CC BY
102
Известия ТИНРО
2011 Том 167
ПРОМРЫБОЛОВСТВО
УДК 681.883.43:639.2.081.117
М.Ю. Кузнецов*
Тихоокеанский научно-исследовательский рыбохозяйственный центр, 690091, г. Владивосток, пер. Шевченко, 4
СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ПОДВОДНОГО ШУМА СУДНА ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ТРАЛОВЫХ И ТРАЛОВО-АКУСТИЧЕСКИХ УЧЕТНЫХ СЪЕМОК
Звуковые волны, излучаемые в воду научно-исследовательскими судами, могут служить источником погрешности оценки запасов рыб, выполняемой траловым или тралово-акустическим методом. Рассматриваются различные способы уменьшения шумности судна и сокращения за счет этого зоны влияния подводного шума на поведение рыб. Один из способов снижения подводного шума судна — использование воздушно-пузырьковой завесы (ВПЗ). Предлагается устройство ВПЗ, позволяющее улучшить звукопоглощающие и звукорассеивающие свойства завесы и обеспечить ее пространственную неразрывность в диапазоне частот, соответствующем наибольшей слуховой чувствительности рыб — предполагаемых объектов исследования или промысла. Указаны отличия предлагаемой ВПЗ от традиционно используемых в рыболовстве пузырьковых завес. В зависимости от воспринимаемых рыбами частотных составляющих спектра шумов судна задаются параметры завесы, а именно: диаметры калиброванных отверстий в воздуходувной трубе для истечения воздуха, расстояния между отверстиями (плотность завесы) и избыточное давление воздуха в воздуходувной трубе, которую затем прокладывают вокруг подводной части корпуса судна. В результате обеспечивается снижение отрицательного воздействия гидроакустического поля судна на поведенческие характеристики рыб и уменьшение погрешности оценки их запасов. Приводятся конкретные примеры расчета параметров ВПЗ и ее устройства на судне для различных видов рыб — объектов ресурсных исследований или промысла.
Ключевые слова: шум судна, реакция избегания, уровень шума, оценка запасов рыб, воздушно-пузырьковая завеса, воздуходувная труба, параметры завесы, диаметр отверстия, рассеяние, поглощение звука.
Kuznetsov M.Yu. The method to reduce underwater noise from a vessel engaged in trawl and trawl-acoustic surveys // Izv. TINRO. — 2011. — Vol. 167. —
P. 223-233.
The sound waves radiated in water by research vessels can distort estimations of fish abundance by trawl or trawl-acoustic surveys. Several methods to reduce this noisiness for decreasing its influence on fish behaviour are reviewed. New technique of the air-bubble screen arrangement is presented that improves its sound-absorbing and sound-dispersive capabilities and provides its spatial continuity in the frequencies of the maximal acoustical sensitivity for the main commercial fishes. The proposed air-bubble screen differs from the screens traditionally used in fishery by ability of
* Кузнецов Михаил Юрьевич, кандидат технических наук, заведующий лабораторией, e-mail: [email protected].
fitting its parameters, as diameter of calibrated orifices in the blast pipe arranged around vessel, distance between them (that determines the screen density), and air overpressure in the pipe, in dependence on acoustic sensitivity of certain fish species to the noise frequencies. Some examples of the air-bubble screen parameters calculation for various fish species are presented.
Key words: underwater noise, reaction of avoidance, noise level, fish stock, air-bubble screen, blast pipe, calibrated orifice, scattering, sound absorption.
Введение
Основную информацию по текущему состоянию запасов большинства промысловых объектов получают в ходе выполнения учетных съемок — икорных, ихтиопланктонных, траловых, снюрреводных, ловушечных и др. Кроме этого, в последние годы для оценки запасов морских гидробионтов широкое применение получил гидроакустический метод, основанный на измерении силы обратного поверхностного рассеяния от скопления и экспериментально определенной зависимости силы цели гидробионтов в скоплении от их зоологической длины.
В настоящее время на дальневосточном бассейне наиболее активно используются траловый и гидроакустический (тралово-акустический) методы оценки запасов рыб. Во время съемки шум приближающегося судна может вызвать у рыб реакцию избегания, которая сопровождается уходом рыб с траектории движения судна, рассеянием и (или) заглублением стай (Ona, Godo, 1990; Гончаров и др., 1991; Mitson, 1995; Vabo et al., 2002; De Robertis, Wilson, 2010). Сила и продолжительность реакции в значительной степени зависят от уровня шума, физиологического состояния рыб и пространственного распределения агрегаций и поэтому трудно поддаются учету (Кузнецов, Вологдин, 2009).
