بیشتر بدانیم:

رادار سونار

Sonar radar

صالح لشگری

[email protected] This email address is being protected from spam bots, you need Javascript enabled to view it

تابستان 85

عناوین :

• 1. تاریخچه
• 2. سونار فعال ( active sonar)
  • 2.1 آنالیز داده های سونار فعال
  • 2.2 سونار و حیوانات دریایی

• 3. سونار غیر فعال ( passive sonar )
  • 3.1 سرعت صوت
  • 3.2 شناسایی منبع صدا
  • 3 .3 نویز (noise )

§ سونار در جنگ

§ فیشرایزهای اکوستیکی (Fisheries Acoustics)

§ کاربرد فیشرایزهای اکوستیکی ( Fisheries Applications)

توجه مهم : به علت عدم پیدا کردن معادل های فارسی مناسب برای برخی از واژه ها و اصطلاحات انگلیسی ، واژه مورد نظر عینا تلفظ گردیده و یا معادل فارسی مورد نظر در قسمت واژه نامه توضیح داده شده است .

سونار :

سونار (sonar) ، ناوبری و تشخیص فاصله توسط صوت ( sound navigation and ranging)، تکنولوژی است که با استفاده از انتشار صدا در زیر آب قادر به شناسایی دیگر ناوها یا کشتی ها است . در انگلستان این تکنولوژی با نام ASDIC ( 1948) شناخته شده است .

• تاریخچه :

در سال 1906 ، اولین سونار غیر فعال جهت شناسایی توده های یخ توسط لوییس نیکسون اختراع گردید . در جنگ جهانی اول به علت نیاز به شناسایی اهداف دریایی تمایل به استفاده از سونار افزایش یافت . پاول دانکوین فرانسوی به همراه کنستانتین چلوسکی روس موفق به اختراع اولین سونار فعال در سال 1915 شدند .اگرچه مبدل های پیزوالکتریک نسبت به این سونار ترجیح داده شدند ، اما در جای خود این نوع سونارها آینده روشنی را در علم رادار شناسی باز کردند .

در سال 1916 زیر نظر بخش تحقیقاتی و اختراعات ناوگان دریایی بریتانیا ، رابرت بویل ( فیزیکدان کانادایی) ، پروژه ای را بر عهده گرفت و با تشکیل کمیته تحقیقاتی تشخیص ضدزیر دریایی ( یا زیردریایی )، (anti

or alied)) submarine detection investigation committee ) موفق به ساخت نمونه آزمایشی شدند که با نام مخفف ASDIC شناخته می شود .

درسال 1918 انگلیس و ایالات متحده متفقا موفق به ساخت سیستم های مجهز به سونارفعال گشتند ، ودرسال 1923 تولید این نوع سیستم ها به طور رسمی آغاز گشت . تکنیک تشخیص نابودگرهای سیستم هایی که مجهز به تکنیک ASDIC بودند در سال 1922 ساخته شد .

پس از جنگ جهانی دوم ناوگان آمریکا اقدام به تولید کشتی ها و زیر دریایی های که دارای فناوری معروف به ماهی کوچک بودند ، کرد .

• سونار فعال ( active sonar):

سونار فعال با ایجاد پالس های صوتی (معروف به پینگ) ، وسپس گوش دادن به پالس بازگشتی عمل میکند . برای تشخیص فاصله از هدف ، شخص می تواند مدت زمان بین دریافت و ارسال پالس را اندازه گیری کند. برای اندازه گیری جهت و راستای هدف می توان از هیدروفونیک های متعدد (hydrofonic) استفاده کرده ،و سپس زمان دریافت پالس توسط هر یک از این هیدروفون ها را اندازه گرفت ، و با مقایسه این زمان ها به راحتی می توان جهت و راستای هدف را تعیین نمود .

