СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ПОДВОДНОГО ШУМА СУДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF REDUCING UNDERWATER NOISE OF SHIPS AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к области гидроакустики, в частности к способам и средствам снижения шумов, производимых научно-исследовательскими и рыбопромысловыми судами, и может быть использовано в рыбной промышленности для уменьшения отпугивающего влияния подводных шумов судна на поведение объекта исследований или промысла и повышения за счет этого достоверности оценки биоресурсов и результативности лова.
Любое судно служит источником подводного акустического шума, характеризующегося определенным энергетическим спектром и направленностью. Спектр гидроакустических шумов большинства научно-исследовательских и рыбопромысловых судов занимает диапазон частот от единиц герц до нескольких килогерц. Основная энергия шума сосредоточена в диапазоне частот до 1000 Гц, причем максимальный спектральный уровень шума наблюдается на частотах 10-500 Гц и существенно спадает на частотах выше 1000 Гц [1, 2]. Частотные диапазоны с максимальной энергией спектра шумов судна и максимальной слуховой чувствительности большинства промысловых рыб совпадают, а уровни судового шума значительно превышают слуховые пороги рыб [1, 3, 4]. Это означает, что рыбы могут воспринимать шум судна на больших расстояниях. Экспериментально доказано, что шум приближающегося судна вызывает у них реакцию избегания. Реакция рыб сопровождается стремлением выйти из шумового поля судна, т.е. уходом рыб с траектории движения судна, рассеянием и (или) заглублением стай. Дистанция реагирования рыб на шум судна по данным различных исследователей существенно варьирует от 40 до 500 и более метров (чаще от 100 до 200 м) в зависимости от уровня и спектрального состава шума, а также вида (слуховых способностей) и физиологического состояния рыб [4]. Движение рыб от промыслового судна отрицательно сказывается на траловых уловах [5, 6]. Акустическое поле судна является доминирующим фактором формирования поведения рыб и результативности облова косяков при замете кошелькового невода [7]. Кроме этого, наличие избегающей реакции рыб и, как следствие, пространственно-временная изменчивость их естественного распределения может оказывать существенное влияние на акустические и тралово-акустические оценки запасов рыб, выполняемые научно-исследовательскими судами [8, 9].
На путях миграций, в местах нагула и размножения многих китообразных интенсивные акустические шумы судов нарушают «комфортные» условия для реализации жизненно важных биологических актов. Недаром подводный шум официально признан как вредный и нерегулируемый источник загрязнения окружающей среды в рамках Европейской Морской Стратегии [10]. Кроме того, в конце прошлого века возникла проблема «нахлебничества» некоторых хищных китообразных, в частности косаток при ярусном и сетном лове. Характерные гидроакустические шумы, излучаемые судном с работающим устройством выборки снастей, привлекают касаток, которые полностью или частично объедают улов [11]. Поэтому в целом проблема гидроакустических шумов судов с точки зрения их влияния на поведение гидробионтов и последствий этого влияния достаточно актуальна.
В настоящее время существует множество способов снижения уровня шумности судна, например 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 это способствует уменьшению уровня подводного шума, однако не снимает проблемы влияния акустического поля судна на поведение рыб. Такие меры требуют больших материальных затрат и используются в основном для военных целей. На судах рыбопромыслового флота при их постройке дополнительные меры по снижению подводного шума обычно не предусматриваются.
Известен 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, и его взаимодействии с низкочастотным сигналом рыбопромыслового судна на частоте в диапазоне частот наибольшей акустической чувствительности промысловых рыб с образованием сигналов комбинационных частот, которые интенсивно затухают в пространстве, при этом сигнал накачки излучают в секторах максимальной интенсивности низкочастотного сигнала по носовым курсовым углам рыбопромыслового судна в направлении облавливаемого скопления промысловых рыб [12].
К недостаткам данного способа можно отнести следующие факторы:
1. Эффективность взаимодействия акустических волн зависит случайным образом от концентрации пузырьков в приповерхностном слое воды и толщины аэрированного слоя.
2. 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.
3. Ограниченность пространственной области, в которой осуществляется искажение гидроакустического поля судна.
Известен 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 излучение в воду искусственных гидроакустических сигналов, имитирующих звуки рыб, морских животных и других обитателей моря и маскирующих, таким образом, шум судна [13].