Наличие избегающей реакции рыб и, как следствие, пространственно-временная изменчивость их естественного распределения оказывают существенное влияние на траловые и акустические оценки запасов рыб, выполняемые научноисследовательскими судами (Кузнецов, Вологдин, 2009; Кузнецов, 2011). Ошибка в эхоинтеграционной оценке запасов возникает в основном вследствие изменения плотности скопления рыб на пути судна и в объеме эхолотирования под судном (De Robertis, Wilson, 2010). Кроме этого, изменение угла наклона рыб при погружении по сравнению с дорсальным аспектом в спокойном состоянии может служить причиной уменьшения силы цели рыб и занижения таким образом их численности акустическим методом (McQuinn, 1999). При траловой оценке погрешность измерения плотности рыб дополнительно возрастает за счет избегающей реакции рыб в пространстве между судном и тралом в шумовом поле гребного винта. Причем если ошибка траловых измерений может быть в какой-то степени скомпенсирована дифференцированными коэффициентами уловисто-сти трала, то учесть эффекты влияния шума судна на акустические оценки плотности рыб, из-за отсутствия методики их учета, в настоящее время не представляется возможным.
Видовой и размерный состав рыб в траловых уловах тоже, как известно, не совпадает с таковым в естественной агрегации гидробионтов (Zaferman et al., 1997). Например, более взрослые (крупные) рыбы сильнее реагируют на акустические раздражители, чем их молодь (Engas et al., 1996). Особенно значительным селектирующее влияние шума судна может быть при изучении смешанных скоплений рыб разных видов и размерных классов, имеющих к тому же различные энергетические возможности (скорости плавания) и поведение. Поскольку вся система расчетов как акустического, так и тралового метода в конечном счете опирается на анализ тралового улова, его искажение в результате действия шума также может служить источником погрешности оценки запасов.
Целью данной работы является исследование возможности технической реализации одного из способов снижения гидроакустического шума судна и его
отрицательного воздействия на поведение объектов ресурсных исследований или промысла.
Материалы и методы
Чтобы повысить достоверность оценки обилия рыб траловым и траловоакустическим методом, влияние шумового поля судна на поведение и распределение рыб должно быть минимизировано или учтено в виде поправок, компенсирующих это влияние. Согласно рекомендации ICES, уровень шума судна на частотах ниже 1 кГц не должен превышать порог восприятия рыбами шума на расстоянии 20 м (Mitson, 1995). Мы уточнили допустимые значения уровня подводного судового шума с учетом характеристик слуховой функции различных видов рыб, имеющих промысловое значение (Кузнецов, 2011). Допустимый уровень шума — это уровень звукового давления, создаваемый судном в месте расположения рыб, ниже которого эффектами избегания можно пренебречь. Было показано, что частотные диапазоны с максимальной энергией спектра шумов судна и максимальной слуховой чувствительностью большинства промысловых рыб совпадают, а уровни излучаемого шума, за исключением новых, специально построенных для выполнения ресурсных исследований судов, значительно превышают допустимые значения (Кузнецов, 2011).
Один из способов уменьшения влияния шумового поля судна на оценки запасов рыб — техническое снижение уровня шума, излучаемого в воду. Самый простой из них — уменьшение скорости движения судна во время эхосъемки, что не всегда возможно в условиях тотального дефицита времени. Другие способы снижения шума более сложные и требуют технического усовершенствования судна. В частности, это использование дизель-электрических силовых установок, уменьшение вибрации механизмов, размещение шумящих объектов выше ватерлинии, установка силового оборудования на амортизированных платформах и окружение звукоизолирующими выгородками, укорочение линии валов, оптимизирование обводов корпуса и т.д. Все эти меры требуют больших материальных затрат.
