1

T.C.

KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ

Mühendislik Fakültesi

Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü

SU ALTI AKUSTİK HABERLEŞME

SİSTEMİ SİMÜLASYONU

210315 Mehmet BOYALI

210357 İbrahim ÖNDER

210392 Erhan K. AKYAZI

Danışman

Yrd. Doç. Dr. Salim KAHVECİ

Haziran 2012

TRABZON

2

T.C.

KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ

Mühendislik Fakültesi

Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü

SU ALTI AKUSTİK HABERLEŞME

SİSTEMİ SİMÜLASYONU

210315 Mehmet BOYALI

210357 İbrahim ÖNDER

210392 Erhan K. AKYAZI

Danışman

Yrd. Doç. Dr. Salim KAHVECİ

Haziran 2012

TRABZON

i

3

LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU

210315 Mehmet BOYALI, 210357 İbrahim ÖNDER ve 210392 Erhan Kemal

AKYAZI tarafından YRD.DOÇ.DR. Salim KAHVECİ yönetiminde hazırlanan

“SU ALTI AKUSTİK HABERLEŞME SİSTEMİ SİMÜLASYONU ”

başlıklı lisans bitirme projesi tarafımızdan incelenmiş, kapsamı ve niteliği açısından bir

Lisans Bitirme Projesi olarak kabul edilmiştir.

Danışman : YRD.DOÇ.DR Salim KAHVECİ

Jüri Üyesi 1 :

Jüri Üyesi 2 :

Bölum Başkanı : PROF.DR. İsmail H. ALTAŞ

ii

4

ÖNSÖZ

Bu Projenin ilk taslaklarının hazırlanmasında emeği geçenlere, projenin son halini

almasında yol gösterici olan kıymetli hocamız Sayın Salim KAHVECİ‘ye şükranlarımızı

sunmak istiyoruz. Ayrıca bu çalışmayı destekleyen Karadeniz Teknik Üniversitesi

Rektörlüğü’ne Mühendislik Fakültesi Dekanlığına ve Elektrik-Elektronik Mühendisliği

Bölüm Başkanlığına içten teşekkürlerimi sunarız.

Her şeyden öte, eğitimimiz süresince bize her konuda tam destek veren ailelerimize

ve bize hayatlarıyla örnek olan tüm hocalarımıza saygı ve sevgilerimizi sunarız.

