MANUAL ON HYDROGRAPHY - Part 2
بسم الله الرحمن الرحيم
كما وعدناكم أمس سنستكمل قراءة مانيوال الهيدروغرافيا المنشور بواسطة المنظمة العالمية ، وسنتجاوز الفصل الثانى الذى يتحدث عن عملية تحديد الموقع Positioning والمواضيع المرتبطة به مثل The Earth: Ellipsoid, Datum, Coordinate system, Projection GPS & DGPS وذلك لأن تلك المواضيع ستجدونها فى أقسام أخرى من هذا المنتدى وإن كنت أنوى العودة لهما لاحقاً لتعم الفائدة
لقد وعدناكم بالدخول إلى فصل قياس الأعماق Depth Determination بالموجات الصوتية ولكن ... جس الأعماق من الأعمال المتكررة دوماً للمساحين البحريين والتى تتطلب وجود خلفية علمية عن موضوعات أخرى فمثلاً يجب أن يكون المساح على دراية بـ : طبيعة إنتشار الموجات فوق الصوتية فى الماء ، الخصائص الفيزيائية لمياه البحار والمحيطات ، أجهزة قياس حركة درفلة السفن motion sensors الخ ولهذا أرى أن نتعرض للمعلومات التى بدونها سيكون الحديث عن جس الأعماق مبهما وقد راعيت التبسيط قدر الإمكان وأعدك أنها لن تتجاوز مستوى فيزياء المرحلة الثانوية .. !! \
مقدمة:
من الطرق اليدوية – أى التى لا تعتمد على أجهزة إلكترونية - والتى كانت تستخدم قديما فى قياس الأعماق : حبل الإسكنديل (سلك من الصلب رفيع ومدرج بالأمتار وفى نهايته ثقل من الرصاص) و قامة الجس (تشبه قامه الميزان ولكنها بطول 2 متر فقط تستخدم لجس المناطق الضحلة )
وقد بدأ استخدام الـ Single beam echo sounder ( جهاز جس الأعماق بالصدى) منذ العام 1900 وقد أستخدم فى البداية للأغراض الحربية ومنذ الخمسنيات بدأ ظهور أجهزة الجس من النوع Multi beam echo sounder ( جهاز جس الأعماق بالصدى متعدد الأشعة )
طبيعة الصوت وشكل انتشار الموجات الصوتية Acoustic waves فى الماء ( هذا بتصرف من الكاتب):
الصوت لا يتولد إلا نتيجة حركة فمثلا الصوت البشرى ينتج من اهتزاز الأحبال الصوتية Any vibrating object generates the acoustic wave
إذن الصوت عبارة عن أحد صور الطاقة المتحولة فى الطبيعة وهو ينتقل فى أي وسط مادى (غازات – سوائل – مواد صلبة كالحديد )
ينتقل الصوت خلال الأثير من خلال تحرك طاقة الموجه الصوتية فى شكل مجموعة من التضاغطات والتخلخلات ، يشبه ذلك إلى حد كبير عندما تمسك بطرف حبل طويل ( 10 أمتار مثلا) ويقف زميلك ممسكا بالطرف الأخر ثم تقوم أنت بهز الحبل فى شكل حركة فجائية لأعلى ثم لأسفل بسرعة ينتج من ذلك موجه فى الحبل تنتقل من جهتك إلى جهة زميلك حتى يشعر زميلك بتلك الهزة وهو على بعد عشرة أمتار لاحظ أن الطاقة التى ولدتها أنت فى الحبل هى التى انتقلت خلال جزئيات الحبل بينما لم تنتقل تلك الجزئيات نفسها فعليا .... هذا هو الذى يحدث بالضبط فى طاقة الموجه الصوتية أثناء انتشارها خلال جزئيات الماده ... ولأن انتشار الصوت يعتمد على جزئيات المادة وجد العلماء أن أن سرعة انتشار الموجات الصوتية فى المواد الصلبة أعلى منها فى السوائل أعلى منها فى الهواء على عكس المتوقع ...!! بمعنى آخر سرعة الصوت فى الماء أعلى من سرعته فى الهواء أى أن: سرعة انتشار الموجات الصوتية تعتمد على نوع الوسط أو بمعنى أدق تعتمد على كثافة الوسط وكلما زادت كثافة الوسط كلما قلت المسافات البينية بين جزيئاته كلما كان ساعد ذلك بالتبعية على انتشار الموجات الصوتية بصورة أسرع وتبعاً لذلك الصوت لا ينتقل فى الفراغ..!!
