Univerza v LjubljaniFakulteta za matematiko in fiziko

Oddelek za fiziko

seminar - 4. letnik

PODVODNA AKUSTIKA

Avtor: Jernej Lalos

Mentor: doc. dr. Daniel Svensek

Ljubljana, maj 2011

Povzetek

Podvodna akustika se ukvarja s sirjenjem in obnasanjem zvoka v vodi, predvsem v morju. Zatosi najprej ogledamo okolje podvodne akustike, osnovne akusticne propagacijske poti in izgube. Natosi pogledamo fizikalne mehanizme pri podvodni akustiki, kot so: pretvorniki energije, prostorskaatenuacija, izgube pri dnu, sipanje in odmev ter sum okolja. Nazadnje omenimo na hitro se enacbepasivnega in aktivnega sonarja.

Seminar Podvodna akustika Jernej Lalos

Kazalo

1. Uvod .............................................. 22. Okolje podvodne akustike .............................................. 22.1 Podvodno okolje .............................................. 22.2 Akusticne propagacijske poti .............................................. 3

Zelo kratkega dosega .............................................. 4Dolgega dosega .............................................. 4V plitki vodi .............................................. 5

2.3 Geometrijske izgube .............................................. 53. Fizikalni mehanizmi .............................................. 63.1 Pretvorniki energije .............................................. 63.2 Prostorska atenuacija .............................................. 63.3 Izguba pri dnu .............................................. 73.4 Sipanje in odmev .............................................. 8

3.5 Sum okolja .............................................. 104. Enacba sonarja .............................................. 104.1 Enacba pasivnega sonarja .............................................. 104.2 Enacba aktivnega sonarja .............................................. 115. Zakljucek .............................................. 116. Literatura .............................................. 13

1

Seminar Podvodna akustika Jernej Lalos

1. Uvod

Znano je, da se v vodi zvocni valovi sirijo bolje od elektromagnetnih valov. Zato se v vodiuporablja sonar (sound navigation and ranging) in ne radar (radio detection and ranging) kot,na primer, v zraku in vakuumu. V vodi se tako uporablja akusticna in ne radijska komunikacija,uporablja se akusticno slikanje in tomografija in ne mikrovalovno ali opticno slikanje in rentgenskatomografija. Podvodna akustika je veda o zvoku v vodi, navadno v morju, in zajema proucevanjesirjenja (propagacije) zvoka, popacitve zvocnega signala, ki nastane zaradi motecih pojavov vokolici, in obdelave signala, ki iz popacenega signala izloci uporabno informacijo. Ogledali si bomoosnovne fizikalne pojave podvodne akustike.

2. Okolje podvodne akustike

Akusticne lastnosti morij, kot so poti, po katerih se siri zvok iz lokalnega izvora, so v glavnemodvisne od strukture hitrosti zvoka v vodi, ta pa je odvisna od oceanografskega okolja. Kombinacijalastnosti posameznih plasti vode in morskega dna ustvari nekaj splosnih propagacijskih poti zvoka,s katerimi lahko opisemo vecji del sirjenja zvoka v morju.

2.1 Podvodno okolje

Hitrost zvoka v plasti morkse vode je odvisna od temperature, slanosti in lokalnega tlaka, ki paje sam odvisen od globine pod morsko gladino. Hitrost zvoka v morju c [m/s] se navadno izraza ssemi-empiricno formulo, kot je tale:

c =

[1449, 2 + 4, 6

T◦C− 0, 055

(T◦C

)2

+ 0, 00029

(T◦C

)3

+

(1, 34− 0, 01

T◦C

)(s− 35) + 0, 016

z

m

]m

s.

(1)Spremenljivke v njej so temperatura T [◦C], slanost s [�] in globina z [m].

slika 1: Splosni profili hitrosti zvoka v morjuza frekvence okoli 100Hz [2].

slika 2: Tipicna profilahitrosti zvoka vplitki vodi za frekvence okoli 100Hz [2].

2

Seminar Podvodna akustika Jernej Lalos

Slika 1 prikazuje izbor tipicnih profilov hitrosti zvoka v morju. Vidimo, da se hitrost zvokanajbolj spreminja blizu povrsine.