Haziran, 2012

Erhan Kemal AKYAZI

İbrahim ÖNDER

Mehmet BOYALI

iii

5

İÇİNDEKİLER

Lisans bitirme projesi onay formu

Önsöz v

İçindekiler

vii

Özet

vi x

1. Giriş

1

1. 1. Su altı akustiği ve tarihi

1

1. 2. Sualtı Haberleşmesindeki Etkili Temel Parametreler

6

1.3 Bir Haberleşme Sisteminin Bileşenleri

7

1.3.1. Ara bileşenler 7

1.3.1.1. Haber (Bilgi) Kaynağı (information source) 7

1.3.1.2. Giriş dönüştürücüsü (input transducer) 8

1.3.1.3. Çıkış dönüştürücüsü (output transducer) 8

1.3.2. Temel bileşenler 8

1.3.2.1. Verici (transmitter) 8

1.3.2.2. Haberleşme kanalı (communication channel) 8

1.3.2.3. Sualtı akustik kanallar (Underwater acoustic channels) 8

1.4. Su Altı Akustiğinde Kullanılan Kaynaklar ve Alıcılar

9

1.4.1. Sonar Sistemleri 10

1.4.1.1. Sonar Nedir? 10

1.4.1.2. Sonar Dom Sistemi 10

1.4.1.3. Sonar Domu Tasarımı 11

1.4.2. Sualtı Kablosuz Sensör Ağları 12

2.Sualtı Akustik Haberleşmede Tanımlamalar ve Denklemler

13

2.1. Ses Basıncı

13

2.2. Dalga şiddeti

13

2.3. Desibel olarak ses şiddeti

14

2.4. Sualtı Akustik Haberleşme Ağına Giriş

14

2.5. Sualtı Veri İletim Kanalı Karakteristikleri

17

2.5.1. Akustik Sinyal Seviyesi 17

2.5.2. Sinyal Zayıflaması 19

2.5.2.1. Yayılma Kaybı 19

2.5.2.2. Emilim Kaybı 19

2.5.3. Yol Kaybı 20

2.5.3.1. Akustik Yol Kaybı 21

2.5.4. Çok yolluluk 21

2.5.4.1. Sualtı Çoklu yol Karakteristikleri 25

2.5.5. Doppler Etkisi 28

2.5.6 Ses Hızını Etkileyen Parametreler 28

2.5.6.1. Sıcaklık 29

2.5.6.2. Tuzluluk 30

2.5.6.3. Basınç 30

2.5.6.4. Yoğunluk 31

2.5.7 Transmisyon (İletim) Kayıpları 31

2.5.8. Gürültü 32

iv

iii

ii

iv iv

6

2.5.8.1. Ortam Gürültüsü 32

2.5.8.2. Kendinden Gürültü 33

2.5.8.3. Sürekli Olmayan Gürültü Kaynakları 34

2.5.8.4. Zayıflama ve Gürültü 35

2.6. Kısa Menzilli Kanal Modelleme

36

2.6.1.Frekans Bağımlı Bileşen Olarak SNR 36

2.6.2. Kanal Bant Genişliği 36

2.6.3. Kanal Kapasitesi 37

2.6.4. Kısa Mesafede Sualtı Akustik Haberleşmede BER 37

2.6.5. Sistem Sabitleri ve İletişim Ağı Tasarımı Üstündeki Etkileri 38

3.Yapılan Çalışmalar

40

3.1. Su altında frekansa bağlı dalga boyunun değişimi

40

3.2.Akustik sinyal seviyesi ve kaynak yoğunluğu değişimleri

41

3.3 Akustik sinyal seviyesinin verimlilik ve güce bağlı değişimi

44

3.4. Emme Katsayısı ve Buna Bağlı Emilim Kaybı

48

3.4.1. Emme Katsayısı 48

3.4.2 Emilim Kaybı

49

3.5.Frekans, Derinlik ve Sıcaklığa Bağlı Emme Katsayısının ve Yol

Kaybının Değişimleri

52

3.5.1.Frekans, Derinlik ve Sıcaklığa Bağlı Emme Katsayısının Değişimi

54

3.5.2.Frekans, Derinlik ve Sıcaklığa Bağlı Yol Kaybının

(PathLoss)Değişimi

55

3.6 Araç Hızlarına ve Taşıyıcı(Kaynak) Frekansına Bağlı Doppler Frekansı

57

3.7. Ses Hızı(Sound Wave Speed)nın belirli parametrelere bağlı değişimi

58

3.7.1.Derinlik ve Sıcaklık Bağlı Olarak Ses Hızı(Sound Wave Speed)

58

3.7.2. Derinlik, Sıcaklık ve Tuzluluğa Bağlı Olarak Ses Hızı(Sound

Wave Speed)

59

3.8.Alıcı Sinyal Seviyesi’nin verici gücüne ve mesafeye bağlı değişimi

61

3.9. Gürültü Değişiminin İncelenmesi

64

3.10. İşaret Gürültü Oranının Frekansa ve Mesafeye Bağlı Değişimleri

66

4. Sonuç

69

5.Kaynaklar

74

6.Ekler

77

Özgeçmiş

87

v

7

ÖZET

Su altı akustik haberleşme sistemi simülasyonu başlığı altında yaptığımız bu

bitirme çalışması, su altı akustik haberleşme alanında gerek teorik gerekse uygulama

olarak kapsamlı bir içeriğe sahip, bize ve bizden sonra bu konuda çalışma yapacak kişi ve

kurumlara faydalı olabilecek çok yönlü bir kaynak oluşturma amacı ile yapılmıştır.

Yapılan araştırmalar sonucu yerli ve yabancı kaynaklardan yararlanılarak su altı

akustik haberleşme sistemlerine ilişkin çoğu parametreyi ve denklemi kapsayan teorik ön

bilgi ortaya konduktan sonra, bunların görselleştirilmesi amacı hedeflendiğinden bir

derleyici vasıtası ile karakteristikleri oluşturulmuştur. Bu karakteristikler oluşturulurken

tek parametreye bağlı kalınmayıp pek çok açıdan incelemeler yapılmıştır. Ayrıca, bazı

değerlendirmeler yapıldıktan sonra karakteristikler yorumlanarak görsel olan bilginin

gerçeğe(pratiğe) dönüşümü gerçekleştirilmiştir.

Kapsamlı ve görsel(grafiksel) olması açısından su altı akustik haberleşme ile

uğraşan ve uğraşacak olan kişiler, bu bitirme çalışmasında ortaya konan karakteristikler,

değerlendirmeler ve yorumlardan oldukça faydalı bilgilere ulaşabilecektir.

vi

1

1.GİRİŞ

Bu bitirme projesinde su altı haberleşme sistemine ilişkin sistemin tanımı,

haberleşmeyi etkileyen parametreler su altı ortamının davranışları gibi teorik analizler

ortaya koyduktan sonra simülasyon ortamında bu parametrelere ilişkin benzetim çalışması

yapılacak ve bu çalışmalar değerlendirilerek yorumlar ve çözümlemeler sunulacaktır.