پالس ارسالی ممکن است دارای فرکانس ثابت بوده یا دارای چهچهه ای (chirp ) از تغییرات فرکانس حامل باشد . درحالت دوم ما شاهد تغییر نامطلوب در بسامد حامل موج پیوسته هستیم . و میتوان از روش فشرده سازی برای دست یابی به سیگنالی با باند باریک و عاری از فرکانس های نامطلوب استفاده کرد . درعمل هنگامی که سیگنال ما از نوع چهچهه ای است مدت زمان دریافت سیگنال افزایش میابد . در نتیجه ما سیگنال دریافتی را با انرژی کمتری نسبت به زمانی که سیگنال ما دارای یک فرکانس بود دریافت می کنیم . در حالت کلی رابطه بین فرکانس و مسافت بدین صورت است که برای مسافت های طولانی از فرکانس های ضعیفتری استفاده می شود .

در یکی از موارد کاربردی ما از این سونار به عنوان چراغ قوه استفاده می کنیم . از یکی از نقاط زیر زیردریایی یا کشتی سنسور به درون آب فرستاده شده و می تواند فواصل خواسته شده را اندازه گیری کند .یگی دیگر از کاربردهای سونار فعال در شناسایی توده ماهیهای درون آب است . یکی دیگر از کاربردهای سونار فعال درعملیات نظامی می باشد و این سونار قادر به ایجاد یک تصویر سه بعدی با وضوح بالا ازمحیط اطراف سونار می باشد .با این وجود از این نوع سونار در عملیات جاسوسی مورد استفاده قرار نمی گیرد .درادامه کاربردهای این نوع سونار را به طور دقیق تر مورد بررسی قرار می دهیم .

از سونار فعال می توان در اندازه گیری عمق دریا استفاده کرد ، که این عملکرد معروف به عمق سنجی آکوستیکی ( echo sounding) است .

از سونارهای فعال معمولا در اندازه گیری مسافت بین دو پاسخگر (transponder ) استفاده میگردد . پاسخ گر وسیله ای است که قادر به دریافت و ارسال پالس های نوع اول ( فرکانس ثابت ) می باشد .ونیز هنگامیکه این پاسخ گر پالسی را دریافت می کند بسته به میزان انرژی پالس دریافتی از خود عکس العمل نشان میدهد . برای اندازه گیری مسافت یکی از پاسخ گرها اقدام به تولید پالس می کند سپس به اندازه گیری مدت زمان ارسال به پاسخگر دیگر و دریافت پالس می پردازد .حال کافی است تنها سرعت صوت ( پالس ارسالی ) را درون آب بدانیم . یعنی در اینجا مدت زمان طی مسافت بین دو پاسخگر اندازه گرفته شده و در سرعت پالس در آب ضرب می کنیم تا مسافت بین دو پاسخگر بدست آید . با بکارگیری پاسخگرهای متعدد ما قادر به شناسایی نسبی موقعیت های اجسام ثابت و متحرک درون آب هستیم .

• آنالیز داده های سونار فعال :

داده های کسب شده توسط سونار فعال با اندازه گیری صوت مشخص شده ، برای یک پریود زمانی کوچک پس از ارسال پینگ ، بدست می آید . مسافتی که پالس تا کف دریا یا هر جسمی که دارای خاصیت بازتابش آکوستیکی ( acoustic reflection) است می تواند با اندازه گیری زمان سپری شده بین ارسال پالس و تشخیص هدف انجام می گیرد . سایر ویرگی هایی راکه می توان از شکل پالس بازگشتی دریافت کرد به صورت زیر است :

1. در هنگام ارسال پالس به کف دریا یا اقیانوس ، برخی از پالس های بازگشتی با برخورد به فصل مشترک بین آب دریا و محیط خارج از آب مجددا بازتاب پیدا می کنند و برای دومین بار ازکف دریا بازتابیده می شوند . این امواج بازگشتی حامل اطلاعاتی است که بیانگر میزان خاصیت آکوستیکی آن ناحیه ازکف دریا می باشد .
2. بسته به میزان ناهمواری کف دریا ما شاهد زمان های متفاوتی از بازکشت پالس ارسالی خواهیم بود . برای زمانی که کف دریا صاف است ، اغلب موج های بازگشتی در یک مسیر باز تابیده میشوند در نتیجه ما شاهد اطلاعاتی حاکی از وجود گیاهان نوک تیز (sharp spike ) درکف دریا هستیم . برای سطوح با ناهمواری بیشتر موج های بازگشتی گستره وسیع تری را به خود اختصاص میدهند ، و بعضی از پالس های بازگشتی پس از چند بازتابش که ناشی از ناهمواری سطح کف دریا میباشد به سونار بازمیگردند .درنتیجه کاهش میزان گیاهان نوکتیز در داده ها بیانگر سطح ناصاف کف دریا می باشد .

