Hydroakustiska system

Grundläggande för alla SGU:s maringeologiska mätsystem för avbildande av botten och för de flesta marina mätsystem i allmänhet är användandet av ljud. Hydroakustiska mätsystem använder ljudpulser, ofta med mycket hög frekvens, som sänds från en eller flera sändare. Genom att bestämma hur lång tid det tar för ljudet att reflekteras tillbaka till systemets mottagare går det att beräkna hur lång sträcka det har transporterats.

Avståndsberäkningen kräver att ljudets utbredningshastighet för alla material där den transporterats kan bestämmas. I vattnet kan ljudhastigheten uppmätas med instrument. För sediment och berggrund går det att härleda hastigheten med hjälp av vissa mätsystem men ofta används istället tabellvärden. Människan uppfattar frekvenser mellan 20 och 20 000 Hertz (Hz). Vissa mätinstrumenten producerar ljud i detta frekvensomfång men andra använder mycket högre frekvenser och uppfattas då som helt tysta.

Ljudhastighetsmätare, även kallad SVP från engelskans sound velocity profiler, mäter den faktiska hastigheten för ljudvågornas utbredning på olika djup i vattenmassan. Ljudhastigheten i vatten bestäms av temperaturen, densiteten, salthalten och till liten del av trycket. Istället för en SVP mätare kan också en CTD mätare (från engelskans Conductivity, Temperature och Density) användas för att beräkna ljudets hastighet. Ljudhastigheten är viktig att känna till vid alla beräkningar av reflekterade ljudvågors gångväg. I havet förekommer ofta så kallade språngskikt där ljudhastigheten snabbt förändras. Språngskikten benämns som termoklina eller haloklina för snabba förändringar i temperatur respektive salthalt. Språngskikt är viktiga att känna till vid hydroakustiska undersökningar då ljudvågor som passerar dem kan ändra riktning.

Enstråleekolodet, vanligen bara kallat ekolod, mäter avståndet till botten. Data från ekolodet ger en profil av djupet längs en linje med hög noggrannhet och korta avståndsintervall. Ekolodet använder en ljudfrekvens på flera tiotals eller flera hundratals kilohertz som inte nämnvärt tar sig ner i sedimenten.

Sedimentekolod är ett ekolod med mycket kraftigare styrka än vanliga ekolod och använder ljud med avsevärt lägre frekvenser, ofta mellan en och ett tiotal kilohertz. Dessa mer långvågiga och kraftiga ljudpulser tränger genom botten och återger ett eko för varje sedimentgräns det passerar på väg nedåt. Data från sedimentekolod presenteras som långa avbildningar där styrkan på det reflekterade ljudet bestämmer färgen. I avbildningen kan avgränsningen mellan olika sedimentlager och berggrunden bestämmas. En kunnig tolkare kan nu med hjälp av utseendet på avbildningen med en mer eller mindre stor säkerhet avgöra vilka sediment som avbildats.

Reflexionsseismik är ett samlingsnamn på system som inte använder sedimentekolod som ljudkälla och används för att avbilda sedimentlager och berggrund som ligger djupt ner under bottenytan. Ljudkällan kan vara olika former av tryckluftskanoner (air gun, sleeve gun, etc.), vattenkanoner (water gun, steam gun) eller andra mekaniska (pinger, boomer) eller elektriska system (sparker) som kan ge mycket kraftiga ljudpulser. Systemen är oftast inte monterade i fartygens skrov utan är monterade utanför eller bogseras. Ljudet registreras oftast också med bogserade mottagare. Vanligtvis är en eller några till flera hundratals ljudtryckskänsliga elelement (hydrofoner) sammankopplade i slangliknande system (streamers). Beroende hur djupt under havsytan som sedimentlagren som ska studeras befinner sig väljs källor som ger ljudpulser med några till flera hundratals hertz. Vid sökande efter kolvätefyndigheter i världshavens bottnar används stora fartyg som har möjligheten att bogsera många ljudkällor och många streamers utbredda som en kratta bakom sig.

Flerstråleekolod, även kallat multibeamekolod från engelskans multibeam echo sounder (MBES), bestämmer med en ljudpuls både avståndet och riktningen till hundratals punkter. Ljudpulsen sänds vinkelrätt ut från fartygets färdriktning som en solfjäder för att reflekteras i ett smalt stråk på botten vid sidorna av fartyget. Tillsammans med data från positioneringssystemet blir dessa punkter på botten bestämda med hög noggrannhet längs breda stråk utmed långa färdlinjer. Samlas data in längs flera linjer bredvid varandra kan stora heltäckande topografiska kartor av bottenytan skapas. Multibeamekolod använder en ljudfrekvens på flera hundra kilohertz som knappt alls tar sig ner i sedimenten. Multibeamekolod registrerar också styrkan på det reflekterade ljudet. Ljudstyrka tillsammans med positionsdata möjliggör att göra kartor som visar bottnens akustiska reflektionsförmåga. Dessa så kallade ”Backscatter” data används för att bestämma utbredningen av och avgränsningen mellan olika sediment.

Sidavsökande sonar, från engelskans side-scan sonar, används för att med mycket hög upplösning avbilda bottenytans akustiska reflektionsförmåga. Den sidavsökande sonarn använder en ljudfrekvens på flera hundra kilohertz och bogseras oftast efter fartyget relativt nära bottenytan. Precis som för multibeamekolod sänd ljudpulsen ut vinkelrätt ut från den sidsökande sonarns färdriktning som en solfjäder. Den sidavsökande sonarn registrerar enbart tiden för den reflekterade ljudpulsen. Det registrerade ljudets gångavstånd beräknas med hjälp av mätt eller uppskattad ljudhastighet och reflektionspunkternas position projiceras till en bottenyta som antas vara ett horisontellt plan. Fördelen med data från sidavsökande sonar jämfört med multibeamekolodets backscatterdata är den mycket högre upplösningen som kan mätas i centimeter, samt dess mycket vidare stråk. Nackdelen är den lägre precisionen i lägesbestämningen.

Interferometrisk sonar sänder sitt mycket högfrekventa ljud på samma sätt som sidavsökande sonar men har flera vertikalt separerade parallella mottagare. Det ger förmågan att avgöra riktningen på den reflekterade ljudpulsen och därmed möjligheten att bestämma positionerna för reflektionspunkterna. Systemet bogseras heller inte som sidavsökande sonar utan är monterat bredvid eller på fartygets skrov. Systemet är tekniskt mycket mindre komplicerat än multibeamekolod och ger vidare stråk liknade som det för sidavsökande sonar. Jämfört med multibeamekolod är dock precisionen i positionsbestämningen lägre.