1.1. Su altı akustiği ve tarihi

Su altı ortamında sesin, görünür ışık veya elektromanyetik enerjiye göre daha uzağa

gidebildiği önceden beri bilinmekteydi. Su altı akustiğiyle ilgili ilk ölçümler 1827 yılında

İsviçreli fizikçi Daniel Colloden ve Fransız matematikçi Charles Sturm’un, su altında ses

hızını ölçmek amacıyla, İsviçre’de Geneva Gölü’nde bu iki isim tarafından yapılmıştır

(Şekil 1) [1]. Bir ışık ve su altı çanı arasındaki zaman aralığını kabaca ölçerek yapılan bu

deneme, günümüzün kabul edilen değerlerine oldukça yakındı.

Şekil 1. Geneva Gölü, 1827 yılında yapılan ilk ses hızı ölçümü[1]

1900’lü yıllarda ise, fener gemileri, bir su altı çanı ve güvertede bulunan bir sis

düdüğünün birleşiminden oluşan bir uzaklık ölçme sistemi kullanılmaktaydı. Bu sistem

sayesinde yaklaşan gemilerdeki mürettebat iki sesi de duyabiliyordu. Su altından gelen ses,

2

gemi gövdesine monte edilen bir hidrofona ulaşıyordu ve iki sesin farkını ölçerek fener

gemisine olan tahmini uzaklıklarını ölçebilmekteydiler.

İlk sonar sistemleri, Birinci Dünya Savaşı sırasında Amerikan, İngiliz ve Fransızlar

tarafından denizaltıları ve buz dağlarını bulmak amacıyla geliştirildi. O zamanlarda

sonarlara “ASDIC” (AntiSubmarine Detection Investigation Committee) adı veriliyordu.

İkinci Dünya Savaşı esnasında ise su altı akustiği hızlı bir gelişme gösterdi ve bu dönemde

düşman denizaltılarının su yüzeyindeki gemiler tarafından tespit edilmesi oldukça kolay bir

hale geldi. Çünkü çok daha güçlü ve daha iyi oluşturulmuş ses işaretlerini suya

gönderebilmekteydiler. Sinyal, denizaltının gövdesinden yansıyarak geri gelmekte ve

uzaklığı hakkında bilgi vermekteydi.

Günümüzde; derinlik ölçme, deniz tabanının morfolojisinin çıkartılması, sismik

stratigrafi, petrol ve doğal gaz araştırmaları, kabuk özellikleri ve kalınlığının belirlenmesi,

mühendislik ve akustik uygulamalar, balık stoklarının bulunması gibi birçok çalışmada

akustik yöntemler kullanılmaktadır.

a) Sesin özellikleri ve tanımlar

Ses, esnek bir ortamın moleküllerinin düzenli hareketinden oluşur. Malzeme elastik

olduğu için, malzeme parçacıklarının hareketi; hareket bir ses kaynağından çıktıktan sonra

komşu parçacıklarla bağlantı kurmasıyla meydana gelir. Bir ses dalgası bu sebeple

kaynaktan dışa doğru ses hızına eşdeğer bir hızla yayılım yapar ve bu yayılımın

gerçekleşebilmesi için mutlaka katı, sıvı veya gaz gibi bir ortamın olması şarttır. Sıvı

içerisinde parçacık hareketi yayılma doğrultusuna paralel ve ileri geri şekilde olur. Bu

yüzden ses dalgaları boyuna dalgalardır.[2]

Boyuna dalgalar ise enine dalgalarda olduğu gibi zaman veya uzaklığa göre basınç

değişimi çizilerek somutlaştırılabilir ve bu şekilde oluşan sinüs dalgasındaki tepeler

sıkışma fazını, çukurlar ise seyrelme fazını gösterir. Art arda gelen iki dalganın peak

noktaları yanı tepe kısımları (veya minimum noktaları /çukurları) arasında kalan uzaklık

“dalga boyu” olarak tanımalanır ve simgesel olarak ‘’λ’’ ile gösterilir. Sıkışma ve

seyrelmeden meydana gelen tam bir dalga hareketi bir “devir” olarak adlandırılır. Dalga

generatörünün birim zaman süresince ürettiği dalgaların sayısına ise “dalganın frekansı”

adı verilir. Frekans 1/s veya Hz olarak ifade edilir ve f ile gösterilir. Ses dalgasının

ortalama basınç seviyesinden yaptığı sapma “genlik” olarak ifade edilir ve sesin

3

yüksekliğinin ölçütüdür. Bir ses dalgasının dalga boyu (1) denklemindeki gibi, sesin

frekansı ve yayılma hızı (c) cinsinden ifade edilebilir[2].