o سونار وحیوانات دریایی :

بعضی از حیوانات دریایی نظیر وال ها و دلفین ها ، از سیستمی مشابه سیستم سونار ( پژواک مکانی ) جهت شناسایی دشمنان و نیز شکارها ی خود استفاده می کنند . اما خطر اینکه فعالیت سونار سبب تداخل و اغتشاش در مسیریابی حیوانات میشود وجود دارد ، وشاید از تغذیه مناسب و جفت گیری آنها جلوگیری کند . گزارش اخیر منتشر شده در ژورنال nature بیانگر تاثیر عملکرد نظامی سیستم های سونار در بیماری ودر نتیجه به ساحل آمدن وال ها بود . سونار های فعال که از ارسال پالس برای شناسایی اهداف خود استفاده می کنند به طور غیر مستقیم حیات حیوانات دریایی را به خطر می اندازند ، اگرچه تحقیقات علمی مجموعه ای از این عوامل را موثر می داند . در سال 2000 ، آزمایشی در ناوگان آمریکا با استفاده از فرستنده ای با قدرت 230db ودر فرکانس بین 3-7 khz بر روی 16 وال ها انجام گرفت که منجر به مرگ 7 وال گردید . با این وجود در صورتی که قدرت پالس های ارسالی کم باشد خطری حیات پستانداران دریایی را تهدید نمی کند .

§ سونار غیر فعال (passive sonar) :

در این نوع سونار ها تنها عمل گوش دادن (و عدم ارسال پالس ) انجام می شود . ازکاربردهای مهم این سونار می توان به عملیات جاسوسی که از این سونار بهره می برند اشاره کرد .

o سرعت صوت :

عملکرد سونار وابسته به سرعت صوت می باشد . سرعت صوت در آب های شیرین آهسته تر از سرعت صوت در آب دریا می باشد . در تمامی آب ها سرعت صوت وابسته به چگالی آب می باشد . چگالی وابسته به پارامترهایی نظیردما واملاح آب ( معمولا میزان شوری آب ) و فشار میباشد . سرعت صوت به طور تقریبی برابراست با :

temperature (in °F)) + (0.0182 × depth (in feet) + salinity (in parts-per-thousand))

که از رابطه بالا جهت فرآیندهایی از قبیل تغلیظ آب و تعیین عمق آب استفاده می شود . دمای آب متناسب با عمق آب از سطح دریا تغییر می کند . اما در عمق 30 تا 100 متری از سطح دریا شاهد تغییرات قابل توجهی هستیم . که به این محدوده دما شیب (themocline) گفته می شود که حد واسطی بین آب گرم تر و آب سردتر است که امواج صدا در این ناحیه طوری خم می شوند که زیر دریایی ها می توانند با پنهان شن در زیر این ناحیه از آشکارشدن بگریزند .

دما شیب مکن است در آبهای سطحی نزدیک ساحل نیز وجود داشته باشد که ما از منظور کردن آن صرف نظر میکنیم .

فشار آب اغلب بر نحوه انتشار صوت اثرگذار است . افزایش فشار باعث افزایش چگالی شده که در نتیجه شاهد افزایش سرعت صوت می باشیم . افزایش سرعت صوت منجر به منکسر شدن آن در برخورد با محیط دیگر می شود .که به آن قانون شکست اسنل گوییم .

امواج صوتی که در جهت پایین به سمت کف اقیانوس تابانده شده بودند به صورت قوس هایی که وابسته به فشار آب میباشند به طرف سطح آب بازتابیده می شوند . اقیانوس باید لا اقل دارای عمق 6000 فوتی باشند یا اینکه امواج به جای اینکه انکسار یابند به طرف بالا پژواک شوند . تحت این شرایط امواج در محدوده ای نزدیک سطح دریا فوکوس میشوند و مجددا به طرف پایین انکسار می یا بند ( به صورت قوس ) هر یک از این قوس ها با نام ناحیه همگرایی ( convergence zone) شناخته می شود . قطر نا حیه همگرایی بسته به دمای آب و میزان املاح آب می باشد .

