АДАПТИВНАЯ АКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ГИДРОБИОНТОВ

Полезная модель относится к рыбной промышленности, а именно к имитаторам звуков рыб и может быть использована для создания искусственных концентраций рыб и других гидробионтов в заданном районе при их промысле или для их отпугивания от орудий лова или гидротехнических сооружений.
Известен имитатор звуков рыб «Сардина-2» [1], включающий источник сжатого воздуха, связанную с ним камеру аккумуляции сжатого воздуха, последовательно подсоединенные к камере насадку и излучающую головку. Имитатор может быть использован для совершенствования методов лова: ярусный лов, кошельковый лов, ставным неводом, а также на нерестилищах сельди и лососей для их привлечения.
В «Имитаторе звуков рыб «Лосось» [2], а также в «Имитаторе звуков рыб» [3] также применен пневматический способ формирования акустических сигналов, сходных с биологическими сигналами открытопузырных пелагических рыб таких, как лососи, сельди, сардины, и они могут быть использованы для образования искусственных концентраций этих рыб на промысле.
Причинами, препятствующими достижению технического результата данных устройств, являются ограниченные эксплуатационные возможности, обусловленные тем, что имитаторы формируют акустические сигналы только одного наперед заданного вида. Для формирования акустических сигналов с другими параметрами (спектр, уровень, временные характеристики) необходимо менять всю конструкцию имитатора, которая отличается сложностью. Имитаторы формируют акустические сигналы только в одной локальной области водной среды, что не позволяет перемещать гидробионты в заданном направлении. В имитаторах отсутствует возможность оптимизации формируемых акустических сигналов в зависимости от изменения параметров рыбных скоплений и окружающей обстановки. При использовании имитаторов отсутствует возможность контроля эффективности их воздействия на гидробионтов. Имитаторы отличается малой универсальностью, так как не могут использоваться для отпугивания гидробионтов.
В «Имитаторе звуков рыб» [4], использующем также пневматический способ формирования акустических сигналов, выполнена имитация перемещения звуков рыб в пространстве. Имитатор содержит источник сжатого воздуха, к выходу которого подключен блок управления. Гибкий трубопровод последовательно соединяет источник и излучатели акустических сигналов, объединенные в группы. Поочередное включение и отключение групп излучателей имитирует перемещение рыбных косяков и стимулирует направленное движение рыбы с дальних дистанций в зону действия орудия лова. При использовании имитатора создается возможность пространственного перемещения биошумового акустического поля, стимулирующего направленное движение рыбных косяков в зону облова. Также повышается дальность действия при неизменности привлекающего воздействия на рыб.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности, обусловленные тем, что имитатор формирует акустический сигнал только одного наперед заданного вида. Для формирования акустических сигналов с другими параметрами (спектр, уровень, временные характеристики) необходимо менять всю конструкцию имитатора, которая отличается сложностью, большими габаритами и малым удобством в эксплуатации. В имитаторах отсутствует возможность оптимизации формируемых акустических сигналов в зависимости от изменения параметров рыбных скоплений и окружающей обстановки. При использовании имитаторов отсутствует возможность контроля эффективности их воздействия на гидробионтов.
Имитатор отличается малой универсальностью, так как не может использоваться для отпугивания гидробионтов.
Пневматические имитаторы акустических сигналов [1-4] постепенно заменяются более совершенными - электронными. Одним из таких имитаторов является «Устройство для имитации звуков» [5], содержащее последовательно соединенные блок управления, генератор высокой частоты, усилитель и акустический преобразователь. Блок управления задает общую структуру и период повторения сигнала, генератор высокой частоты формирует радиоимпульсы, которые после усиления поступают на акустический преобразователь, излучающий в водную среду акустический сигнал, используемый для приманывания крабов.
В «Способе управления поведением морских животных и устройстве для его осуществления» [6] излучают в морскую среду амплитудно-модулированный сигнал, причем частоты - несущую и модуляционную выбирают с учетом получения нужной поведенческой реакции морских животных, например отпугивания медуз от того или иного района моря.
Устройство, содержит блок управления, модулятор, генератор высокой частоты, усилитель, акустический преобразователь и обеспечивает имитацию акустического сигнала хищников для данного вида.
«Имитатор звуков рыб» [7] содержит блок управления, генератор высокой частоты, усилитель, согласующее устройство и акустический преобразователь. Выход блока управления соединен с входом генератора высокой частоты, подключенного через согласующее устройство и усилитель к акустическому преобразователю. Блок управления, обеспечивает заданный временной режим подачи сигнала. Имитатор звуков рыб позволяет генерировать звуки, воздействующие на рыб, и концентрирующие ее в районе расположения акустического преобразователя.
