Formação.de.Equações.Acustica

Produzido por: Dep

Título: a acústica das Pescas. Um manual prático para estimar a biomassa aquátic

4. FORMAÇÃO DE EQUAÇÕES ACOUSTIC

4,1 Poder e Nível de Fonte4,2 diminuição da intensidade com a distância4,3 variação de intensidade entre o feixe4,4 único peixe como alvos acústicos4,5 cardumes de peixes como simples alvos acústicos4,6 Um feixe do transdutor Equivalente4,7 Nível de ruído4.8 Síntese dos termos da equação acústica

Esta seção do manual descreve as mais simples situações práticas para autilização de parâmetros ligados pelas equações acústico (anteriormenteconhecido como as equações de sonar). Estes parâmetros referem-se à águacomo um meio de transmissão de ondas acústicas: a pescar como alvosacústicos neste meio e com as características do sistema de acústica.

É uma lei da física que a energia não pode ser nem ganhou nem perdeu. Isso seaplica a ondas acústicas, bem como todas as outras formas de energia. Asequações acústico nos ajudar a equilibrar as quantidades de energia acústicatransmitida e recebida, um pouco semelhante à maneira como uma demonstraçãofinanceira deve equilibrar. Se os termos separados da equação são precisos,podemos estimar a biomassa de peixes. A eficácia dos sistemas acústicos podeser limitado pelo próprio fundo do mar natural de energia acústica (ruído), que éaumentada pela transferência de energia do vento, correntes rápidas sobredeterminados tipos de fundos marinhos, Harden Jones e Mitson (1982), ou dechuva que actuam sobre a superfície. É necessário conhecer e compreender asunidades de medida, as quantidades e as relações que descrevem os parâmetrosna equação acústica para manipulá-los corretamente.

Na água que estão preocupados principalmente com a fonte de nível acústicotransmitido medido em dB / 1 μ Pa / 1 m, e em nível de eco recebida em dB /μ Pa,mas a familiaridade com os conceitos de acústica de alimentação (WA, Watts) eintensidade I , é útil. Para colocar energia em, e também para levá-lo para fora daágua não é o conversor de energia, o transdutor, discutido em 3.1.3. É difícil fazerreais acústico medições, de modo que o eléctrico e recebeu tensões transmitidase poderes são usados.

Eco-sondas e eco-integradores são calibrados em decibéis, o uso do que é padrãopara equipamentos de pesquisa em sistemas acústicos e na equação acústica.Para ver como estes são utilizados nos cálculos para a energia acústica,começamos por considerar um transdutor colocado na água. Para o nossopropósito o poder está concentrado em um feixe direcionado para baixo.

4,1 Poder e Nível de Fonte

30/9/2010 4.FORMAÇÃO DE EQUAÇÕES ACOUS…

fao.org/docrep/x5818e/x5818e05.htm 1/18

Vimos como energia elétrica, quando aplicado a um transdutor, torna-se potênciaacústica, ou intensidade. Esta seção relaciona os fatores que determinam aintensidade acústica, ou de nível de fonte (SL), produzida por um transdutor.

Fonte nível é definido como

10 log (intensidade da fonte / intensidade de referência) (26)

quando a intensidade de referência é o de uma onda de pressão eficaz 1 μ Pa.

Potência de entrada (Pe), para o transdutor é sob a forma de um pulso elétrico e émedido através das conexões dos cabos do transmissor para o transdutor.

Não transdutor é 100% eficiente na conversão de energia elétrica para acústica, ouvice-versa. Para encontrar a acústica de alimentação de saída (WA) para umapotência eléctrica de entrada dado que é necessário conhecer a eficiência dotransdutor, (η), ver 3.1.3. Supondo que η é de 70%, ea entrada elétrica é medidoem 1000 W, então o poder acústico (WA) é

WA = η = Pe (70 ÷ 100) x 1000 = 700 Watts.

O que é necessário para os nossos cálculos equação acústico, é o SL que resultadessa potência acústica.

SL é expresso como

SL = 10 log WA DI + 170,8 dB + / 1 μ Pa 1 m / (27)

ou seja, referência 1 μ Pascal a 1 metro no eixo; uma distância de referênciametros da face do transdutor é normal.

170,8 é uma constante para a conversão de potência acústica de nível de fonte(ver Urick (1975) P67).