V toplejsih letnih casih (ali v toplejsih delih dneva) se temperature zvisajo v blizini povrsja intako se tudi hitrost zvoka blizu povsja poveca.

V nepolarnih regijah, kjer je mesanje blizu povrsine zaradi vetra in valovanja veliko, se ustvarimesalna plast vode s skoraj konstantno temperaturo. V tej izotermni plasti se hitrost zvokapovecuje z globino zaradi povecevanja lokalnega pritiska, kot doloca zadnji clen v zgornji enacbi(1). To je obmocje povrsinske vode. Pod mesalno plastjo vode je temperaturni gradient, kjertemperatura in z njo tudi hitrost zvoka padata z globino. Pod to plastjo je temperatura znovakonstantna in hitrost zvoka se zaradi povecevanja pritiska spet veca z globino. Tako je medglobinsko izotermalno plastjo in povrsinsko mesalno plastjo vode neka dolocena globina, pri kateriima zvok najmanjso hitrost. Ta globina se imenuje os globokega zvocnega kanala.

V polarnih regijah pa je voda najhladnejsa na povrsini; zato je tudi najmanjsa hitrost zvokana povrsini.

Slika 3 prikazuje strukturo hitrosti zvoka v severnem in juznem Atlantiku. Globoki zvocni kanal(tudi kanal SOFAR - Sound Frequency and Ranging) je prikazan s crtkano crto; opazimo, da jeblizje povrsju okoli zemeljskih polov. Morje tako vpliva na hitrost zvoka v njem, obenem pa gatudi absorbira in s tem povzroci atenuacijo jakosti zvoka, ki se povecuje proti visjim frekvencam.

Plitkejse vode, kot so na celinski policah in podvodnih pobocjih, niso dovolj globoke, da bibil globinsko odvisen clen v enacbi (1) bistveno pomemben. Tako je zimski profil hitrosti zvokapretezno konstanten. Le poleti se povrsje morja toliko segreje, da se poveca tudi hitrost zvoka obnjem. Oboje je prikazano na sliki 2.

slika 3: Nivojnice hitrosti zvoka v razmakih po 5m/s v Atlantiku vzdolz poldnevnika 30◦30′ zahodnezemljepisne dolzine. Crtkana crta oznacuje os globokega zvocnega kanala [2].

Struktura hitrosti zvoka doloca obnasanje zvoka na mejah morja. Morje je na vrhu omejenoz zrakom, ki je popoln reflektor. Ce pa je morska gladina razburkana, se zvok na njej razprsi vrazne smeri, stran od odbojega kota mirne povrsine. Morsko dno je navadno zapletena, grobain plastovita struktura, ki prenasa svoje elasticne valove. Njegove geoakusticne lastnosti lahkoopredelimo z gostoto, kompresijsko in strizno hitrostjo ter atenuacijskimi profili. Dve glavni meji,zrak-morje in morje-dno, si lahko predstavljamo kot robova akusticnega valovoda. Tak valovod imasvoj notranji lomni kolicnik dolocen z osnovnimi oceanografskimi parametri, ki so predstavljeni venacbi za hitrost zvoka (1).

2.2 Akusticne propagacijske poti

Sirjenje zvoka v morju se lahko poenostavljeno razdeli na tri kvalitativne razrede: propagacijozelo kratkega dosega, propagacijo v globokih vodah in propagacijo v plitkih vodah.

3

Seminar Podvodna akustika Jernej Lalos

ZELO KRATKEGA DOSEGA

Amplituda zvoka tockasteka izvira v neskoncnem praznem prostoru pada z razdaljo r kotfunkcija r−1. Ta geometrijska izguba se imenuje krogelno sirjenje. Vecina zanimivih virov zvoka vmorju je blizje povrsju kot dnu. Zato sta dve glavni poti kratkega dosega neposredna ravna pot inpot z odbojem od gladine. Ko ti dve poti interferirata, povzrocita prostorsko porazdelitev zvoka,ki se imenuje Lloydov zrcalni vzorec in je prikazan na sliki 4. Transmisijske izgube na njej so vdecibelskem merilu relativne intenzitete, ta pa je sorazmerna kvadratu akusticne amplitude.

slika 4: Geometrija Lloydovega zrcalnega efekta pri sirjenju valovanja (zgoraj desno) ter prikaznjegove energijske jakosti v primerjavi s krogelnim sirjenjem valovanja [2].

