Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Известные методы и средства морской биоакустики 13
1.1 Изучение слуховых способностей гидробионтов 13
1.2 Звукоизлучение и акустическая активность гидробионтов 17
1.3 Известные технические решения по созданию устройств управления поведением гидробионтов 23
ГЛАВА 2. Исследование слуховых способностей головоногих моллюсков и разработка конструкции излучателя для пневмоакустической системы 37
2.1 Постановка исследований и разработки конструкции излучателя пневмоакустической системы 37
2.2 Обоснование выбора биотехнической модели взаимодействия кальмаров с техникой лова 44
2.3 Исследования слуховых способностей кальмаров 46
2.4 Биофизическое обоснование имитационной модели акустических средств интенсификации лова тихоокеанского кальмара 51
2.5 Результаты разработки конструкции излучателя пневмоакустической системы - имитатора акустических сигналов анчоуса 57
Выводы по главе 2 64
ГЛАВА 3. Промысловые испытания пас и обоснование технологии использования ее на промысле 66
3.1 Испытания на ставном неводном лове 66
3.2 Испытания на кальмароловном судне при промысле вертикальными ярусами 72
3.3 Испытания с применением гидроакустического комплекса для оценки плотности скоплений кальмаров 76
Выводы по главе 3
Заключение 95
Список литературы
- Звукоизлучение и акустическая активность гидробионтов
- Известные технические решения по созданию устройств управления поведением гидробионтов
- Обоснование выбора биотехнической модели взаимодействия кальмаров с техникой лова
- Испытания на кальмароловном судне при промысле вертикальными ярусами
Звукоизлучение и акустическая активность гидробионтов
За рубежом интерес к изучению слуховых способностей сохраняется и в настоящее время. Следует выделить отчет опубликованный коллективом авторов в 2004 году, в котором объединены в единое целое результаты исследований в данной области за рубежом известные на тот период времени [139]. В нем приводится порядка 80 аудиограмм зависимости слухового порога от частоты различных рыб, включая такие промысловые объекты, как треска, сайда, пикша, атлантический лосось и многие другие, а также 46 аудиограмм слуховых порогов морских млекопитающих. В данной работе изложены строение органов слуха и механизм восприятия акустических волн слуховыми органами, а также методики определения слухового порога - это поведенческий или условнорефлекторный метод (behavioral methods) и электрофизиологический (evoked auditory potential (AEPs) methods).
В последнее время, интерес к изучению слуховых способностей рыб вызнан тем, что любое судно создает гидроакустическое шумовое поле, характеризующееся энергетическим спектром, находящимся в слуховом диапазоне промысловых рыб [49]. Его воздействие вызывает у них реакции сходные с оборонительной реакцией этих рыб на приближение естественного хищника и сопровождается избеганием опасности [29, 127, 150, 144]. Характер реакции определяется видовым стереотипом защитного двигательного поведения рыб различных этологических групп на шумовой раздражитель. Оборонительная реакция малоподвижных придонных рыб характеризуется в большей степени их затаиванием, чем стремлением уйти из опасной зоны, а быстрых приповерхностных рыб - более активным горизонтальным избеганием шумового поля судна. Реакция вертикально мигрирующих видов рыб сопровождается как горизонтальными, так и вертикальными движениями этих рыб [43]. Это означает, что шум судна оказывает существенное влияние на результаты оценки запасов рыб, выполняемых с помощью тралово-акустических съемок научно-исследовательскими судами (НИС) [135, 118, 127]. В связи с этим, международным советом по исследованию моря (ИКЕС) были разработаны рекомендации по снижению уровня шумового поля НИС, выполнение которых приводит к существенному удорожанию стоимости их постройки [136]. Экспериментально доказано, что шум судна оказывает существенное влияние на уловы промысловых судов [150, 114, 115]. Зная данные о распределении спектральной плотности давления шумового поля конкретного промыслового судна или НИС (акустическая паспортизация), слуховых способностях конкретного объекта лова (аудиограммы чувствительности) и параметрах локомоции рыб в акустических полях воздействия, можно рассчитать дистанцию реагирования гидробионтов на наплывающее судно и прогнозировать перераспределение плотностей рыб в промысловом пространстве [47, 53].
