بخشی از مقاله
چکیده
فشردگی خاكهاي کشاورزي به عنوان یک مشکل اساسی در تولید محصول شناخته شده است و بررسی آن همواره مورد توجه پژوهشگران بوده است. در این تحقیق، سامانهاي صوتی براي تخمین پیوسته فشردگی خاك با استفاده از سه میکروفن که در میلههایی با نوك مخروطی قرار گرفته و بر روي تیغهاي به صورت افقی با فاصلههاي یکسان نصب شدهاند، طراحی گردید.
سامانه آکوستیک فشردگی خاك را در سه لایه 25-35 cm - و 15-25 ، - 5-15 بر اساس اندازهگیري چگالی طیف توان - power spectral density - PSD - - صداي تولید شده ناشی از حرکت تیغه در خاك، برآورد میکند. این سامانه در مزرعه مورد ارزیابی قرار گرفت به طوریکه میکروفنها در هنگام کار در عمق- هاي 10، 20 و 30 سانتیمتري حرکت میکردند. چهار سطح فشردگی توسط تردد تراکتور - بدون تردد، 1، 4 و 8 تردد - ایجاد گردید.
آنالیز تبدیل فوریه سریع روي دادهها ارتباط مستقیمی را بین بلندي صدا و سطوح فشردگی خاك در بازه فرکانسی 5/5 kHZ تا 7/5 نشان داد. بنابراین یک بانک فیلتر شامل 5 باند بسامدي در محدودههاي شامل 5/5-5/9، 5/9-6/3، 6/3-6/7، 6/7-7/1 و 7/1-7/5 کیلو هرتز بکار برده شد. در هر بازه بسامدي میانگین PSD اندازه گیري و پیوند آن با شاخص مخروط خاك مورد بررسی قرار گرفت.
یافتهها نشان داد که در لایه 5-15 سانتیمتري در هیچ یک از بازههاي بسامد ارتباط معنیداري بین مقادیر PSD و شاخص مخروط وجود نداشت. زیرا حرکت کاوشگر در عمق 10 سانتیمتري، در بالاي عمق بحرانی قرار داشت. اما، این ارتباط بطور معنیدار در لایههاي 15-25 سانتیمتري - R2=0/88 - و 25-35 سانتیمتري - R2=0/78 - در بسامد 7/1-7/5 کیلو هرتز مشاهده گردید.
حسگر صوتی - میکروفن - ساده، ارزان و بسیار کوچک می باشد که به راحتی میتوان آن را در تیغههاي مختلف خاكورزي براي کسب اطلاعات درباره فشردگی خاك به منظور خاكورزي موضعی و دیگر روشهاي مدیریتی قرار داد.
مقدمه
سالهاي زیادي فشردگی خاكهاي کشاورزي موضوع قابل توجه کشاورزان، تولید کنندگان ماشینهاي کشاورزي و پژوهشگران قرار گرفته و به عنوان یک مشکل اساسی در تولید محصولات شناخته شده است. فشردگی خاك از طریق بکارگیري بیش از حد ماشینهاي کشاورزي، تولید افراطی محصول ، دوره تناوب کوتاه محصول، چراندن بیش از اندازه دام و مدیریت نامناسب خاك، به وجود میآید
هنگامی که خاك فشرده میشود، خصوصیات فیزیکی آن مانند ساختار، پایداري و استحکام - چسبندگی و پیوستگی - ، تخلخل و جرم مخصوص ظاهري خاك تغییر میکند که نقش مهمی در رشد و تولید گیاه دارد
در ایران براي بالا بردن رشد محصول هر سال به طور معمول از خاكورزي عمیق در عمق یکنواخت براي شکست لایه سخت خاك در سراسر مزرعه، استفاده میشود. این روش معایب زیادي دارد، زیرا کشاورز از نیاز واقعی به خاكورزي عمیق آگاهی ندارد و نمی تواند تشخیص دهد کدام قسمت مزرعه داراي لایه فشرده است و این لایه در چه عمقی قرار دارد. افزون بر این، در یک مزرعه مشخص از یک مکان تا مکان دیگر، عمق و ضخامت سخت لایه بسیار متغیر است
بنابراین خاكورزي عمیق یکنواخت در سراسر مزرعه ضروري نیست. از این رو خاكورزي متغیر به عنوان یک روش مدیریتی سبب صرفه جویی اقتصادي و بالا بردن بازدهی تولید میگردد، زیرا موجب ذخیره انرژي و کاهش پتانسیل فرسایش خاك میشود
ریپر و همکاران - 2007 - با استفاده از زیرشکن در پلاتهاي داراي سخت لایه کم عمق - 25 cm - و متوسط - 35 cm - در مقایسه با زیرشکنی یکنواخت در عمق - 45 cm - در همان پلاتها به کاهش %43 و %27 در مصرف سوخت و %59 و %35 در کاهش کشش دست یافتند. در اجراي خاكورزي دقیق فاکتور اساسی، تعیین محل ناحیه متراکم و عمق آن در مزرعه می- باشد.
