowania gdzie częstotliwości pracy mniejsze od 200 kHz są lepsze. Sonar pracujący na np. 83kHz może penetrować wodę do większych głębokości niż jednostki z wyższymi częstotliwościami (te same warunki i moc przetwornika). Jest to spowodowane naturalną zdolnością wody do pochłaniania fal dźwiękowych. Współczynnik pochłaniania jest większy dla wyższych częstotliwości dźwięku. Stożki fal dźwiękowych 83 kilohercowych przetworników są szersze niż przetworników 200 kHz (DualBeam 60 stopni). Są więc z tego względu najlepszym rozwiązaniem na płytkich łowiskach gdzie sam wąski stożek 20 stopni przetwornika 200kHz nie wystarcza. Użycie wymyślonej przez HUMMINBIRD częstotliwości 455kHz powiększa możliwości echosondy o penetrację dwóch bocznych szerokich stożków (QuadraBeam 2x45 stopni) które zwiększają efektywny kąt penetracji do 90 stopni. Zawsze należy pamiętać że obraz struktury dna i aktualnej głębokości pochodzi ze środkowego wąskiego stożka 200kHz - więc dodatkowe stożki umożliwiają jedynie identyfikację ryb w szerszym obszarze wody.

W podsumowaniu, różnice między tymi częstotliwościami są następujące:

192 lub 200 kHz 50 kHz lub 83kHz
- Mniejsze głębokości.
- Węższy stożek.
- Lepsza definicja i separacja obiektów.
- Mniejsza wrażliwość na szumy. 		- Większe głębokości.
- Szerszy stożek.
- Gorsza definicja i separacja obieków.
- Większa wrażliwość na szumy.

Przetworniki


Przetwornik
Przetwornik pełni w sonarze funkcję anteny. Zamienia energię elektryczną pochodzącą z nadajnika ukł.elektronicznego na dźwięk o wysokiej częstotliwości. Jego działanie można porównać do głośnika ale działającego w środowisku wodnym i na częstotliwościach niesłyszalnych dla ludzkiego ucha. Fala dźwiękowa rozchodzi się w wodzie i odbija od każdego obiektu napotkanego w wodzie tworząc falę powrotną - echo. Kiedy powracające echo dotrze do przetwornika, zamienia on ten dźwięk z powrotem w energię elektryczną, która wysyłana jest do odbiornika układu elektronicznego. W tym sensie działa on jak mikrofon ale oczywiście zanurzony w wodzie. Częstotliwość przetwornika musi pasować do częstotliwości echosondy. Nie wolno używać przetworników o częstotliwości 83 kHz lub 200 kHz z sonarami zaprojektowanymi do częstotliwości np. 195 kHz! Impulsy wysokiej mocy pochodzące od nadajnika, zamiana ich z jak najmniejszymi stratami w falę dźwiękową i jednoczesny odbiór nawet najmniejszych fal powrotnych z wody - tyle jednocześnie funkcji musi spełnić przetwornik. Przy czym odbywa się to na określonej częstotliwości, a echa innych częstotliwości muszą być odrzucone. Widać że przetwornik musi być bardzo wydajnym urządzeniem. Najnowsze przetworniki HUMMINBIRD wykonują te wszystkie czynności nawet do 40 razy na sekundę!

Kryształ
W większości przetworników jako element aktywny wykorzystuje się stworzony przez człowieka kryształ (związek ołowiu z cyrkonem lub baru z tlenkami tytanu). Aby stworzyć te kryształy poszczególne składniki chemiczne są mieszane i wlewane do form. Formy te są następnie wypalane w piecu, dzięki któremu zamieniają się w twardy kryształ. Po schłodzeniu na kryształ nakładana jest warstwa przewodząca (po jego obu stronach). Dzięki temu można podłączyć kryształ do kabla przetwornika. Sam kształt kryształu determinuje zarówno częstotliwość jak i kąt rozwarcia stożka. Dla okrągłych kryształów (używanych przez większość sonarów), jego grubość określa częstotliwość pracy, a jegp średnica określa kąt stożka, np. 20-to stopniowy kąt stożka odpowiada średnicy kryształu około 1 cala (2,54 cm), podczas gdy 8-mio stopniowy stożek wymaga kryształu posiadającego średnicę około 2 cali. Im większa średnica kryształu tym mniejszy kąt stożka.

Obudowa
Przetworniki występują w wielu kształtach i rozmiarach. Większość przetworników wykonanych jest z plastiku, niektóre przetworniki montowane w kadłubie łodzi wykonane są z brązu. Jak wyjaśniliśmy wyżej, częstotliwość i kąt stożka określone są przez wielkość kryształu, dlatego też obudowa przetwornika musi odpowiadać temu rozmiarowi.

