Доплеровский эффект: приборы, результаты, производители, ускорение изысканий
Ученые-географы МГУ доказали эффективность использования доплеровских измерителей скорости течения воды в реках.
Приборы устанавливаются на корабле или на дне водоема, посылают в воду ультразвуковые сигналы и ловят звук, отраженный от твердых взвешенных в воде частиц. Благодаря эффекту Доплера определяется скорость и направление движения воды, в которой эти частицы находятся.
За короткое время в автоматизированном режиме удается собрать большой массив данных и использовать в гидрологии, экологии, строительстве. Результат превосходит традиционные методы измерения скорости течения воды, например, гидрологические вертушки, которые основаны на механическом способе измерения. В России доплеровские профилографы – пока еще редкость.
Об использовании приборов рассказал на вебинаре «Доплеровские технологии в гидрологии» Всеволод Морейдо, заведующий лабораторией гидроинформатики Института водных проблем РАН, старший научный сотрудник лаборатории эрозии почв и русловых процессов географического факультета МГУ.
Из этой статьи вы узнаете, что такое доплеровский эффект, в чем разница установки прибора на дне водоема и на движущемся судне, кто выпускает доплеровские профилографы, в чем их плюсы и минусы, и что делать, чтобы отечественные производители удовлетворили спрос на такое измерительное оборудование.
Что такое доплеровский эффект
Название технологии связано с именем австрийского математика и физика Кристиана Доплера (1803-1853). Он занимался исследованиями в области акустики и оптики и первым обосновал изменение частоты звуковых и световых волн, движущихся от их источника к наблюдателю.
В научно-популярных статьях доплеровский эффект сравнивают с эхом. Как человек, что-то прокричавший в колодец или в горах, слышит эхо, так и профилограф ловит отраженный звук.
Ведущий вебинара «Доплеровские технологии в гидрологии» Всеволод Морейдо использовал другой образ – звук от сирены скорой помощи в городе. Сигнал, который мы слышим, изменяется по мере приближения или удаления машины.
Специалист с помощью профилографа «ищет в потоке воды машину скорой помощи», то есть частицы взвешенных наносов. Сами по себе они не издают звуки, но отражают сигнал от прибора.
Если полученный ответ меньше исходной частоты, значит, частица приближается к источнику звука. Если больше, значит, отдаляется. Если смещения частоты не происходит, частица неподвижна или же перемещается вверх или вниз относительно источника звука.
«Мы можем понять и измерить скорость этой частицы, если знаем скорость распространения звука (она зависит от температуры воды) и отношение сдвига частоты к исходной частоте», - прокомментировал Всеволод Морейдо.
Где и как располагают профилограф
Оборудование может находиться над водой и под водой. Подводная платформа статична, закрепленный на ней прибор направлен вверх. На движущемся судне, наоборот, - вниз.
Благодаря акустическому излучению в ультразвуковом диапазоне: последовательному изменению характеристик сигнала, его включению и выключению, приему отраженного сигнала – вся колонна воды подвергается обработке.
Прибор собирает сигналы, отраженные от наносов. По сдвигу частоты измеряется скорость частиц и соответственно скорость воды, причем на разных уровнях. Получается распределение скоростей течения по вертикали.
У каждого профилографа есть некая мертвая зона, откуда информация о движении воды не поступает. Чем ниже частота испущенной ультразвуковой волны, тем мертвая зона больше. У низкочастотных приборов она составляет шесть метров, у высокочастотных – от одного до полуметра.
На ее размер также влияет граница раздела двух сред, воды и дна или воды и воздуха, если прибор над поверхностью реки. Здесь сигнал отражается от поверхности воды, от грунта, присутствуют шумы не от отдельных сбившихся частиц, а от сплошной среды.
Все это учитывается при определении расстояния, на которое распространяется действие прибора. Чем ниже частота сигнала, тем глубина работы выше. Океанические приборы с частотой до 600 кГц имеют глубину проникновения до нескольких километров вниз, но у них и огромная мертвая зона у поверхности воды и у дна.
Профилографы, которые работают в более высоких частотах – 600 и 1200 кГц, а также 3 мГц, имеют небольшую мертвую зону вокруг самих излучателей и возле дна, но и максимальная глубина их работы не превышает 40 метров.
«Эти приборы подходят для использования в реках, водохранилищах глубиной до 60-70 метров и в небольших реках глубиной от полуметра», - пояснил Всеволод Морейдо.
В качестве плавсредств для сбора информации на реках используются лодки с подвесным мотором, небольшие яхты, буксируемые плоты. На них крепится акустический прибор.
Профилограф может работать автономно, имея центральный излучатель в высоком частотном диапазоне. С помощью встроенного эхолота он измеряет глубину и скорость потока с учетом скорости смещения лодки относительно дна. Или прибор подключается к антенне GPS, и тогда расчеты ведутся в абсолютной системе координат, а не относительно дна реки на выбранном участке.