لذا توصف أحيانا بأنها موجات تضاغطيه
والمثال الأشهر فى أغلب المراجع الذى يُذكر عند الحديث عن الموجات الصوتية ما يحدثه إلقاء حجر صغير على سطح الماء الساكن لبحيرة مثلا
كل موجه صوتيه لها ما يسمى بالتردد أو الـ frequency وهو عبارة عن عدد الاهتزازات أو الذبذبات التى تحدثها الموجه الصوتية فى الثانية الواحدة هذه الذبذبات تقدر بالهرتز Hertz
وجد العلماء أيضا أن الأذن البشرية تستطيع سماع الأصوات التى لها تردد من 20 هرتز إلى 20 كيلو هرتز فقط ما زاد عن 20 كيلو هرتز نسميه الموجات فوق الصوتية Ultra sonic (وهى مجال دراستنا) وما قل عن ذلك نسميه الموجات تحت الصوتية
we can hear only the sound with the frequency in the range 20 Hz- 20 kHz. The sound with the higher frequencies (ultrasound) and lower frequencies (infrasound) can be detected by special devices
من الآن فصاعدا سنذكرها اختصارا بالموجات الصوتية
من المعروف أيضا أن الموجات الصوتية تنتشر فى الأثير فى جميع الاتجاهات ولكن من الممكن لك أن تركز طاقتها فى اتجاه معين لضمان وصولها لمسافات أبعد أو لتصل لنفس المسافة بطاقة أكبر وأنت تفعل ذلك عندما تضم راحة كفيك الاثنين على هيئة بوق وتضعهما حول فمك وتصيح لتنادى زميل بعيد عنك هذا ما يحدث تماما عندما نطلق تلك الموجات فى الماء لنقيس بها العمق ولكن لا تتعجل مازال أمامنا الكثير لنتعلمه
ومن التطبيقات المشهورة جدا للموجات فوق الصوتية Ultrasonic فى الحياة العادية ما يستخدمه الأطباء للكشف عن الأعضاء الداخلية للإنسان (كالكشف عن الأجنة وعن الأورام الداخلية) ومن تطبيقاتها فى الصناعة استخدام تلك الموجات لقياس سمك الحديد فى المنشآت التى لا يمكن الوصول إليها كقياس سمك حديد بدن السفن مثلا كما يمكن استخدامها بنفس أسلوب الكشف عن الأجنة للكشف عن اللحامات الداخلية لمنشآت لا يمكن تحريكها كمنصات البترول البحرية
الموجه ومصطلحاتها :
الصوت ينتقل فى موجات وأي موجه (صوتية ، موجه راديو الخ ) لها نفس الخصائص الفيزيائية الآتية
الطول الموجى (الرمز λ) wavelength ويلفظ لاندا وهو المسافة التى تقطعها الموجه بين قمتين متاليتين ويقاس بالمتر
التردد (الرمز f ) frequency وهو عدد الذبذبات التى تحدث للموجه فى الثانية الواحدة ويقاس يالهرتز والعلاقة بينهما عكسية كلما زاد الطول الموجى قل التردد وبالعكس
سرعة الموجه الصوتية (الرمز v ) velocity وهى المسافة بالمتر التى تقطعها موجه واحده كاملة فى الثانية الواحدة
والعلاقة بين الثلاث متغيرات السابقة كالتالى
λ = v/f
السعة (والرمز Pa ) وهى حجم التغير الحاصل فى الموجه (شدة الموجة) وفى الصوت يعبر عنه بمستوى ضغط الصوت sound pressure level ويقاس بالديسيبل ورمزه dB
وهناك صورتان للموجه :
الموجات المستعرضة: وفيها تكون اتجاه انتشار الموجة عمودى على اتجاه حركة الجزئيات الناقلة للموجه كما شرحنا فى حركة الحبل السابق
Transverse Wave – A traveling wave in which the particles of the disturbed medium move perpendicularly to the wave velocity. An example is the wave pulse on a stretched rope that occurs when the rope is moved quickly up and down.
الموجات الطولية: وفيها يكون اتجاه انتشار الموجه فى نفس اتجاه حركة جزئيات المادة المتحركة
Longitudinal Wave – A traveling wave in which the particles of the medium undergo displacement parallel to the direction of the wave motion. Sound waves are longitudinal waves.