Основными недостатками данного способа являются:
1. способ пригоден для маскировки судна от обнаружения его шумопеленгаторами, но малоэффективен для уменьшения отпугивающего влияния шумов судна на поведение рыб. Поскольку уровень маскирующих сигналов в известном способе должен превышать уровень подводного шума рыбопромыслового судна, с приближением судна к рыбному косяку неестественно сильный сигнал любого биологического содержания, в том числе звуков рыб и других обитателей моря, отпугивает рыб.
2. Излучение в воду сигналов морских животных, в частности звуков китообразных, может отпугнуть рыб на расстояниях, значительно превышающих зону действия шумов судна, поскольку имитируют присутствие хищников и являются для рыб более сильным акустическим раздражителем, чем шум судна.
3. Сложность реализации способа в условиях промысла.
Известен способ для глушения подводного звука от судна, заключающийся во вдувании воздуха и/или другого газа в струю воды от винта так, что турбулентность струи от винта вызывает перемешивание воздуха и/или другого газа и воды и дробление пузырьков газа, и устройство для глушения подводного звука посредством вдувания пузырьков воздуха и/или другого газа в струю от винта [14].
Этот способ обладает следующими недостатками.
При традиционном размещении гребного винта в кормовой части судна способ обеспечивает эффективное снижение (глушение) шума только в ограниченной пространственной области позади судна. Чаще всего отрицательная реакция (реакция избегания), сопровождаемая уходом рыб от судна при его приближении, наблюдается на носовых курсовых и траверсных углах судна. Как следует из известного способа, для того чтобы завеса газовых пузырьков окружала всю подводную часть корпуса судна (т.е. для глушения всех подводных источников звука на судне), необходимо размещение гребного винта (винтов) в носовой части судна. Абсолютное большинство судов рыбопромыслового флота имеют кормовое расположение гребного винта.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является способ снижения шумов, производимых рыбопромысловым судном, основанный на применении воздушно-пузырьковой завесы в качестве средства для снижения шумов в процессе лова [15]. Предлагается для снижения шума судна в период замета кошелькового невода окутывать корпус судна завесой из воздушных пузырьков.
Известный способ достаточно эффективен, поскольку воздушно-пузырьковая завеса (ВПЗ) снижает уровень излучаемого в воду судового шума и, соответственно, отпугивающее воздействие шумов судна на рыб. Однако и этот способ обладает рядом существенных недостатков.
0
T
0
T
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 (максимального заградительного эффекта) диаметры отверстий в воздуходувной трубе составляют 0,4 мм, расстояния между отверстиями - 0,3 м, а отношение P/P=0,46÷0,5, где P - гидростатическое давление; P - давление воздуха в воздуходувной трубе [16].
При таких параметрах ВПЗ скорость истечения воздуха для выбранных сечений отверстий максимальна, за счет чего достигается наибольшая акустическая энергия турбулентного шума, создаваемого ВПЗ, и, соответственно, максимальный отпугивающий эффект [16]. Это может отрицательно сказываться на уловах. Кроме этого, известный способ обладает недостаточной эффективностью снижения шумов, производимых рыбопромысловым судном, по следующим причинам.
Во-первых, диаметры отверстий в воздуходувной трубе имеют фиксированные значения по всей длине трубы, что ограничивает размерный диапазон образующихся на выходе из отверстий пузырьков и, соответственно, ссужает диапазон поглощаемых завесой частотных составляющих спектра шума судна. При взаимодействии звуковой волны с такой пузырьковой завесой ослабление шума судна происходит только в полосе частот, близких к резонансным частотам создаваемых завесой пузырей. На других частотах эффект поглощения шумов судна будет менее выраженным. Таким образом, известный способ не учитывает биологические особенности гидробионтов и не обеспечивает снижение уровня спектральных составляющих подводного шума во всем частотном диапазоне слуховой чувствительности рыб - объектов исследования или промысла.
Во-вторых, равные расстояния между отверстиями в ВПЗ обеспечивают оптимальную плотность (пространственную неразрывность) завесы только на частотах, близких к собственным резонансным частотам пузырьков, создаваемых на выходе из отверстий. Задерживающая способность такой пузырьковой завесы на других частотах спектра шумов судна будет более низкой.
Таким образом, эффективность известного способа для уменьшения отпугивающего влияния шума судна на поведение объекта лова невысока.
