EL = NL + DT

1
MATERIAŁY POMOCNICZE DO WYKŁADU
Z BIO- i HYDROAKUSTYKI
3a. Równanie zasięgu w echolokacji ultradźwiękowej
S2. Zasięg systemy hydrolokacyjnego (definicja)
Zasięg: odległość, powyżej której poziom sygnału użytecznego jest zbyt mały, aby odbiornik
mógł go wyróżnić z tła zakłóceń.
Na zasięg mają wpływ:
a) czynniki stałe związane z częścią techniczną systemu,
b) czynniki zmienne związane z kanałem hydroakustycznym.
S3. Ogólna postać równania zasięgu hydroakustycznego według Uricka
EL  10 log
EL = NL + DT
Io 
IR
Io
[dB]
NL  10 log
~
po 2
 0.67  10 18 W/m 2
 oc o
IN
Io
[dB]
DT  10 log
IR
IN
[dB]
S4. Hydroakustyczny system komunikacyjny
EL  SL  TL [dB]
SL  10 log
I T (r1 )
[dB]
Io
TL  10 log
IT (r1 )
[dB]
IR
PO
PN
ODBIORNIK
NADAJNIK
IT
IR
r1 = 1 m
r
S5. Równanie zasięgu systemu komunikacyjnego
SL  NL  DT  TL [dB]
TL  SL  NL  DT [dB]
r
20 log   SL  NL  DT [dB]
 r1 
r  r1 100.1SLNL DT 
[m]
2
S6. System hydrolokacyjny
IR
EL  SL  2TL  TS [dB]
IIC
ODBIORNIK
PN/O
NADAJNIK
IT
IRC
r1 = 1 m
CEL
HYDROLOKACYJNY
r1 = 1 m
r
TS  10 log
I RC
I IC
[dB]
S7. Równanie zasięgu systemu hydrolokacyjnego
r  r1 4 100.1SL NL DT TS 
[m]
S8. Straty transmisyjne z uwzględnieniem tłumienia absorpcyjnego (różne rodzaje fal)
TL   r  r1 
TL  10 log
r
  r  r1 
r1
TL  20 log
r
  r  r1 
r1
S9. Uniwersalne równanie zasięgu łącza akustycznego w ośrodku quasi-jednorodnym
(definicja)
przetwornik
przetwornik
nadawczy
odbiorczy
PR
PT
SR
ΩT
OŚRODEK
QUASI-JEDNORODNY
zasięg łącza
d
układ nadawczy
PT
 K Ad 2 e  d
PR
synchronizacja
KA 
4
T  S R
układ odbiorczy
PT 4 d 2 e 2d

PR
T S R
S10. Uniwersalne równanie zasięgu łącza akustycznego w ośrodku quasi-jednorodnym
(współczynnik kierunkowości źródła)
 2 f 2 DT 2
2
4
T 
 
   2
2c 2
2
2
 K ( )  sin d
  K ( , )  sin d d
dla πfDT/c >> 1
 0  0
0
3
S11. Uniwersalne równanie zasięgu łącza akustycznego w ośrodku quasi-jednorodnym
(moc promieniowana i odbierana w łączu akustycznym)
PR 
p R 2  SR
2 c
PT 
pT 2  ST
2 c
p 
S 
S 
LPT /PR  20 log T   20 log T   LpT / pR  20 log T 
 SR 
 SR 
 pR 
S12. Poziom spadku mocy w różnych ośrodkach (średnice przetworników 2.5 mm)
Większa częstotliwość – większy spadek, ze względu na tłumienie,
ale w wodzie większe są straty związane z charakterystyką kierunkowości dla małych
częstotliwości.
S13. Poziom spadku mocy w różnych ośrodkach (średnice przetworników 10 mm)
Zwiększenie średnicy powoduje zmniejszenie strat, bo rośnie kierunkowość.
S14. Weryfikacja eksperymentalna równania zasięgu w powietrzu
MAŁE rozbieżności w górę dla 50 KHz, bo w pobliżu przetwornika powinno się traktować
jak falę kulistą.
DUŻE rozbieżności w dół dla 20 mm oraz 10.5 kHz, 25 kHz, bo niespełniony warunek na
obl. ch-ki kierunkowości πfDT/c >> 1.
S15. Równanie zasięgu łącza akustycznego z parametrami układu nadawczego i
odbiorczego
 S  S U  k S 
PT
  n o LT /20 u  T 
PRmin  U sz  10
SR 
2
W ten sposób można wyprowadzić inną postać równania zasięgu łącza bioakustycznego,
która umożliwia dobranie wartości parametrów układu nadawczego i odbiorczego do
granicznego spadku mocy w łączu.
S16. Równanie zasięgu łącza akustycznego z parametrami schematu zastępczego
przetwornika
Rp Ro
2  c So 2 k u 2
PT
UT 2