DI é o índice de diretividade, o ponto 3.1.3.

A partir dessas informações e usando uma figura de 23 dB para o DI SL podemoscalcular a distância de referência de 1 m.

SL = 170,8 + 10 + log WA DI = 170,8 + 28,45 + 23 = 222,2 dB / 1 μ / 1m Pa

Esta é a intensidade transmitida axial acústica na distância de referência de ummetro da superfície do transdutor. Embora o nível de origem pode ser calculadodesta maneira não é um substituto satisfatório para um valor de, directa ouindirectamente medidos obtidos durante a calibração acústica, porque a forma deonda elétrica é muitas vezes distorcida e Pe nem sempre pode ser medido comprecisão. Tendo obtido um valor para o SL podemos aplicar as leis,nomeadamente da propagação de ondas acústicas e calcular a intensidade dequalquer distância.

4,2 diminuição da intensidade com a distância

Se um feixe acústico foi infinitamente estreito sofreria nenhuma perda, exceto paraa absorção. Mas quando a prática feixes se propagam através da água que eles seespalhem de modo que o poder WA abrange uma área continuamente



aumentando a distância da fonte aumenta. Vimos em 2.5 que a intensidadeacústica em qualquer ponto é igual à energia dividida pela área

I = WA Área ÷

Saber como a área aumenta com a distância da fonte, podemos calcular como aintensidade diminui com o aumento da distância. Se uma radiação de ondastransdutor igualmente em todas as direções as ondas se espalhariamesfericamente dele. Mesmo que use transdutores que limitam as ondas acústicasem um feixe, a frente de onda ainda é esférica, ou seja, é uma pequena parte dasuperfície de uma esfera em expansão, veja a Figura 30.

Figura 30.



De geometria sabemos que a área da superfície de uma esfera de raio a é de 4πuma2. O raio da esfera da qual a nossa feixe é dado é a distância do transdutorpara a frente de onda. Portanto, a intensidade acústica no eixo do feixe diminuiproporcionalmente ao quadrado da distância.

Power = Área x Intensidade

assim, tendo o rácio



mas a distância d1 é a distância de referência de 1 m

assim

na notação decibel

d2 representa qualquer distância relativa para a referência e é convencionalmentechamado de R, o intervalo de uma fonte para uma determinada distância.

Assim, a expressão normal é 20 log R e este é um componente do fator de perdade transmissão TL. Embora o intervalo, o termo R, é mais adequado para o feixedirigido horizontalmente de sonar, que é útil em eco-som também. Isto porquetodos os alvos presentes no mesmo instante sobre a superfície esférica da frentede onda estão na mesma faixa , mas eles não estão na mesma profundidade. Eleserá visto mais adiante como esses dois fatores ocorrem em situações diferentes,mas com a finalidade da equação acústica, R agora será usado ao longo destemanual.

Então TL1 = 20 log R

Outro componente de perda de transmissão, é a absorção (υμ), discutido em 2.6,este obedece a uma lei linear com a distância de modo que é adicionado àexpressão acima na forma υμ R, ea perda completa de transmissão TL é

TL = 20 + logR υμ R (28)

Usando (28) podemos calcular a intensidade a uma distância de metros da fontede R transdutor. Seja R = 50 m, e υμα = 10 dB / km.

SL - TL = 222,2 - (20 log50 + 10 x 50 ÷ 1.000) = 222,2 - (34 + 0,5) =187,7 dB / 1 μ Pa

A 200 m SL - TL = 222,2 - (46 +2) = 174,2 dB / 1 μ Pa (veja a Figura 31 (a) abaixo.

Figura 31. (A)



Assim, a intensidade é reduzida mais significativamente pela propagação esféricaou "geométrica" a perda de 20 log R, mas como a escala aumenta υμ se tornaimportante. Porque υμ aumenta muito com freqüência, seus efeitos devem serconsiderados em intervalos relativamente curtos quando as altas freqüências sãoutilizadas.

O one-way de perda de transmissão é usado acima, mas a fim de obter uma 'eco-som "o eco deve retornar em aproximadamente a mesma direção que o pulsotransmitido, se for para ser recebido. A forma como a perda de transmissão ocorreao longo de uma distância percorrida pelo pulso transmitido e isso somado com adistância percorrida pelo eco, dá, a maneira de perda de transmissão e dois = 2TL.Para o presente efeito, assumimos que todos os acústicos a intensidade de 200 mé devolvido para o transdutor.