Известно устройство для создания воздушно-пузырьковой завесы при лове рыбы, состоящее из компрессора с подключенным к нему воздухопроводом с воздушными шлангами, имеющими отверстия и приспособление для ориентации шлангов в воде в виде поворотно-выдвижной штанги и гидродинамического элемента для удержания шлангов на фиксированной глубине [17].
Недостатки известного устройства обусловлены упомянутыми выше недостатками способа, реализуемого этим устройством, а именно:
1. Отверстия в воздуходувных шлангах выполнены одинакового размера, что не обеспечивает образование на выходе из отверстий набора пузырьков, имеющих собственные резонансные частоты в диапазоне слуховой чувствительности объектов промысла.
2. Невозможность снижения дискретных составляющих спектра шума гребного винта и уменьшения шума судна в килевом аспекте, что обусловлено боковым расположением шлангов с отверстиями относительно корпуса судна.
3. Невозможность раздельной подачи воздуха на различные части корпуса судна в зависимости от распределения рыб вокруг судна.
Основной задачей, на решение которой направлены заявляемые способ и устройство, является уменьшение отпугивающего влияния подводного шума судна на поведение гидробионтов.
Единым техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявленной группы изобретений, является повышение достоверности оценки биоресурсов и увеличение объема вылова объектов промысла.
0
T
0
T
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе снижения подводного шума, основанного на формировании воздушно-пузырьковой завесы вокруг рыбопромыслового судна, согласно изобретению воздушно-пузырьковую завесу создают в соответствии с биологическими особенностями предполагаемых объектов исследования или промысла путем задания параметров завесы, а именно диаметра калиброванных отверстий в воздуходувной трубе для истечения воздуха, расстояния между отверстиями и избыточного давления воздуха в воздуходувной трубе, при этом минимальный размер испускаемых завесой пузырьков соответствует верхней граничной частоте диапазона максимальной слуховой чувствительности рыб, максимальный - нижней частоте диапазона максимальной чувствительности рыб, для этого диаметры отверстий в воздуходувной трубе выполняют в размерном интервале, обеспечивающем образование на выходе из отверстий пузырьков, имеющих собственные резонансные частоты в области наибольшей слуховой чувствительности рыб - объектов исследований или промысла, шаг диаметров отверстий, выполняемых в воздуходувной трубе, устанавливают 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 в воздуходувной трубе устанавливают равными диаметру акустического поперечного сечения рассеяния и поглощения звука воздушными пузырьками в зависимости от размеров воздушных пузырьков на выходе из отверстий, а избыточное давление воздуха в воздуходувной трубе поддерживают в диапазоне P/P=0,6÷0,8, где P - гидростатическое давление; P - давление воздуха в воздуходувной трубе.
Сопоставительный анализ существенных признаков заявляемого способа снижения шума и прототипа показывает, что первый в отличие от прототипа имеет следующие существенные отличительные признаки:
1. Воздушно-пузырьковую завесу создают в соответствии с биологическими особенностями предполагаемых объектов исследований или промысла.
2. Набор отверстий в воздуходувной трубе выполняют в размерном интервале, обеспечивающем образование на выходе из отверстий пузырьков, имеющих собственные резонансные частоты в заданном частотном интервале слуховой чувствительности предполагаемого объекта исследования или промысла, при этом минимальный размер испускаемых пузырьков соответствует верхней граничной частоте диапазона максимальной слуховой чувствительности рыб, максимальный - нижней частоте диапазона максимальной чувствительности рыб.
3. Диаметры отверстий выполняют с шагом, перекрывающим диапазон воспринимаемых рыбами частот, 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.
4. Расстояния между отверстиями одного диаметра устанавливают равными диаметру акустического сечения рассеяния и поглощения звука воздушными пузырьками в зависимости от их размера на выходе из отверстий.
5. Избыточное давление воздуха в воздуходувной трубе поддерживают в диапазоне, обеспечивающем ламинарный режим истечения воздуха из отверстий.
Для осуществления способа используются известные из прикладной гидроакустики и гидродинамики формулы, которые при заданных частотных характеристиках слуховой чувствительности рыб позволяют рассчитать технические параметры завесы, обеспечивающие эффективный режим ее работы.