DOLGEGA DOSEGA

Slika 5 je shematski prikaz propagacijskih poti v morju, ki so posledica razlicnih profilov hitrostizvoka, obravnavanih v prvem poglavju. Te poti lahko razumemo s pomocjo Snellovega lomnegazakona:

cos(θ(z))

c(z)= konst. , (2)

ki s kotom θ(z) opisuje smer valovanja glede na vodoravno smer, pri cemer je c(z) lokalna hitrostzvoka na globini z. Enacba doloca, da ima zvok z visjo hitrostjo manjsi kot z vodoravnico, karpomeni, da se zvok odklanja od pasov, kjer je hitrost zvoka visoka. Povedano drugace, zvok seukrivlja k podrocjem z nizjo hitrostjo zvoka.

slika 5: Shematski prikaz sirjenja zvoka in propagacijskih poti v morju [2].

Na sliki 5 je najlazje razloziti poti 1, 2 in 3, saj so to poti, ki nihajo okoli lokalne minimalnehitrosti zvoka. Na primer, pot 3, ki je prikazana kot zarek, ki zapusca izvor blizu osi globokega

4

Seminar Podvodna akustika Jernej Lalos

zvocnega kanala pod majhnim kotom glede na horizontalo, se siri po globokem zvocnem kanalu.Ta kanal omogoca v zmernih zemljepisnih sirinah, kjer je minimum zvocne hitrosti globoko podpovrsjem, potovanje zvoka vec tisoc kilometrov dalec. Pot 4, ki izvira pod bolj strmim kotom innavadno iz virov blizu povrsja, je sirjenje s konvergencnimi conami. To so prostorsko periodicni(35-65km) pojavi, ki tvorijo podrocja visoke intenzitete blizu povrsja zaradi navzgor uklanjajocese narave profila zvoka v globinah. Podrocja med konvegrancnimi conami so sencna podrocja.

Z ozirom na prvo poglavje lahko obstaja neka globina v globoki izotermni plasti, kjer je hitrostzvoka enaka kot na povrsju. Ta globina se imenuje kriticna globina in predstavlja spodnjo mejoglobokega zvocnega kanala. Pozitivna kriticna globina doloca, da okolje omogoca sirjenje zvokana dolge razdalje; negativna kriticna globina pa doloca, da je morsko dno spodnja meja globokegazvocnega kanala. Odboj od dna, pot 5, je tudi periodicen pojav, toda s krajso periodo in krajsopropagacijsko razdaljo – zaradi izgub pri odbijanju zvoka od dna.

V PLITKI VODI

V splosnem lahko gledamo na morje kot na akusticni valovod. Valovodna fizika je posebejocitna v plitkejsih vodah - ob obalah do kontinentalnega pobocja, navadno do globine nekaj stometrov. Lomni zakon pri poletnem profilu iz slike 2 povzroca, da se zarki ukrivljajo bolj protidnu, medtem ko so pri zimskem profilu bolj ravni. To namiguje na dva pojava v zvezi z morskimdnom: i) pri neki razdalji sirjenja valovanja je poleti vec odbojev od morskega dna kot pozimi;ii) vpadni koti zarkov na morskem dnu so strmejsi poleti kot pozimi. Kvalitativno razumevanjeodbojnih lastnosti morskega dna prispeva veliko k razumevanju sirjenja zvoka poleti in pozimi. Vprincipu: odboj z manjsim vpadnim kotom glede na vodoravno ravnino ima veliko manj izgub kotodboj pod vecjim vpadnim kotom. Ker imajo poletne propagacijske poti vec odbojev od dna into pod bolj strmimi koti kot zimske propagacijske poti, ima poletno sirjenje zvoka v plitki vodivec izgub kot zimsko. Ta razlika se sicer zmanjsa zaradi navadno bolj razburkanega morja pozimi,torej zaradi vecjih izgub pri odboju od morske gladine, sploh za visje frekvence.

slika 6: Sirjenje zvoka v morskem valovodu, ki nastane znotraj stozca s kotom θC [2].