В имитаторах звуков рыб [8, 9] используют также электронный способ формирования акустических сигналов. Они содержат: блок управления, синтезатор сигналов, усилитель и акустический преобразователь. Блок управления задает параметры электрического сигнала, формируемого в синтезаторе, поступающего после усиления на акустический преобразователь. Имитаторы используют для концентрации гидробионтов в зоне лова.
Причинами, препятствующими достижению технического результата данных устройств являются их ограниченные эксплуатационные возможности, обусловленные тем, что имитаторы формируют акустические сигналы простой формы с ограниченными спектральными характеристиками, распространяющиеся только в одной локальной области морской акватории, что не позволяет перемещать гидробионты в заданном направлении. В имитаторах отсутствует возможность оптимизации формируемых акустических сигналов в зависимости от изменения параметров рыбных скоплений и окружающей обстановки. При использовании имитаторов отсутствует возможность контроля эффективности их воздействия на гидробионты. Имитаторы могут использоваться только для приманывания или для отпугивания гидробионтов, то есть не обладают универсальностью.
Признаки, совпадающие с заявленным объектом: блок управления, синтезатор сигналов, усилитель и акустический преобразователь.
В «Акустической системе для воздействия на гидробионтов» [10], имеющей наибольшее количество совпадающих признаков с заявляемым устройством перечисленные недостатки частично устранены. Система содержит блок управления, выход которого соединен с блоком сканирования и с последовательно соединенными синтезатором сигналов, усилителем и акустическим преобразователем, а также с последовательно соединенными вторым синтезатором сигналов, вторым усилителем и вторым акустическим преобразователем; акустические преобразователи соединены также с блоком сканирования, и ориентированы в пространстве так, что их диаграммы направленности пересекаются. Система может формировать широкополосные акустические сигналы, перемещаемые в необходимом направлении. Для этого излучают в водную среду два высокочастотные акустические сигналы, в результате их взаимодействия формируются низкочастотные акустические сигналы, воздействующие на гидробионтов.
Причинами, препятствующими достижению технического результата данной системы являются ее ограниченные эксплуатационные возможности, обусловленные тем, что в ней отсутствует возможность оптимизации формируемых акустических сигналов в зависимости от изменения параметров рыбных скоплений и окружающей обстановки. При использовании имитаторов отсутствует возможность контроля эффективности их воздействия на гидробионты. Выбор параметров излучаемых сигналов субъективен, так как осуществляется оператором и не всегда может быть оптимальным. В системе отсутствует возможность автоматического выбора необходимых сигналов воздействия, с учетом параметров гидробионтов, окружающей среды и поведенческой реакции гидробионтов на конкретные виды сигналов.
Все блоки данной системы содержатся в заявляемом объекте.
Задачей полезной модели является расширение эксплуатационных возможностей акустической системы для воздействия на гидробионтов, заключающихся в том, что в заявляемом устройстве выполняется предварительное определение параметров рыбных скоплений и окружающей обстановки; в зависимости от их изменения выполняется выбор акустических сигналов с наиболее оптимальными характеристиками, проводится контроль эффективности воздействия сигналов на гидробионтов и последующее изменение параметров сигналов до достижения необходимой поведенческой реакции. Причем, некоторые из перечисленных операций выполняются автоматически без участия оператора, то-есть предлагаемая система является адаптивной.
Технический результат достигается тем, что в акустическую систему для воздействия на гидробионтов, содержащую блок управления, выход которого соединен с блоком сканирования и с последовательно соединенными синтезатором сигналов и усилителем, а также с последовательно соединенными вторым синтезатором сигналов и вторым усилителем; с блоком сканирования соединены два акустические преобразователи, дополнительно введены два коммутатора, установленные между выходами усилителей и акустическими преобразователями; дополнительный выход первого коммутатора соединен с входом первого приемного блока, дополнительный выход второго коммутатора соединен с входом второго приемного блока, их выхода соединены с блоком обработки, который также соединен с блоком управления, блоком эталонных сигналов, блоком ввода-вывода данных, а также с выходом третьего приемного блока, вход которого соединен с акустическим низкочастотным приемником.
Полезная модель поясняется чертежами. На фиг.1 показана функциональная схема устройства, на фиг.2 - схема расположения высокочастотных акустических сигналов в пространстве при формировании низкочастотного акустического сигнала, на фиг.3 - спектры излученных высокочастотных акустических сигналов и сформированных в результате их взаимодействия - низкочастотных акустических сигналов.
Адаптивная акустическая система для воздействия на гидробионтов содержит блок управления 1, выход которого соединен с блоком сканирования 2 и с последовательно соединенными синтезатором сигналов 3, усилителем 4, коммутатором 5 и акустическим преобразователем 6, а также с последовательно соединенными вторым синтезатором сигналов 7, вторым усилителем 8, вторым коммутатором 9 и вторым акустическим преобразователем 10; акустические преобразователи 6 и 10 соединены также с блоком сканирования 2; дополнительные выходы первого 5 и второго 9 коммутаторов соединены с входами соответственно первого - 11 и второго - 12 приемных блоков, выходы которых соединены с блоком обработки 13, соединенного также с блоком управления 2, блоком эталонных сигналов 14, блоком ввода-вывода 15 и с выходом третьего приемного блока 16, вход которого соединен с акустическим низкочастотным приемником 17.