Экспериментальные исследования влияния гидроакустического поля судна на поведение различных видов рыб дают большой разброс в определении дистанции реагирования, как различных видов рыб, так и для одного вида (от 50 до 1000 м), что можно объяснить различным их физиологическим состоянием, которое может определяться как временем суток, так и временем года проведения исследований. Эта зависимость остается не до конца изученной и требует дополнительных исследований.
Таким образом приведенный выше анализ показывает, что изучение слуховых способностей гидробионтов остается актуальной задачей для ры-бохозяйственной деятельности человека.
Изучение звучания рыб началось в XIX веке. История этих исследований изложена в сводках В.Р. Протасова [91, 93, 94, 109]. Огромный интерес к морской биоакустике возник во время второй мировой войны в связи с применением методов шумопеленгования и наличием множества помех биоло гического происхождения для работы гидроакустических средств обнаружения.
Значительные работы были проведены за рубежом по изучению структуры и функции звукового аппарата рыб [102]. Были определены основные группы звуков рыб в зависимости от механизма их образования: звуки, связанные с движением; звуки, связанные с газовым обменом; звуки, связанные с питанием; звуки рыб, издаваемые стридуляционными органами; звуки, издаваемые плавательным пузырем и струями газа.
После Второй мировой войны акустической расшифровкой биологических подводных звуков и регистрацией биоакустических полей занялись многие страны мира (США, Япония, Норвегия, Франция, СССР и др.). Первая попытка систематизации звуков и определения их принадлежности была предпринята в США в 1952-1954 гг. Тогда же был выпущен первый альбом звуков рыб. В СССР в 1968 году опубликован подробный атлас «Звуки рыб», где помимо описательного материала содержатся спектральные и временные характеристики, спектрограммы и сводная фонограмма на грампластинке звуков морских, аквариумных и пресноводных рыб, тогда же встал вопрос о возможности применения идентификации морских биологических объектов по их шумоизлучению в целях промышленного рыболовства [87].
Большой интерес представляет анализ звуков рыб и других животных, издаваемых в различные периоды жизни и в определенных биологических ситуациях (акты агрессии, акустические манипуляции в интересах поимки жертвы, нерестовые игры, зов самки, сигналы ухаживания, сигналы скосячи-вания и др.), которые могут восприниматься особями того же вида и контактирующих с ними животными другого вида как биологически полезные сигналы [92].
Известные технические решения по созданию устройств управления поведением гидробионтов
Как можно заметить, область концентрации, созданная группой судов, значительно превышает область концентрации, созданную одним судном.
Известны и другие методы привлечения кальмаров в зону облова. Так первые эксперименты по интенсификации крючкового лова кальмаров с помощью звуковых сигналов были начаты в Японии в 1969 г. [14]. В результате этих и последовавших в 1970 и 1971-1973 гг. экспериментах была обнаружена эффективность целого набора звуковых сигналов, применяемых в отдельности и в различных комбинациях: звук, возникающий при включении заднего хода судна, серии импульсов частотой 600 Гц длительностью 5с и интервалом 5с, аналогичные импульсы с меняющейся частотой заполнения, звуки питания лакедры-желтохвоста, звуки ударов дождевых капель по поверхности моря.
В СССР работы по интенсификации промысла кальмара с использованием акустических полей были проведены в 80-е годы прошлого столетия [106, 107]. В 1981 году на базе ТИНРО в Уссурийском заливе были проведены работы по регистрации биозвуков тихоокеанских кальмаров Todarodespasificus для определения их параметров и дальнейшей имитации с целью направленного воздействия на поведение для повышения эффективности лова [106]. Регистрировали биозвуки в морском садке и береговом бассейне. Были записаны, а затем проведен структурный и спектральный анализ звуков питания кальмаров турбеляриями, корюшкой, а также зарегистрированы звуки, связанные с работой мантийно-движительного аппарата. Автор делает вывод, что звуки, возникающие при движении малоспецифичны, маскируются шумами других животных. Звуки питания, имеющие широкополосный спектр в полосе 20 Гц - 25 кГц, более специфичны и диапазон 2-8 кГц должен быть наиболее информативной частью спектра, а акустические системы имитаторов должны иметь максимальную отдачу в этом диапазоне.