SL-2TL = 222,2-2 (20 + logR υμ R) = 222,2 - (40 + 2 logRυμ R) =222,2-2 (48) = 126,2 dB /μ Pa

como mostrado na Figura 31 (b).

Figura 31. (B)



Esta é a intensidade ou o nível do eco (EL) recebeu no rosto após o transdutor deondas acústicas têm percorrido um total de 400 m no eixo da viga.

EL = SL - 2TL (29)

Tendo visto como a intensidade diminui com a faixa que hoje consideramos comoele varia ao longo da viga.

4,3 variação de intensidade entre o feixe

Em 4,2 examinamos a diminuição da intensidade com escala do transdutor aolongo do eixo da viga. À medida que o feixe se alarga com a escala crescente, parao aumento da área de frente de onda. A diminuição na intensidade com intervalopode ser calculado como mostrado na 4.2 e compensação aplicado variando-se aamplificação dos sinais recebidos de acordo com a faixa (por tempo variado ganhoou seja TVG).

Isso seria mais que suficiente se a intensidade foi constante durante o domínio dofeixe em qualquer profundidade. Mas, nós vimos no ponto 3.1.3 que, como oângulo do eixo aumenta, faz assim a diminuir a intensidade. Assim, seconsiderarmos a área do feixe em um determinado intervalo, a intensidadeacústica no eixo da viga será igual ao SL - TL. Mas, no ângulo de referência a partir



do eixo será SL - TL - 3 dB. Há uma diminuição gradual da intensidade do eixo dereferência para o nível de -3 dB, que é ilustrado por zonas na Figura 32. Estaszonas de indicar o que é provavelmente o problema mais difícil na acústica dapesca, ou seja, nós não sabemos que os peixes estão na zona em qualquerinstante por isso, é impossível fazer medições directas quantitativa com umsimples Sonda. O efeito do feixe pode ser removido por uma série de técnicas,mas há um em especial que é o mais amplamente utilizado, Urick (1975), queconstitui a base da seção 4.6.

Figura 32.



4,4 único peixe como alvos acústicos

Em 2,8 vimos alguns dos fatores que determinam a quantidade de energiaacústica refletida do peixe e da sua variabilidade. Aqui estamos preocupados coma forma mais simplista em que os alvos único peixe pode entrar na equaçãoacústica. Ela é mostrada em 4.2 que o nível de eco no transdutor quando toda a



energia acústica atingindo R alcance é refletida é

EL = SL - 2TLou EL = SL - (40 + 2 logRυμ R)

Mas nós somos normalmente preocupados com pequenos objetos queinterceptam apenas uma pequena proporção da energia acústica. A figura 33ilustra isso, e que

(30)

Figura 33.

Se toda a energia incidente é refletida

e de 10 log 1 = 0 TS db

assim o nível de eco permaneceria inalterada, acrescentando este valor de TS.



EL = SL - 2TL + 0

Um peixe retornando uma pequena proporção da energia tem menor TS muito.Supondo que a proporção de II/ I0 = 1 / 1000, ou seja, a quantidade refletida é 1000vezes menor que a intensidade incidente, em seguida,

TS = 10 log 1 / 1000 = -30 dB

Em uma situação prática, a EL será recebido e nós queremos extrair TS, dada aoutros fatores

TS = EL + 2 (20 + logR υμ R) - SLTS = EL + 2TL - SL

Usando os valores de 4,2, assumindo EL = 96,2 dB / 1μ Pa quando R = 200 m eυμα = 10 dB / km

TS = 96,2 + (92 + 4) - 222,2 = -30 dB.

Claro que isto só se aplica em relação ao eixo da viga. Note-se que 40 logR ocorreacima, ele está sempre associada a objectivos individuais

2TL = 40 + 2 logRυμ R (31)

A força alvo de um único peixe tiver sido definida, mas isso não pode ser aplicadodiretamente a um grande número de peixes. Em vez uma figura de força-alvomédio para um comprimento médio de uma determinada espécie, está relacionadaao peso de modo que um valor em dB / kg é obtido com o uso da equação paradeterminação da biomassa. Os dados são frequentemente disponíveis a partir doqual peso / comprimento pode ser calculado, estes são em forma de W = kLx

onde

W = pesoespécies k = constante relacionadaL = comprimentox é ∀ 3, ou seja, o peso é proporcional ao comprimento ao cubo,(também espécies relacionadas).