(m) )(

)/(

Hzf

smc (1)

b) Önemi

Altmış yılın üstünde bir süredir okyanus araştırma çalışmaları düzenli bir şekilde artış

göstermektedir. Bu çalışmalarda su altındaki alıcıların topladığı bilgilerin sağlıklı bir

şekilde suyun yüzeyine iletilmesi gerekmektedir. Bu noktada, bilgilerin uydular

aracılığıyla bilgi toplama merkezine gönderilmesi mümkündür.

Akustik dalgalarda suyun yüzlerce kilometre altında sinyal üretmek mümkündür. Su altı

akustik kanal, sinyalin yüzeyden ve deniz dibinden yansımadan dolayı çok yollu bir kanal

gibi karakterize edilir.

Çünkü dalga hareketleri, sinyal parçalarının farklı yayılma ve aynı zamanda

gecikmelere sahip olmalarına, bunun sonucunda da sinyal kayıplarına yol açar.

Şekil 2.Verici & Alıcı ilişkisi ve çevre yapısı.

4

Son yıllarda sualtı akustik iletişimi mühendislik ve araştırma alanı olarak hızla

büyümektedir. Sualtı akustik iletişim teknolojileri,

Deniz-aşırı petrol sanayisinde uzaktan kontrol, çevresel sistemlerde kirlilik

gözlemleme, okyanus-altı istasyonlarda kaydedilen bilimsel verilerin toplanması

İnsansız sualtı araçları

Dalgıçlar arasındaki konuşma iletişimi

Cisim algılama-kurtarma için okyanus tabanının haritasının çıkarılması gibi

uygulamalar için büyük bir önem arz etmektedir.

Akustik ortam gürültüsü karidesler, balıklar, gemiler ve çeşitli memeliler tarafından

meydana gelir. Liman yakınlarında ortam gürültüsüne ek olarak insan kaynaklı gürültüler

de eklenir. Tüm bu bozucu etkilere karşın sayısal sinyallerin iletilmesi için verimli ve

yüksek doğruluklu su altı akustik haberleşme sistemlerinin tasarlanması mümkündür.

Işık ve radyo dalgaları su içinde yayılım yaparken, çok çabuk zayıflarlar ve

sönümlemeye uğrarlar, fakat ses dalgaları yayılımı için su ideal bir ortamdır. Deniz

bilimciler, bir düşman denizaltısının konumunu saptamak için ilk hidroforun denize

indirilmesinden bu yana geçen süre içersinde, su altı akustiği konusunda sürekli

araştırmalar ve uygulamalar yapmaktadırlar. Bu süreç sonucunda dalgaların su içindeki

yayılışı günümüz deniz bilim çalışmalarında yararlanılan en önemli araçlardan biri halini

almıştır.

5

c) Bitirme projesi takip formu

Karadeniz Teknik Üniversitesi

Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü

Grup Öğrencinin Adı, Soyadı ve numarası:

210315 Mehmet BOYALI

210357 İbrahim ÖNDER

210392 Erhan K. AKYAZI

Çalışmanın Başlığı: Su Altı Akustik Haberleşme ve Simülasyonu

Danışmanın Unvanı, Adı ve Soyadı: Yrd. Doç. Dr. Salim KAHVECİ

TAKİP ÇİZELGESİ

Tablo1. Bitirme Proje sorumlusu akademisyen danışman ile yapılan görüşme sıklığı ve

projenin genel durumu

Tarih Bitirme Çalışmasının durumu Danışman İmzası

09.02.2012 Tasarım kısmı tamamlanan bitirme

projesinin çalışma planının oluşturulması.

18.02.2012 Ortam parametrelerinin ve sınır

değerlerinin belirlenip değerlendirilmesi.

27.02.2012 Ortam parametrelerinin sınır değerlerinin

değişim aralığının araştırılıp belirlenmesi.

05.03.2012 Denklemlerimizin ilgili derleyici ortam

(matlab) ile simülasyonların

oluşturulması.

14.03.2012 Derleyici ortamda elde edilen

simülasyonların yorumları ve simülasyon

çalışmalarının devamı.

23.03.2012 Verici – alıcı arasındaki ilişki güç ve

frekans aralıklarının belirlenmesi

01.04.2012 Simülasyon çalışmaların devamı ve elde

edilen sonuçların irdelenmesi .