В 1984 г. в Японском море сотрудниками лаборатории промысловой гидроакустики и промышленного рыболовства ВНИРО были проведены эксперименты по оценке промыслового эффекта акустического стимулирования на ярусном лове кальмаров. Сопоставление суточных уловов PC «Ольховский», на котором производились экспериментальные работы по акустическому стимулированию, показало, что его среднесуточный вылов на 16% превысил среднесуточный улов условного среднего судна, к которому приведены суточные уловы флотилии за вычетом PC «Ольховский». Такое незначительное увеличение уловов авторы объясняют тем, что доля влияния других антропогенных (поисковый и промысловый опыт, интенсивность искусственного освещения) и естественных (интенсивность лунного освещения, волнение моря, сила и направление течений и ветра, характер термоклина, вид кормовых объектов и пр.) факторов значительно выше. Применение звуков питания в качестве стимула требует точной регулировки по уровню и длительности сигнала по времени, его воздействие также зависит от физиологического состояния объекта. Авторы подтвердили японскую версию, что шум винтов судна при включении заднего хода является более эффективным стимулом для повышения уловистости (на 20 %), чем биосигналы, в т.ч. сигналы питания кальмаров. Реальное включение заднего хода судна также увеличивает активность поимки. Этот результат сравнительных оценок улова в пользу стимулов технического происхождения обескураживает исследователей и требует научной интерпретации данного факта. Следует отметить важный вывод, сделанный авторами в результате визуальных наблюдений за поведением сопутствующих кормовых объектов в световом поле.
Акустическое стимулирование активизирует у рыб мобилизационно панические и ориентировочно-исследовательские реакции, дестабилизирующие структуру и динамику их стай, что в свою очередь воздействует на пищевую и двигательную активность кальмаров, приводя к учащению их перемещений и нападений на рыбу и джиггеры [107]. Биофизическая интерпретация процессов лова осуществлена ими на методической основе наблюдений и статистики. Очень высок уровень фундаментальной неопределенности, что заставляет искать пути экспериментальной интерпретации сложных процессов поведения кальмаров во время промысла. Но как показал опыт, стохастический подход к выбору способов и технических систем управления не эффективен в подобных научных и конструкторских разработках. Функционально-детерминированные связи наилучшим образом могут характеризовать процесс взаимодействия кальмаров с физическими возмущениями на промысле. Поэтому в данной работе были определены основные направления исследований по методике Ю.А. Кузнецова [74] для обоснования технологий управляемого лова тихоокеанского кальмара с применением бионической схемы: «Проба-Операция-Проба-Результат», представленной на рисунке 2.2.
Обоснование выбора биотехнической модели взаимодействия кальмаров с техникой лова
Анализ этих данных подтверждает идентичность предъявляемых акустических стимулов сигналам мелких открытопузырных рыб (анчоус, корюшка), четко видны два поддиапазона (интервала) частот: 500 - 700 Гц (пик) и 1800 - 2400 (пик) Гц, характерный максимум спектральной плотности в первом диапазоне 500 - 700 Гц накладывается на первый диапазон сигнала анчоуса 620 ± 50 Гц. Максимальный уровень звукового давления, создаваемый ПАС, в районе первого частотного диапазона приведенный к 1 м - Рс=146 дБ/1 мкПа/1 м.
Второй максимум спектральной плотности будет играть меньшее значение на поведение кальмаров, чем первый, так как находится за пределами частотного диапазона их слуховых способностей. Достигнута достаточно высокая сходимость искусственных сигналов ПАС с природными биосигналами анчоусов (третья проба по бионической схеме рисунок 2.2).