4,5 cardumes de peixes como simples alvos acústicos

Em 4,4 assumimos que uma rígida, peixe estática refletiu um / 1000 parte 1 daintensidade incidente sobre ela. O TS desse peixe foi encontrado para ser -30 dB.Com raciocínio semelhante, podemos dizer que 1000 peixes cada um dos TSmesmo se refletem todas de energia acústica incidente se eles estavam enchendoo feixe precisamente no mesmo alcance. Se a escola é chamada TS TSé orelacionamento é

TSs = 10 + TS logN (32)

onde N é o número de peixes, cada um dos TS resistência desejada

TSs = 30 + (-30) = 0 dB.

Na prática, a força-alvo das escolas só é útil quando horizontalmente sonar dirigidovigas são usadas para medir as escolas distintas. Para a atual forma de equaçãoacústica precisamos de um termo para descrever a quantidade de energia deback-espalhados da escola ou da camada para o transdutor de Sonda. Isso é



conhecido como reverberação volume que depende de uma relação chamada deforça de dispersão, em termos de decibéis é

O EL termo tem sido utilizado anteriormente para o eco recebido no transdutor,mas quando se considera a reverberação RL termo análogo, refere-se ao nívelequivalente de onda plana reverberação. É definida como o nível de uma ondaincidente axialmente plano que produz o mesmo transdutor como a reverberação.Para uso geral da RL algumas suposições devem ser feitas sobre os mentirosos(peixe), que inclui a camada de dispersão.

1. A propagação de ondas acústicas deve ser em linha reta ea perdaespalhando tidos em conta.

2. Os peixes devem ser distribuídos com probabilidade igual em todo ovolume contido pela metade a duração de pulso em qualquer dadointervalo.

3. Deve haver uma ausência de espalhamento múltiplo (ver Capítulo5).

O ponto 2 é especialmente relevante para a equação acústica, pois afeta a perdade transmissão TL. Isso ocorre porque é uma maneira TL 20 log R, ou seja,quando aumenta a faixa de 2 vezes, a área da frente de onda aumenta por 22.Assim, o número de alvos interceptados pelo feixe aumenta na mesma proporçãoque o TL que retiram o TL em uma direção. Esta é a segunda forma da equaçãode perda de transmissão, utilizados para as escolas, ou camadas espalhados portodo o feixe. Note-se que υμ ainda é uma perda, em dois sentidos.

TL2 = 20 + 2 logRυμ R (33)

Volume de reverberação é discutida na seção 6.1 baseada em Urick (1975).

4,6 Um feixe do transdutor Equivalente

Quando o feixe acústico passa por uma escola ou uma camada de peixe, peixesespalham através desse feixe em um determinado momento e alcance. O nível dereverberação (RL) recebeu na face do transdutor é proporcional ao número depeixes e sua distribuição através do feixe. Mesmo se todos fossem do mesmo TS,um pequeno número estaria no a -1 0 dB a -2 dB, e mais ainda em -2 dB a -3 dBzona (ver Figura 32), o total seria de RL muito menos do que se a intensidade detransmissão foram constantes em toda a viga.

A solução é calcular uma viga equivalente. Dentro desse feixe ideal não é aresposta da unidade, mas fora, a resposta é zero. Figura 34 mostra a comparaçãoesquematicamente. Preferencialmente medidos parâmetros do transdutor de reaissão utilizados no cálculo, que leva em conta tanto ou seja, transmissão erecepção-padrão em dois sentidos, mas uma fórmula diferente é usado paradiferentes formas da face do transdutor.

Figura 34.