ويجب ملاحظة أن الموجة المتولدة من إلقاء حجر صغير فى البحيرة هى خليط من النوعين
وعندما ينتقل الصوت فى الهواء أو الماء فإن موجاته تأخذ شكل الثانى الطولية لأن وسط الموائع (غاز - سوائل) ضعيف جدا لنقل الموجات المستعرضة والتى لا تظهر إلا فى الأوساط الصلبة .. حتى الآن لم نخرج عن موضوعنا فالاوساط المائعة هى مياه البحار والأوساط الصلبة هى قاع البحر أيا كان نوعه
يقول الدكتور رفعت رشاد فى كتابه الاقمار الصناعية والملاحة الإلكترونية "أجهزة الجس بالصدى لا تقيس العمق مباشرة ولكنها تقيس الوقت المستغرق لنبضة صوتية تقوم بإرسالها بين لحظة الإرسال ولحظة الاستقبال بعد انعكاسها وعودتها من قاع البحر ويتم بعد ذلك تحويل فرق الوقت إلى عمق بمعرقة سرعة انتشار الموجات الصوتية فى الماء والتى يفترض أنها ثابتة فى المنطقة التى يتم فيها حساب العمق"
والآن كيف يمكن توليد الموجات فوق الصوتية ؟
نعتذر عن الإطالة وللحديث بقية
شكرا لمتابعتكم
MANUAL ON HYDROGRAPHY - Part 3
توقفنا فى المقالة الثانية عند فقرة كيف يمكن توليد الموجة الصوتية فى الماء
لتوليد الموجات فوق الصوتية فى الماء سنحتاج لجسم يتحرك بشكل ترددى Oscillatory Motion وبسرعة شديدة أو بمعنى أدق يتذبذب بتردد عالى حتى يحدث تخلخلات وتضاغطات فى الماء مكونه للموجة الصوتية ولكن على شكل نبضات تماما كما يحدث فى القلب البشرى فهو يقوم بالانقباض لضخ الدم فى الشرايين فى النبضة رقم 1ثم يتوقف لجزء من الثانية ليعاود الانقباض مرة أخرى محدثا النبضة رقم 2 وهكذا نفس الشئ يحدث هنا فنحن - لقياس العمق - نحتاج إلى توليد موجه صوتية ثم الانتظار فترة زمنية قصيرة حتى نترك لها الفرصة لقطع رحلتها لقاع البحر ثم العودة فنطلق النبضة الثانية وهكذا ... وسنستعمل التيار الكهربى كأحد صور الطاقة لتحريك ذلك الجسم وهو ما يطلق عليه المذبذب
للأسف النبضة الصوتية التى نتحدث عنها ليست بتلك البساطة فهناك الكثير من التعريفات الأخرى كالنبضات المتضائلةpulse damped والعادية un- damped pulse والفقد فى طاقة النبضة attenuation loss والامتصاص الذى تتعرض له absorption من خلال الوسط والقوانين التى تحكم الحركة فيما يسمى SONAR equation (بالمناسبة سونار اختصار للجملة SOund NAvigation & Ranging وتعريبها الملاحة باستخدام الصوت) وستنغمس حتى أذنيك فى المعادلات الرياضية ولكن إذا أردت المزيد ادخل جوجل Googleوأكتب sonar OR speed of sound in water وستجد المزيد
المذبذبات Transducer
فى البداية كانت تصنع المذبذبات – والكلام هنا للدكتور رفعت رشاد – من رقائق من حلقات النيكل ترص على شكل حزم مترابطة ويمر بشكل عمودى عليها ملف من سلك نحاسى معزول فإذا مر تيار كهربى كبير مع فرق جهد متوسط فيتولد مجال مغناطيسى فتهتز الرقائق اهتزازات ميكانيكية فتتولد الموجات الصوتية وكلما كثرت حلقات النيكل كلما زادت شدة الذبذبة المتولدة : انتهى كلام دكتور رفعت.
أما المذبذبات الحديثة فتستعمل ما يسمى بالـ piezoelectric effect وهى ظاهرة تم اكتشافها عام 1880- بالصدفة - فى معدن الكوارتز الذى يوجد فى الطبيعة ... هذه الظاهرة مؤداها أنك إذا عرضت أحد أوجه كريستاله من الكوارتز لتيار كهربى فإنها تتذبذب من تلقاء نفسها وبالعكس أى أنها إذا تعرضت لاهتزازات سريعة متذبذبة فإنها تنتج تيار كهربى ضعيف !!! ومن التطبيقات الأخرى لتلك الظاهرة الميكرفون الذى تضعه أمام فمك وتتكلم فتنتقل ذبذبات صوتك لترتطم بالكريستاله لتتذبذب بنفس التردد فتنتج تيار كهربى متغير الشدة يسير عبر الأسلاك النحاسية معبرا عن ذبذبات صوتك !!