Для снижения шумности уже построенных и находящихся в эксплуатации судов существует несколько технических разработок, не требующих значительного переоборудования судна, например, способ искажения гидроакустического поля рыбопромыслового судна, основанный на формировании и излучении в морскую среду интенсивного высокочастотного сигнала накачки на частотах, близких к резонансной частоте пузырьков воздуха в приповерхностном слое воды. При этом сигнал накачки взаимодействует с низкочастотным сигналом (шумом) рыбопромыслового судна с образованием сигналов комбинационных частот, которые интенсивно затухают в пространстве (Пат № 2207590 РФ). Другими словами, происходит своеобразная перекачка акустической энергии из низкочастотного (НЧ) диапазона слуховой чувствительности рыб в высокочастотный (ВЧ). Недостатком данного способа является то, что эффективность взаимодействия акустических волн зависит случайным образом от концентрации пузырьков в приповерхностном слое воды и толщины аэрированного слоя. Кроме этого, диапазон частот взаимодействующих волн ВЧ накачки и НЧ сигнала зависит от резонансных размеров пузырьков в приповерхностном слое и может не совпадать с диапазоном наибольшей акустической чувствительности рыб. К тому же интенсивный высокочастотный сигнал накачки может служить источником помех для рыбопоисковой и эхоинтегрирующей аппаратуры.
Известен также способ маскировки подводного шума рыбопромыслового судна, заключающийся в создании банка данных о шумах и звуках, возбуждаемых в водной среде обитателями моря в разное время суток, и их излучении в воду. Искусственные гидроакустические сигналы, имитирующие звуки рыб и других обитателей моря, излучают в воду с помощью излучающего тракта, раз-
мещаемого на судне, и таким образом маскируют шум судна (Пат. № 2215305 РФ). Однако данный способ пригоден больше для маскировки судна от обнаружения его шумопеленгаторами, чем для уменьшения отпугивающего влияния шумов судна на поведение рыб. Поскольку уровень маскирующих сигналов в этом способе должен превышать уровень подводного шума рыбопромыслового судна, с приближением судна к рыбному косяку неестественно сильный сигнал любого содержания будет отпугивать рыб. Кроме этого, данный метод технически сложно реализовать в условиях промысла.
Наиболее предпочтительным, на наш взгляд, является метод снижения подводного шума, основанный на том, что в процессе перемещения судна в режиме эхосъемки или промысла рыбы вокруг корпуса судна формируется воздушнопузырьковая завеса (ВПЗ), поглощающая акустическую энергию шума за счет резонансного рассеяния звука на воздушных пузырьках (А.с. № 302276 СССР). При этом наблюдается снижение уровня частотных составляющих спектра подводных шумов судна и сокращение, таким образом, зоны избегательной реакции рыб. Для создания ВПЗ не требуется сложных приспособлений, и, кроме того, она технически достаточно легко реализуема на корпусе судна в виде воздуходувной трубы с отверстиями. Подводный шум от гребного винта можно уменьшить дополнительным вдуванием воздуха в струю от винта (Пат. № 2131825 РФ).
Результаты и их обсуждение
Традиционно в рыболовстве используется способность пузырьковых завес задерживать и направлять движение рыб вместо сетных полотен. ВПЗ по определению является заградительным устройством, имеющим собственное акустическое поле, которое на близких расстояниях обладает отпугивающим действием на рыб. Так, для достижения оптимального режима работы ВПЗ диаметры отверстий в воздуходувной трубе составляют 0,4 мм, расстояния между отверстиями — 0,3 м, а отношение Р0/РТ = 0,46 0,5, где Р0 — гидростатическое давление; РТ —
давление в воздуходувной трубе (Кузнецов, 1969а, б). При таких параметрах завесы скорость истечения воздуха для выбранных сечений отверстий максимальна, за счет чего достигается наибольшая акустическая энергия турбулентного шума, создаваемого ВПЗ, и соответственно максимальный заградительный эффект (Кузнецов, Кузнецов, 2007). Кроме этого, установлена более высокая задерживающая способность прерывистых пузырьковых завес и завес из смеси воздуха и углекислого газа по сравнению с непрерывными ВПЗ (Вельмина, 2004).