Формула для резонансной частоты пульсаций воздушного пузырька радиусом более 10 мкм вблизи поверхности имеет вид [18]:
п
где: R - радиус воздушного пузырька, м;
γ - отношение удельных теплоемкостей газа, заполняющего пузырек (для воздуха γ=1.4);
0
5
P - внешнее гидростатическое давление (P=(1+0.1H)·10 Па, где H - глубина, м);
ρ - плотность среды.
Верхняя и нижняя частоты, на которых поглощаемая и рассеиваемая пузырьком энергия уменьшается вдвое по сравнению с резонансным значением, рассчитываются по формулам:
в
p
н
p
p
p
f=f+Δf/2; f=f-Δf/2; Δf=fδ,
P
где: δ - 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.
п
Отрывной диаметр пузырька (2R) 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 [19]:
0
где: D - диаметр отверстия в воздуходувной трубе, м;
σ - поверхностное натяжение;
2
g - ускорение свободного падения (9,81 м/с);
µ - вязкость воды;
Q - объемный расход воздуха.
Данная формула позволяет определить 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:
.
Полное акустическое сечение рассеяния и поглощения звука на пузырьке:
рп
Р
р
п
р
р
р
где: δ - составляющая резонансной постоянной затухания, связанная с переизлучением: δ=kR (k - волновое число на резонансной частоте, k=2π/λ=2πf/c).
Рассчитанные по этим формулам параметры завесы сводят в таблицу и на основании полученных данных выполняют отверстия в воздуходувной трубе, которую затем прокладывают вокруг подводной части корпуса судна.
Данная совокупность существенных отличительных признаков заявленного способа позволяет повысить эффективность использования воздушно-пузырьковой завесы для снижения шума судна путем улучшения ее звукорассеивающих и звукопоглощающих свойств и достижения пространственной неразрывности во всем частотном диапазоне слуховой чувствительности рыб, что приводит к уменьшению отпугивающего влияния акустического поля судна на поведение рыб в процессе лова или поиска рыбы.
Указанный технический результат достигается также тем, что в известном устройстве для снижения подводного шума, состоящем из источника сжатого воздуха, воздуховодной магистрали и воздуходувной трубы с отверстиями, согласно изобретению отверстия в воздуходувной трубе выполняют с учетом биологических особенностей объекта исследования или промысла с шаговым приращением диаметра от минимального значения размерного интервала до максимального, причем отверстия с шаговым приращением диаметра расположены равномерно по окружности воздуходувной трубы, а отверстия одного диаметра равномерно расположены по длине воздуходувной трубы на расстоянии, равном диаметру акустического сечения рассеяния и поглощения звука воздушного пузырька на выходе из отверстий, причем воздуходувные трубы размещают на подводной части корпуса по обоим бортам вдоль основного и бортовых килей судна, а также в районе судовых двигателей, промысловых механизмов и гребного винта, при этом их дополнительно оснащают электромагнитными пневмоклапанами для раздельной подачи воздуха на различных этапах лова.
Сопоставительный анализ существенных признаков заявляемого устройства и прототипа показывает, что первый в отличие от прототипа имеет следующие существенные отличительные признаки:
1. Отверстия в воздуходувной трубе выполнены с шаговым приращением диаметра от минимального значения размерного интервала до максимального.
2. Отверстия с шаговым приращением диаметра расположены равномерно по окружности воздуходувной трубы.
3. Отверстия одного диаметра расположены равномерно по длине воздуходувной трубы на расстоянии, равном диаметру акустического поперечного сечения рассеяния и поглощения звука воздушного пузырька на выходе из отверстий.
4. Воздуходувные трубы размещены по обоим бортам вдоль основного и бортовых килей судна, а также дополнительно проложены на подводные части корпуса в районе судовых двигателей, промысловых механизмов и гребного винта.
5. Воздуходувные трубы оснащены электромагнитными пневмоклапанами, позволяющими осуществлять раздельную подачу воздуха на различные участки корпуса судна.
Данная совокупность существенных отличительных признаков заявляемого устройства позволяет:
- создать в водной среде воздушно-пузырьковую завесу, эффективно подавляющую подводный шум судна во всем частотном диапазоне слуха гидробионтов;
- осуществлять снижение шума судна в килевом аспекте и дискретных составляющих шума двигателей и гребного винта;
- осуществлять раздельную подачу воздуха на различных этапах лова.