Объектом лова являлись корюшка и анчоус, так как в невод был установлен в мелководном месте, и кальмар мог попадаться только в прилове.
Методика испытаний заключалась в следующем: начиная с 2000 вечера начиналось периодическое включение и выключение пневмоакустической системы с паузами 15 минут и продолжалось до 800 утра, после чего производилась переборка невода и взвешивание улова. В следующую ночь включение устройства не производилось, в 800 делалась переборка невода и взвешивание улова. Динамика изменения соотношения уловов при применении акустического стимула и без него показана на рисунке 3.4.
Всего было выполнено 42 реализации (21 без стимула и 21 с применением ПАС). Суммарный улов в фоновом режиме составил 607 кг, суммарный улов с применением ПАС составил 1505 кг. Увеличение суммарного улова за счет применения ПАС составило 147,94 %. В вечернее время во время включения ПАС на поверхности воды наблюдалась рябь, перемещающаяся в направлении крыла ставного невода. При выходе на переборку после применения ПАС наблюдалось сильное объячеивание крыла ставного невода анчоусом.
Акт и протокол промысловых испытаний макета пневмоакустического устройства имитатора звука мелких открытопузырных рыб на ставном неводном лове представлены в Приложении 1.
Данные цифры и наблюдения говорят о высокой степени реакции мелких открытопузырных рыб (анчоуса) на сигнал ПАС.
Для статистической оценки полученных данных проведена оценка значимости различия между средними значениями двух выборочных совокупностей (улов в фоновом режиме и улов с применением ПАС) с помощью t - критерия Стъдента [1]. Расчеты были выполнены с помощью стандартного набора функций программы Microsoft Excel. Полученные значения приведены в таблице 3.1.
Исходя из полученных значений можно сделать вывод, что различие между средними признается значимым, и это различие означает, что увеличение улова следует рассматривать как результат воздействия акустического поля ПАС. 3.2 Испытания на кальмароловном судне при промысле вертикальными ярусами
Промысловые испытания проводились в период с 06 сентября по 17 сентября 2006 г. и с 20 августа по 26 августа 2007 г. с судна «Росинантэ» (ТИНРО-Центр) на джиггерном лове тихоокеанского кальмара в заливе Петра Великого. Судно было оборудовано 4 кальмароловными лебедками и световой гирляндой мощностью 7,7 кВт.
Цель испытаний - оценка работоспособности в промысловом режиме и определение промысловой эффективности макета пневмоакустической системы при лове тихоокеанского кальмара вертикальными ярусами на джиггеры [48, 52].
Схема экспериментальной установки на судне «Россинанте» (ТИНРО-центр): 1 - магистральный шланг, 2 - компрессор, 3 -световая гирлянда, 4 - кальмароловные лебедки, 5 - плавучий якорь, 6 джиггеры, 7 - груз, 8 - ПИ Система включает набор последовательно соединенных ПИ -имитаторов звуков рыб, соединенных магистральным шлангом с компрессором, запуск и отключение которого должно обеспечиваться электронным блоком управления (в наших экспериментах вручную). Глубина опускания гирлянды излучателей ниже уровня моря составляла 4 м, давление в магистральном шланге с учетом компенсации гидростатического давления составляла Рм= 1,4 106 Па.
Методика испытаний предусматривала сравнение уловов джиггеров в течение 1 часа при действии устройства и без него. Время включения ПАС и фоновых реализаций на следующих станциях поочередно менялось, при этом световое оборудование в течение испытаний работало непрерывно. Подсчет улова велся поштучно. Данные по уловам в фоновом режиме и при включении ПАС приведены в протоколе промысловых испытаний (Приложение 1). Суммарный улов составил 4460 шт. в режиме «ПАС» и 2865 шт. в режиме «Фон». Сравнение средних уловов за все время проведения промысловых испытаний в режиме «ПАС» и «Фон» показывает увеличение эффективности лова на 56 % при применении акустического стимула (имитация присутствия небольшого скопления японского анчоуса) [48].