Использование ВПЗ в качестве акустического экрана для подводного шума тоже может быть достаточно эффективно, но при определенных условиях. Ослабление шума на воздушных пузырьках, как известно, связано с переизлучени-ем (рассеянием) звука, а также с теплопроводностью и сдвиговой вязкостью на стенках пузырька (поглощением звука), имеющими максимальные значения при резонансе (Клей, Медвин, 1980). Таким образом, чем ближе частотные составляющие падающей на воздушные пузырьки звуковой волны от судна к резонансным частотам образующих завесу пузырьков, тем больше их резонансные колебания и тем сильнее рассеяние и поглощение энергии шумов судна на этих частотах. Поэтому если диаметры отверстий в воздуходувной трубе имеют одинаковые значения, размерный диапазон образующихся на выходе из отверстий пузырьков тоже будет ограничен. При взаимодействии звуковой волны с такой пузырьковой завесой ослабление шума судна происходит только в полосе частот, близких к резонансным частотам создаваемых завесой пузырей. Кроме того, оптимальную плотность (пространственную неразрывность) ВПЗ тоже можно обеспечить (задавая расстояния между отверстиями по длине трубы) только лишь на этих частотах. Задерживающая способность такой пузырьковой завесы на других частотах спектра шумов судна будет весьма низкой.
Чтобы устранить указанные выше недостатки, нами предлагается улучшить звукопоглощающие и звукорассеивающие свойства ВПЗ и обеспечить ее пространственную неразрывность в зависимости от диапазона воспринимаемых рыбами частот. Задача решается путем задания параметров завесы, а именно — диаметров калиброванных отверстий в воздуходувной трубе для истечения воздуха, расстояний между отверстиями (плотности завесы) и избыточного давления воздуха в воздуходувной трубе, которую прокладывают вокруг подводной части корпуса судна.
Диаметры отверстий в воздуходувной трубе выполняют в размерном интервале, обеспечивающем образование на выходе из отверстий пузырьков, имеющих собственные резонансные частоты в диапазоне наибольшей слуховой чувствительности рыб — предполагаемого объекта исследований. Для этого минимальный диаметр отверстий и соответственно минимальный размер испускаемых завесой пузырьков устанавливаются согласно верхней граничной частоте диапазона максимальной слуховой чувствительности рыб, а максимальный диаметр отверстий и испускаемых пузырьков — по нижней частоте диапазона максимальной чувствительности рыб.
Кроме того, диаметры отверстий от минимального до максимального выполняют с шагом, перекрывающим диапазон воспринимаемых рыбами частот. Шаг выбирают в зависимости от резонансной частоты пузырьков, образующихся на выходе из отверстия, и нижней и верхней частот, на которых энергия, поглощаемая и рассеиваемая пузырьком данного размера, уменьшается вдвое по сравнению с резонансным значением.
Расстояния между отверстиями одного диаметра устанавливают равными диаметру акустического сечения рассеяния и поглощения звука воздушными пузырьками данного размера на выходе из отверстий при резонансе.
Таким образом достигается не просто уменьшение интегрального уровня излучаемых в воду звуковых волн, а именно снижение уровня спектральных составляющих подводного шума судна в области наибольшей слуховой чувствительности объекта исследований. Эффективное рассеяние и поглощение энергии судового шума на этих частотах обеспечивает уменьшение уровня звукового давления шума в диапазоне слуха рыб. Соответственно значительно сокращается расстояние, с которого рыбы воспринимают шум судна и реагируют на него.
Конструктивно отверстия в воздуходувной трубе с шаговым приращением диаметра от минимального до максимального располагают равномерно по ее окружности, а отверстия одного диаметра выполняют равномерно по длине воздуходувной трубы, как показано на рис. 1.
Рис. 1. Участок воздуходувной трубы с отверстиями Fig. 1. Section of the blast pipe with orifices
Избыточное давление воздуха в воздуходувной трубе поддерживается в диапазоне Р0/РТ = 0,6 0,8, обеспечивающем ламинарный режим истечения возду-
ха из отверстий. Увеличение избыточного давления выше этого диапазона вызывает повышенный расход воздуха и турбулентный шум, который может отпугнуть некоторых наиболее чувствительных рыб на близких расстояниях от судна.
Все вычисления производятся по известным формулам из прикладной гидроакустики и гидродинамики, которые при заданных частотных характеристиках слуховой чувствительности рыб позволяют рассчитать технические параметры завесы, обеспечивающие наиболее эффективный режим ее работы.
Формула для резонансной частоты пульсаций воздушного пузырька радиусом более 10 мкм вблизи поверхности имеет вид (Клей, Медвин, 1980):
fp 2nR r
(1)
где Рп — радиус воздушного пузырька, м; у — отношение удельных теплоемкостей газа, заполняющего пузырек (для воздуха у = 1,4); Р0 — внешнее гидростатическое давление (Р0 = (1 + 0,1 Н) • 105 Па, где Н — глубина, м); р — плотность среды, кг/м3.