Устройство для осуществления способа поясняется чертежами, где на фиг.1 показана структурная блок-схема предлагаемого устройства снижения шума судна. На фиг.2 изображен участок воздуходувной трубы с отверстиями, являющейся предметом настоящего изобретения. На фиг.3 приведена схема размещения воздуходувной трубы на судне, иллюстрирующая один из возможных вариантов реализации способа (вид сбоку), на фиг.4 - то же (вид с носа судна).
Устройство, с помощью которого реализуется разработанный способ снижения шума судна, содержит (фиг.1) источник 1 сжатого воздуха, размещенный на судне и выполненный в виде компрессора с ресивером или баллона высокого давления, 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. Воздуходувная труба (фиг.2) содержит отверстия различного диаметра, через которые сжатый воздух в виде пузырьков выходит в воду. Воздуходувная труба 9 (фиг.3, 4) 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.
Способ снижения шума судна с использованием предлагаемого устройства реализуется следующим образом.
При движении судна в районе поиска или промысла рыбы 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 с отверстиями, размещенные в подводной части судна. При истечении воздуха под давлением через отверстия в воду вокруг корпуса судна формируется воздушно-пузырьковая завеса, которая эффективно снижает (ослабляет) шум судна на резонансной частоте составляющих завесу пузырьков.
Ослабление шума на воздушных пузырьках, как известно, связано, в основном, с переизлучением (рассеянием) звука, а также с теплопроводностью и сдвиговой вязкостью на стенках пузырька (поглощением звука), имеющими максимальные значения при резонансе [18]. 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.
На фиг.5 представлены спектры гидроакустических шумов некоторых научно-исследовательских и рыбопромысловых судов. Основная энергия шума сосредоточена в диапазоне частот до 1000 Гц, при этом наиболее интенсивны составляющие спектра на частотах до 500 Гц. Такая характеристика шума является типичной для большинства судов [1, 2].
На фиг.6 представлены характеристики слуховой чувствительности (аудиограммы) основных промысловых видов рыб, иллюстрирующие зависимости слуховых порогов рыб от частоты звука. Максимальная (пиковая) слуховая чувствительность большинства промысловых видов рыб приходится на частоты 80-1000 Гц. Как видно из фиг.5 и фиг.6, частотные диапазоны с максимальной энергией спектра шумов судна и максимальной слуховой чувствительности большинства промысловых рыб совпадают, а уровни судового шума значительно превышают слуховые пороги рыб.
Уменьшение отпугивающего влияния подводного шума судна на поведение рыб достигается снижением уровня спектральных составляющих излучаемых в воду звуковых волн в области наибольшей слуховой чувствительности объекта исследований или промысла. Для этого диаметры отверстий в воздуходувной трубе 9-11 выполняют в размерном интервале, обеспечивающем образование на выходе из отверстий пузырьков, имеющих собственные резонансные частоты в диапазоне наибольшей слуховой чувствительности рыб - объекта исследований или промысла. При этом минимальный диаметр отверстий и, соответственно, минимальный размер испускаемых завесой пузырьков устанавливают согласно верхней граничной частоте диапазона максимальной слуховой чувствительности рыб, а максимальный диаметр отверстий и испускаемых завесой пузырьков устанавливают по нижней частоте диапазона максимальной чувствительности рыб. 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.
Повышение эффективности снижения (ослабления) шума судна с использованием воздушно-пузырьковой завесы достигается за счет того, что диаметры отверстий в воздуходувной трубе 9-11 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.
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 фиг.2. Такое исполнение воздуходувной трубы позволяет улучшить звукопоглощающие и звукорассеивающие свойства воздушно-пузырьковой завесы и обеспечивает ее пространственную неразрывность в заданном частотном интервале слуховой чувствительности рыб - предполагаемых объектов исследования или промысла.
0
T
Избыточное давление воздуха в воздуходувной трубе поддерживается в диапазоне P/P=0,6+0,8, обеспечивающем ламинарный режим истечения воздуха 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.
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 (фиг.3, 4), осуществляется с борта судна при помощи электромагнитных пневмоклапанов 4-6, открываемых, по мере необходимости, с блока управления 7 (фиг.1). Это позволяет осуществлять снижение шума одновременно всех или отдельных акустически «ярких» подводных частей судна в зависимости от распределения рыб вокруг судна на различных этапах лова.
Совокупность существенных признаков заявленных способа и устройства для его осуществления имеют причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков способа и устройства стало возможным решить поставленную задачу.
