Лаборатория акустического зондирования океана

Номер
2/4
Название отдела
Акустика океана
История

Лаборатория акустического зондирования океана была организована в 1988 г. на базе лаборатории морской техники, созданной в Институте в 1975 году, руководителем которой был к.т.н. Альберт Иванович Гореликов. Основное направление деятельности лаборатории в то время – создание мощных низкочастотных гидроакустических излучателей.

После реорганизации лаборатория получила название лаборатория акустического зондирования океана. Ее возглавил д.ф.-м.н. Лев Федосеевич Бондарь. Тогда же в лабораторию пришел с.н.с. А.Н. Рутенко, чьи научные интересы были посвящены изучению влияния гидрофизических процессов в океане на распространение акустических волн.

После ухода из жизни Л.Ф. Бондаря, в декабре 2000 г. зав. лабораторией стал д.ф.-м.н. Александр Николаевич Рутенко. Лаборатория под его руководством занималась экспериментальными и теоретическими исследованиями влияния внутренних волн на частотно-пространственно-временные характеристики и модовый состав низкочастотных гидроакустических сигналов в мелком море.

С 1999 г. и по настоящее время лаборатория принимает активное участие в масштабном международном экологическом проекте по изучению уникальной охотско-корейской популяции серых китов в районах их традиционного летне-осеннего нагула на северо-восточном шельфе о. Сахалин. За эти годы коллективом лаборатории разработаны новые акустические измерительно-регистрационные средства, а также программное обеспечение для ежегодного проведения акустического мониторинга и моделирования антропогенных акустических полей в мелком море.

В 2021 г. зав лабораторией стал к.т.н. М.Ю. Фершалов.

Методы исследований
  • Пассивный акустический мониторинг акваторий;
  • Математическое моделирование акустических полей от различных антропогенных источников;
  • Проведение экспериментальных работ по определению особенностей распространения акустических сигналов в шельфовых зонах.
Оборудование

1. Автономный подводный акустический регистратор (АПАР) «Шельф-14»

lab24_1.png

Основная функция АПАР – измерение аналогового сигнала на выходе гидрофона и запись результатов на съемные твердотельные устройства энергонезависимой памяти типа SD-карт в форме цифрового кода. Для преобразования вариаций акустического давления p(t) в аналоговое напряжение используется измерительный гидрофон типа ГИ-50 производства ВНИИФТРИ. Измерительные цепи АПАР основаны на 24-разрядном сигма-дельта АЦП AD7776-2 производства Analog Devices. Это обеспечило динамический диапазон измерений (окно БПФ – 1 Гц) 140 дБ и максимальную частоту дискретизации 31 кГц.

Для дистанционного контроля работы АПАР оснащен акустическим модемом. На борту судна размешается специально разработанное с этой целью телекомандное устройство (ТКУ), включающее приемно-излучающий пьезокерамический преобразователь и блок управления. ТКУ формирует и излучает акустическую кодовую посылку, которая принимается с помощью измерительного гидрофона станции, дальность связи составляет не меньше 5 км.

Все АПАР оснащены гидроакустическими размыкателями.

Опыт эксплуатации более 30 АПАР подтвердил надежность станций и высокие технические характеристики.

 2. Спутниковый радиотелеметрический канал

lab24_2.png

Устройство для обеспечения мониторинга акустических полей в реальном времени. Поверхностный буй, на котором установлена антенны спутниковой системы «Иридиум», GPS и блок электроники. Буй связан с регистратором кабелем. Контроллер буя обеспечивает управление работой станции и буя по полученным через канал «Иридиум» командам и передачу (каждую минуту) данных о параметрах низкочастотных импульсов, измеренных на одноминутном временном интервале, а также о средних за одну минуту значениях спектральной плотности мощности акустических шумов в 1/3-октавных частотных диапазонах.

 3. Вертикальная акустико-гидрофизическая приемная система Моллюск-2019

lab24_3.pnglab24_4.png

Конструктивно система представляет собой 12 измерительных модулей, имеющих гидрофоны и датчики температуры, распределенных по несущему тросу и соединенных отрезками кабеля между собой и с регистратором. Модули и кабели взаимозаменяемы и могут соединяться в любом порядке и любом необходимом количестве, что позволяет легко конфигурировать систему под задачи конкретного эксперимента. Два модуля оснащены датчиками глубины. Они размещены в верхней точке и в середине измерительной линии. ПАРАМЕТРЫ: Частота дискретизации акустического сигнала ограничивается скоростью записи на карту памяти накопителя по интерфейсу SPI – приблизительно 500 кБ/с. При 24-разрядном кодировании и 12-ти МД в составе системы частота дискретизации по каждому каналу не может превышать 14 кГц. Термодатчики системы измеряют температуру с разрешением 0.03°С и частотой 5 Гц.