Верхняя и нижняя частоты, на которых поглощаемая и рассеиваемая пузырьком энергия уменьшается вдвое по сравнению с резонансным значением, рассчитываются по формулам:
fB = fp + Af /2; fH = fp
Af/2;
Af = fpSp,
(2)
где 5 — постоянная затухания при резонансе.
вышеприведенные формулы позволяют оценить значения ряда собственных резонансных частот и соответствующих им радиусов (диаметров) воздушных пузырьков, перекрывающих диапазон воспринимаемых рыбами частот и обеспечивающих на других (промежуточных) частотах заданного диапазона потери как минимум половины спектральной энергии шума, поглощаемой и рассеиваемой пузырьками воздуха на резонансной частоте.
Отрывной диаметр пузырька (2Рп) при истечении из отверстия с постоянным расходом воздуха и диаметр этого отверстия с учетом сил тяжести, поверхностного натяжения, сопротивления пузыря и инерции жидкости и воздуха связаны соотношением (Gaddis, Vogelpohl, 1986):
' 6DG'4/3 pg
+
^81|q.Q Л ngp
+
^135Q2 4n 2g
4/5 1/4
(3)
где D0
диаметр отверстия в воздуходувной трубе, м; а — поверхностное
натяжение, Н/м; g — ускорение свободного падения (9,81 м/с2); р — вязкость воды, Па-с; Q — объемный расход воздуха, м3/с.
Данная формула позволяет вычислить диаметры отверстий, которые необходимо выполнить в воздуходувной трубе, чтобы при определенном избыточном давлении воздуха обеспечить на выходе из отверстий требуемый набор пузырьков воздуха, имеющих в момент их отрыва от отверстия значения оцененного ряда резонансных частот.
Для достижения пространственной неразрывности завесы расстояния между отверстиями одного диаметра выполняются равными диаметру акустического сечения рассеяния и поглощения звука воздушным пузырьком данного размера при резонансе.
Акустическое поперечное сечение рассеяния воздушного пузырька на резонансной частоте
аp =nRn / 5р .
(4)
Полное акустическое сечение рассеяния и поглощения звука на пузырьке
а = а 5 /5 = nR 2/5 /5 ,
р р рп п Р рп
где 5рп — составляющая резонансной постоянной затухания, связанная с переизлу-чением: 5 = k R (k — волновое число на резонансной частоте, к = 2лД = 2п ■ f/c).
рп р п р 1 р Р
Диаметр акустического сечения рассеяния и поглощения звука воздушным пузырьком (м)
D а= 2 (а / п)12. (6)
Например, требуется снизить влияние шума судна, выполняющего траловоакустическую съемку тихоокеанской сельди. Частотный диапазон максимальной слуховой чувствительности тихоокеанской сельди составляет 100-1000 Гц (Кузнецов, 2011). Задача состоит в том, чтобы обеспечить снижение уровня шума научно-исследовательского судна в области наибольшей слуховой чувствительности данного объекта ресурсных исследований. Для этого требуется рассчитать диаметры отверстий, которые необходимо выполнить в воздуходувной трубе, чтобы при определенном избыточном давлении воздуха обеспечить образование на выходе из отверстий пузырьков, имеющих в воде собственные резонансные частоты в заданном частотном интервале слуховой чувствительности объекта исследований (тихоокеанской сельди). Кроме этого, требуется рассчитать шаг приращения диаметров отверстий и расстояния между отверстиями одного диаметра в воздуходувной трубе, при которых рассеяние и поглощение энергии судового шума на этих частотах происходит наиболее эффективно.
Рассчитанные по формулам (1-6) параметры завесы сведены в табл. 1 и представлены графически на рис. 2.
Таблица 1
Параметры ВПЗ при тралово-акустической съемке тихоокеанской сельди
Table 1
Parameters of the air-bubble screen for trawl-acoustic survey of pacific herring
№ п/п Частота, Гц Диаметр пузырька, мм Диаметр отверстия, мм Р0 /РТ = 0,6 Р0 /РТ = 0,8 Расстояние между отверстиями, м
1 100,0 78,8 35,9 45,9 4,64
2 101,8 77,4 35,1 44,9 4,54
3 103,6 76,0 34,3 43,9 4,45
4 105,4 74,7 33,6 42,9 4,36
5 107,3 73,4 32,9 42,0 4,27
107 920,6 8,6 2,17 2,75 0,41
108 944,9 8,3 2,10 2,65 0,40
109 970,0 8,1 2,03 2,56 0,39
110 996,0 7,9 1,96 2,47 0,38
111 1022,7 7,7 1,89 2,38 0,37
Примечание. Здесь и далее для сокращения объема таблицы даны пять первых и последних значений параметров.
