Pęcherzyki gazowe w morzu

Gas bubbles in the seas and methods of their detection

Podpowierzchniowe wody oceanów stanowią ośrodek przesycony ze względu na obecność gazów, zarówno w postaci rozpuszczonej jak i występujących w postaci swobodnie pływających pęcherzyków. Pęcherzyki gazowe odgrywają ważną rolę w wielu procesach dynamicznych zachodzących na granicy woda-powietrze - decydują one m.in. o wymianie gazowej pomiędzy oceanem i atmosferą oraz generują aerozole

Dla akustyków morza niezmiernie ważnym jest fakt, że wśród wszystkich niejednorodności środowiska morskiego właśnie pęcherzyki gazowe wyróżniają się największymi wartościami stosunku akustycznego przekroju czynnego na rozpraszanie do przekroju geometrycznego, osiągającym w rezonansie, przynajmniej teoretycznie, wartości bliskie 1000-ca.

Można przyjąć, że najbardziej istotny dla akustyki zakres rozmiarów pęcherzyków mieści się w przedziale od ok. 200 m do 15 m, co odpowiada przedziałowi częstotliwości akustycznych związanych z rezonansem podstawowym pęcherzyka od 15 do 300 kHz.

Pomiary koncentracji pęcherzyków gazowych w morzu metodami akustycznymi prowadzi się: wykorzystując zjawisko rezonansowego (liniowego) rozpraszania fal akustycznych, mierząc tłumienie spowodowane obecnością pęcherzyków, wykorzystując zjawisko dyspersji prędkości dźwięku, rejestrując zjawiska nieliniowe towarzyszące rozpraszaniu fal o wystarczająco dużej amplitudzie.

W badaniach morskich najbardziej rozpowszechnioną jest ciągle metoda opierająca się na zjawisku rezonansowego rozpraszania dźwięku wstecz. Metoda ta jest szczególnie użyteczna w warstwie przypowierzchniowej, gdzie przyjmuje się, że efekty rozpraszania od pęcherzyków nawet o rzędy wielkości przekraczają tło rewerberacyjne od niejednorodności innego typu (turbulencja, plankton). Była ona także stosowana w pomiarach koncentracji pęcherzyków w Bałtyku południowym.

Metody zliczania pojedynczych pęcherzyków z wykorzystaniem nieliniowych akustycznych efektów związane są z oddziaływaniem fal ultradźwiękowych o dużej amplitudzie z pęcherzykiem. W czystej wodzie ciśnienie akustyczne powoduje prawie liniowe przesunięcia cząsteczek cieczy, jednakże w obecności pęcherzyków, których ścianki ulegają znaczniejszym deformacjom niż cząsteczki cieczy powoduje to powstawanie efektów nieliniowych. Przy czym pomimo małej wydajności procesu nieliniowego (przy stosowanych w praktyce ciśnieniach akustycznych rzędu 1%) uzyskujemy poprawę zdolności rozpoznania celu, gdyż nieliniowe własności pęcherzyka o kilka rzędów przewyższają nieliniowe własności innych rozpraszaczy, poprawę zdolności rozdzielczej oraz potrafimy wyróżnić echo od pęcherzyka od innych celów prowadząc analizę na różnych częstotliwościach. Czułość detekcji rozpraszania nieliniowego jest na tyle wysoka, że pozwala w warunkach laboratoryjnych wykrywać pojedyncze pęcherzyki. Kolejną zaletą metod nieliniowej detekcji pęcherzyków jest możliwość wykrycia pęcherzyków na tle innych niejednorodności, a także w obecności odbijających granic ośrodków.

METODY DETEKCJI I OCENY WIDMA ROZMIARÓW PĘCHERZYKÓW NA PODSTAWIE SYGNAŁÓW ROZPROSZONYCH.

Metody liniowe:
  1. Poprzez pomiar rezonansowego rozpraszania wstecz (np. Fairbank, Sully 1977, Szczucka, 1986) z wykorzystaniem wymienionych powyżej wzorów
  2. Metody pracujące na rozpraszaniu wstecznym jednak w oparciu o dopplerowskie przesunięcie częstotliwości podstawowej (Nishi, 1977) - wykrywają w zasadzie pęcherzyki poruszające się (zastosowania głównie w medycynie).

Obie powyższe metody są wystarczająco dokładne dla pojedynczych pęcherzyków, bądź pęcherzyków o niezbyt szerokim widmie rozmiarów. W morzu przy szerokim widmie rozmiarów metoda jest mało dokładna, gdyż duże pęcherzyki wnoszą znaczny wkład do echa, które uważamy, że pochodzi od pęcherzyków rezonansowych.

Wadą jest także nienadzwyczajna przestrzenna zdolność rozdzielcza zależna od czasu trwania wysyłanych impulsów i szerokości kątowej stosowanej wiązki akustycznej.