PRmin
ZT Rv  Rp Ro  Rv  Rp SR U sz 2 10 L /10



S17. Uniwersalne równanie zasięgu łącza akustycznego w ośrodku warstwowym
przetwornik
nadawczy
ΩT
PR
PT
przetwornik
odbiorczy
4 i c i i 1 c i 1
i ci  i 1 ci 1 2
SR
OŚRODEK
WARSTWOWY
synchronizacja
N
układ odbiorczy
2
 i di
PT
4    d  e i 1

N 1
PR
T  SR   DI ( i ,i  1)
2
zasięg łącza d
układ nadawczy
DI ( i ,i 1) 
i 1
c
d
N
 d /c
i 1
i
i
4
3b. Siła celu
S2. Definicja siły celu
Siła celu – target strength
IR
II
ODBITA FALA
SFERYCZNA
C
CZOŁO FALI
LOKALNIE PŁASKIEJ
ODBIORNIK
NADAJNIK
PN/
O
IT
ŹRÓDŁO FALI
SFERYCZNEJ
IRC
r1 = 1
m
r
TS  10 log
p
I RC
 20 log RC
I IC
pIC
S3. Siła celu
TS  10 log
p
I RC
 20 log RC
I IC
pIC
CEL
HYDROLOKACYJNY
TS  10 log

4 r1 2
S4. Przekrój absorpcji i estynkcji
e   a
S5. Siła celu kuli
Doskonale odbijająca kula; średnica dużo większa od długości fali.
dSIC  a 2 d d
PIC  PRC
dSRC  4r1 2 d d
TS  10 log
PIC  dSIC I IC
I RC
dS
a2
 10 log IC  10 log 2
I IC
dS RC
4r1
S6. Siła celu dużej kuli
TS  10 log
p
I RC
 20 log RC
I IC
pIC
rz
dla μa(f) małe i rz małe;
r1
r
dla μa(f) duże i rz duże
pRC r1   pRC rz   z  e rz r1 
r1
pRC r1   pRC rz  
S7. Siła celu małej kuli
Kula doskonale sztywna, ka < 0.5; V – objętość kuli;
 25 2V 2 


V2 
a6 





TS  10 log

10
log
61
.
7

10
log
1082
6



6 
6 
 4 


PRC  dSRC I RC
WODA
5
S9. Gazowe obiekty kuliste

.
4a 2
  f 2 
  r   1   2
  f 



fr 
3.25
1  0.1D
a
  0.04
fr
f r 10
TS  10 log

4 r1 2
S10. Przekrój rozproszenia pęcherzyka powietrza

4a 2
dla f = fr
2
Siła celu pojedynczego pęcherzyka jest bardzo mała, nawet na częstotliwości rezonansowej.
Pęcherzyki jednak zwykle występują w skupieniach i mogą powodować silne rozproszenie
fali akustycznej.
S11. Siła celu obiektów o prostych formach geometrycznych (cylinder)
Nieskończenie długi cylinder:
ar
TS  10 log 2
dla ka  1, r  a
2r1
9 4 a 4 r
TS  10 log 3 2
dla ka  1, r  a
r1 
Cylinder o skończonej długości L:
TS  10 log
aL2
sinkL sin 
 20 log
cos  dla ka  1, r  L2 / 
2
2r1 
kL
sin



S12. Siła celu obiektów o prostych formach geometrycznych (płaszczyzna)
Płaszczyzna o skończonych rozmiarach dowolnego kształtu:
A
TS  20 log
r1
Płaszczyzna prostokątna o bokach a, b:
ab
 sin ka sin  

 20 log
cos   dla r  a 2 /  , kb  1, a  b
r1
 ka sin 

Płaszczyzna okrągła:
TS  10 log
TS  10 log
a 2
2 J 2 ka sin  
 20 log 1
cos  dla r  a 2 /  , ka  1
r1
 2 ka sin 

TS  20 log
4
 60 logka 
3k
dla
ka  1
S13. Siła celu obiektów o prostych formach geometrycznych (elipsoida i reflektor
trójkątny)
bc
dla ka , kb , kc  1, r  a, b c
Elipsoida o osiach głównych a, b, c: TS  20 log
2a
Trójkątny reflektor narożnikowy o boku a:
 a2 
  10 log1  0.00076  2 
TS  20 log
 3r1 
6
S14. Siła celu obiektów technicznych
Kształty większości obiektów hydrolokacyjnych nie mogą być opisane żadną z podanych brył
czy powierzchni. Siłę celu takich obiektów określa się eksperymentalnie.
Siła celu tych obiektów zależy nie tylko od ich kształtu i wielkości, ale od ich usytuowania
względem kierunku rozchodzenia się fali sondującej.
S16. Siła celu ryb
Wzór empiryczny:
L [cm]
f [kHz]
TS  19.1  log
 0.9  log
 62
1 cm
1 kHz
Wzór obowiązuje dla 0.7 < L/λ < 90 i dotyczy obserwacji w tzw. aspekcie grzbietowym, czyli
gdy fala sondująca pada pionowo na rybę poruszającą się w kierunku poziomym.