10.04.2012 Çözüm önerileri tasarımı ve simülasyon

çalışmalarının devamı

19.04.2012 Elde edilen sonuçlar ve araştırılan teorik

ve pratik bilgilerinin kıyaslanması ve

yorumlanması.

SU ALTI AKUSTİK HABERLEŞME

SİSTEMİ SİMÜLASYONU

TAKİP ÇİZELGESİ

6

29.04.2012 İncelenen değerler de istenmeyen

durumlar için çözüm önerileri oluşturuldu

geçerliliği daha yüksek çözümler üzerine

çalışıldı.

05.05.2012 Sınır değerleri üzerinde değişimler ve

performans analizleri.

10.05.2012 Simülasyon sonuçlarının ve yapılan

incelemelerin word ortamına export

edilmesi.

17.05.2012 Gerekli yazım kılavuzuna uygun word

dökümanın yazılımı ve simülasyonların

devamı

23.05.2012 Tezin gerekli kısımlarının oluşturulması

ve yazılımının devamı

24.05.2012 Word ortamına aktarılan ve kuralına

uygun bir şekilde yazılan tezin genel

kontrolü, incelenmesi ve son ekleme

çıkarmaların yapılması

25.05.2012 Tezin online olarak bölüme teslimi

1.2. Sualtı Haberleşmesindeki Etkili Temel Parametreler

* Sıcaklık

* Tuzluluk

* Basınç

* Yoğunluk

* Derinlik

* Sınırlarla etkileşme (su yüzeyi ve dip tabiatı)

* Hacimsel etkileşimler ( su içerisindeki maddeler, baloncuklar vb.)

* Verici ve alıcıların konumları

* Ses kayıt ve mesafe tespiti (Sofar)

* Hareketlilik(Mobilite)

7

1.3. Bir Haberleşme Sisteminin Bileşenleri

Şekil 3. Bir haberleşme sisteminin blok şeması.

1.3.1. Ara Bileşenler

1.3.1.1. Haber (Bilgi) Kaynağı (information source)

Çeşitli bilgi kaynakları var olduğu için giriş mesajı farklı özelliklerde ortaya çıkabilir.

Bilgi kaynağı tarafından üretilen bilgiler;

(a) Konuşma, ses, resim, müzik ve görüntü gibi zamanın sürekli bir değişimi olan analog

bilgiler olabilirler.

(b) Bilgisayarların birbiri ile bilgi aktarımında kullanılan “0” ve “1”’ler gibi ayrık

örneklerden oluşan ikili kod halindeki diziler, grafik semboller, mikroişlemci işlem kodları

gibi sayısal bilgiler olabilirler.

8

1.3.1.2. Giriş dönüştürücüsü (input transducer)

Bilgi kaynağı tarafından üretilen giriş mesajının iletime uygun olması için, bir

dönüştürücü yardımıyla elektriksel işaretlere (elektriksel akım veya gerilim değişmelerine)

dönüştürülmesi gerekir. Bu amaç için enerji dönüştürücülerinden faydalanılır. Örneğin; bir

mikrofon yardımı ile ses ve akustik dalgalar, video kamerası ile de görüntüler elektriksel

işaretlere dönüştürülürler.

1.3.1.3. Çıkış dönüştürücüsü (output transducer)

Alıcı tarafta elde edilen elektriksel işaretlerin kullanıcılar açısından bir anlamının

olabilmesi için uygun bilgi biçimlerine dönüştürülmesi gerekir. Aynen giriş

dönüştürücüsünde olduğu gibi bu amaç için de enerji dönüştürücülerinden faydalanılır. Bu

elektriksel işaretler, örneğin, hoparlör yardımıyla ses veya konuşmaya, foto-elektrik tüpler

yardımıyla da görüntüye dönüştürülürler.

1.3.2. Temel bileşenler

Herhangi bir haberleşme sistemi, verici (transmitter), haberleşme kanalı

(communication channel) ve alıcı (receiver) olmak üzere üç ana kısımdan oluşur. Bu

kısımların her biri işaret iletiminde önemli bir rol oynar.

1.3.2.1. Verici (transmitter)

Verici, haberleşme kanalının özelliklerine uyan bir işaret üretmek amacıyla giriş

işaretini işler ve iletim için uygun bir biçime dönüştürür. Giriş işaretinin iletime uygun hale

getirilmesi (iletim kolaylığı, kanal gürültüsünün azaltılması ve çoğullama) modülasyon ile

sağlanır. Sonuç olarak, analog işaretler bir haberleşme kanalı üzerinden taşıyıcı

modülasyonu yoluyla doğrudan doğruya gönderilirler.