Как используется собранная информация
Полученные результаты измерения расхода воды и скоростей в поперечном сечении могут быть применены для инженерно-гидрологических, экологических, гидрометеорологических изысканий.
Прибор, установленный на подводной платформе, позволяет вести мониторинг течений, наносов, например, в портах, в каналах. Акустическая установка на движущемся судне измеряет распределение скоростей, профиль дна, расход воды и наносов.
Профилографы часто ставятся в устьях рек, прибрежных зонах или портовых сооружениях и позволяют получать характеристики скорости движения воды в прибрежных зонах, приливов, отливов и значение колебания свободной поверхности океана. Практическое применение этой технологии – предсказывать или измерять текущее состояние водоема, чтобы во время прохода судов не возникало аварийных ситуаций, связанных с высокой скоростью приливных и отливных течений.
Измерение скорости воды – обычное дело в гидрологии. Но прежние методы трудоемкие, если сравнивать их с доплеровскими технологиями, позволяющими собирать больший объем разнообразной информации за короткое время.
Какие профилографы используются в России
Во многих странах популярно оборудование норвежской компании Nortek Group. В США уже 10 лет измерение взвешенных наносов производится в автоматизированном режиме. Однако продукция данного бренда редко встречается в России, хотя приобрести ее можно. Поисковик «Яндекса» выдал, например, сайт продавца из Санкт-Петербурга. Портал рассказывает, что современные сенсоры и электроника дают возможность настроить их под разные задачи. В некоторых моделях есть многочастотный эхолот научного класса, позволяющий оценить биомассу или донные отложения.
Часто встречаются в России китайские профилографы Chcnav. Информации о них в поисковой интернет-выдаче больше, чем о норвежском оборудовании. Один из продавцов сообщает, что профилограф ADCP Chcnav RCP 1200 кГц прошел сертификацию и включен в российский госреестр.
Отечественных производителей немного, например, «Аквазонд» из Таганрога. На сайте компании написано, что она разрабатывает и производит гидроакустические программно-аппаратные комплексы. Есть собственный отдел разработки, большой парк станков и отработанные технологии.
На вопрос слушателей вебинара, почему отечественной продукции мало, и что надо сделать, чтобы она появилась, Всеволод Морейдо ответил так: «Чтобы приборов стало больше, нужно много инициативы от организаций, которые используют это оборудование. Необходима связь между производителем и пользователем, чтобы отрасль развивалась и не исчезла. В нашей стране только в последние годы стали выпускаться эти приборы».
Есть потребность также в компьютерных технологиях для обработки собранной информации и перевода из одного формата в другой. Всеволод Морейдо разработал одно из таких приложений. Oно есть в открытом доступе для бесплатного скачивания.
Каковы плюсы и минусы доплеровских приборов
Общий минус всех профилографов – высокая стоимость. Это очень высокотехнологичное производство, требующее сложного точного оборудования и высококлассных специалистов.
Преимуществ у зарубежной продукции, если сравнивать ее с российской, нет. В перспективе существенным преимуществом наших приборов может стать цена и доступность технической помощи. Пользователи зарубежного оборудования столкнулись со сложностями по сервисному обслуживанию из-за санкций.
Все профилографы превосходят традиционные точечные измерения скорости. Они позволяют получить большее количество данных, что важно, например, на участках разветвленных русел рек. На каналах можно прогнозировать развитие опасных процессов размыва. Детальная информация, регулярно собираемая с водоема, необходима для решения экологических задач.
Доплеровские приборы могут не работать или выдавать ошибки в очень мутном потоке и в очень чистом, например, текущем с ледников, где нет взвешенных частиц. А профилографу как раз-таки частицы и нужны, ведь именно они и отражают акустический сигнал.
Выводы
Доплеровские профилографы течений собирают большой массив данных в широком диапазоне за короткое время.
Для этого используется акустический доплеровский эффект смещения частоты при перемещении частицы в единичном объеме воды. Благодаря этому методу измеряется скорость течения, глубина поперечного сечения реки, рассчитывается расход воды через поперечное сечение реки в широком диапазоне условий. Результаты могут быть использованы для решения различных задач в сфере гидрологии, экологии, строительства.
Раньше такое оборудование в России не выпускалось. Сейчас отечественные модели есть, но их немного. Для развития производства необходима инициатива от потребителей, которые готовы приобретать профилографы или заказывать услуги с использованием приборов.
Добавим, что онлайн-встречу «Доплеровские технологии в гидрологии» инициировал научно-образовательный центр лаборатории эрозии почв и русловых процессов географического факультета МГУ. Просветительские мероприятия проводятся постоянно и в двух форматах. Вебинары – для всех желающих, курсы повышения квалификации – для специалистов.
Журнал остается бесплатным и продолжает развиваться.
Нам очень нужна поддержка читателей.
Поддержите нас один раз за год
Поддерживайте нас каждый месяц
