Метод акустического мониторинга донных осадков внутренних и внешних водоемов

ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ ДЛЯ БАКТЕРИЦИДНОЙ ОБРАБОТКИ ВОДЫ

Б.В. Дюдин, Г.А. Махова

Ультразвуковые колебания находят широкое применение в различных областях. Одной из них являются системы подготовки питьевой воды, которая осуществляется на водопроводных станциях. Использование ультразвуковых колебаний в системах водоподготовки можно разделить на две ветви: технологическую и информационную. Ультразвуковые установки технологического типа могут быть встроены в технологический процесс, связанный с подготовкой питьевой воды и осуществлять следующие методы воздействия ультразвука: коагуляция, растворение коагулянтов .барботаж. очистка фильтров, обеззараживание и т.д.

В докладе представлены предварительные результаты полученные нами при комплексном воздействии на микроорганизмы при обеззараживании питьевой воды путем хлорирования с одновременным воздействием ультразвуком.

Эксперименты проводились на лабораторной установке кафедры ЭГА и МТ на которой озвучивались небольшие обьемы хлорированной воды ( до 1 литра) на частотах 18-22 кГц с удельной акустической мощностью до 1,5 Вт/см?.Время озвучивания изменялось от 10 с до 3 мин. Результаты баканали-за показали, что с увеличением времени озвучивания микробное число увеличивается, а содержание кишечных палочек (палочек Коли) приходит в норму.

Работа выполнялась совместно с предприятием Водоканал г. Таганрога.

МЕТОД АКУСТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ДОННЫХ ОСАДКОВ ВНУТРЕННИХ И ВНЕШНИХ ВОДОЕМОВ

С.П. Тарасов, Ю.В. Белоус, С.С. Коновалова, А.Н. Куценко

The authors of this publication ofTer a simple acoustic way of definition such as a ground of a reservoir and their further monitoring for definition of the contents of gas in them.

В современных условиях вопросы экологии Земли все интенсивнее занимают главенствующие позиции среди актуальных проблем человечества. Сложившаяся ситуация с глобальными изменениями климата на Земле, увеличение озоновых дыр, серии масштабных катастроф с тяжелейшими экологическим последствиями, заостряют все многообразие граней нерешенных и вновь появляющихся вопросов, которые в случае не разрешения ставят под

175

сомнение выживание человечества в будущем с грустным резюме - саморазрушение.

Очень многообразен спектр проблем, которые призвана исследовать и решать сравнительно молодая наука экология.

Одна из таких проблем - мониторинг донных осадков внутренних и внешних водоемов. С помощью такого мониторинга предлагается устанавливать тип и толщину осадков, по загазованности судить о возрасте и активности химических процессов в донных отложениях, что в совокупности позволяет косвенно получить данные о состоянии экосистемы исследуемого водоема. Данный мониторинг может быть выполнен несколькими способами, наиболее простой из которых рассмотрим далее.

Суть метода заключается в изменении акустического импеданса донных осадков, а затем сравнение расчетной плотности осадков полученных в результате акустических измерений с плотностью осадков полученных путем забора физических проб.

Определение акустического импеданса грунта может быть проведено с помощью измерения коэффициента отражения и определения некоторых критических углов падающей и отраженной акустической волны.

Рассмотрим подробнее этот метод на примере трех типов донных осадков: песка, ила (при скорости звука в иле большей скорости звука в воде) и ила (при скорости звука в иле меньшей скорости звука в воде).

Плотность крупного песка приблизительно в два раза больше плотности воды, а скорость звука около 1830 м/с. Акустический импеданс такого песка приблизительно в 2,4 раза больше, чем морской воды. Для однородного песчаного дна коэффициент отражения имеет вид:

к^{2212х)хъЩ-ыпО,

(+5Ш0,

где г./г, - отношение волновых импедансов песка и воды соответственно.

Рис. 1. Распространение гидроакустической волны через границу раздела сред

176

При отношении имнедансов равном 2,4 и нормальном падении гидроакустической волны на границу раздела, получаем коэффициент отражения равный:

Л=М11,о,4. .

2,4 + 1

При этом потери на отражение

а = -201ёД = 7,7д/> .

Поскольку скорость звука в воде меньше скорости звука в песке, существует критический угол падения, при котором происходит полное внутреннее отражение, и теоретически потери отсутствуют. Определим этот угол для нашего случая, воспользовавшись формулой

6С =агссоз

Для песка критический угол составляет приблизительно 35 градусов.