2.3 Geometrijske izgube

Bolj se energija na enoto casa, ki jo odda zvokovni vir, oddaljuje od njega, po vecji povrsinise siri. Intenziteta je pravzaprav tok moci skozi enoto povrsine, ki se razume kot tok energije naenoto casa skozi enoto povrsine. Najenostavnejsi primer geometrijske izgube je krogelno sirjenjeiz tockastega izvira v neskoncnem praznem prostoru. Tu se povrsina, skozi katero energija potuje,povecuje kot funkcija 4πr2, ce je r razdalja od tockastega izvira. Tako pri krogelnem sirjenjuintenziteta pada z razdaljo sorazmerno z r−2. Ker je intenziteta sorazmerna z kvadratom amplitudetlaka, fluktuacije v pritisku, ki jih povzroca zvok, p padajo z razdaljo kot r−1.

Pri horizontalnem sirjenju zvoka v plasti vode, to je, ko se zvok vedno znova uklanja in odbijaproti horizontalni smeri, ni izgub v vertikalni dimenziji. V tem primeru je povrsina skozi katero sesiri energija podobna pokoncnemu valju s povrsino 4Hπr, kjer je H debelina vodnega pasu in jekonstantna.

Pri geometrijski izgubi blizu Lloydoveva zrcalnega polja je potrebno upostevati interferirajocezarke iz neposredne poti s tistimi, ki so se odbili od povrsine.

5

Seminar Podvodna akustika Jernej Lalos

Ce povzamemo: ker je intenziteta energije sorazmerna kvadratu tlaka, so geometrijske izgubez razdaljo r v tlacnem polju naslednje: cilindricno sirjenje – p ∝ r−1/2 in sferno sirjenje – p ∝ r−1;pri sirjenju s tvorbo Lloydovih zrcalnih polj pa tlacno polje pojema se hitreje.

3. Fizikalni mehanizmi

Najpomembnejsi fizikalni mehanizmi pri podvodni akustiki so v povezavi z generacijo, sprejemom,atenuacijo in sipanjem zvoka v morju.

3.1 Pretvorniki energije

Pretvornik energije pretvori neko vrsto energije v zvok (izvor) ali pa zvok v elektricni signal(sprejemnik). Pri podvodni akustiki se pogosto uporabljajo piezoelektricne in magnetostriktivnenaprave. Prve povezujejo elektricno polarizacijo z mehansko obremenitvijo, druge pa povezujejomagnetizacijo feromagnetne snovi z mehansko obremenitvijo. Obstajajo tudi elektrodinamicnipretvorniki, kjer zvocno nihanje tlaka premika tokovno tuljavo v magnetnem polju, kar natopovzroci spremembo v elektromagnetnem polju. Uporabni so tudi elektrostaticni pretvorniki, kjerse elektrode premikajo v zvocnem polju in s tem sperminjajo skupno kapacitivnost sistema. Polegtega je se nesteto drugih moznih virov zvoka.

3.2 Prostorska atenuacija

Prostorska atenuacija se povecuje s frekvenco. Kot primer: izgube na poti 3 iz slike 5 so samoprostorska atenuacija in sipanje, saj ta pot nima robnih inetrakcij.

Prostorsko sipanje je lahko bioloskega izvora ali pa pride zaradi inerakcij z notanjimi valoviv blizini zgornjega dela globokega zvocnega kanala, kjer se poti uklonijo preden pridejo v stik spovrsjem. Oba pojava sta majhna pri nizkih frekvencah. To isto obmocje notranjih valov je tudi naspodji meji tako imenovanega kanala povrsinske vode, kar omogoca sipanje iz povrsinskega kanalain s tem izgube v njem. Ta mehanizem tudi pusca zvok v globok zvocni kanal, podrocje, ki bi brezsipanja bilo sencna cona za vire iz povrsinskega kanala. Ta tip sipanja na notranjih valovih je tudivir fluktuacij zvocnega polja.

Atenuacija ja opredeljena kot eksponentno pojemanje zvocnega polja. Ce je A0 absolutnaamplituda zvocnega polja na enoti razdalje od vira, potem povzroci atenuacija zvocnega poljapojemanje amplitude A z razdaljo r:

A(r) = A0e−αr , (3)

kjer je α atenuacijski koeficient z enoto [Np/m]. Izrazimo ga lahko tudi v decibelih na enotorazdalje s pretvorbo: α′ = 8, 686α.