Em termos logarítmicos as fórmulas são

1. transdutores Circular

10 log ψ = 20 log (λ / 2π a) 7,7 dB / esterradiano (34)

onde

λ = comprimento de onda (m)= raio do transdutor face ativaa 2>λ

2. Transdutor de rosto retangular

10 log ψ = 10 log (λ 2/ 4π ab) + 7,4 dB / esterradiano (35)

onde

λ = comprimento de onda (m)= comprimento de um lado da face ativa (m)b = comprimento da outra face (m)a, b>> λ

Estas fórmulas são tomadas a partir de Urick p.217 (1975) e assumecaracterísticas de um transdutor normal, por exemplo, uma viga principal edevidamente formado o número do volume e da sensibilidade dos lóbulos laterais.Para exatidão de uma medição detalhada tridimensional do feixe efetivo énecessária a partir do qual um ângulo equivalente sólido pode ser calculado.Instalações especiais são necessários para esta finalidade.

Escolas de interceptar os peixes e re-irradiar parte da energia acústica no pulso deSonda. Este re-radiação é chamado de espalhamento ea soma do espalhamento



em um determinado volume de água é chamado de reverberação volume.

Como a dispersão de interesse vai na direção do transdutor, Sonda, éfreqüentemente especificada como "back-espalhamento. Reverberação é devidoaos peixes dentro 'ideal' feixe contidas no volume do feixe equivalente ψ, a duraçãodo pulso τ, eo intervalo de R.

4,7 Nível de ruído

O limite para a detecção de peixes no mar é o ruído. Na equação do nível de ruídoacústico NL na face do transdutor receptor é definido como

NL = 10 log (intensidade do ruído / intensidade de referência) (36)


O ruído pode surgir de várias fontes, ver 9.3, o objetivo atual é considerá-la emrelação às equações acústico.

Figura 35.



Figura 35 mostra como o nível de ruído ambiente varia com a força do vento eestado do mar-, mas repare que este ruído é dada como espectro de nível (SPL),que remete para a energia de uma onda acústica em uma faixa de freqüência de 1Hz de largura. O ruído real pode ser calculada para qualquer largura de banda eenfatiza que, quanto maior a largura de banda de um sistema, mais ruído érecebida, independentemente da sua origem. O nível de ruído que afectam umaSonda de largura de banda BW é aproximada por

BL SPL + 10 = BW log (37)

onde BL = faixa de nível de ruído (dB /μ Pa)

SPL = nível do espectro de ruído (dB / 1μ Pa/1Hz)BW = largura de banda do sistema de recepção (Hz)

Esta aproximação é válida se a largura de banda não é muito grande, umacondição satisfeitas por pesca atual eco-sondas. É baseado na adição dasintensidades no adjacente bandas 1 Hz em toda a largura de banda.

Para ver até que ponto uma dada força do vento ou do estado do mar afetará umeco-sonda tomamos o nível de espectro na freqüência de operação, por exemplo,40 kHz. A partir da Figura 35, a SPL nesta freqüência de 3 a força do vento é de 30dB / 1 μ Pa / 1 Hz. Um ecobatímetro, com uma largura de banda de 3 kHzreceberá, portanto, um nível de ruído total de esta fonte de

BL = 30 + 10 log 3000 = 64,8 dB / 1 μ Pa

Para compreender o significado prático deste nível de ruído deve ser comparadocom os sinais que desejamos detectar por expressá-la sob a forma de tensãorecebida nos terminais do transdutor (VRT).

Assumindo um transdutor com uma resposta de recepção (SRT) de -185 dB / 1 V /1 μ Pa,

TRV = BL SRT + = 64,8 + (-185) = -120,2 dB / 1 Volt ≈ 0,98 μ V

(Note a BL é efetivamente EL ou RL).

Se o vento aumentou a força Beaufort Escala 8 do SPL = 42 dB / 1 μ Pa / 1 Hz,para que

BL = 76,8 dB / 1 μ PaTRV = 76,8 + (-185) = -108,2 dB / 1 V = 3,9 μ V de ruído.

Máxima sensibilidade de um ecobatímetro, é provável que seja uma μ V ou atémenos, portanto, esse nível de ruído pode restringir a detecção de peixes. Noentanto, para medições quantitativas um-para-ruído de sinal de 10-20 dB énecessário sensibilidade máxima que não pode ser usado sempre.