Теоретический график, иллюстрирующий зависимость потерь от угла падения на границу раздела вода - песок, приведен на рис. 2.

а, дБ

Рис. 2. Зависимость потерь при отражении гидроакустической волны падающей под разными углами на однородное песчаное дно

10 20 30 40 50 60 70 80 90 0°

Плотность грунта илистого дна лишь немногим больше плотности воды, а скорость звука в грунте колеблется от значений немного ниже до значений немного выше скорости звука в воде. Рассмотрим эти случаи.

Так при плотности грунта 1400 кг/м3 и скорости звука 1500 м/с, отношение импедансов будет приблизительно равна 1,43. Рассчитаем коэффициент отражения, потери и критический угол.

/?= 1,43-1 *0,18; а = -201к(0,178)»15дБ;

1,43 + 1 Б

0С = агссовО 500/1535) * 120.

На рис. 3 показана теоретическая зависимость потерь при отражении от однородного илистого дна при разных углах падения гидроакустического сигнала.

а, дБ

1 ! 1 1

/

/

1

—

1

Рис. 3. Зависимость потерь при отражении гидроакустической волны падающей под разными углами на однородное илистое дно.

10 20 30 40 50 60 70 80 90 0°

Скорость звука для некоторых типов илистого дна может быть меньше скорости звука в воде. Так, пусть, плотность грунта составляет 1420 кг /м1, а скорость - 1490 м/с, тогда при нормальном падении имеем:

Я =

1,41-1

0,17; а = -20^(0,17)«15АдБ.

1,41 + 1

Поскольку скорость звука в грунте меньше скорости звука в воде, создается возможность появления такого угла падения, при котором коэффициент отражения равен нулю, а донные потери бесконечны. Для расчета этого угла воспользуемся следующей формулой

вг = агсвіп

(с,/с2)2-1 (Р2/А)г-1

В нашем случае 0ряг6,6°

Теоретическая зависимость потерь от угла падения волны на границу раздела вода - ил показан на рис. 4.

а, дБ

Рис. 4. Зависимость потерь при отражении гидроакустической волны падающей под разными углами на однородное илистое дно.

178

Таким образом, используя вышеописанный метод, можно создать гидроакустическую систему с разнесенными в пространстве излучающей и приемной антеннами, способную производить измерения критических углов и потерь при распространении и отражении гидроакустического сигнала от границы вода - донные осадки. Можно предположить, что для приема необходима антенна, обеспечивающая хорошее разрешение по углу, а для ихпуче-ния - обладающая узкой диаграммой направленности, которая не изменяется в широком диапазоне частот и с малой величиной боковых лепестков. Л также излучающая антенна должна быть малогабаритной для простоты реализации механики сканирования диаграммы направленности по углу места. Учитывая требования необходимые для излучающей антенны, возможна ее реализация на базе параметрических излучателей, которые обладают всеми необходимыми качествами.

Следовательно, используя гидроакустическую систему, построенную на основе вышеизложенного метода, можно с помощью гидроакустических измерений грубо оценить структуру донных осадков исследуемой акватории. Или взяв физические пробы грунта и определив ожидаемую плотность этого грунта в донных осадках, а также непосредственно измерив скорость распространения гидроакустического сигнала в пробах, сравнить их с экспериментальными гидроакустическими измерениями дна, при которых происходит усреднение плотности и скорости грунта. На основании исследования этих данных можно косвенно получить сведения о наличии разного рода примесей в исследуемом объеме грунта не попавших по различным причинам в физические пробы, в том числе и их загазованность.

ЛИТЕРАТУРА

1. Winder A.A. Sonar system technology. IEEE Trans. Sonics, Ultrasonics. Vol. SU-22, No.5 (Sept. 1975).

2. Principles of sonar installatio. Naval underwater systems center, Technical document 6059, 1980.

3. Knight W.S., PriJman R.G., Kay S.M. Digital signal processing for sonar. Proc. IEEE. Vol. 69, No. 11 (Nov. 1981).

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ЗАГАЗОВАННЫХ ДОННЫХ ОСАДКОВ

Долгов А.Н., Коновалова С.С., Белоус Ю.В., Куценко А.Н., Тарасов С.П.

Моря и океаны, помимо того, что они являются источниками минерального и энергетического сырья, кормильцами человечества, имеют еще одну функцию - это главные ассенизаторы планеты. Все вредные примеси