Испытания на кальмароловном судне при промысле вертикальными ярусами
На основании анализа существующей методической базы промысловой биоакустики и применения бионического принципа создания технических систем научно обоснованы характеристики и разработаны акустические средства воздействия на поведение тихоокеанского кальмара ПАС, позволяющие совершенствовать его промысел.
Решены следующие задачи исследования: Проведены исследования существующей методической базы промысловой биоакустики и технических решений применения акустических полей для управляемого воздействия на поведение гидробионтов. Определено, что целесообразно применить принцип бионического моделирования, как наиболее адекватный живому аналогу при конструировании систем управления поведением гидробионтов
Пищевой рефлекс как стереотипная реакция на физические возмущения формирует устойчивое двигательное поведение живых организмов, обладающих нервной системой и соответствующей системой рецепторов. Выяснено, что одним из основных объектов питания тихоокеанского кальмара является японский анчоус, жизнедеятельность которого сопровождается генерированием характерных акустических сигналов, частота которых находятся в слуховом диапазоне кальмаров. На основании бионической схемы: «Проба-Операция-Проба-Результат» определен принцип создания акустических полей с использованием модели «хищник-жертва» и определены объекты «жертвы» (анчоус) в качестве сигналов для привлечения тихоокеанского кальмара;
На основе экспериментов разработана конструкция излучателя пневмоакустической системы (ПАС), проведены ее промысловые испытания по исследованию поведения анчоуса (жертвы) при воздействии акустических сигналов. Получено увеличение суммарного улова анчоуса за счет применения ПАС на 147 %, что говорит об идентичности сигналов генерируемых ПАС аналогу.
Проведены промысловые испытания ПАС на джиггерном промысле кальмара. Сравнение средних уловов за все время проведения промысловых испытаний в режиме «ПАС» и «Фон» показывает увеличение эффективности лова на 56 % при применении акустического стимула, что экспериментально подтверждает эффективность использования ПАС на промысле.
Промысловые испытания с применением гидроакустического комплекса для оценки плотности скоплений кальмара показали заметное превосходство значений плотности, полученных при предъявлении сигналов ПАС по сравнению с фоновым режимом. Суммирование уловов судна, выполненных кальмароловными удочками за все время испытаний при работающих и выключенных ПИ показывает, что производительность удебного лова кальмара с использованием пневмоакустического устройства увеличилась на 47 %. В процессе этих испытаний выяснилось, что динамика плотности скопления под судном и вблизи судна в течение ночи не адекватна уловам кальмара на джиггеры, т.е. интенсивность лова кальмара вертикальными джиггерными ярусами не является показателем, характеризующим величину плотности скопления кальмара в зоне облова. Поэтому выявленные временные интервалы, отсутствия пищевой активности кальмара, при повышенной его концентрации позволяют проводить облов орудиями рыболовства, не использующие принцип «хищник-жертва», это различные поверхностные невода (кошельки) и тралы.
Разработанная технология позволяет задействовать визуальный и акустический диапазон рецепторов кальмара, что повышает плотность их концентрации, привлечение объектов питания в область концентрации позволяет устойчиво управлять поведением кальмара. Это позволяет начать экономически эффективный промысел кальмара компаниям, имеющим одно или несколько судов с минимальным количеством лебедок и начальным световым оборудованием.
Анализ поведения кальмара в акустических полях, формируемых ПАС, делает возможным отказаться от традиционного способа промысла тихоокеанского кальмара вертикальными ярусами с применение светового поля. Наиболее перспективной, на наш взгляд, является технология промысла кошельковым неводом судном без дооборудованния световой гирляндой и кальмароловными лебедками, а концентрацию облавливаемого скопления тихоокеанского кальмара производить с помощью ПАС дрейфующей на расстоянии около 50 м от промыслового судна. Внедрение такой технологии позволит существенно снизить затраты на промысел и тем самым повысить его рентабельность. Данное предположение может служить основой для дальнейших исследований в данной области.