وقد استطاع العلماء الألمان تصنيع مادة لها نفس خصائص الكوارتز الطبيعى تتكون من خليط من السيراميك والزركونيوم (فلز نادر) والرصاص وغيرها .
Piezoelectric Effect; appearance of an electrical potential across some faces of a crystal when it is under pressure, and of distortion when an electrical field is applied. Pierre Curie and his brother Jacques discovered the effect in 1880. It is explained by the displacement of ions, causing the electric polarization of the crystal’s structural units. When an electrical field is applied, the ions are displaced by electrostatic forces, resulting in the mechanical deformation of the whole crystal. Piezoelectric crystals are used in such devices as the transducer, record-playing pickup elements, and the microphone.
This effect occurs naturally in quartz crystals, but can be induced in other materials, such as specially formulated ceramics consisting mainly of Lead, Zirconium, and Titanium (PZT).
انظر الصورة التالية
http://www9.0zz0.com/2009/06/02/03/158566564.jpg
سرعة الصوت فى الماء
تبلغ سرعة انتشار الصوت فى الهواء حوالى 343 متر/ثانية إذا كان الهواء جافاً ودرجة حرارته 20 درجة مئوية ، بينما تبلغ سرعة انتشار الموجات الصوتية acoustic waves فى الماء حوالى 1500 متر/ثانية ونقول حوالى لأن سرعة الصوت فى الماء تتأثر بثلاثة عوامل: درجة حرارة الماء temperature الملوحة Salinity العمق Depth أو الضغط
أولا الحرارة حرارة المياه السطحية دائما أعلى من الطبقة السفلية حيث تتعرض تلك الطبقة لنفاذ أشعة الشمس خلاله والتى ترفع درجة حرارتها نسبيا وتختلف سمك تلك الطبقة السطحية تبعا لموقعها الجغرافى وبشكل عام تقل درجة الحرارة بالاتجاه لأسفل أى بزيادة العمق وفى الأعماق الكبيرة تصبح الحرارة ثابتة إلى حد كبير عند درجة 4 درجة مئوية وتقول الأبحاث أن ارتفاع درجة الحرارة بمقدار درجة واحدة مئوية يسبب زيادة سرعة الصوت بمقدار 3 متر/ثانية وفى ضوء شرحنا السابق لكيفية انتشار الصوت فى الماء هل تستطيع تعليل السبب ؟ السبب هو زيادة درجة الماء تؤدى إلى تمدد ضئيل لجزئيات الماء مما يؤدى إلى أن يصبح الوسط المائع – وهو الماء – أكثر مرونة elasticity مما يقلل من كمية الطاقة المهدورة للموجة
العمق أو الضغط: الضغط يؤثر أيضا على سرعة الصوت ويقصد به الضغط الذى يحدثه وزن عمود الماء وهذا يعنى اننا يمكن أن نستخدم العمق للتعبير عن الضغط ومن الأبحاث أيضا نجد أنه كلما زاد الضغط 10 ضغط جوى (تساوى 100 متر عمق) زادت سرعة الصوت فى الماء بمقدار1.7 متر/ثانية أى أنها علاقة طردية: كلما زاد العمق زادت سرعة انتشار الصوت فى الماء
الملوحة: وهى تقاس بكمية الأملاح المذابة مقدرة بالجرام فى وحدة الحجوم من ماء البحر مقدرة بالليترات ويرمز لها بـ ppt أو جزء فى الألف والمتوسط العام للملوحة فى البحار والمحيطات حوالى 35 جزء فى الألف والملوحة تتغير تبعا لعوامل كثيرة أهمها كميه الماء العذب المنصرف من مصبات الأنهار وخصوصا فى البحار شبه المغلقة و عملية تجمد الماء فى القطبين (كتل الجليد المتجمد تحتوى على الماء العذب) وتأثير عملية البخر بفعل أشعة الشمس فى المناطق المدارية على طبقة المياه السطحية وأيضا وجد العلماء أنه كلما زادت الملوحة بمقدار جزء واحد فى الألف كلما زادت سرعة الصوت فى الماء بمقدار 1.3 متر/ثانية (علاقة طردية أيضا) هل تستطيع تعليل السبب ؟ حاول ..!!
