Вопросы мониторинга биомассы сине-зеленых водорослей с использованием параметрических антенн

Таким образом, применение гидроакустических технологий в экспериментальных работах по контролю расположения частей опор моста, таких как использование гидролокаторов бокового обзора с высокой разрешающей способностью и параметрических профилографов со сложным сигналом, позволило оценить расположение как подводной , так и надводной частей опор моста, что говорит о возможности построения приборов контроля и разработки технологии контроля.

]

I—]

Рис. 2. Эхограммы трех фундаментов опор моста

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Воронин В.А., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Гидроакустические параметрические системы. - Ростов-на-Дону: Росиздат, 2004. - 368 с.

В.А. Воронин, П.П. Пивнев, В.В. Кобзев

ВОПРОСЫ МОНИТОРИНГА БИОМАССЫ СИНЕ-ЗЕЛЕНЫХ ВОДОРОСЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ АНТЕНН

Сине-зеленые водоросли в больших количествах развиваются в пресных водах, вызывая цветение воды, что приводит к гибели рыб. Азовское море, особенно Таганрогский залив, относится к пресноводным водоемам, и в течение лета в нем развивается огромное количество сине-зеленых водорослей.

Экологи заметили нарушение естественного соотношения содержания азота и фосфора в водах Азовского моря. Вместо среднемноголетнего отношения азот/фосфор, равного 10:1, эта величина постепенно достигла значения 20:1. Между тем, азот и фосфор - необходимый кормовой ресурс для водорослей, которые, в свою очередь, служат пищей для других живых существ. Когда в море отношение запасов азота к запасам фосфора близко к отношению азот/фосфор в клетках водо-

г.;

' 1 ' г. .

** - . ^ ^

' :  "  ..л: '    - .

1  '

Ч‘ . .   'у . V .*) < ...»

1 •  . , .  , м 1 I 1 -1 . - 11  *У: . -

1.•  г  ; >' \ : .

рослей, то в биологическом круговороте активно “работают”, как минимум, две обратные связи (как по азоту, так и по фосфору). При значительном накоплении одного из элементов, например азота, ослабляется действие обратной связи по азоту. Сокращение активных обратных связей может привести к дестабилизации водной экосистемы.

Нарушение баланса азот/фосфор в водорослях приводит к тому, что рыбы в море становится все меньше.

В нарушении минерального баланса Азовского моря ученые склонны винить сине-зеленые водоросли, в изобилии заселяющие акваторию низовьев Дона и морские прибрежные воды.

Для того чтобы лучше понять все процессы, происходящие на Азове, предлагается производить мониторинг акватории с помощью параметрических акустических систем.

В строении сине-зеленых водорослей различают внешний слой - хромото-плазму и внутреннюю часть - центроплазму, в состав которой входят ядерное вещество, рибосомы и др. У планктонных видов, к которым относятся сине-зеленые водоросли Азовского моря, имеются газовые вакуоли. Таким образом, чем больше биомасса сине-зеленых водорослей, тем больше содержание газа в объеме воды в приповерхностном слое моря [1].

Концентрацию газовых включений можно определить акустическими приборами, основанными на взаимодействии акустических волн с газовыми пузырьками. На пузырьках газа происходит рассеяние волн, они активно поглощают энергию звуковых волн и повышается нелинейный параметр среды.

Рассмотрим влияние затухания звуковых волн на результат взаимодействия акустических волн в параметрической антенне. При анализе характеристик параметрических антенн в зависимости от концентрации пузырьков необходимо учитывать, что в параметрической антенне существуют волны с существенно различными частотами, отличающиеся в десятки раз.

При этом обратим внимание, что преобладающие резонансные размеры пузырьков могут находиться в одном случае в области частот волн накачки, в другом

- в области волн разностной частоты и в третьем случае - в области промежуточных частот.

Для анализа воспользуемся известным выражением для определения затуха -ния акустических волн в среде с газовыми пузырьками [2,3]:

а2•п -(д/ка)• йа

4-я!

X О2 +д2

где Х1 и Х2 - минимальный и максимальный радиусы пузырьков, находящихся в среде; п

- концентрация пузырьков газа в среде; д = ка + 4 -у 2- постоянная затухания;

2л /а

О = \ ~у I -1; к - волновое число; а - резонансный радиус пузырька.

В среде без пузырьков для расчета объемного коэффициента поглощения восполь -зуемся выражением Стокса - Кирхгофа:

4"+,’)+к [ с; “ с-

2 • р- с

где г) - динамическая вязкость, г/1 - объёмная вязкость, Ср - удельная изобарная теплоёмкость, Су - удельная изохорная теплоёмкость, р - плотность жидкости, с -скорость звука в жидкости.

Для конкретности будем рассматривать среду с пузырьками, резонансные размеры которых лежат в диапазоне от 20 до 200 кГц. Нижняя граница определяется в области частот волн разностной частоты, а верхняя - в области частот волн накачки.

На рис. 1 - 3 приведены графики, показывающие изменения затухания акустических волн в среде с пузырьками для значений п = 1000 (кривая 1), п = 100 (кривая 2) и объемное поглощение (кривая 3).

На рис. 1 приведена зависимость коэффициента затухания от частоты для пузырьков с резонансной частотой 150 кГц. На рис. 2 показана такая же зависимость для пузырьков с резонансной частотой 80 кГц, а на рис. 3 - для пузырьков с резонансной частотой 20 кГц. То есть, в первом случае резонансные размеры пузырьков попадают в частотный диапазон волн накачки, а в третьем - в диапазон частот волн разностной частоты. Второй случай приведен для пузырьков с резонансными размерами в промежуточной области частот.