Pomemben mehanizem pri atenuaciji zvoka je kemijska relaksacija nekaterih soli, ki so raztopljenev vodi. Soli v vodi do neke mere disociirajo na anione in katione; pri tem so delezi kemijskedisociacije in rekombinacije ionov v dinamicnem ravnovesju. Ob prihodih tlacnih zgoscin zvocnihvalov se to ravnovesje porusi. Takrat se namrec mocno poveca stopnja rekombinacije ionov, zato se tudi porabi dobrsen delez zvocne energije v vodi. Ce je relaksacijski cas (cas v kateremmolekula znova disociira) soli primerljiv z periodo zvocnega valovanja, se energija, ki se sprosti sdisociiranjem presezka rekombiniranih molekul, sprosti ravno blizu tlacnih razredcin zvocnih valov.Pododen toda obraten proces disociacije ionov in sproscanja energije se dogaja ob prihodih tlacnihrazredcin zvocnega valovanja, ki ji sledi porabljanje energije pri zgoscinah zvocnega valovanja medponovnimi rekombinacijami. Tako se efektivno zmanjsuje amplituda intenzitete zvocnega valovanjain zato prihaja do mocne atenuacije.

6

Seminar Podvodna akustika Jernej Lalos

Frekvencna odvisnost atenuacije je priblizno razdeljena na stiri podrocja, ki so prikazana na sliki7. V podrocju I je uhajanje iz zvocnega kanal glavni vzrok atenuacije. Glavna razloga za atenuacijov podrocjih II in III sta kemijski relaksaciji borove kisline (B(OH)3) v drugem in magnezijevegasulfata (MgSO4) v tretjem. V podrocju IV pa sta glavna vzroka atenuacije strizna in prostorskaviskoznost vode. Priblizen povzetek frekvencne ν [kHz] odvisnosti atenuacijskega koeficienta α′

[dB/km] podaja naslednja semi-empiricne formula:

α′(ν) =

[0, 0033 +

0, 11(ν

kHz

)21 +

(ν

kHz

)2 +43(ν

kHz

)24100 +

(ν

kHz

)2 + 0, 000298( ν

kHz

)2]dB

km, (4)

v kateri so cleni po vrsti priblizno povezani s posameznimi podrocji na sliki 7.

slika 7: Frekvencna podrocja z razlicnimi glavnimi vzroki atenuacije [2].

3.3 Izguba pri dnu

Zgradba morskega dna vpliva na tiste akusticne poti, ki pridejo v stik z njim. Odboj pri dnuzaznamuje koeficient reflektivnosti dna R. To je razmerje amplitud odbitega in vpadnega valovanjana stiku morja z dnom in je funkcija vpadnega kota med vpadnim zarkom in vodoravno, mejnoravnino. Stik dveh povsin je prikazan na sliki 8.

Za enostavno dno, ki ga lahko predstavimo kot polneskoncen polprostor s konstantno hitrostjozvoka cd in gostoto ρd, je reflektivnost:

R(θ) =ρdkvz − ρvkdzρdkvz + ρvkdz

, (5)

kjer indeks v predstavlja vodo, valovni stevili kiz pa sta podani kot:

kiz =ω

cisin(θi) = k sin(θi); i = v, d . (6)

Vpadni θv in prepustni θd kot sta povezana z lomnim zakonom:

cd cos(θv) = cv con(θd) . (7)

7

Seminar Podvodna akustika Jernej Lalos

Odbojni kot je enak vpadnemu kotu.Za ta enostaven primer morskega dna, kjer velja cd > cv, obstaja kriticni vpadni kot θC , pod

katerim se zgodi popoln odboj:

cos(θC) =cvcd. (8)

Na dnu, na katerm so izgube, ni popolnega odboja, kot prikazuje slika 8. Ti rezultati so pribliznofrekvencno neodvisni. Za plastovito dno pa ima reflektivnost zapleteno frekvencno odvisnost.

slika 8: (a) Odboj in prehod vpadnega zarka na meji dveh snovi. Vpadni koti so merjeni odvodoravnice. (b) Rayleighjeva refleksijska krivulja kot funkcija vpadnega kota θ, s prikazanim

kriticnim kotom θC [2].