На основании изложенного можно заключить, что заявляемые способ снижения подводного шума судна и устройство для его осуществления являются новыми, обладают изобретательским уровнем, т.е. явным образом не следуют из уровня техники и пригодны для промышленного применения.
Основной особенностью предлагаемых способа и устройства является то, что для снижения отпугивающего влияния шумов судна на поведение рыб задают параметры воздушно-пузырьковой завесы, а именно - диаметры калиброванных отверстий в воздуходувной трубе для истечения воздуха, расстояния между отверстиями (плотности завесы) и избыточное давление воздуха в воздуходувной трубе, что позволяет улучшить звукопоглощающие и звукорассеивающие свойства завесы и обеспечить ее пространственную неразрывность во всем диапазоне воспринимаемых рыбами частот, т.е. повысить эффективность снижения (подавления) шума судна. Кроме того, размещение воздуходувной трубы с отверстиями вокруг подводной части корпуса судна вдоль основного киля и бортовых килей судна, а также дополнительно в районе судовых двигателей, промысловых механизмов и гребного винта с возможностью раздельной подачи воздуха позволяют осуществлять снижение шума всех или отдельных акустически «ярких» подводных частей судна на различных этапах лова. При этом значительно сокращается зона реагирования на шум судна как приповерхностных, так и вертикально мигрирующих видов рыб, что, в конечном результате, приводит к повышению эффективности их лова и достоверности оценки запасов рыб, выполняемых промысловыми и научно-исследовательскими судами.
Пример 1. Требуется снизить отпугивающее воздействие шума судна на поведение минтая при его траловом промысле.
На траловом промысле реакция рыб на шумовое поле судна при его приближении сопровождается уходом рыб с траектории движения судна, рассеянием и (или) заглублением стай, что значительно снижает вероятность попадания этих рыб в зону облова трала.
Как видно из фиг.6, частотный диапазон максимальной слуховой чувствительности минтая составляет 100-200 Гц. Задача состоит в том, чтобы обеспечить снижение уровня шума в области наибольшей слуховой чувствительности данного объекта промысла. Для этого согласно изобретению в воздуходувной трубе необходимо выполнить набор отверстий, диаметры которых, при определенном избыточном давлении воздуха, обеспечивают в воде образование на выходе из отверстий пузырьков, имеющих собственные резонансные частоты в заданном частотном интервале слуховой чувствительности предполагаемого объекта промысла (в данном случае минтая). Кроме этого, требуется рассчитать другие параметры завесы, а именно, 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 параметры завесы сведены в таблицу 1.
Таблица
Параметры завесы для тралового лова минтая
Номер п/п
Частота, Гц
Диаметр пузырька, мм
Диаметр отверстия, мм
Расстояние между отверстиями, м
P<sub>0</sub>/P<sub>T</sub>=0,6
P<sub>0</sub>/P<sub>T</sub>=0,8
1
100
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
Примечание: Для сокращения объема таблицы даны первые и последние пять значений параметров
0
х
Согласно расчетам в боковой стенке воздуходувной трубы равномерно по ее окружности выполняют отверстия с диаметром от минимального 14,8 мм до максимального 35,9 мм (при Р/Р=0,6), как показано на фиг.2. Отверстия одного диаметра располагают по длине воздуходувной трубы на расчетном расстоянии друг от друга согласно табл.1. Например, отверстия с минимальным диаметром 14,8 мм располагают друг от друга на расстоянии 2,16 м, а с максимальным 35,9 мм - на расстоянии 4,64 м. Воздуходувную трубу затем прокладывают вокруг подводной части корпуса судна, как показано на фиг.3, 4.
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). Соответственно, существенно сокращается расстояние, с которого эти рыбы воспринимают шум судна и реагируют на него. За счет этого повышается результативность тралового лова минтая. Как видно из фиг.6, на частоты 100-200 Гц приходится максимальная чувствительность еще одного промыслового вида рыб-лососей, которые имеют в этом диапазоне более высокие слуховые пороги. Поэтому завеса с рассчитанными выше параметрами может быть использована на промысле лососей.
Пример 2. Требуется снизить отпугивающее действие шума судна на поведение тихоокеанской сельди при тралово-акустической съемке.
Влияние шума судна на тралово-акустическую оценку запаса можно разделить на два фактора: изменение плотности и отражательной способности рыбного скопления на пути судна и в объеме эхолотирования вследствие избегательной реакции рыб на шум судна с вероятным недоучетом в оценке их численности и искажение размерно-возрастного состава рыб в уловах контрольных тралений.
