Echolood

Een echolood op een schip.

Een echolood oftewel echo sounder is een meetinstrument en navigatiemiddel dat gebruikt wordt om vanaf het water de waterdiepte te bepalen. Dit is de afstand tussen de bodem van het betreffende water en de kiel van een schip. De gemeten waterdiepte noemt men de loding. Internationaal wordt echo sounder ook voor seismologisch onderzoek gebruikt.

In de hydrografie is de afstand tussen de bodem en het wateroppervlak van belang. Deze kan eenvoudig worden berekend door de diepgang van het schip ter plaatse van de voor het loden gebruikte transducer bij de loding op te tellen.

De geschiedenis

Het woord loding komt van het oude mechanische instrument, dat voor dit doel al duizenden jaren in de scheepvaart wordt gebruikt: een dieplood, een stukje lood aan een touw. Met een dieplood kan echter tevens de grondsoort bepaald worden, wat van groot belang kan zijn voor de navigatie. Landrotten noemen een echolood een dieptemeter. Een dieptemeter werkt op waterdruk en wordt gebruikt door duikers. Er zit ook heel ander soort dieptemeter in een schuifmaat.

De echolood werd in 1912 uitgevonden door de Duitse natuurkundige Alexander Behm, die na de ramp met de Titanic een manier zocht om de locatie van ijsbergen te kunnen bepalen. De echo-techniek bleek hiervoor niet geschikt, maar bleek wel een goede manier te zijn om de diepte te kunnen bepalen. In 1913 patenteerde hij zijn uitvinding.

Het principe

De waterdiepte wordt bepaald aan de hand van een geluidstrilling die verticaal naar beneden wordt uitgezonden, door een voor dit doel aangebrachte transducer. De propagatiesnelheid van deze trilling door het water bedraagt 1500 m/sec. Door het nauwkeurig meten van de echotijd, tijd tussen het zenden en ontvangen van een trilling, kan het echolood de diepte bepalen.

d =  1 /2 · v · t

• d is de waterdiepte
• v is de propagatiesnelheid van de trilling
• t is de echotijd

De popagatiesnelheid

De propagatiesnelheid is afhankelijk van

• de temperatuur van het water
• de druk
• de dichtheid van het water (hier meestal afhankelijk van het zoutgehalte)
• de pollutie van het water

De frequentie

Oude echoloden gebruikten een frequentie rond de 40 000 Hz. Modernere exemplaren gebruiken een frequentie rond de 16 000 Hz. Kleinere vaartuigen, zoals plezierjachten, gebruiken een frequentie tussen 150 000 Hz en 200 000 Hz. Dit omdat het echolood dan veel kleiner is. Hoe hoger de frequentie hoe hoger haar doordringingsvermogen maar hoe moeilijker de geluidsbundel te richten is.

Blinde diepte

De blinde diepte is de diepte die niet gemeten kan worden door het echolood, doordat dit niet kan zenden en ontvangen tegelijk.

• blinde diepte = de helft van de pulslengte

De transducer

Bij sonarinstrumenten noemt men de zender en ontvanger van geluidspulsen de transducer of transducent (Latijn: trans = doorheen, ducere = leiden). In principe is een transducer een omzetter van één energievorm in een andere. Bij sonarinstrumenten is dit de omzetting van elektrische energie in geluid en omgekeerd.

Bepaalde materialen hebben de eigenschap dat ze van vorm veranderen als er een elektrische stroom doorheen wordt gevoerd. Een stukje van dergelijk materiaal wordt bijvoorbeeld korter en dikker. Breng je een wisselspanning aan dan wordt het stukje afwisselend korter en dikker en langer en dunner. Het gaat dus trillen.

De periode van de trilling is gelijk aan de periode van de wisselspanning, bijvoorbeeld 1 ms. De trilling veroorzaakt in het medium waarin deze wordt opgewekt een drukgolf, die zich naar alle kanten voortplant. Zolang de wisselspanning wordt aangebracht, ontstaat er een aantal malen overdruk en onderdruk ten opzichte van de normaal heersende druk in het medium. Dit geheel noem je een puls.