3.4 Sipanje in odmev

Sipanje na grobih mejah ali prostorskih nehomogenostih je mehanizem izgube (atenuacije),odmevne interference in fluktuacij. Atenuacijo prostorskega sipanje smo obdelali v zgornjempoglavju. V vecini primerov, za komunikacijo ali sonar, je zanimiv srednji oziroma koherentnidel zvocnega polja; sipanje pa povzroci, da se del akusticnega polja zasumi. Sipanje na grobempovrsju stran od glavne odbojne smeri lahko vzamemo kot atenuacijo srednjega zvocnega polja inse navadno povecuje z frekvenco. Formula, ki opisuje reflektivnost na grobi meji, je naslednja:

R′(θ) = R(θ)e−12 Γ2

, (9)

kjer jeR(θ) reflektivnostni koeficient gladke povrsine in Γ Rayleighjev parameter grobosti, definirankot Γ ≡ 2kσ sin(θ), ce je k = 2π/λ in je λ valovna dolzina zvoka, σ pa parameter hrapavosti alipovprecna visina neravnin na povrsini.

Sipano polje se pogosto imenuje odmev. Moc sipanja na povrsini SS , dnu Sd ali v prostoruSV je preprosta parametrizacija odmeva in je definirana kot razmerje v decibelih med intenzitetozvoka, ki se siplje Isip, in intenziteto vpadnega zvoka, Ivp:

SS,d,V = 10 log

(IsipIvp

)dB . (10)

8

Seminar Podvodna akustika Jernej Lalos

Chapman-Harrisove krivulje predvidevajo moc povrsinskega sipanja v morju v obmocju med400Hz in 6400Hz takole:

SS =

[3, 3β log

(θ

30◦

)− 42, 4 log(β) + 2, 6

]dB ; β = 107

(wms

( ν

Hz

)1/3)−0,58

, (11)

kjer je θ [◦] vpadni kot glede na vodoravnico, w [m/s] je hitrost vetra in ν [Hz] je frekvenca.Preprosta karakterizacija moci sipanja na dnu uporablja Lambertovo pravilo za difuzno sipanje:

Sd = A+ 10 log(sin2(θ)

)dB , (12)

kjer je prvi clen dolocen empiricno. Ob predpostevki, da se vsa vpadna energija siplje nazaj v vodoin se je nic ne prenese v dno, je A = −5dB. Tipicne realisticne vrednosti A, ki so bile izmerjene,so med −17dB in −27dB.

Moc prostorskega sipanja se navadno reducira na moc povrsinskega sipanja tako, da se SVvzame kot povprecno moc prostorskega sipanja v neki plasti na doloceni globini. Tako se ustreznamoc prostorskega sipanja zapise kot:

SV = SS − 10 log(H) dB , (13)

kjer je H debelina plasti. Skupna moc sipanja je definirana v primeru, v katerem je H celotnaglobina vode.

Prostorsko sipanje se navadno zmanjsuje z globino (5dB na 300m) z izjemo globoke sipalneplasti. Za frekvence nizje od 10kHz (λ > 15cm) so glavni sipalci ribe z zracnimi plavalnimimehurji. Za frekvence nad 20kHz (λ < 7cm) so glavni sipalci zooplankton in podobne male zivali.Globoka sipalna plast je globlje podnevi kot ponoci in se najhitreje spremija zjutraj in zvecer. Taplast povzroca mocno povecanje sipanja 5dB–15dB do 100m pod povrsjem ponoci in prakticnonic sipanja v povrsinski plasti podnevi, saj se globoka sipalna plast premakne za vec sto metrovv globino. Ker visji pritisk bolj stisne ribji plavalni mehur, je resonanaca akusticnega sipanjapodnevi, ko je globoka sipalna plast v vecjih globinah, pri visjih frekvencah kot ponoci. Primerednevnega in nocnega sipanja prikazuje slika 9.

slika 9: Prikaz moci dnevnega in nocnega sipanja v odvisnosti od frekvence z globino najblizjegasipalca kot parametrom [2].