Metody nieliniowe:
  1. Generacja drugiej harmonicznej przez pęcherzyk (Miller, 1971) Pęcherzyk „naświetlany“ jest na częstotliwości rezonansowej, natomiast echo obserwujemy na częstotliwości podwojonej. Zastosowanie tej metody pozwala rozróżnić pęcherzyki o różnych rozmiarach nawet jeżeli echo na sumarycznej częstotliwości jest o wiele słabsze niż na rezonansowej, jednakże w wersji podstawowej posiada wady do których możemy zaliczyć - stosunkowo słabą przestrzenną zdolność rozdzielczą oraz pewne trudności w rozdzieleniu składowej nieliniowej generowanej w środowisku od wytwarzanej przez nadajnik.
  2. Pęcherzyk jest „naświetlany“ dwoma częstotliwościami : rezonansową (pump frequency) oraz bardzo wysoką rzędu megaherców (imaging frequency).(Newhouse, Shankar, 1984). Testowana była laboratoryjne na pojedynczym pęcherzyku, przy układzie nadawczo-pomiarowym umieszczonym blisko do pęcherzyka, aby uniknąć nieliniowości ośrodka, stosowano sygnały ciągłe. Istnieje także ulepszona wersja w postaci metody impulsowe z sygnałem wysokoczęstotliwościowym o Gaussowskim kształcie obwiedni w celu zminimalizowania szerokości widma (Li, i inni, 1992)
  3. Pęcherzyk naświetlany dwoma częstotliwościami obie w pobliżu jego częstotliwości rezonansowej, obserwacje prowadzone albo na częstotliwości różnicowej (wiele zespołów radzieckich od początków lat 80-tych) albo na sumarycznej (Klusek i inni, 1994),
  4. Pęcherzyk naświetlany dwoma częstotliwościami przez źródło parametryczne - obserwacje na częstotliwości różnicowej odpowiadającej rezonansowi dużych pęcherzyków (m. in. Sandler, Seliwanovskij, Sokołow, 1981). Krytyczna analiza tej metody w oparciu o rachunki i eksperymenty w morzu została przeprowadzona ostatnio przez Genasano, który zastosował po stronie nadawczej źródło parametryczne i wykazał niewystarczającą czułość tej metody podważając dotychczas publikowane rezultaty.
  5. Pęcherzyk naświetlany dwoma częstotliwościami obserwacje na subharmonicznej {np. Phelps, Leighton, 1994}

METODY OSZACOWANIA KONCENTRACJI PĘCHERZYKÓW NA PODSTAWIE ZMIAN PRĘDKOŚCI DŹWIĘKU.

Przy znacznych koncentracjach pęcherzyków w toni wodnej tj. gdy średnie odległości pomiędzy pęcherzykami są dużo mniejsze od długości stosowanej fali akustycznej, wodę z pęcherzykami możemy traktować jako ośrodek jednorodny z różnymi od czystej wody parametrami fizycznymi (tzw. przybliżenie homogeniczne).

Woda z zawartością pęcherzyków staje się ośrodkiem mocno dyspersyjnym. Nieco powyżej rezonansu, różnica faz pomiędzy ciśnieniem akustycznym i zmianami objętości powoduje, że mieszanina staje się mniej ściśliwa niż czysta woda. Prędkość dźwięku jest więc większa niż w czystej wodzie. Na znacznie wyższych (w porównaniu z rezonansową) częstotliwościach prędkość dźwięku jest równa prędkości dźwięku w czystej wodzie. Przy uwzględnieniu rozkładu widmowego rozmiarów pęcherzyków (p. poniżej) okazuje się, że dyspersja prędkości dżwięku spowodowana ich obecnością odgrywa rolę jedynie w pewnym przedziale częstotliwości tj. dla częstotliwości poniżej 25 kHz. Ponieważ pomiary należy prowadzić na małych częstotliwościach, aż do górnej granicy słyszalnych, nie możemy stosować standardowych mierników prędkości dźwięku. Prędkość dźwięku na tych częstotliwościach określano m.in. przy pomocy przesunięć fazowych koherentnych sygnałów tonalnych odbieranych przy pomocy dwóch małych hydrofonów (Medwin i inni). Pomiary Medwina wykazały zmiany prędkości dźwięku o około 10-15 m/s na głębokości h=5 m, przy prędkości wiatru 8-10 węzłów i w przedziale częstotliwości 18 - 50 kHz, z tendencją spadkową w miarę wzrostu częstotliwości co jest zgodne z przedstawioną teorią.

METODY DETEKCJI I OCENY ROZMIARÓW PĘCHERZYKÓW NA PODSTAWIE TŁUMIENIA.

Pierwsze równoczesne pomiary rozkładu pęcherzyków z zastosowaniem dwóch parametrów pomiary osłabienia i rozpraszania wstecznego zostały przeprowadzone przez Medwina (Medwin, 1970). Ponieważ wyniki pomiarów nie wykazywały zależności od głębokości Medwin wysunął hipotezę o biologicznym źródle rozpraszaczy.

METODY ZWIĄZANE Z GENERACJĄ SZUMÓW PRZEZ WZNOSZĄCE SIĘ LUB KAWITUJĄCE PĘCHERZYKI

Wznoszące się ku powierzchni pęcherzyki poruszają się po dosyć chaotycznych torach. Zmiany ciśnienia hydrostatycznego pobudzają pęcherzyki do drgań głównie na częstotliwoś-ciach własnych powodujących w efekcie wypromieniowanie dźwięku. Ocena wartości emisji akustycznej takich pęcherzyków wydaje się niemożliwa ze względu na losowość zjawiska. Można jedynie jakościowo ocenić rozmiary pęcherzyków na podstawie widma szumu (Yoon, i inni). Jeżeli ciśnienie zewnętrzne spada do zera pojawić się mogą inne zjawiska noszące wybitnie nieliniowy charakter - kolaps pęcherzyka i generacja pików dodatniego ciśnienia o charakterze fali uderzeniowej. Pęcherzyk w morzu zachowuje się analogicznie do pęcherzyków w procesach kawitacyjnych.

Up to Back to Acoustic's RBDO page

Zygmunt Klusek<klusek@iopan.gda.pl>, 23.01.1996