Prędkość i przetwornik

Główną przeszkodą w stosowaniu przetworników przy dużych prędkościach łodzi są zawirowania powierzchni wody . Tak więc kształt i sposób mocowania przetwornika ma wpływ n a jego późniejszą pracę. Jeśli przepływ wody wokół przetwornika jest zrównoważony, to przetwornik wysyła i odbiera sygnały normalnie. Jeśli przepływ wody jest zaburzony przez nierówną powierzchnię, ostre krawędzie to powstają bąbelki powietrza któŽe powodują błędy odczytu. Z tego powodu na ekranie echosondy występują zaburzenia powierzchniowe. Jeśli są one nieduże można ich wpływ zminimalizować filtrem (HUMMINBIRD Matrix) natomiast ponieważ prędkość rozchodzenia się dźwięku w wodzie i powietrzu jest inna, odbicia od bąbelków będą interferowały ze słabszymi sygnałami od dna, struktur podwodnych i ryb, przyczyniając się do trudności lub niemożności ich obserwacji.
Obudowy przetwornika musi umożliwiać więc swobodny przepływ wody, bez zawirowań nawet przy dużych prędkościach łodzi. Ale jednocześnie - przetwornik musi być mały, łatwy do instalacji na pawęży (kilka otworów), musi wytrzymać przypadkowe uderzenia przy dużej prędkości o obiekty znajdujące się w wodzie.

Problem zawirowań nie jest ograniczony wyłącznie do kształtu obudowy przetwornika. Często same kadłuby łodzi powodują powstawanie bąbli powietrza, które przemieszczają się przed przetwornikiem zamontowanym na pawęży. Wiele aluminiowych łodzi posiada ten problem z powodu setek wystających nitów. Kiedy łódź się przemieszcza, szczególnie z dużą prędkością, każdy nit tworzy strumień bąbli powietrza. Aby rozwiązać ten problem należy zamontować przetwornik poniżej strumienia bąbli powodowanego przez kadłub. Oznacza to konieczność montażu uchwytu przetwornika jak najniżej na pawęży.



Kąty stożka

Sygnał dźwiękowy wysyłany przez przetwornik rozchodzi się w wodzie w kształt stożka. Można to porównać do np. światła latarki w nocy. Wiązka dźwięku obejmuje więc tym większy obszar im głębiej dociera. Tak jak w przypadku latarki ma ona kształt stożka i stąd właśnie wzięło się określenie "kąt stożka". Sygnał wiązki jest najmocniejszy wzdłuż osi symetrii stożka i stopniowo maleje w miarę oddalania się od niej. Pomiary kątów stożka przeprowadza się w określonych warunkach aby móc porównać wartości poszczególnych przetworników. Aby zmierzyć kąt stożka przetwornika mierzymy moc wzdłuż osi symetrii stożka a następnie porównujemy ją z mocą mierzoną w miarę oddalania się od tej osi. Gdy moc spadnie o 90% (czyli o 10 dB), odczytujemy otrzymaną wartość kąta. Całkowity kąt od punktu - 10 dB z jednej strony do -10 dB z drugiej określa kąt stożka. Takie metody pomiaru stosuje i podaje w swoich danych technicznych większość producentów.



HUMMINBIRD oferuje przetworniki z bardzo wieloma kątami stożka. Szeroki kąt stożka penetruje większy obszar podwodnego świata. Odbywa się to jednak kosztem zmniejszenia głębokości penetracji, ponieważ szeroki sygnał szybciej wyczerpuje dostępną moc przetwornika. Przetworniki z wąskim kątem stożka nie pokazują aż tyle informacji, ale penetrują głębiej, gdyż moc przetwornika skupiona jest na mniejszym obszarze. Podwodny obraz na wyświetlaczu echosondy będzie dużo szerszy gdy współpracuje ona z przetwornikiem o szerokim kącie stożka, a węższy gdy współpracuje z przetwornikiem o wąskim kącie.

Przetworniki wykonywane są z wąskim albo z szerokim kątem stożka. Wersja z szerokim kątem stożka powinna być używana w wodach słodkich, zaś wersja z wąskim stożkiem może być stosowana we wszystkich wodach, zarówno słodkich jak i słonych. Przetworniki pracujące z niską częstotliwością 50/83kHz posiadają kąt stożka w zakresie 30 do 60 stopni. Przetwornik jest najczulszy wewnątrz wyspecyfikowanego stożka, jednak można obserwować odbitą falę (obraz) także poza nim. Echo to ma jednak mniejszą moc (obraz posiada mniejszą dokładność i wyrazistość). Efektywny kąt stożka jest zdefiniowany jako obszar wewnątrz stożka, którego obraz można zobaczyć na ekranie. Jeśli ryba płynąca w toni znajduje się wewnątrz stożka przetwornika, ale jego czułość nie jest wystarczająca aby ją zobaczyć, to echosonda posiada wąski efektywny stożek. Możemy poprawić efektywny kąt stożka przetwornika poprzez podkręcenie na plus czułości odbiornika. Przy ustawieniu małej czułości, efektywny kąt stożka jest wąski i pokazuje tylko obiekty znajdujące się bezpośrednio pod przetwornikiem i płytkie obszary. Zwiększenie czułości odbiornika zwiększa jednocześnie efektywny kąt stożka, dzięki czemu można zobaczyć obiekty znajdujące się dalej z obu stron.


Termokliny

Niektóre echosondy pokazują także termokliny które są definiowane jako linie rozdzielające obszary wody cieplejszej od wody zimniejszej. W normalnych warunkach woda jest coraz zimniejsza im jest głębiej a określone gatunki ryb preferują określoną temperaturę wody. Zmiana temperatury wody powoduje że część sygnału zostaje odbita i powraca do przetwornika wykreślając linię rodziału cieplejszej wody od zimniejszej na określonej głębokości. Wskazania termoklin pozwalają zbliżyć się do poszukiwanych ryb i zrozumieć aktualne warunki panujące na łowisku.
Opracowanie : Witold Klejbor