Mehurcki blizu povrsja in oblaki mehurckov so lahko obravnavani kot prostorski ali povrsinskisipalni mehanizmi, ki sodelujejo s razburkanim povrsjem. Mehurcki imajo resonance (navadno nad10kHz), pri katerih je sipanje zelo ojacano. Oblaki mehurckov imajo skupne lastnosti, med njimije tudi ta, da imajo mesanice mehurckov in vode mnogo manjse hitrosti zvoka kot pa voda sama.

9

Seminar Podvodna akustika Jernej Lalos

3.5 Sum okolja

V podvodni akustiki sta dva tipa suma: umetni in naravni. V splosnem so ladje in globokomorskenatne ploscadi najvecji izvor umetnega suma v morju. Naravni sum zavzema navadno nizke invisoke frekvence – pod 10Hz (turbulence, seizmicna aktivnost) in nad nekaj 100Hz (termicni sum,dez, organizmi) –, umetni pa srednje frekvence – od 10Hz do nekaj 100Hz (ladje, naftne ploscadi).Visje frekvence suma so navadno posledica razburkanega morja in vetra.

Profil zvocne hitrosti vpliva na navpicno in kotno porazdelitev suma v globokem morju. Ce jekriticna globina pozitivna, lahko zvok iz povrsinskih virov potuje cez velike razdalje, ne da bi nanjvplivalo dno. Zato tudi sprejemnik pod to kriticno globino zazna manj suma iz povrsja.

slika 10: (a) Primer izmerjenega profila hitrosti zvoka v morju. (b) Primer nivoja hrupa kotfunkcije globine s frekvenco kot parametrom [2].

V morju, ki je nespermenljivo v vodoravni smeri, predvideva lomni zakon horizontalno sencenjesuma na globinah, kjer je hitrost zvoka nizja od tiste blizu morske gladine. Ce se vrnemo kenacbi (2) in preberemo hitrosti zvoka s slike 10a na povrsju (c = 1530m/s) in na globini 300m(c = 1500m/s), vidimo, da bi vodoravni zarek (θ = 0) z morskega povrsja imel kot θ = 11◦ gledena horizontalo na globini 300m. Vsi ostali zarki pa bi imeli se bolj strm kot. Zato pricakujemo tuvodoravno sencenje. Vodoravnega sencenja se dostikrat ne opazi pri ladijskem sumu. To je zato,ker so ladijske poti najveckrat nad kontinentalnimi policami. Pobocja le-teh pa pretvorijo strmezvocne zarke v polozne.

4. Enacba sonarja

Velik uporabnik podvodne akustike je princip sonarja. Delovanje sonarja je velikokrat pribliznoopisano s sonarskimi enacbami. Metodologija sonarskih enacb je podobna bilancnemu racunu zakusticnim signalom, interferenco in sistemskimi lastnostmi, pri cemer se vse racuna v decibelih!

4.1 Enacba pasivnega sonarja

Sistem pasivnega sonarja uporablja zvok, ki ga oddaja tarca, da jo zazna in locira. Izvor oddajazvok izvorne jakosti SL (source level). Zaradi transmisijskih izgub TL (transmission loss) je signalS (signal), ki ga prejme hidrofon, nizji od izvornega:

S = SL− TL . (14)

10

Seminar Podvodna akustika Jernej Lalos

Sum N (noise) pri enem hidrofonu se odsteje od zgornje enacbe (14), da se dobi razmerjesignal-sum SNR (signal-to-noise ratio) pri enem hidrofonu:

SNR = SL− TL−N . (15)

Navadno so sonarski sistemi sestavljeni iz mreze hidrofonskih anten, ki izkoriscajo pojav oblikovanjasnopa, da izboljsajo razmerje signal-sum. Ta prispevek se imenuje mrezni dobitek AG (array gain)in se doda razmerju signal-sum enega hidrofona v mrezi oblikovanja snopa:

SNRBF = SL− TL−N +AG . (16)

Ker detekcija vkljucuje dodatne faktorje, kot je recimo faktor operatorja, je nujno dolociti pragdetekcije DT (detection treshold) na nivoju nad SNRBF , kjer je 50% verjetnost detekcije. Razlikamed tema kolicinama se imenuje signalni presezek SE (signal excess):

SE = SL− TL−N +AG−DT . (17)

Iz te decibelne bilance lahko izracunamo merilo kakovosti sonarja FOM (figure of merit), kiso kar transmisijske izgube, pri katerih je signalni presezek enak nic:

FOM = SL−N +AG−DT . (18)

FOM zajema razne parametre, s katerimi se mora snovalec sonarja ubadati: pricakovana jakostizvora, sum okolja, mrezni dobitek in prag detekcije. Ker so FOM transmisijske izgube, se lahkouporabi rezultat propagacijskega modela, da se doloci najmanjsi doseg, pri katerem se lahko sepricakuje 50% verjetnost detekcije. Ta doseg se spreminja z oceanografskimi pogoji in se pogostoimenuje kar doseg dneva.