در ایران پژوهشهایی در زمینه اندازهگیري پیوسته فشردگی خاك به روش نیروسنجی انجام شده است. معمار و مینایی - 1383 - با طراحی و ساخت سامانهاي الکترونیکی به اندازهگیري پیوسته مقاومت افقی خاك در انباره خاك و در مزرعه پرداختند. یافتههاي ایشان نشان داد که شاخص مقاومت افقی خاك - SRI - پیوند خطی مستقیمی با شاخص مخروطی عمودي - CI - دارد و تفاوتهاي سختی خاك را به خوبی نشان میدهد
در ادامه کار، نیکبخت و همکاران با استفاده از نوكهاي منشوري و مخروطی سوار بر دستگاه اندازهگیري پیوسته مقاومت افقی خاك، به بررسی جزئیات گسیختگی خاك در اثر حرکت کاوشگرهاي موازي پرداختند. در این پژوهش تاثیر زاویه نوك منشور و مخروط، سرعت پیشروي ، نوع و رطوبت خاك بر تغییرات SRI مورد بررسی قرار گرفت
در حوزه مطالعات خاك، تاکنون روشهاي صوتی در کارهاي مختلف بکار گرفته شده است، از جمله اندازه- گیري 4 نوع بافت خاك - Liu et al., 1993 - ، تشخیص ناهمواري سطح خاك توسط اندازهگیري سرعت انتشار و بازگشت صوت - Oelze et al., 2003 - ، تعیین ناهمواري خاك کشاورزي - Chambers & Sabatier, 2003 - ، بررسی اثر سرعت صوت بر فشردگی خاك در آزمایشگاه - Lu et al., 2004 - ، تشخیص عمق و ضخامت سخت لایه خاك در انباره خاك - Grift et al., 2005 - و بررسی اثرات بافت خاك و دامنه انتشار بر پخش و فرسایش انرژي موج در شرایط غیر اشباع و اشباع.
مرور منابع نشان میدهد که تا کنون روش آکوستیک براي تخمین فشردگی خاك در عمقهاي مختلف بکار گرفته نشده است.
حسگر صوتی - میکروفن - در مقایسه با حسگرهاي بکار رفته در سامانههاي اندازهگیري پیوسته فشردگی خاك بسیار کوچک می باشد و به راحتی میتوان آن را در تیغههاي خاكورز قرار داد. به علاوه، در این پژوهش صدا در ناحیه شنیداري - 20kHz تا - 20Hz بررسی می شود، لذا می توان از یک حسگر ارزان قیمت استفاده کرد. با فرض این که با افزایش مقاومت خاك، شدت صداي تولید شده ناشی از حرکت سامانه در خاك بیشتر می شود، سامانه اندازهگیري صوتی فشردگی خاك طراحی شده است. هدف از این پژوهش طراحی سامانه آکوستیک اندازهگیري پیوسته فشردگی خاك در سه لایه، ارزیابی آن و بدست آوردن پیوند میان شاخص مخروط و چگالی طیف توان
- power spectral density - PSD - - در رطوبت ثابت در مزرعه میباشد.
مواد و روشها
سامانه آکوستیک اندازهگیري فشردگی خاك از یک تیغه که بر روي آن سه میله با نوكهاي مخروطی سوار شده، تشکیل شده است
تیغه اصلی از فولاد با کربن متوسط و عملیات حرارتی - فولاد - CK45 ساخته شد و به صورت عمودي توسط مکانیزم پین برشی بر یک شاسی سوار و شاسی به اتصال سه نقطه تراکتور متصل گردید. طول و عرض و ضخامت تیغه به ترتیب 730، 180 و 30 میلیمتر و براي برش راحتتر خاك زاویه برش - لبه تیغه - 30 درجه در نظر گرفته شد. براي راحتی نفوذ آن با کمترین نیروي عمودي در خاك، پایین تیغه با زاویه 45 درجه بریده و لبه آن نیز به صورت گوهاي با زاویه 30 درجه تیز شد. براي هماهنگی با تیغه، سه میله با نوك مخروطی و زاویه مخروط 30 درجه از فولاد ضدزنگ ساخته و روي تیغه سوار شد.
با توجه به تحقیقات گذشته فاصله نوك آنها از لبه تیغه و فاصله عمودي بین آنها به ترتیب 100 و 60 میلیمتر در نظر گرفته شد تا شکست خاك بر روي اندازهگیريها کمترین اثر را بگذارد. انتهاي میلهها و تیغه رزوه شد تا میله در تیغه پیچ گردد. در داخل آنها سه میکروفن استاندارد خازنی - model: electret condenser GM-5212L, JTS Co. - مشابه با قطر 13 میلیمتر و با بازه فرکانسی 60 هرتز تا 18 کیلو هرتز به همراه عایق صوتی قرار داده شد. درون تیغه و میلهها سوراخ شده بود تا سیمهاي رابط از آن عبور کند. هر یک از مجموعهها را یک کاوشگر مینامیم. پشت تیغه محفظه-اي تعبیه گردید و سیم هاي رابط از آن به سمت بالا هدایت شد.
براي انتقال داده ها از یک کارت صداي خارجی متصل به یک کامپیوتر قابل حمل استفاده گردید که با نرم افزار مطلب - Matlab R2009a - کنترل میشد. آهنگ داده برداري روي 18000 نمونه بر ثانیه تنظیم شد. بنابراین، سامانه سیگنالهاي صوتی ناشی از حرکت تیغه را به طور پیوسته از سه لایه 25- 35 cm - و 15-25 ، - 5-15 دریافت کرده و مورد ارزیابی قرار میدهد.
آزمایشهایی براي ارزیابی این سامانه در مزرعه تحقیقاتی موسسه تحقیقات فنی و مهندسی کشاورزي با بافت خاك لومی شنی رسی شامل %58/33 شن، %25/36 رس و %16/24 سیلت اجرا گردید. چهار سطح فشردگی با تردد تراکتور مسی فرگوسن 399 - بدون تردد، 1، 4 و 8 تردد - در مسیرهاي 30 متري روي خاك شخم و دیسک خورده و مسطح شده، در رطوبت ثابت ایجاد گردید.