وتلك العوامل الثلاثة من الأهمية بمكان فى قياس العمق بالصوت لأن المساح حين يقيس العمق (مسافة) يستخدم قانون المسافة = السرعة × الزمن ولما كان قياس الزمن ممكنا ودقيقا فكيف يفترض ثبات سرعة الصوت فى منطقة المسح وهو يعلم أنها متغير حسب العمق والحرارة والملوحة معنى ذلك أن القراءات سيكون بعضها خاطئ إن لم يستخدم السرعة الحقيقة للصوت والتى تتغير دوما فكيف نستطيع معرفة ذلك ؟ باستخدام جهاز يسمى CTD (conductivity, temperature & Depth detector) هذا الجهاز به ترمومتر حساس لقياس درجة حرارة الماء وبه خلية كهربية تقيس موصلية ماء البحر للتيار الكهربي ومنها يتم استنتاج درجة الملوحة وأخيرا بها مقياس للعمق وهكذا يعطيك هذا الجهاز الثلاث متغيرات فى خطوة واحدة .... يستخدم المساح تلك القيم الثلاثة للتعويض فى معادلة حساب سرعة انتشار الصوت فى الماء كالاتى
انظر المعادلة
* هذه المعادلة تم تبسيطها بواسطة العالم مدوين Medwin عام 1975 وهى صحيحة حتى عمق ألف متر فقط
خصائص انتشار الصوت فى الماء
عندما ينتشر الصوت فى الماء – كما سبق توضيحه – تفقد الموجه الصوتية جزء من طاقتها acoustic energy وذلك راجع لأن عملية نقل التضاغطات عبر جزئيات الماء لا تتم بصورة كاملة is not 100% efficient بعض من طاقة الموجة يتحول إلى حرارة متبددة (صورة أخرى من تحول الطاقة ) هذا الفقد فى الطاقة يسمى التضاؤل attenuation
من المفيد جدا استخدام الموجات الصوتية فى الماء ( لقياس العمق وللاستشعار عن بعد كأجهزة كشف العوائق بالسونار فى الغواصات ) حيث أنها تتميز بقدرتها على قطع مئات الكيلومترات فى الماء بدون فقد يذكر فى طاقتها ، على عكس الضوء و موجات الراديو (الموجات الكهرومغناطيسية ) والتى تفقد تقريبا كل طاقتها بعد أمتار قليلة فى الماء
يتوقف مستوى التضاؤل فى طاقة الموجة الصوتية على التردد فالموجة ذات التردد العالى تفقد طاقتها بسرعة بينما الموجات ذات التردد المنخفض تستطيع الوصول لقاع المحيط السحيق على أعماق وصلت لأحد عشر ألف متر فى خندف مارياناس
"The deepest point in the ocean is generally believed to be in the Marianas Trench in the Western Pacific Ocean at approximately 36,160 feet (11,021 m), according to the Rand McNally Atlas (1977(
عندما تصطدم النبضة الصوتية بقاع البحر (صخرى أو رملى الخ) فان الجزء الأول منها ينكسر fraction ويكمل انتشاره فى الوسط الجديد بينما الجزء الثانى من النبضة ينعكس reflected وتكون زاوية الانعكاس مساوية لزاوية السقوط حسب قانون سنيل والجزء الثالث والباقى من طاقة النبضة يحدث له تشتت scattered وهو انعكاس نتيجة أن قاع البحر ليس مستوى ولا أملس ولا متجانس لذا لا ينطبق عليه قانون سنيل والسؤال هنا كم تكون كميه الطاقة فى كل جزء من الأجزاء الثلاث السابقة ؟ هذا يعتمد على نوع القاع وعلى زاوية سقوط النبضة الأصلية
النبضة المرتدة من القاع تسمى echo أو صدى وهى تحتفظ بنفس خصائص الموجة الأم من حيث التردد وهذه هى مجال دراستنا التى سنتعامل معها عند الحديث عن أجهزة الـ echo sounder
انظر الصورة رقم 3 المرفقة
سنكتفى بهذا القدر فى الحديث عن الصوت ولنبدأ بدراسة النظرية العلمية لعمل وتركيب أجهزة الجس بالصدى Single beam Echo sounder
وللحديث بقية ... تابعونا
آسف للإطالة .. وأشكركم على متابعتكم
MANUAL ON HYDROGRAPHY - Part 4
بسم الله الرحمن الرحيم
أعزائى يبدو أن مقالاتى طويلة بعض الشئ ولكن هذا من تحمسى لعرض هذا الفرع من علوم المساحه بشكل جيد وبدون الاختصارات التى عانيت منها فى بداية حياتى العملية والتى تبتر المضمون فكانت تأتينى المعلومه كقطع البازل فلم تتضح الصورة إلا بعد فترات طويلة من البحث .. على أيه حال هى عمل بشر يتحمل النقص والعيب ، وبمشاركتم وتعليقاتكم ومناقشاتكم نصل بها لمستوى أفضل وأنا فى إنتظاركم
والآن إلى المقالة الرابعة فى سلسلة قراءات فى مانيوال الهيدروغرافيا
العمل فى جس الأعماق بالصدى Echo Sounder Operation