4.2 Enacba aktivnega sonarja

Monostaticen aktivni sonar, torej tak, ki ima oddajnik in sprejemnik na istem mestu, oddazvocni pulz proti tarci in nato zazna njegov odmev od tarce. Bistaticni aktivni sonar ima oddajnikna dugem mestu kot sprejemnik.

Glavna razlika med aktivnim in pasivnim sonarjem je dodatek naslednjih clenov: moci tarce TS(target strength), odmevnosti in z njo odmevnega nivoja RL (reverberation level) ter transmisijskihizgub TL v obeh smereh: od oddajnika do tarce in od tarce do sprejemnika. Pri monostaticnemsonarju so transmisijske izgube kar 2TL, kjer so TL enosmerne izgube; pri bistaticnem sonarjupa so transmisijske izgube vsota po poti od oddajnika do tarce TL1 in od tarce do sprejemnikaTL2. Koncept detekcijskega praga je uporaben tako za pasivni kot za aktivni sonar. Za signalnipresezek torej velja:

SE = SL− TL1 + TS − TL2 − (RL+N) +AG−DT . (19)

Ustrezen FOM za aktivni sistem je definiran za najvecje dovoljene dvosmerne transmisijskeizgube s TS = 0dB.

5. Zakljucek

Podvodna akustika omogoca proucevanje morskega dna, njegovga reliefa in sestave. Omogocatudi proucevanje lastnosti vode, kot so temperatura, slanost in podobno. Vodna in podvodnaplovila jo uporabljajo za orientacijo, dolocanje globine in celo iskanje in indentificiranje drugih

11

Seminar Podvodna akustika Jernej Lalos

plovil. Podvodna akustika je prav tako koristna pri iskanju vecjih morskih zivali ali pa velikih jatmanjsih zivali. Nekatere zivali jo celo izkoriscajo za medsebojno komunikacijo, vcasih celo na zelovelike razdalje.

Ker je podvodna akustika precej pomembna za cloveka, je tudi precej dela in truda vlozenegav njeno razlago in razumevanje. Ko je rasla v svojevrstno znanost, se je sirila z raznoraznimimatematicnimi in empiricnimi modeli, ki v dolocenih okoliscinah bolj ali manj dobro opisujejoobnasanje zvoka v vodi. Vecina boljsih modelov je racunsko zelo zahtevnih, zato je njihovaprakticna realnocasovna uporaba dokaj omejena.

Tako, dokler bo clovek plul po morjih, rekah in jezerih ter jih prouceval in izkoriscal za svojepotrebe, bo veda o podvodni akustiki in njeni uporabi imela pomembno vlogo v svetu znanosti intoliko casa se bo tudi razvijala.

12

Seminar Podvodna akustika Jernej Lalos

6. Literatura

[1] V. M. Albers, Underwater Acoustics Handbook (The Pennsylvania State UniversityPress, Lancaster, 1960).

[2] R. S. H. Istepanian in M. Stojanovic, Underwater Acoustic Digital Signal Processingand Communication Systems (Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 2002).

[3] R. A. Meyers (urednik), Encyclopedia of Physical Science and Technology; Volume 17(Academic Press, San Diego, 2002)

[4] I. Tolstoy in C. S. Clay, Ocean Acoustics; Theory and Experiment in UnderwaterSound (McGraw-Hill Book Company, New York, 1966).

[5] D. G. Tucher in B. K. Gazey, Applied Underwater Acoustics (Pergamon Press, Oxford,1966).

[6] http://en.wikipedia.org/wiki/Sonar (9.5.2011).[7] http://en.wikipedia.org/wiki/Underwater acoustics (9.5.2011).

13