U5
U6
U7
U5
U6
R
U5
U6
Блок управления 1 вырабатывает сигналы U1 и U2, поступающие на синтезаторы сигналов 3 и 7 и задающие параметры электрических сигналов U3 и U4, вырабатываемых синтезаторами. Сигналы U3 и U4 поступают на усилители 4 и 8, а затем после усиления через коммутаторы 5 и 9 на акустические преобразователи 6 и 10, излучающие в водную среду акустические сигналы U5 и U6, распространяющиеся в среде (при формировании низкочастотных акустических сигналов воздействия на гидробионтов), как показано на фиг.2. Сигналы U5 и U6 (фиг.3) имеют спектры S(f) и S(f). При одновременном распространении в участке водной среды обладающей нелинейностью упругих характеристик, двух высокочастотных акустических сигналов U5 и U6 происходит их взаимодействие и формирование акустических сигналов с комбинационными частотами [11]. Таким образом, спектр сигнала U7-S(f), получаемого в среде после взаимодействия исходных сигналов U5 и U6, будет иметь наряду со спектральными составляющими исходных сигналов - S(f) и S(f), спектральные составляющие высших гармоник исходных сигналов, а также компоненты с суммарными и разностными комбинационными частотами [11], как показано на фиг.3. Частоты сигналов U5 и U6 выбирают выше наивысшей частоты реагирования гидробионтов на акустические сигналы. Тогда на гидробионты будут воздействовать только компоненты акустического сигнала U8 с разностными частотами S(f)=|S(f)-S(f)|. Выбрав необходимые параметры сигналов U5 и U6, получаем заданные временные и частотные характеристики сигнала U8, который формируется в участке среды, где происходит взаимодействие исходных сигналов U5 и U6. Перемещая в пространстве с помощью блока сканирования 2 пучки высокочастотных акустических сигналов, излучаемых акустическими преобразователями 6 и 7, формируем в заданном участке среды зону взаимодействия этих сигналов, и соответственно источник низкочастотного сигнала U8, воздействующего на гидробионты. Управление блоком сканирования 2 выполняется сигналами U9, поступающими с блока управления 1. Перемещение в пространстве пучков высокочастотных акустических сигналов U5 и U6 может осуществляться блоком сканирования 2 механическим или электронным путем [12].
Перед началом излучения сигналов воздействия определяют параметры скоплений гидробионтов, а также характеристики окружающей среды.
Определение параметров рыбных скоплений выполняют в режиме активного лоцирования, используя акустические сигналы U5, U6, а также низкочастотный сигнал U7. Для этого в направлении предполагаемого расположения гидробионтов излучают сигналы U5 и U6 (оба, или один из них) в виде радиоимпульсов. Эти сигналы распространяются в водной среде и отражаются от объектов, находящихся в канале лоцирования, в том числе и от гидробионтов. Эхосигналы принимаются акустическими преобразователями 6 и 10, и соответствующие им электрические сигналы с дополнительных выходов коммутаторов 5 и 9 поступают на входы приемных блоков 11 и 12, где осуществляется их обработка по заданному алгоритму (усиление, фильтрация, детектирование, обработка в блоках «Временной автоматической регулировки усиления» и «Отсечка» и др.) [13]. Низкочастотный сигнал U7, формируемый в среде лоцирования - воде также используется для определения параметров рыбных скоплений. Для этого низкочастотные эхосигналы принимаются акустическим низкочастотным приемником 17 и соответствующие им электрические сигналы поступают на вход третьего приемного блока, где осуществляется их необходимая обработка. В качестве низкочастотного акустического приемника может служить, например, широкополосный гидрофон, или параметрический приемник [11, 16, 17]. Сигналы с выходов приемных блоков 11, 12 и 16 поступают в блок обработки 13, где выполняется определение параметров скоплений гидробионтов. В соответствии с этими параметрами, а также исходя из окружающей обстановки и необходимых решаемых задач (приманивание, отпугивание, перемещение в заданном направлении гидробионтов, режим лоцирования и т.д.) вырабатываются сигналы U10, поступающие на вход блока управления 1 и определяющие параметры сигналов U1, U2 U9, вырабатываемых этим блоком. Для определения дополнительных параметров окружающей обстановки акустический низкочастотный приемник 17 принимает шумовые акустические сигналы, а также проводит контроль параметров сформированного в воде низкочастотного сигнала U7. В зависимости от значений этих параметров выполняют изменение формируемых акустических сигналов. Эффективность воздействия на гидробионтов определяют по их поведенческой реакции на различные формируемые акустические сигналы. Для выбора тех, или иных сигналов воздействия используется блок эталонных сигналов, в котором хранятся различные шумовые сигналы водной среды, сигналы излучаемые различными гидробионтами, а также наборы сигналов воздействия на них. При этом база эталонных сигналов в процессе работы системы постоянно пополняется и в зависимости от эффективности их воздействия на гидробионтов им присваивается более высокий или низкий приоритет, что позволяет оптимизировать выбор необходимого вида сигналов для каждой конкретной обстановки. Для контроля рабочих параметров системы текущая информация о результатах лоцирования, эффективности воздействия и других характеристиках поступает в блок ввода-вывода данных 15. Часть параметров о скоплениях гидробионтов и об окружающей обстановке в систему вводится оператором вручную или автоматически от других судовых систем также с помощью блока 15.