يتم عمل المساحة الباثيمترية bathymetry عن طريق أخذ جسات الأعماق بالإيكوسوندر وفى نفس الوقت موقع تلك المواضع التى أخذت جسات لها بأى جهاز لتحديد الموقع
In bathymetry, the object to be positioned is frequently the seabed. Usually, the horizontal position of a surface vessel is obtained first, and then the distance between the vessel and the seabed,
وكما سبق فإن العمق المقاس يتم بقياس فرق الزمن الذى استغرقته النبضة فى رحلتها من المذبذب إلى قاع البحر وارتداد صداها مرة إلى المذبذب وعليه يكون العمق = سرعة النبضة × زمن الرحلة / 2 لأن النبضة قطعت العمق مرتين ذهابا وعودة
A basic echo sounder, used to measure the pulse's two-way travel time through the water column,
انظر الصورة التالية
التركيب العام لأجهزة الإيكوسوندر
انظر الصورة التالية
1) :transmitter / receiver وحدة مرسل/مستقبل يقوم بتمرير الطاقة الكهربية إلى المذبذب ويرسل وقت إطلاق النبضة إلى وحدة التسجيل
2) مذبذب Transducer مثبت فى قاع السفينة يقوم بتحويل الطاقة الكهربية إلى نبضة صوتية ويرسلها فى الماء ثم يقوم باستقبال الصدى المرتد من القاع ويحولها إلى تيار كهربى ثانية
3) Amplifier دائرة استقبال النبضة المرتدة وتقوم بتكبير الإشارة وإرسالها إلى وحدة التسجيل (وأحيانا يسمونها وحدة الإظهار ) مع تحديد وقت الارتداد وإرساله إلى وحدة التسجيل
4) Recorder وحدة التسجيل وتقوم بحساب فرق الوقت الذى قطعته النبضة ومن ثم تحسب العمق الذى يساوى سرعة النبضة × زمن الرحلة / 2 لأن النبضة قطعت العمق مرتين ذهابا وعودة ، وتقوم أيضا بإظهار ذلك على وحدة الإظهار (وتكون عادة رول ورق يشبه المستخدم فى أجهزة الفاكس) ... وتتكرر تلك العملية بتردد عالى (أي أنها تكرر فى الثانية الواحدة مئات المرات)
وفى الأجهزة الحديثة يمكنك إختيار ما بين استخدام نبضه صوتية ذات تردد عالى أو منخفض
التردد المنخفض يناسب الأعماق الكبيرة – لماذا ؟ - ويحتاج إلى مذبذبات كبيرة الحجم
التردد العالى يناسب الأعماق الصغيرة والضحلة ويستخدم مذبذبات أصغر حجما
فى الأعماق الصغيرة عادة يتم استقبال صدى النبضة الأولى قبل أن يتم إطلاق النبضة الثانية ولكن فى الأعماق الكبيرة يتم إطلاق العديد من النبضات قبل أن يصل صدى النبضة الأولى وذلك للتغلب على فشل أحد تلك النبضات فى الارتداد (بسبب تشتتها كليا فى القاع أو تضاؤل شدتها قبل الوصول للقاع )
يجهز المستقبل بوحدة تسمى Time Varying Gain والتى تقوم بخفض كمية الإشارات الواصلة للمستقبل بعد وقت إطلاق النبضة الأم مباشرة وذلك فما يسمى بفلترة الأصداء المنعكسة الغير مرغوب فيها ، كذلك لابد أن يكون عرض حزمة الإشارات التى يستطيع تلقيها bandwidth المستقبل كافى لاستقبال الأصداء المنعكسة أثناء حركة سفينة المسح فيما يسمى بالـ Doppler shift (سنشرح تلك النقطة لاحقا)
انظر الصورة التالية
من المصطلحات المتعارف عليها ما يسمى resolution ويقصد بها دقة الجهاز فى قياس العمق و بمعنى أدق قدرة الجهاز على كشف الأهداف وتتأثر تلك الدقة بالعوامل الآتية:
فترة النبضة plus period
زاوية سقوط النبضة على الهدف plus incidence angle
طبيعة الهدف (قاع البحر ، أسراب السمك ، نباتات قاع البحر الخ) seabed
عرض حزمة الإرسال band width
وتقدر أقل إمكانية تمييز للإيكوسوندر بنصف طول النبضة ، فلو كان هناك جسمين منفصلين والمسافة بينهما أقل من نصف طول النبضة واستطاع الجهاز رصدهما فسيظهران كهدف واحد أما إذا كان الجسمان منفصلان عن بعضهما بمسافة أكبر من نصف طول النبضة فسيظهران كجسمين منفصلين two separate echoes يتضح ذلك من الشكل السابق فمثلا نفترض أن تردد النبضة 15 كيلو هرتز وتستمر لفترة 1 مللى ثانية – عمرها 1 مللى ثانية – وعلى اعتبار أن سرعة الصوت فى ماء البحر تساوى 1500 متر / ثانية وعليه فإن الطول الموجى للنبضة = 1500 م/ث ÷ 15000 هرتز = 0.1 متر ويكون طول النبضة = 1.5 متر وعليه فإن أقل أبعاد لهدف يمكن رصده هو 75 سنتيمترا وللحديث بقية ..