1.3.2.2. Haberleşme kanalı (communication channel)

Birçok haberleşme kanalı mevcuttur ancak bu projede gerekli olanı su altı haberleşme

kanalı olduğundan biz bu konu üzerinde duracağız.

1.3.2.3. Sualtı akustik kanallar (Underwater acoustic channels)

Son zamanlarda deniz altı araştırmalarında gözlenen sürekli artış, deniz altından

sensörler vasıtasıyla elde edilen verilerin işlenmesini gerekli hale getirmiştir. Bu amaçla,

bilginin uydu yardımıyla veri toplama merkezine aktarılması mümkün kılınmıştır.

9

Elektromanyetik dalgalar, son derece alçak frekanslar hariç, deniz altında uzun mesafelere

yayınım yapamazlar. Ancak, bunun gibi alçak frekanslardaki işaretlerin iletimi, büyük ve

güçlü vericilerin kullanımı gerektirdiğinden dolayı zor ve pahalı bir işlemdir. Su içerisinde

elektromanyetik dalgaların zayıflaması, deri kalınlığı (skin depth) adı verilen bir ölçüt ile

ifade edilebilir. Diğer taraftan, akustik işaretler onlarca hatta yüzlerce kilometre mesafelere

yayınım yapabilirler.

Bozucu etki olarak gürültü, etkisini deniz altı işaret haberleşmesinde de gösterir.

Buradaki gürültü, insan tabanlı akustik gürültü, midye, balık ve buna benzer deniz

varlıklarının sebep olduğu gürültüler olarak ifade edilebilir.

Sualtı akustik kanalları çevresel özelliklerden ve iletim ortamının doğasından

kaynaklanan zamana bağlı ve çevre ile ilgisinden kaynaklı değişkenlikler gösterirler. Su

altı ortamında ki akustik kanallarda ses sinyal yayılım hızı yaklaşık 1,5 x 10³ m/sn kadardır

ve bu da ışık hızı veya radyo yayılım hızı olarak biline C (3 x 108 m/sn) den yüz bin kat

daha azdır. Sualtı akustik kanallarının bant genişliği sınırlıdır ve önemli ölçüde iletim

menziline ve frekansa bağlıdır. İletim menzili arttıkça kanalın bant genişliği azalmaktadır.

Emilim sebebiyle çoğu akustik sistem 30 Kaz’ın altında işlem yapar. Kendine has

özelliklerinin yanı sıra, su altı akustik kanalları performansları ve karakterleri açısından

birçok faktörden etkilendiğini söylemek mümkündür. Tüm iletişim sistemlerinde olduğu

gibi hata oranlarına ve gecikme değişimlerine sebep olan, gürültü(noise), yol kaybı(path

loss), çok yollu yayılım(multipath propogasyon) ve Doppler etkisi bu faktörlerden

bazılarıdır. Ayrıca akustik bağlar ses dalgasının yönüne göre dikey ve yatay olarak kabaca

sınıflandırılırlar. Bu iki sınıfın yayılım karakterleri deniz/okyanus ortamının sıcaklık,

tuzluluk, yoğunluk gibi fiziksel ve kimyasal özelliklerinden kaynaklanan farklılıklar

göstermektedir[4, 5, 6, 7]. Akustik bir kanalın özelliklerinden bazıları ise, yayılım

gecikmelerinin ve gecikme varyanslarının yüksek olması, sınırlı bant genişliği ve hata

oranının da yüksek seviyelerde olması olarak kısaca belirtilebilir.

1.4. Su Altı Akustiğinde Kullanılan Kaynaklar ve Alıcılar

Akustik dalgaların su içinde yayımlanıp algılanması ancak yardımcı bir cihazla

mümkün olur. Bir transdüser herhangi bir enerjiyi ses enerjisine (kaynak veya projektör),

ya da ses enerjisini çoğunlukla elektrik olmak üzere herhangi bir enerjiye çevirir (alıcı) [3].

10

Enerjinin iki formunu birbirine dönüştürme performansı; malzemenin piezoelektriklik

ve magnetostriksiyon diye adlandırılan özellikleriyle ilgilidir. Basınç altında yüzeyleri

arasında elektrik yükü kazanan; kuvars, amonyum, dihidrojen, fosfat-ADP, rochelle tuzu

gibi bazı kristaller, voltaj verildiğinde gerilime uğrarlar. Bu tip malzemeler

piezoelektriktir. Elektrostriktif malzemeler de aynı karakterdedirler, fakat bunlar

polikristalleşmiş seramiklerdir ve yüksek bir elektrostatik alanda en uygun şekilde polarize

edilmeleri gerekir. Bunlara örnek olarak ise; baryum titanat ve zirkonat titanat verilebilir.