Частотный диапазон максимальной слуховой чувствительности тихоокеанской сельди составляет 100-1000 Гц (фиг.6). Как и в предыдущем случае, задача состоит в том, чтобы обеспечить снижение уровня шума судна в области наибольшей слуховой чувствительности данного объекта ресурсных исследований.
Параметры завесы для диапазона слуховой чувствительности тихоокеанской сельди рассчитываются аналогично примеру 1. Результаты расчетов представлены в таблице 2.
Таблица
Параметры завесы для тралово-акустической съемки тихоокеанской сельди
Номер п/п
Частота, Гц
Диаметр пузырька, мм
Диаметр отверстия, мм
Расстояние между отверстиями, м
P<sub>0</sub>/P<sub>T</sub>=0,6
P<sub>0</sub>/P<sub>T</sub>=0,8
1
100
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: В таблице для сокращения ее объема даны первые и последние пять значений параметров
0
T
Согласно расчетам в боковой стенке воздуходувной трубы по ее окружности выполняют отверстия с диаметром от минимального 1,9 мм до максимального 35,9 мм (P/P=0,6), как показано на фиг.2. По длине воздуховодной трубы отверстия располагают друг от друга на расстоянии от 0,37 м (минимальный диаметр отверстий) до 4,64 м (максимальный диаметр), согласно табл.2. Воздуходувную трубу затем прокладывают вокруг подводной части корпуса судна, как показано на фиг.3, 4.
В таком исполнении завеса обеспечивает эффективное уменьшение уровня излучаемого судном звукового давления в диапазоне слуха тихоокеанской сельди и других близкородственных видов, имеющих сходные диапазоны восприятия звука (атлантической сельди, сардины и др.). Соответственно, сокращается расстояние, с которого сельдь воспринимает шум судна и реагирует на него. За счет этого повышается точность оценки обилия этих рыб тралово-акустическим методом.
Пример 3. Требуется снизить отпугивающее воздействие шума судна при кошельковом промысле тунцов.
Во время замета кошелькового невода косяки тунцов и других быстрых пелагических рыб (скумбрии, сардины, ставриды) реагируют на шум приближающегося судна изменением направления движения или уходом из зоны облова на скорости, превышающей скорость судна, что вызывает значительные потери уловов этих быстродвигающихся объектов при кошельковом промысле.
Частотный диапазон максимальной слуховой чувствительности тунцов составляет 200-800 Гц (фиг.6). Как и в предыдущих примерах, задача состоит в том, чтобы обеспечить снижение уровня шума судна в области наибольшей слуховой чувствительности данного объекта лова.
Параметры завесы для диапазона слуховой чувствительности тунцов рассчитываются аналогично предыдущим. Результаты расчетов представлены в таблице 3.
Таблица
Параметры завесы для кошелькового лова тунцов
Номер п/п
Частота, Гц
Диаметр пузырька, мм
Диаметр отверстия, мм
Расстояние между отверстиями, м
P<sub>0</sub>/P<sub>T</sub>=0,6
P<sub>0</sub>/P<sub>T</sub>=0,8
1
199,2
39,5
15,2
19,4
2,20
2
203,1
38,8
14,8
18,9
2,16
3
207,1
38,0
14,4
18,4
2,11
4
211,3
37,3
14,1
18,0
2,07
5
215,5
36,6
13,7
17,5
2,03
…
…
…
…
…
…
61
732,8
10,7
2,92
3,71
0,53
62
751,2
10,5
2,83
3,60
0,52
63
770,1
10,2
2,74
3,48
0,50
64
789,7
10,0
2,65
3,37
0,49
65
809,9
9,7
2,57
3,26
0,48
Примечание: Для сокращения объема таблицы даны первые и последние пять значений параметров
0
T
Согласно расчетам в боковой стенке воздуходувной трубы по ее окружности выполняют отверстия с диаметром от минимального 2,6 мм до максимального 15,2 мм (P/P=0,6), как показано на фиг.2. По длине воздуходувной трубы отверстия располагают друг от друга на расстоянии от 0,48 м (минимальный диаметр отверстий) до 2,2 м (максимальный диаметр отверстий). Промежуточные значения - согласно табл.3. Воздуходувную трубу затем прокладывают вокруг подводной части корпуса судна, как показано на фиг.3, 4.