Точность измерения глубины – 10 см.

Потребляемая мощность при частоте дискретизации 5053 Гц равна 2.6 Вт.

Время автономной работы определяется батареями питания и для 2-х блоков по 40 щелочных батареек типа D составляет 23-28 суток.

 4. Донная автономная акустическая станция со скалярно-векторным приемником «Краб-19»

lab24_5.png

 Cтанция состоит из модуля датчиков (МД) и модуля регистратора, установленных в пирамидальной раме. В цилиндрическом титановом корпусе МД размещен 3-осевой сейсмометр MiniSeisMonitor производства Geospace Technologies, 6-осевой компасный модуль HMC6343 от Honeywell (3-осевые акселерометры и магнитные датчики) и плата электроники. Сверху и снизу корпуса МД расположены гидрофоны, образующие приемный преобразователь акустического давления. МД крепится на резиновых амортизаторах в специальной раме, которая закрывается двумя полусферами стеклопластикового обтекателя. Этот узел размещается в верхней части пирамиды. Модуль регистратора с блоками питания крепится внизу, своим весом обеспечивая остойчивость пирамиды.

Время автономной работы станции достигает 5 месяцев. Точность измерения углов наклона модуля датчиков – 1°, разрешение 0.1°. Частота дискретизации по акустическим каналам 3600 Гц. МД может работать не только на свой автономный регистратор Краб-19, но и на кабельную линию в режиме реального времени.

5. Низкочастотный резонансный излучатель электромагнитного типа

lab24_6.png

Диаметр излучателя – 58 см, расстояние между мембранами – 15 см.

Вес в воде ≈48 кг, в воде ≈6 кг. Давление внутри корпуса поддерживается на уровне гидростатического. На расстоянии 1 м от одной из мембран закреплен контрольный гидрофон.

Уровень формируемого излучателем акустического поля на резонансной частоте 27 Гц (глубина погружения 10 м) достигает ~180 дБ относительно 1 мкПa2/Гц на расстоянии 1 м.

 6. Высокочастотный широкополосный пьезокерамический излучатель

lab24_7.png

 Полоса пропускания широкополосного излучателя 1 – 15 кГц.

Линейный усилительный тракт позволяет воспроизводить любые сигналы в указанной полосе.

Для возбуждения излучателя используется усилитель мощности EUROSOUND PWR-2000 с максимальной выходной мощностью 5 кВт.

 7. Автономный гидроакустический излучатель

lab24_8.png

Автономный излучатель гидроакустических сигналов предназначен для генерации частотно-модулированных и тональных акустических сигналов в диапазоне частот 280-360 Гц при постановке на дно моря на глубинах до 100 м.

Основные технические характеристики излучателя:

  • диапазон излучаемых частот 280-360 Гц;

  • глубина постановки до 100 м;

  • вес излучателя с балластным грузом в воздухе 100 кг, вес в воде 40 кг;

  • приведенный к 1 м уровень звукового давления, развиваемого излучателем на резонансной частоте 320 Гц, 1000 Па;

  • длительность работы в режиме непрерывного излучения до 5 суток;

  • в качестве задающего генератора применен портативный проигрыватель аудиофайлов на основе флеш-памяти (МП3-плеер).

8. Сейсмоакустический излучатель

lab24_9.png

Конструкция резонансного электромагнитного сейсмоизлучателя – (а) и блок-схема его электропитания – (b)

  Для исследований потерь при распространении в море энергии низкочастотных (24-30 Гц) колебаний, генерируемых на суше, в лаборатории 2/4 ТОИ ДВО РАН был разработан и изготовлен специальный резонансный излучатель сейсмических волн электромагнитного типа. Для возбуждения колебаний грунта используется прямоугольная стальная плита размерами 2,2х1 м, толщиной 8 мм, массой 130 кг, горизонтально закопанная в почву на глубину примерно 0,7 м. Над плитой на двух трубчатых стойках закреплена электромагнитная система излучателя. Верхний сердечник электромагнита соединен с упругой стальной рессорой, края которой закреплены на верхних концах стоек. Нижний сердечник электромагнита с катушкой смонтирован на поперечной полке между стойками. Масса верхнего сердечника (35 кг) совместно с упругостью рессоры образуют механическую колебательную систему, имеющую резонанс на частоте 24 Гц.