Согласно расчетам, в боковой стенке воздуходувной трубы (см. рис. 1) равномерно по ее окружности выполняют отверстия с диаметром от минимального
1,9 мм до максимального 36,0 мм (при Р0/Рт = 0,6). Отверстия одного диаметра располагают по длине воздуходувной трубы на расчетном расстоянии друг от друга, согласно данным табл. 1 и рис. 2. Например, отверстия с минимальным диаметром 1,9 мм располагают друг от друга на расстоянии 0,37 м, а с максимальным 36,0 мм — на расстоянии 4,64 м. Таким образом обеспечиваются наиболее эффективный режим поглощения и рассеивания излучаемого звукового давления шума и пространственная неразрывность завесы в диапазоне слуха тихоокеанской сельди и других близкородственных видов, имеющих сходные диапазоны восприятия звука (атлантической сельди, сардины и др.). Соответствен-
100
л
н
о
S
сЗ
S
Диаметр пузырька Диаметр отверстия (0,6) Диаметр отверстия (0,8) Расстояние между отверстиями
о
к
я
«
о
н
о
о
сЗ
Он
100 117 139 164 195 233 280 338 410 501 618 770 970
Частота, Гц
Рис. 2. Диаметры пузырьков, диаметры отверстий для истечения воздуха (при P0/PT = 0,6; P0/PT = 0,8) и расстояния между отверстиями (правая шкала) в зависимости от частоты звука в диапазоне максимальной слуховой чувствительности тихоокеанской сельди 100-1000 Гц
Fig. 2. Diameter of air-bubbles, diameter of the orifices for air effluence (at P0/PT = 0.6; P0/PT = 0.8), and distance between the orifices (right scale) depending on sound frequency in the range of the maximum acoustical sensitivity of pacific herring (100-1000 Hz)
но сокращается расстояние, с которого сельдь воспринимает шум судна и реагирует на него. За счет этого повышается достоверность оценки обилия этих рыб траловым и тралово-акустическим методами.
Аналогично можно рассчитать параметры завесы при траловой или траловоакустической съемке минтая.
Частотный диапазон максимальной слуховой чувствительности минтая значительно уже, чем у сельди, и составляет 100-200 Гц (Кузнецов, 2011). Как и в предыдущем случае, задача состоит в том, чтобы обеспечить снижение уровня шума в области наибольшей слуховой чувствительности данного объекта исследований.
Результаты расчетов представлены на рис. 3 и в табл. 2.
Таблица 2
Параметры ВПЗ для тралово-акустической съемки минтая
Table 2
Parameters of the air-bubble screen for trawl-acoustic survey of walleye pollock
№ п/п Частота, Гц Диаметр пузырька, мм Диаметр отверстия, мм P0 /PT = 0,6 P0 /PT = 0,8 Расстояние между отверстиями, м
1 100,0 78,8 35,9 45,9 4,64
2 101,8 77,4 35,1 44,9 4,54
3 103,6 76,0 34,3 43,9 4,45
4 105,4 74,7 33,6 42,9 4,36
5 107,3 73,4 32,9 42,0 4,27
35 187,9 41,9 16,3 20,8 2,34
36 191,6 41,1 15,9 20,3 2,30
37 195,3 40,3 15,5 19,8 2,25
38 199,2 39,5 15,2 19,4 2,20
39 203,1 38,8 14,8 18,9 2,16
100
80
1 60
u
sl
§ 40 20
100 105 111 117 124 131 139 147 155 164 174 184 195
Частота, Гц
Рис. 3. Диаметры пузырьков, диаметры отверстий (при P0/PT = 0,6 и P0/PT = 0,8) и расстояния между ними (правая шкала) в зависимости от частоты звука в диапазоне максимальной слуховой чувствительности минтая 100-200 Гц
Fig. 3. Diameter of air-bubbles, diameter of the orifices for air effluence (at P0/PT = 0.6; P0/PT = 0.8), and distance between the orifices (right scale) depending on sound frequency in the range of the maximum acoustical sensitivity of walleye pollock (100-200 Hz)
В боковой стенке воздуходувной трубы (см. рис. 1) по ее окружности выполняют отверстия с диаметром от минимального 14,8 мм до максимального
35,9 мм (P0/PT = 0,6). По длине воздуховодной трубы отверстия располагают друг от друга на расстоянии от 2,16 м (минимальный диаметр отверстий) до 4,64 м (максимальный диаметр).