Magnetostriktif bir malzeme gerilime uğradığında çevresindeki manyetik alanı değiştirir ve

polarize edildiklerinde frekans ikileşmesi olayı ortadan kalkacağından dolayı

performansları artar[3].

1.4.1. Sonar Sistemleri

1.4.1.1. Sonar Nedir?

Sonar; transdüser (alıcı ve verici özellikte) sensör grubu, sürücü elektronik birimler ve

çeşitli kullanıcı ara yüzlerinden oluşan bir elektromekanik aygıttır. Basitçe, sürücü

elektronik birimlerden transdüser’e iletilen elektriksel vuruş (impulse) yine transdüser

marifetiyle ses dalgasına dönüştürülür. Bu aşamada elektrik enerjisi bir çeşit mekanik

enerji olan akustik enerjiye dönüşür. Oluşan ses dalgası suya iletilir. Bu ses dalgası su

altında bulunan herhangi bir cisme çarptığında bir kısım dalga bu cisim üzerinden kaynağa

geri yansır. Kaynağa yansıyan bu enerji transdüser vasıtasıyla tekrar elektriksel sinyale

dönüştürülür. Bu sinyal, sürücü elektronik birimlerin bir parçası olan amplifikatör

yardımıyla yükseltilerek kullanıcı ara yüzüne iletilir. Bu sayede kullanıcı su altında

bulunan cisim ve bu cismin platforma göre konumu hakkında bilgi edinir. Modern sonarlar

akustik enerjiyi su altında bulunan mayın vb. tehditlerle diğer cisimlerin belirlenmesi,

sınıflandırılması, sualtı topografisinin çıkarılması, seyir ve sualtı iletişiminin sağlaması

maksatlarıyla kullanılırlar.

1.4.1.2. Sonar-Dom Sistemi

Sonar dom sistemleri, genel kullanım olarak deniz platformlarının üst kısımlarına monte

edilen bir tarsımdır. Bağlı bulunduğu ya da monte edildiği noktadan su yüzeyinin alt

noktalarında mevcut olan genel olarak hassasiyeti yüksek ve narin bir yapısı bulunan

sonar sensör gruplarını bulunduğu ortamdan genellikle deniz ortamından kaynaklanan her

türlü koşulda oluşan tüm mekanik darbelere (deniz hareketleri, doğal koşullar ve canlı

11

etkilerine bağlı sualtında ki cisimlerle çarpma etkisinin oluşumu, platformun aşınması, vb.

durumlarda meydana gelen ağır mekanik etkiler), denizin tuzlu suyundan kaynaklı korozif

etkilerine ve birçok kullanım durumunda karşılaşılan sonar platformunun kendiliğinden ve

su altındaki hareketinden kaynaklı istenmeyen su altı ortam gürültülerine karşı koruyucu

dayanıklılıkta, genel olarak çoğu kullanımlarda hidrodinamik geometri ve akustik

dalgaların geçirgenliğine sahip bir su altı yapısıdır. Sonar sensör grupları ile birlikte sonar

dom ikisi sonar sistemlerin sensör denilen kısmını oluştururlar.

1.4.1.3. Sonar Domu Tasarımı

Sonar domun tasarımı, sonar akustik performansı ve mekanik mukavemet arasındaki

bir optimizasyon problemidir. Bu problemin ana parametreleri; sonarın çalışma frekansı,

çıkış gücü, uygulamaya özgü mukavemet isterleri, dom geometrisi, sonar sensör

gruplarının yapısı ve dom içindeki yerleşimleri, dış kaynaklı gürültüler (platform,

platformun su içindeki hareketi, ortam gürültüsü kaynaklı vb.), dom içinde istenmeyen

akustik yansımalar, malzeme seçimi, mukavim yapının tasarımı ve üretim teknolojisi gibi

çok çeşitli, çok yönlü ve bağlantılı unsurlardır. Bu parametrelerin çokluğu ve karmaşık

ilişkileri özellikle yüksek çalışma frekanslarına sahip sonar uygulamalarında (mayın

avlama sonar sistemlerinde olduğu gibi) kullanılan sonar domların tasarım ve üretiminde

büyük teknik ve mühendislik güçlükleri beraberinde getirmektedir(şekil 4). Bu sebeple

sonar domu tasarımı ve üretimi çok yönlü bilgi birikimi ve tecrübe gerektirmektedir.