أشكركم على متابعتكم
شكرا
Manual on Hydrography - Part 5
بسم الله الرحمن الرحيم
إخواني الأعزاء .. مازلنا نستعرض معا مانيوال المنظمة العالمية للهيدروجرافيا .. أحب أن أوضح أن الهدف – والله من وراء القصد - محاولة استعراض مواضيع المساحة البحرية بشكل مبسط لا يخل بالقيمة العلمية ولكن ليس الشرح الكامل لها ولطريقة تركيب أجهزتها أو تشغيلها ....
والآن إلى المقالة الخامسة
شكل حزمة المذبذب Transducer beam pattern
انظر الصورة التالية
لقياس العمق الحقيقى بشكل صحيح لابد أن تنطلق النبضة من المذبذب للهدف مباشرة أى فى خط مستقيم كما أن ذلك يحافظ على قوتها من التضاؤل ولكن ذلك لا يحدث فى الواقع ... يقول الدكتور رفعت رشاد " فعند صدور الموجات الصوتية من المذبذبات فى الماء فإنها تنتشر فى جميع الاتجاهات وبالطبع فإنه ليس من المناسب أن نجعل طاقة النبضة تتشتت فى جميع الاتجاهات لذا وجب علينا توجيه هذه الطاقة فى حزمة يطلق عليها Beam أو شعاع مركز فى اتجاه قاع البحر" انتهى كلام الدكتور رفعت
تكون شكل الحزمة لمذبذب اسطوانى الشكل على هيئة مخروط تتراوح زاوية رأس المخروط vertex angle بين درجتين إلى 30 درجة وتتركز معظم طاقة النبضة فى الخط العمودى الواصل من رأس المخروط إلى قاعدته
The beam pattern of circular transducers is of the shape of a cone whose vertex angle varies between 2° and 30°.
والزاوية θ (تلفظ ثيتا) هى زاوية الحزمة و التى هى نصف زاوية رأس المخروط أو عرض الحزمة أو Bandwidth وهو مجموع زوايا الحزمة total beam angle أو 2θ وتأخذ الرمز β (تلفظ بيتا)
ويمكن حساب bandwidth بالدرجات من المعادلة
β = 65 λ/d
حيث λ هى الطول الموجى و d هو قطر سطح المذبذب ولابد من استعمال نفس وحدات المسافة لكليهما
وفى حالة إذا كان شكل المذبذب مربعا ستختلف المسألة كليا ولكن معظم أجهزة الـ Echo sounder فى السوق حاليا ذات مذبذبات دائرية
طريقة تثبيت المذبذب : Transducer Installation
تثبيت المذبذب يكون على جانب السفينة بواسطة ماسورة pole طويلة أو مثبتا بأسفل البدن نفسه بحيث يكون أفقيا تماما فى الماء انظر الصورتين التاليتين
ومن أهم العوامل المؤثرة على أداء الجهاز ككل هو مكان وطريقة تثبيت المذبذب على السفينة ، وعند اختيار مكان لتثبيته ضع في اعتبارك الآتي :
المذبذب جهاز حساس للغاية يجب تداوله بعناية وعدم تركه على الأرض أثناء التركيب ولا وضعه بشكل يتعرض فيه للصدمات
يجب الحفاظ على المذبذب نظيفا وخاصة إذا كانت يديك بها شحوم أو آثار زيوت .... وما أكثرها على ظهر السفن ..... الذى لا يعرفه الكثيرين أن اتساخ المذبذب بالشحم أو الزيت وما إلى ذلك من مواد زلقة greasy يمنع النبضة تماما من انطلاقها فى الماء حيث تقوم مقام العازل
يجب وضع المذبذب في مكان يسمح له بأن يلتقط الموجات الصوتية القادمة من الهدف وهو قاع البحر لذا يجب أن تكون ماسورة التثبيت بعيدة بمسافة كافية عن جانب السفينة وكذا أفقية تماما
يجب إبعاد المذبذب قدر الإمكان عن مصادر الضوضاء والشوشرة الصوتية مثل: رفاصات السفينة – غرفة الماكينات الرئيسية – المولدات – هيدروفون أجهزة تحديد الموقع تحت الماء ... الخ