Utilizando as equações discutidas na seção 4, pode-se calcular a tensão do sinalde um peixe de TS conhecido, a uma determinada profundidade e compará-lo como barulho. Supondo que um ecobatímetro tem uma SL de 216 dB / 1μ Pa/1m e énecessária para detectar um peixe de TS = -45 dB a uma distância de 200 m.Deixe υμ ≈ 8,7 dB / km

EL = 216-2 (200 + 20 log (8,7 x 200) / 1000) + (-45) = 216-95,5 - 45 =75,5 dB / 1μ PaTRV = 75,5 + (-185) = -109,5 dB / 1 V = Antilog - 109.5/20 = 3,35 μ V



do sinal

O sinal de peixes é de 0,55 μ V menor que o ruído médio e não podem serdetectados.

Vento induzida por ruído foi utilizada acima para ilustrar como o ruído pode serincluída nas equações de acústica, mas existem outras fontes de ruído (versecção 9.3).

Raramente há uma disposição para o ruído a ser monitorado automaticamentedurante uma pesquisa. A deterioração das condições climáticas, muitas vezesavisa o operador antes de ruído aparece no registro, mas se o sistema estáoperando perto de sua capacidade de alcance máximo a margem entre o aceitáveleo inaceitável um nível de ruído é pequeno. Um nível médio de ruído pode sertomada a partir da Figura 35 para uma dada força do vento, mas por causa davariabilidade do vento, isso pode não ser suficiente para muito tempo. Chuvaprovoca um aumento muito significativo dos níveis de ruído locais e transientes deruído pode ocorrer quando um navio bate em um swell pesado.

A velocidade com que um inquérito pode ser executado depende muitas vezes dobarulho da hélice, um fator com uma alta taxa de mudança de velocidade, por issopode ser necessário escolher uma velocidade de pesquisa bem abaixo do que fazbarulho para ser integrado.

controles Threshold são fornecidos na maioria dos integradores para minimizar osefeitos do ruído, mas eles tendem a afetar os resultados para que nunca deve serusada quando absolutamente indispensável. De qualquer forma, não há inserçãodireta de uma figura de ruído na equação final acústico.

4.8 Síntese dos termos da equação acústica

4.8.1 Nível de Fonte4.8.2 Sensibilidade na Recepção4.8.3 SL + SRT4.8.4 Perda de Transmissão4.8.5 Força Alvo4.8.6 Volume Back-coeficiente de dispersão4.8.7 Nível de reverberação4.8.8 Fator Boca4.8.9 Cálculo da biomassa

termos individuais das equações acústica utilizados em levantamentos de pescasão brevemente explicadas no ponto 4. Mais explicações de alguns destes e suaaplicação é dada na Seção 6.

4.8.1 Nível de Fonte

SL = 10 log (intensidade da fonte / intensidade de referência)


SL é dada em dB / 1μ Pa/1m.

4.8.2 Sensibilidade na Recepção

SRT é dada em dB / 1 V / 1 μ Pa.



4.8.3 SL + SRT

Esta é uma combinação dos dois parâmetros que é mais conveniente obtidosdurante a calibração (ver secção 7). Isso evita as dificuldades inerentes à mediçãoseparada de SL e SRT.

4.8.4 Perda de Transmissão

TL = 20 + logR υμ R

A perda de sentido único, devido à difusão e absorção. Não é normalmenteutilizado na acústica da pesca.

2TL = 40 + 2 logRυμ R

Two-way perda de objectivos individuais.

TL2 = 20 + 2 logRυμ R

Two-way perda para as escolas ou camadas.

4.8.5 Força Alvo

4.8.6 Volume Back-coeficiente de dispersão

4.8.7 Nível de reverberação

quando a intensidade de referência é o de uma onda plana de pressão rms 1 μ Pa.

4.8.8 Fator Boca

10 log ψ dB

O raio equivalente de ângulo sólido ψ steradians derivada por integração do feixereal.

4.8.9 Cálculo da biomassa

A biomassa é definida como a densidade de peixes (em toneladas por milhanáutica quadrada) na área pesquisada, derivado do ecos integrada. A saída dointegrador (Vo) é multiplicado por um fator que inclui

SL + SRT dBresistência desejada, as espécies pesquisadas dB / kgfator de raio equivalente dB



e outros fatores, tais como instrumentaçãoduração do pulso transmitido dBtaxa de repetição do pulso transmitido dBganho do sistema dBintegrador constante dB

Estes fatores são considerados na secção 8.4.1.



Documents

Formação.de.Equações.Acustica