Резонансная частота колебательной системы может быть изменена при помощи специальных прокладок, вставляемых при сборке излучателя в узлы крепления рессоры. При подаче на катушку электромагнита переменного напряжения, верхний сердечник совершает колебания в вертикальной плоскости, а давление, возникающие в узлах крепления рессоры, передается через вертикальные стойки стальной плите. На резонансной частоте 24 Гц при возбуждении катушки электромагнита переменным напряжением амплитудой 100 В амплитуда колебаний верхнего сердечника достигает 15 мм, а усилие, передаваемое опорной плите, достигает 0.8 тонны.

В настоящее время излучатель установлен на морской экспериментальной базе ТОИ ДВО РАН на берегу м. Шульца.

9. Пневматический источник импульсных гидроакустических сигналов

Для генерации низкочастотных импульсных сигналов применяется пневмопушка объемом 2 литра, работающая при давлении 6-10 кгс/см². Используется автомобильный 12-вольтовый насос и аккумулятор, что позволяет работать с любого маломерного плавсредства, вплоть до резиновой лодки.

Приведенный уровень излучаемого звукового давления – до 2000 Па.

Участие в проектах

Лаборатория акустического зондирования океана уже в течение 20-ти лет успешно сотрудничает с нефтедобывающими компаниями «Эксон Нефтегаз Лимитед» и «Сахалинская Энергия» (операторами проектов Сахалин-1 и Сахалин-2).