В таком исполнении завеса обеспечивает эффективное уменьшение уровня излучаемого судном звукового давления в диапазоне слуха тунцов и других близкородственных видов, например, скумбрии, имеющей сходный диапазон максимальной слуховой чувствительности. Соответственно, существенно сокращается расстояние, с которого эти рыбы воспринимают шум судна и изменяют направление и скорость движения во время замета кошелькового невода. За счет этого повышается результативность кошелькового лова тунцов.
Таким образом, путем задания параметров пузырьковой завесы можно эффективно подавлять шум судна в диапазоне частот, соответствующем наибольшей слуховой чувствительности рыб - объектов исследования или промысла. В результате обеспечивается снижение отрицательного воздействия гидроакустического поля судна на их поведенческие характеристики (отпугивания рыб) и уменьшение за счет этого потери улова и погрешности оценки запасов рыб.
Источники информации
1. Underwater noise of research vessels: review and recommendations // ICES Cooperative Research Report No.209. - Ed. by Mitson R.B. - 1995. - 61 p.
2. Mitson R.B., Knudsen H.P. Causes and effects of underwater noise on fish abundance estimation // J. Aquat. Living Resour., 2003. - Vol.16. - P.255-263.
3. Кузнецов Ю.А., Кузнецов М.Ю. Обоснование и разработка методов и средств промысловой биоакустики. Моногр. - Владивосток: Дальрыбвтуз, 2007. - 339 с.
4. 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) // Известия ТИНРО. - 2009. - Т.157. - С.334-355.
5. Ona Е., 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.
6. Коротков B.K. Реакции рыб на трал, технология их лова. - Калининград: МАРИНПО, 1998. - 398 с.
7. Кручинин О.Н. Тактика замета кошелькового невода и способы управления поведением рыб в зоне облова. - Владивосток: ТИНРО-центр, 2006. - 127 с.
8. Vabø R., Olsen К., Huse I. The effect of vessel avoidance of wintering Norwegian spring spawning herring // Fisheries Research. - 2002. - Vol.58. - P.59-77.
9. De Robertis A., Wilson C.D., Williamson N.J., Guttormsen M.A., Stienessen S. Silent ships sometimes do encounter more fish. 1. Vessel comparisons during winter pollock surveys. - ICES J. Mar. Sci. - 2010. - Vol.67(5). - P.985-995.
10. Underwater noise: a harmful unregulated form of pollution // IFAW and NRDC Report prepared for the Stakeholder Meeting on the European Marine Strategy. - Rotterdam, 2004. - 17 p.
11. Visser I.N. Killer whale (Orcinus orca) interactions with longline fisheries in New Zealand waters // J. Aquatic Mammals. - 2000. - Vol.26. - P.241-252.
12. Бахарев C.A. Способ искажения гидроакустического поля рыбопромыслового судна. - Патент РФ №2207590 (заявка №2002102036), приоритет 21.01.02 г.
13. Хагабанов С.М., Гулиянц Р.Ц., Корякин Ю.А., Шейнман Л.Е. Способ маскировки подводного шума рыбопромыслового судна и устройство маскировки. - Патент РФ №2215305 (заявка №2001118674), приоритет 05.07.01 г.
14. Салми П., Пакален Й., Ярви А. Способ глушения подводного звука, судно, снабженное устройством для глушения звука. - Патент РФ №2131825 (заявка №94040900), приоритет 21.11.94 г.
15. Кузнецов Ю.А. Способ снижения шумов, производимых рыбопромысловым судном // АС СССР №302276 (заявка №1405654), приоритет 13.11.70 г.
16. Кузнецов Ю.А. Влияние воздушных завес на поведение рыб // Рыбное хозяйство. - 1969. - №9. - С.53-55; №10. - С.48-50.
17. Гостомыслов Л.П., Кузнецов Ю.А. Устройство для создания воздушно-пузырьковой завесы при лове рыбы // АС СССР №936501 (заявка №3008945), приоритет 24.11.80 г.
18. Клей К.С., Медвин Г. Акустическая океанография. - М.: Мир, 1980. - 580 с.
19. Gaddis E.S., Vogelpohl A. Bubble formation in quiescent liquids under constant flow conditions // Chem. Eng. Sci. - 1986. - Vol.41, №1. - P.97-105.