Drukpulsen zijn niets anders dan geluidspulsen (afgezien van 90˚ faseverschil). Geluid plant zich in zeewater veel beter voort dan elektromagnetische golven. Daarom gebruikt men sonar.

De puls plant zich door het medium voort en treft dan een reflector. Een dergelijke reflector is in wezen een overgang van het ene medium naar het andere. De reflector weerkaatst de puls en deel van de weerkaatste puls bereikt weer de geluidsbron. Het stukje materiaal gaat dan weer trillen, waardoor een variërende spanning wordt opgewekt, die kan worden waargenomen en geregistreerd.

Het trillend stukje materiaal bevindt zich in een behuizing die gevuld is met een soort olie (castorolie) die dezelfde akoestische impedantie als zeewater heeft.

De onderkant van de behuizing bestaat uit materiaal met opnieuw dezelfde akoestische impedantie, bijvoorbeeld ρc-rubber. De rest van de behuizing bestaat dan uit materiaal waarvan de impedantie juist sterk met die van zeewater verschilt.

De akoestische impedantie bepaalt in welke mate geluid wordt gereflecteerd. Bij transducers streeft men ernaar om de materialen zo te kiezen dat aan de kant waarheen het geluid moet worden uitgezonden, de impedantie ongeveer gelijk is aan die van zeewater. Een echolood meet dus de waterdiepte aan de hand van de verplaatsing van trillingen (geluid) in water. De transducer ‘hangt’ in het water en registreert het tijdsinterval tussen het moment van zenden, reflectie op de bodem en ontvangen.

Bundelbreedte

De transducer die de geluidspulsen naar de bodem stuurt, heeft een bepaalde openingshoek. Dat wil zeggen dat de geluidspulsen worden uitgewaaierd, als een kegelvorm, weggezonden. De tophoek van deze kegel, de openingshoek van de transducer, wordt bundelbreedte genoemd. Deze bundelbreedte is van groot belang voor de nauwkeurigheid waarmee gemeten kan worden.

De bundelbreedte is afhankelijk van de gebruikte frequentie en van de afmetingen van de transducer.

Hoe lager de frequentie, hoe hoger de bundelbreedte. Hoe lager de frequentie, hoe groter de transducer.

Het effect van de bundelbreedte op echolodingen is echter zeer groot.

In alle gevallen zal echter het echolood de punten in het bundelgebied registreren die het dichtst bij liggen, de echo’s van deze punten zijn tenslotte het eerst terug. Dit kan onder andere tot gevolg hebben dat relatief smalle sleuven niet geregistreerd worden en dat in het algemeen oneffenheden verminkt zichtbaar worden. Bovendien zal de afwijking van de werkelijke diepte altijd naar ondiepere waarden leiden.

Er zijn transducers beschikbaar met zeer kleine bundelhoeken, bijvoorbeeld 3 graden bij een frequentie van 210 kHz is een veel toegepast type transducer. Men moet hierbij echter goed bedenken dat de voordelen van deze kleine bundelhoek alleen opgaan bij scheepsbewegingen die ook binnen die 3 graden (ofwel +1,5 en –1,5 graden) liggen. Over het algemeen zal een peilvlet al snel meer slingeren dan deze waarde, zodat dan niet meer verticaal onder de transducer gemeten wordt en het effect van de kleine bundelhoek door de positiefout weer tenietgedaan wordt.

Piëzo-elektriciteit, elektrostrictie & magnetostrictie

Er zijn drie principes die kunnen worden toegepast in akoestische transducers: piëzo-elektriciteit, elektrostrictie en magnetostrictie.

Het verschijnsel van vormverandering als gevolg van een elektrische stroom noemt met piëzo-elektriciteit. Materialen, die deze eigenschap hebben, zijn onder meer kwarts, rochelle-zout, lithiumsulfaat en dihydrogeenfosfaat.