Важнейшие результаты
  • За годы существования лаборатории был создан большой парк измерительных и излучающих средств (низко и высокочастотные излучатели, более 40 звукозаписывающих автономных подводных акустических регистраторов, приемники колебательной скорости, гидрофизические антенны, телеметрические поверхностные буи, способные передавать обработанную акустическую информацию по спутниковому каналу).
  • Создан программно-аппаратный комплекс для проведения акустического мониторинга в режиме «реального времени». Благодаря новейшим технологиям комплекс позволяет передавать результаты мониторинга в любое место на земном шаре с задержкой менее 1 минуты.
  • Разработан комплекс программ для записи, отображения и анализа акустических данных.
  • В сотрудничестве с Лабораторией геофизической гидродинамики (3/2) создана математическая модель и реализовано программное обеспечение, позволяющее эффективно и быстро рассчитывать низкочастотные акустические поля на большие расстояния в 3D.
  • Накоплена огромная база акустических и гидрофизических данных, начиная с 2001 г. на северо-восточном шельфе о. Сахалин и в бухте Витязь.
Патенты и технологии
  • Рутенко А.Н., Ковзель Д.Г. Автономная вертикальная акустико-гидрофизическая измерительная система. RU 73964 U1 БИПМ 2008. №16.
  • Ковзель Д.Г., Борисов С.В., Ущиповский В.Г., Рутенко А.Н. Автономная радиогидроакустическая система для мониторинга акустических сигналов на шельфе. RU 86003 U1 БИПМ 2009. № 23.
  • Ковзель Д.Г. Патент Устройство для определения скорости и направления течения жидкости. RU 2413232 C2 БИПМ 2011. № 6.
  • Ковзель Д.Г. Автономное устройство для регистрации и направления течения жидкости и газа. RU 2503962 С1 БИПМ 2014. № 1.
  • Рутенко А.Н., Ковзель Д.Г. Донная станция гидроакустического измерительно-регистрационного комплекса. RU 162221 U1 БИПМ 2016. № 15.
  • Ковзель Д.Г. Гидроакустическая станция, совмещенная с акустическим модемом. RU 161978 U1 БИПМ 2016. № 14.
  • Ковзель Д.Г. Способ передачи дискретной информации по каналу связи с многолучевым распространением. RU 2638760 C1 БИПМ 2017. № 35.
  • Ковзель Д.Г. Способ передачи дискретной информации по каналу связи с многолучевым распространением. RU 2647656 C1 БИПМ 2018. № 8.
  • Ковзель Д.Г. Палубное управляющее устройство для гидроакустических модемов. RU 183336 U1 БИПМ 2018. № 26.
Основные публикации
  1. Rutenko A.N., Zykov M.M., Gritsenko V.A., Fershalov M. Yu., Jenkerson M. R., Manulchev D. S., Racca, R., Nechayuk, V. E. Acoustic monitoring and analyses of air gun, pile driving, vessel, and ambient sounds during the 2015 seismic surveys on the Sakhalin shelf. // Environmental Monitoring and Assessment 194 (Suppl 1), 744 (2022). https://doi.org/10.1007/s10661-022-10021-y.
  2. Rutenko A.N., Zykov M.M., Gritsenko V.A., Fershalov M. Yu., Jenkerson M. R., Racca, R., Nechayuk, V. E. Real-time acoustic monitoring with telemetry to mitigate potential effects of seismic survey sounds on marine mammals: a case study offshore Sakhalin Island. // Environmental Monitoring and Assessment 194 (Suppl 1), 745 (2022). https://doi.org/10.1007/s10661-022-10019-6.
  3. Denis Manul’chev, Andrey Tyshchenko, Mikhail Fershalov, Pavel Petrov Estimating Sound Exposure Levels Due to a Broadband Source over Large Areas of Shallow Sea // Journal of Marine Science and Engineering 2022 10(1), 82; https://doi.org/10.3390/jmse10010082.
  4. Фершалов М.Ю., Петров П.С., Макаров Д.В. О фокусировке акустического поля вблизи наклонного дна в мелководном волноводе // Подводные исследования и робототехника. 2022. №. 2 (40). С. 65–73. DOI: 10.37102/1992-4429_2022_40_02_07.
  5. Рутенко А.Н., Ущиповский В.Г., Манульчев Д.С., Радаев И.Р., Сизов Д. А., Фершалов М.Ю. Натурные и модельные исследования акустических сигналов, генерируемых раком-щелкуном в б. Витязь, Японского моря // Акустический журнал. 2021 Т. 67. № 6. С. 684-694. DOI: 10.1134/S1063771021060075.
  6. Фершалов М.Ю., Петров П.С., Манульчев Д.С., Захаренко А.Д. Обобщение метода геоакустической инверсии по записи импульсного сигнала одиночным гидрофоном с учетом неоднородностей батиметрии / Подводные исследования и робототехника. 2021. № 1 (35). С. 51-59. DOI: 10.37102/1992-4429_2021_35_01_05.
  7. А.Н. Рутенко, М.Ю. Фершалов, В.Г. Ущиповский. Акустические шумы, формируемые на мелководном шельфе судами с электродвигателями // Акустический журнал. 2020. Т. 66. № 5. С. 527-539.
  8. А.Н. Рутенко, В.А. Гриценко, Д.Г. Ковзель, Д.С. Манульчев, М.Ю. Фершалов. Методика оценки параметров, измеренных на Сахалинском шельфе акустических импульсов для многофакторного анализа их влияния на серых китов // Акустический журнал. 2019. Т. 65. № 5. С. 662-674.
  9. Д.Г. Ковзель. Аппаратура акустической связи для контроля работы автономной гидроакустической донной станции на шельфе // Акустический журнал. 2019. Т. 65. № 5. С. 619-629.
  10. А.Н. Рутенко, Д.С. Манульчев, С.Б. Козицкий. Исследование распространения акустических сигналов из моря на сушу // Акустический журнал. 2019. Т. 65. № 3. С. 343-352.
  11. Ковзель Д.Г. Технические средства гидроакустического мониторинга сейсморазведочных работ на шельфе // Акустический журнал. 2018. Т. 64. № 5. С. 605-617.
Состав лаборатории
  • Ковзель Дмитрий Георгиевич – с.н.с., к.т.н.
  • Гриценко Владимир Александрович – м.н.с.
  • Манульчев Денис Сергеевич – м.н.с.
  • Борисов Сергей Валерьевич – вед. инженер
  • Медведев Игорь Владимирович – вед. инженер
  • Ущиповский Виктор Григорьевич – вед. инженер
  • Лихачев Виктор Владимирович – ст. инженер
  • Линдберг Иван Романович – ст. инженер
  • Антипенкова Татьяна Яковлевна – ст. лаборант-исследователь
Направления исследований
  • Исследование особенностей формирования акустических полей в шельфовых зонах.
  • Разработка технических средств и программного обеспечения для решения задач акустического мониторинга акваторий.
  • Решение задач геоакустической инверсии. Применение существующих и развитие новых методов решения обратных задач восстановления параметров среды.
  • Создание методов построения ореолов акустического воздействия антропогенных источников на морских животных. Реализация экологического акустического мониторинга в любых районах океана.
  • Пассивный акустический мониторинг морской фауны. Разработка методов и технологий пассивного обнаружения морских животных. Использование нейронных сетей и машинного обучения.
  • Изучение особенностей распространения сигналов морских животных и возможностей их использования для решения задач мониторинга морской среды.
Сотрудники
  • Ковзель Дмитрий Георгиевич, старший научный сотрудник
  • Гриценко Владимир Александрович, младший научный сотрудник
  • Манульчев Денис Сергеевич, младший научный сотрудник
  • Борисов Сергей Валерьевич, ведущий инженер
  • Медведев Игорь Владимирович
  • Ущиповский Виктор Григорьевич
  • Лихачёв Виктор Владимирович
  • Линдберг Иван Романович, старший инженер
  • Антипенкова Татьяна Яковлевна, cтарший лаборант-исследователь