В таком исполнении завеса обеспечивает эффективное уменьшение уровня излучаемого судном звукового давления в диапазоне слуха минтая и других близкородственных видов, имеющих сходные диапазоны восприятия звука (трески, пикшы, сайды). На те же частоты (100-200 Гц) приходится максимальная чувствительность еще одного вида рыб — лососей, которые имеют в этом диапазоне более высокие, чем у тресковых, слуховые пороги (Кузнецов, 2011), поэтому ВПЗ с теми же параметрами можно использовать при траловой и тралово-акустической съемках лососей.
На рис. 4 показана структурная блок-схема устройства, с помощью которого можно реализовать предложенный способ снижения шума судна. Устройство содержит источник сжатого воздуха 1, размещенный на судне и выполненный в виде компрессора с ресивером, на выходе которого установлен редукционный клапан 2. К редуктору 2 подключена воздуховодная магистраль 3, разветвленная на участки с возможностью раздельной подачи воздуха при помощи электромагнитных пневмоклапанов 4-6 и блока управления 7. Редуктор 2, электромагнитные пневмоклапаны 4-6 и блок управления 7 могут быть размещены в одном корпусе. Ниже ватерлинии 8 расположены воздуходувные трубы 9-11.
На рис. 5 приведена схема, иллюстрирующая один из возможных вариантов размещения воздуходувной трубы на судне. Воздуходувная труба 9 размещена по обоим бортам вдоль основного киля судна. Воздуходувная труба 10 размещена выше бортовых килей судна (при их наличии). В районе судовых двигателей, промысловых механизмов и гребного винта дополнительно размещена воздуходувная труба 11.
7
Рис. 4. Схема устройства снижения шума судна Fig. 4. Scheme of the vessel noise reducing arrangement
! \ " \ 10 п \ 9
1 1 /
V г
гы 1 \ /
Рис. 5. Схема размещения воздуходувной трубы на судне: А — вид сбоку, Б — вид с носа судна (обозначения те же, что на рис. 4)
Fig. 5. Scheme of the blast pipe arrangement on a vessel: А — side view, Б — front
view
При движении судна в режиме эхосъемки или во время траления сжатый воздух от источника 1 подается в воздуховодную магистраль 3 и затем при помощи электромагнитных пневмоклапанов 4-6 и блока управления 7 — в воздуходувные трубы 9-11, размещенные в подводной части судна. При истечении воздуха под давлением через отверстия в воду вокруг корпуса судна формируется завеса пузырьков, которая эффективно снижает (ослабляет) шум судна на резонансной частоте составляющих завесу пузырьков.
Раздельная подача воздуха из воздуховодной магистрали 3 на воздуходувные трубы 9-11, размещенные в подводной части судна вдоль основного и бортовых килей, судовых двигателей и гребного винта, осуществляется с борта судна при помощи электромагнитных пневмоклапанов 4-6, открываемых по мере необходимости с блока управления 7. Это позволяет осуществлять снижение шума одновременно всех или отдельных акустически “ярких” подводных частей судна в зависимости от распределения рыб вокруг судна на различных этапах съемки.
Заключение
Таким образом, задавая параметры воздушно-пузырьковой завесы, можно эффективно подавлять шум судна в диапазоне частот, соответствующем наибольшей слуховой чувствительности любых объектов исследований или промысла. Для этого требуется произвести необходимые расчеты и выполнить соответствующую конструкторскую проработку по размещению воздуходувной трубы на судне и устройства снижения шумов с технологией его использования в процессе съемки. В результате можно добиться существенного снижения отрицательного воздействия гидроакустического поля судна на поведенческие характе-
ристики гидробионтов при траловой и тралово-акустической съемках и уменьшения за счет этого погрешности оценки запасов.