2-10 4-10 б -10 8 -10 1 -10" 1.2-10“ 1.4-10“

I кГц

Рис. 1. Зависимость коэффициента затухания от частоты для пузырьков с резонансной частотой 150 кГц

Рассмотрим некоторые характеристики параметрической антенны для анализа влияния концентрации газовых пузырьков.

Для анализа воспользуемся решением уравнения Хохлова - Заболотской -Кузнецова в виде [1 - 6]

I  ехр| - г/-

рн (г) =-----------}---------------------ехр(-(1 АУ у)------------------------

' 1- г'(г - у)/ ЬЛ + у\ + -^

где Ь3 = — - длина зоны затухания ВРЧ, а - коэффициент затухания для ВРЧ,

а _

13 = — - длина зоны затухания волн накачки, ¡Лх = а2т1/2с0 , ¡а2 = а2ю2/2с0 - длина а

зоны дифракции для волн накачки; Ьа = а2^/4с0 - длина зоны дифракции для раз-

ностной частоты; ю1,ю2 - круговые частоты волн накачки; О - разностная круговая частота. Под величиной Рн понимается приведённая амплитуда ВРЧ, равная

р = р .8 • С2-Ро • Р01 • Р02 •а 2 н - е-П2 .

кГц

Рис.2. Зависимость коэффициента затухания от частоты для пузырьков с резонансной частотой 80 кГц

кГц

Рис. 3. Зависимость коэффициента затухания от частоты для пузырьков с резонансной частотой 20 кГц

Построим осевое распределение волны разностной частоты для параметрической антенны, работающей в воде с воздушными пузырьками, для трех приведенных резонансных размеров пузырьков. Расчеты будем проводить для следующих параметров антенны накачки и сигналов: средняя частота волны накачки

- 150 кГц; частота волны разностной частоты - 20 кГц, ширина характеристики направленности в излучении - 3 градуса, удельная мощность на преобразователе накачки - 3 Вт/см [7].

На рис. 4 и 5 приведены осевые распределения амплитуды волны разностной частоты, генерируемой параметрической антенной с вышеприведенными параметрами для трех значений размеров пузырьков. Кривая 1 показывает осевое распределение амплитуды волны разностной частоты для резонансных размеров пузырьков в области частот накачки, кривая 2 - в области промежуточных частот, а кривая 3 - в области частот волн разностной частоты.

Распределения, приведенные на рис. 4, характерны для концентрации пузырьков п = 100, а распределения на рис. 5 - для концентрации пузырьков п =1000.

Z, м

Рис. 4. Осевые распределения амплитуды волны разностной частоты для n = 100

Анализ распределений показывает, что наибольшее влияние на амплитуду волны разностной частоты оказывает затухание в области частот волн разностной частоты, что, несомненно, связано с короткой длиной параметрической антенны при выбранных параметрах (длина зоны дифракции волн накачки, в которой происходит интенсивное взаимодействие волн и, следовательно, интенсивная генерация волн разностной частоты, порядка 2, 3 метров). Увеличение количества пузырьков в единице объема приводит к более интенсивному затуха -нию. Так, на расстоянии 10 м от поверхности преобразователя накачки увеличение количества пузырьков с резонансными частотами в области частот волн разностной частоты в 10 раз приводит к уменьшению амплитуды волны разностной частоты с 700 Па до примерно 100 Па, в то время как такое же увеличение количества пузырьков с резонансными частотами в области частот накачки уменьшает амплитуду волны разностной частоты с 850 до 700 Па.

Анализ полученных результатов показывает, что для мониторинга биомассы сине-зеленых водорослей с использованием нелинейного взаимодействия волн необходимо выбрать частоту разностной волны в диапазоне резонансных частот газовых пузырьков, при этом диапазон волн накачки может быть выбран достаточно произвольно.

Рис. 5. Осевые распределения амплитуды волны разностной частоты

для n = 1000

Таким образом, измеряя характеристики параметрической антенны, можно анализировать концентрацию газовых пузырьков в объеме воды, а следовательно, и величину биомассы сине-зеленых водорослей.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Еленкин А.А. Сине-зелёные водоросли СССР. - М., Л: Изд-во АН СССР, 1938. Вып.1. Специальная часть. - 984 с.

2. Колобаев П.А. Исследование концентрации и статистического распределения размеров пузырьков, создаваемых ветром в приповерхностном слое океана // Океанология. 1975. Т. 15. №6. С. 1013 - 1017.

3. Medvin H. It situ acoustic measurements of microbubles at sea. - J. Geoph. R6s., 1977. V. 82. №6. Р. 971 - 976.

4. Воронин В.А., Тарасов СП., Тимошенко В.К Гидроакустические параметрические системы. - Ростов-на-Дону: Росиздат, 2004. - 368 с.

5. Новиков Б. К., Руденко О.В., Тимошенко В. И. Нелинейная гидроакустика. -Л.: Судостроение, 1981. - 265 с.

6. Новиков Б. К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. - Л.: Судостроение, 1990. - 252 с.

7. Воронин В.А., Кобзев В.В. Исследование характеристик параметрической антен-

ны в приповерхностном слое моря // Нелинейная гидроакустика: Труды конференции. - Ростов-на-Дону, 2006. - С.88 - 94.