برای مثال در آتلانتیک شمالی قطر ناحیه همگرایی که به فصل ندازه گیری وابسته بود و به صورت دایره های متحدالمرکز شناخته می شد برابر 33 مایل به دست آمد . در ضمن امواج شناسایی شده در صورتی که دارای خط مستقیم بودند مسافت کمی را به خود اختصاص ددند اما در حالت دوم در فواصل بیش از 100 مایلی قابل شناسایی بودند . با توجه به عواملی از قبیل مسافت دما و موانع راه سیگنال دریافت شده توسط گیرنده دارای انرژی بسیار ضعیف تری نسبت به حالت اولیه بودند که این مشکل با استفاده از سونار های دقیق حل شد .

o شناسایی منبع صدا :

سونارهای نظامی زا راه های متعددی برای شناسایی منبع صوت استفاده می کنند . برای مثال ناوگان ایالات متحده از سیستم هایی که با جریان متناوب 60hz کار می کنند بهره می برد . در صورتی که ارسال کننده ها بر روی بدنه کشتی و با ایزولاسیون کامل سوار شده باشند یا اینکه در آب شناور شده باشند یک صوت با فرکانس 60 hz می توان از ژنراتورهای زیردریایی جهت کمک به تعیین اشیاء که اطراف زیردریایی هستند ساتع شوند . به طور قرار دادی اکثر زیردریایی های اروپا از فرکانس 50hz جهت توان سیستم های خود استفاده می کنند . نویز های ادواری نظیر پیچ ها یا تکان هایی که در زیردریایی هنگام افتادن در آب می کنند نیز برای سونار نیز قابل شناسایی است .

سیستم های سونار غیر فعال دارای اطلاعات بسیار مفیدی برای رادار هستند . با این وجود اغلب طبقه بندی های انجام شده به طور دستی و توسط اپراتور انجام می پذیرد . سیستم های کامپیوتری مکررا از اطلاعات پایه جهت تشخیص طبقه بندی کشتی ها سرعت کشتی نوع سلاح استفاده شده و حتی کشتی های خاص استفاده می کنند . داده های طبقه بندی شده مرتبا توسط ناوبر به روز میشود تا اشتباهی در دریافت اطلاعات رخ ندهد .

o نویز (noise) :

سیستم های سونار غیر فعال به علت اغتشاشی که توسط وسیله نقلیه ایجاد می شود دارای محدودیت های بسیار هستند . به این دلیل اغلب زیر دریایی ها دارای واکنش پذیری هسته ای هستند که در نتیجه بدون استفاده از پمپاژها به راحتی می توانند سرد شوند و از انتقال دهنده های گرمای بی صدا یا استفاده از سوخت های فسیلی یا استفاده از باتری هایی که در تمامی حالات می توانند به طور بی صدا به فعالیت بپردازند استفاده کنند . وسایل انتقال دهنده مناسب با کمترین نویز ساتع شده به صورت دقیق طراحی و ماشینیزه می شوند . این انتقال دهنده های مناسب در سرعت های بالا تنها حبابهایی را درون آب ایجاد می کنند و همچنین صدای خفیفی ایجاد میکنند هیدروفونهای سونار های فعال به طور مستور به بدنه کشتی یا زیر دریایی یدک کشیده می شوند تا تاثیر نویز حاصل شده ناشی از خود زیردریایی کاهش یابد . این هیدروفون ها بسته به کاربرد آن ها می توانند در بالای محدوده دماشیب یا پایین آن یدک کشیده شوند .در سالهای زیادی ایالات متحده اقدام به ساخت و جایگزینی سونار های پسیو متعدد در نقاط مختلف اقیانوس های جهان کرد که مجموعه آنها را sosus می نامند . در تمام مت زمانی که عملیات نظامی نظیر اکتشاف انجام می شد آنها به صورت آهسته عمل کرده و به صورت کاملا مخفیانه یدک کشیده میشدند .

اغلب نمایشگر هایی که در سونارهای غیر فعال می بینیم دارای تصاویر دو بعدی هستند . محور افقی بیانگر فرکانس و محور عمودر بیانگر موقعیت رادار است .