Список литературы
А.с. № 302276 СССР. Способ снижения шумов, производимых рыбопромысловым судном / Ю.А. Кузнецов. — Заявл. 13.02.1970; опубл. 12.02.1971.
Вельмина О.И. Японские эксперименты по повышению эффективности пузырьковых завес в рыболовстве // Промышленное рыболовство и флот: аналитическая и реферативная информация. — М. : ВНИЭРХ, 2004. — Вып. 2. — С. 12-25.
Гончаров С.М., Борисенко Э.С., Пьянов А.М. Влияние рыболовного судна на поведение стай ставриды // Рыб. хоз-во. — 1991. — № 3. — С. 52-54.
Клей К.С., Медвин Г. Акустическая океанография : монография. — М. : Мир, 1980. — 580 с.
Кузнецов М.Ю. Дистанции реагирования различных видов рыб на гидроакустические шумы промысловых и научно-исследовательских судов и допустимые уровни шума // Изв. ТИНРО. — 2011. — Т. 164. — С. 157-176.
Кузнецов М.Ю., Вологдин В.Н. Гидроакустические шумы промысловых и научно-исследовательских судов и их влияние на поведение и оценки запасов рыб (обзор и перспективы исследований) // Изв. ТИНРО. — 2009. — Т. 157. — C. 334-355.
Кузнецов Ю.А. Влияние воздушных завес на поведение рыб // Рыб. хоз-во. — 1969а. — № 9. — С. 53-55.
Кузнецов Ю.А. Влияние воздушных завес на поведение рыб // Рыб. хоз-во. — 1969б. — № 10. — С. 48-50.
Кузнецов Ю.А., Кузнецов М.Ю. Обоснование и разработка методов и средств промысловой биоакустики : монография. — Владивосток : Дальрыбвтуз, 2007. — 339 с.
Пат. № 2131825 РФ. Способ глушения подводного звука. Судно, снабженное устройством для глушения звука / П. Салми, Й. Пакален, А. Ярви. — Опубл. 20.06.1999. — 6 с.
Пат. № 2207590 РФ. Способ искажения гидроакустического поля рыбопромыслового судна / С.А. Бахарев. — Опубл. 27.06.2003. — 6 с.
Пат. № 2215305 РФ. Способ маскировки подводного шума рыбопромыслового судна и устройство маскировки / С.М. Хагабанов, Р.Ц. Гулиянц, Ю.А. Корякин, Л.Е. Шейнман. — Опубл. 27.10.2003. — 5 с.
De Robertis A., Wilson C.D. Silent ships sometimes do encounter more fish. 2. Concurrent echosounder observations from a free-drifting buoy and vessels // ICES J. Mar. Sci. — 2010. — Vol. 67(5). — P. 996-1003.
Engas A., Lokkeberg S., Ona E., Soldal A.V. Effects of seismic shooting on local abun-dance and catch rates of cod (Gadus morhua) and haddock (Melanogrammus aeglefi-nus) // Can. J. Fish. Aquat. Sci. — 1996. — Vol. 53. — P. 2238-2249.
Gaddis E.S., Vogelpohl A. Bubble formation in quiescent liquids under constant flow conditions // Chem. Eng. Sci. — 1986. — Vol. 41, № 1. — P. 97-105.
McQuinn I.H. A review of the effects of fish avoidance and other fish behaviours on acoustic target strength, special identification and biomass estimation : ICES FAST WG. — St. John’s, Canada, 1999. — 17 p.
Mitson R.B. Underwater noise of research vessels: review and recommendations : ICES Cooperative Research Report. — Copenhagen, 1995. — № 209. — 61 p.
Ona E., Godo O.R. Fish reaction to trawling noise: the significance for trawl sampling // Rapp. P.-v. Reun. Cons. Int. Explor. Mer. — 1990. — Vol. 189. — P. 159-166.
Vabe R., Olsen K., Huse I. The effect of vessel avoidance of wintering Norwegian spring spawning herring // Fish. Res. — 2002. — Vol. 58. — P. 59-77.
Zaferman M.L., Tretyak V.L., Yaragina N.A. On catchability of sampling trawls and perspective of trawl surveys // Gear Selection and Sampling Gears. Proceed. of the 7th Rus.-Norw. Sympos. — Murmansk : PINRO Press, 1997. — P. 159-168.
Поступила в редакцию 1.06.11 г.