Практическая реализация предложенной системы не представляет сложностей. В качестве блока управления 1 может служить персональный компьютер, блока ввода-вывода 15 - монитор, клавиатура и элементы связи компьютера с периферийными устройствами. Схемные реализации синтезаторов сигналов и усилителей подробно описаны в литературе, например [14]. Конструкции акустических преобразователей рассмотрены в работе [15]. Были разработаны и изготовлены макеты отдельных блоков заявляемого устройства, а также отдельные программные модули, которые показали практическую реализуемость системы для формирования акустических сигналов приманивания и отпугивания гидробионтов в заданном участке водной среды, а также возможность перемещения акустического сигнала воздействия в пространстве, что позволяет перемещать гидробионты в заданном направлении. Вопросы лоцирования скоплений гидробионтов, определения их параметров, а также определения характеристик окружающей обстановки исследовались ранее при помощи многочисленных активных и пассивных гидроакустических систем. Заявляемое устройство позволяет формировать акустические низкочастотные сигналы с шириной спектра более 10 октав, кроме того, возможно формирование многокомпонентных сложных акустических сигналов. Например, можно излучать акустический сигнал, содержащий одновременно компоненты приманивающие рыбу в район постановки сетей и компоненты, отпугивающие из этого района касаток и других млекопитающих. Наличие пополняемого блока эталонных сигналов, а также элементов определения параметров среды, скоплений гидробионтов и контроля их поведенческой реакции позволяет оптимизировать выбор наиболее эффективных сигналов воздействия при минимальном участии оператора, то - есть расширить эксплуатационные возможности системы.
Источники информации
1. Патент RU 1270918 «Имитатор звуков рыб «Сардина-2», МПК А01К 79/00, G10K 9/04, опубл. 10.09.1998.
2. Патент RU 1347210 «Имитатор звуков рыб «Лосось», МПК А01К 79/00, G10K 9/04, опубл. 10.09.1998.
3. Патент RU 2376758 «Имитатор звуков рыб», МПК А01К 79/00, опубл. 27.12.2009.
4. Патент RU 1575334 «Имитатор звуков рыб», МПК А01К 79/00, опубл. 10.09.1998.
5. Патент RU 1217320 «Устройство для имитации звуков», МПК А01К 79/00, опубл. 15.03.1986.
6. Патент RU 2021721 «Способ управления поведением морских животных и устройство для его осуществления», МПК А01К 79/00, опубл. 30.10.1994.
7. Патент RU 2182765 «Имитатор звуков рыб», МПК А01К 79/00, опубл. 27.05.2002.
8. Патент US 5883858 «Method and apparatus for influencing behavior of aquatic animals by broadcasting predefined signals under water», МПК A01K 79/00, A01K 79/02; A01K 85/01; A01M 29/02, опубл. 16.03.1999.
9. Патент US 5046278 «Fish caller », МПК А01К 79/00, опубл. 10.09.1991.
10. Заявка на полезную модель «Акустическая система для воздействия на гидробионтов», RU №2010140547/28 от 04.10.2010. Решение о выдаче патента от 28.10.2010.
11. Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. - Л.: Судостроение, 1989. - 256 с.
12. Самойлов Л.К. Электронное управление характеристиками направленности антенн. - Л.: Судостроение, 1987. - 280 с.
13. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. - Л.: Судостроение, 1986. - 272 с.
14. Проектирование радиопередатчиков. Под ред. В.В.Шахгильяна. - М.: Радио и связь, 2000. - 656 с.
15. Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны. - Л.: Судостроение, 1980. - 232 с.
16. Патент RU 2096808 «Способ обнаружения низкочастотных гидроакустических излучений», МПК G01S 15/04, опубл. 20.11.1997.
17. Патент RU 2158029 «Способ приема упругой волны в морской воде (варианты)», МПК G10K 11/00, G10K 15/02, опубл. 20.10.2000.