Voorbeelden van elektrostrictieve materialen zijn bariumtitanaat, loodtitanaat, zirkonaat en Ceramic-B. Deze materialen zijn opgebouwd uit verschillende gebieden (domeinen) met elk hun eigen elektrische veldje. Deze veldjes zijn willekeurig gericht met een resulterend moment gelijk aan 0. Leg je op een dergelijk materiaal een uitwendig elektrisch veld aan, dan richten de veldjes in alle domeinen zich in dit externe veld en veranderen de fysische afmetingen van het stukje materiaal.

Deze verandering in afmetingen is onafhankelijk van de richting van het aangelegde elektrische veld en evenredig met het kwadraat van de veldsterkte. Dit houdt in dat de mechanische verplaatsing niet lineair is. Om dit toch te bereiken wordt het materiaal gepolariseerd. Dit gebeurt door het materiaal tot de Curietemperatuur te verhitten en het daarna in een sterk magnetisch veld te laten afkoelen.

Magnetostrictieve materialen zijn bijvoorbeeld nikkel en kobalt.

De duur waarmee het materiaal trilt (de pulsduur) bedraagt enkele milliseconden.

Montage transducer

Positie transducer

De ideale positie van de transducer is tussen 1/3 en de helft van de lengte van het schip, gemeten vanaf de boeg, en zo dicht mogelijk bij de midden-as. Dit minimaliseert onnodige bewegingen door pitch en roll, en meestal ligt dit punt ook recht beneden de antenne van de positionering.

Bronnen van storing

De transducer moet zo ver mogelijk van geluidsbronnen gemonteerd worden, vooral van bronnen die bijna dezelfde frequentie gebruiken. Boeg-platen kunnen trillen als het schip beweegt, en deze trillingen kunnen op dezelfde frequentie zijn als die van de uitgezonden frequentie.

Montage transducer

De transducer zou zo gemonteerd moeten worden dat hij een beetje onder een hoek vooruit staat, en een klein beetje onder de romp van het schip vandaan komt. Dit zorgt ervoor dat er genoeg waterdruk op het transduceroppervlak staat, en het is noodzakelijk voor het goed uitzenden van het akoestische signaal in het water.

Als waterbubbels onder en langs het schip een probleem zijn, zal de transducer vrij van de romp gemonteerd moeten worden; mogelijk zo dat de transducer uit het water kan worden gehaald als hij niet gebruikt wordt.

Singlebeam echoloden worden voor verscheidende doelen gebruikt. Bijvoorbeeld door grote vrachtschepen, om niet aan de grond te lopen en door vissers, om vissen op te sporen. Omdat de koopvaardij en vissers geen nauwkeurige dieptemeting nodig hebben, zullen ze een standaard geluidssnelheid gebruiken.

Voor hydrografische doeleinden is dit echter niet nauwkeurig genoeg. Daarom zal een singlebeam echolood altijd worden vergezeld door een geluidssnelheidsmeter. Omdat een schip nooit helemaal stil zal liggen in het water, zullen de bewegingen van het schip tijdens de meting moeten worden gecompenseerd. Dit gebeurt met een deiningscompensator.

De uitlezing

De uitlezing gebeurt op een diepteaanwijzer. Dit is een instrument dat men kan terugvinden op de plaats waarvandaan een schip wordt gestuurd. In de beroepsvaart is het om juridische redenen verstandig dat er achteraf een bewijsstuk kan worden geproduceerd en daarom kan er aan het echolood een schrijvend instrument gekoppeld zijn. Dit instrument kan dan bestaan een een metalen pen, die verhit wordt en een afrollend thermisch papier beschrijft. De pen schuift na iedere uitzending verticaal over het papier. Wanneer het echolood een weerkaatste trilling ontvangt laat de pen een zwarte streep achter op het papier. Modernere versies beschikken over een digitale uitlezing, maar ook dan blijft de eis dat in verband met de aansprakelijkheid het signaal achteraf moet kunnen worden uitgelezen.

  Zie ook de categorie met mediabestanden in verband met Echo sounders op Wikimedia Commons.

Zie ook

• Echo (doorverwijzing)
• Hydrografische geschiedenis
• Hydrografische apparatuur