لتقليل احتمالية حدوث الأصداء اختر مكان تثبيت للمذبذب بحيث يكون أبعد ما يمكن عن أي سطح عاكس للموجات الصوتية تحت الماء وذلك حتى نتجنب ظاهرة الشوشرة نتيجة الصدى multi-path (يمكن للموجة الصوتية المنعكسة أن تصل قبل أن تصل أصداء الموجه الأم ) وعادة أقرب عاكس للموجات الصوتية هو بدن السفينة نفسه أو أي لوح معدني كدفة السفينة وينصح بألا تقل المسافة بين المذبذب وبدن السفينة عن واحد متر
من السطوح العاكسة للموجات الصوتية الفقاقيع الناتجة عن رفاصات السفينة ويلاحظ أن أغلب سفن المسح لها رفاصات فى مقدم السفينة وفى مؤخرها لذا فأن انسب مكان هو التركيب فى منتصفها
ولاحظ أن تلك الماسورة يتم تصنيعها محليا فهى لا تأتى مع الجهاز من المصنع وعندما تصمم ماسورة للمذبذب راع الأتي:
• إن الغرض الأساسي من تثبيت المذبذب هو أن يكون أفقياً تماماً في الماء
• أن يثبت أسفل سطح الماء بما لا يقل عن عن متر واحد وهذا يتطلب أن يكون طول الماسورة كاف انظر الصورة التالية
• ماسورة المذبذب يجب أن تكون قوية بشكل كاف بحيث تقاوم الضغوط التي ستتعرض لها أثناء العمل ( ستسير تلك الماسورة بسرعة السفينة حاملة معها وزن المذبذب وتشق سطح الماء لذا يمكن أن تتعرض للانثناء إذا لم تكن قوية بشكل كاف ويستعمل حبلين من الجهتين لإحكام وضع الماسورة ومنعها من الاهتزاز أثناء تحرك السفينة )
• لابد من توافر سهولة تثبيت وحل الماسورة بشكل آمن وسريع فقد تقوم سفن أخرى بالرباط على سفينتك أثناء العمل واضعا في اعتبارك إمكانية تنفيذ ذلك بالأفراد والأوناش المتاحة كما أنك لابد أن ترفع الماسورة من الماء أثناء الإبحار
• لابد من يكون تصميم الماسورة والحامل الخاص بها يسمح بزيادة أو تقصير المسافة التى تفصل سطح الماء عن المذبذب لتصحيح أى فروق قد تحدث ففى الصورة المرفقة رقم 4 لابد أن تكون مسافة الغمر draft ثابتة طيلة عملية المسح
MOTION SENSORS أجهزة تصحيح حركة السفن
Operation of a narrow beam: echosounder requires the transducer to be mechanically or electronically stabilized for roll and pitch motion of the vessel.
تتطلب عمليات الجس بأجهزة (الايكوسوندر) ذات الحزم الاحادية تثبيت المذبذب بشكل يسمح بقياس العمق الحقيقى وقت حركة السفينة ورغم أن هناك حدود لسرعة السفينة (يجب ألا تتعدى سرعة السفينة فى بعض عمليات المسح 3 عقدة أو أقل)
( العقدة هى وحدة قياس للسرعه وهى تساوى ميل بحرى واحد فى الساعة و الميل البحرى هو وحدة قياس أطوال وهو يساوى تقريبا طول القوس على دائرة عرض الإستواء المقابل لزاوية قدرها دقيقة واحدة عند مركز الارض وذلك بين أى خطى طول وهو يساوى 1852 متر تقريبا )
حتى لا تؤدى سرعتها إلى تمايلها الشديد طوليا وعرضيا (يطلق عليها درفلة السفن وهو تعبير لا أصل له فى اللغة العربية وإنما هو شائع بين من يعملون بالبحر) بشكل يؤثر على دقة البيانات إلا أنها تظل طول الوقت تتمايل على محوريها شأنها شأن أى جسم طافى على الماء وإذا عرفنا أن يمكننا أن نتخيل أن أقل "درفلة" للسفينة سينتج عنه قياس عمق غير حقيقى ...... وللحديث بقية
شكرا لمتابعتكم