Şekil 4. Bir sonar sisteminin kullanım çevresi ve cihazların ana algılayıcıyla iletişim

bağlantıları

12

1.4.2. Sualtı Kablosuz Sensör Ağları

Son dönemde gerek bilimsel ve askeri, gerekse ticari açıdan denizleri ve okyanusları

gözlemleme konusu artan bir ilgi görmektedir. Bu tarz gözlemler açısından uygunluğu en

yüksek araç dağıtılmış su altı kablosuz sensör sistemleridir denilebilir. Bu sistemler

bütününe ise Su altı Kablosuz Sensör Ağları adı verilir[4,5].

Deniz & Okyanus dibine yerleştirilen sensörler, sismik hareketleri gözlemleme, deniz

suyu kirliliğini ölçme, sualtı madenlerini araştırma, sualtı ve su üstündeki cihaz ve araçları

izleme gibi uygulamalarda kullanılmaktadır. Bu uygulamaları olanaklı kılmak için

cihazların temel olarak su altı ortamında haberleşmeleri gereklidir. Dağıtılmış ve

ölçülendirilebilinen kablosuz sensör ağlarının su altına 2D ya da 3D (iki yada 3 boyutlu)

şekilde kurulması ile her bir sensörün yerel olarak bulunduğu su altı ortamında ki çevresel

olayları algılayıp gözlemlemesi mümkün hale gelmektedir. Bu koşullar altında genel

olarak sensörler mevcut bir platforma sabitlenerek su altına ortamına konumlandırılırlar.

Fakat okyanus ortamı değişken ve hareketli bir ortamdır. Dolayısıyla hareketli ve dinamik

bir gözlem sisteminin kullanımı daha uygun olacaktır. Hareketli sensörlerden oluşmuş

kendi kendine organize olabilen bir su altı ağı, izleme, zamanlama, algılama, gözlemleme,

su altı kontrolü ve hataya dayanıklılık gibi uygulama durumları için çok daha iyi bir destek

sağlamaktadır denilebilir. Şekil 5 de bir mikro sensör mimarısi verilmiştir.

Şekil 5. Mikrosensör düğümünün sistem mimarisi.

13

2. Sualtı Akustik Haberleşmede Tanımlamalar ve Denklemler

2.1. Ses Basıncı

Önceden bahsedildiği gibi; sıvı içinde parçacık hareketi yayılım yönüne paralel ve ileri-

geri şekilde olmaktadır ve sıvı sıkıştırılabilir bir yapıda olduğu için, bu ileri-geri hareket

basınçta bir değişime neden olur. Basınçtaki bu değişim, basınca duyarlı hidrofonlar

sayesinde fark edilebilir. Düzlemsel bir ses dalgasının oluşturduğu basınçta (p), anlık

yoğunluk sıvı parçacıklarının hareketiyle (u) ve sıvı yoğunluğu (ρ) alakalıdır ve dalganın

yayılım hızıyla (c) aralarındaki ilişki (2) numaralı denklemde gösterilmiştir.

p = ρcu (2)

“ρc ” orantı katsayısı; sıvının spesifik akustik direnci olarak adlandırılır ve deniz suyu için

ρc =1.5×105 g /(cm2 )(s) (3)

hava için ise

ρc = 42g /(cm2 )(s) (4)

olarak ifade edilir.

Bazı durumlarda, hız ve basınç arasındaki orantı katsayısı karmaşıktır ve ses dalgalarını

içeren ortamın özel akustik empedansı olarak adlandırılır. Bu Akustik Ohm Kanunu’dur;

yani tanecik hızı (u), elektrik akımının akustik eşdeğeri ve basınç (p) ise elektrik voltunun

eşdeğeri olarak düşünülebilir [2].

2.2. Dalga şiddeti

Yayılım yapan bir ses dalgası; tanecik hareketlerindeki kinetik enerji ve esnek

maddedeki stresin oluşturduğu potansiyel enerjinin birleşmesinden dolayı, mekanik enerji

taşır. Ses dalgası yayılım yaptığı için, saniyede belli miktarda enerji, birim alanda yayılım

yönüne doğru akar. Saniyede birim miktardan geçen bu enerji miktarı “dalga şiddeti”

olarak tanımlanır. Eğer bu alan rastgele bir rotaya alınırsa, elektromanyetik yayılımdaki

hedef vektörüne benzer bir vektörel uzunluk haline gelir. Düzlemsel bir dalgada anlık

şiddet, anlık akustik basınçla ilişkilidir ve;

(5)

denklemiyle ifade edilir. Bir zaman aralığındaki ortalama p2 hesaplandığı zaman, o zaman

aralığındaki ortalama şiddet;

14

(6)

olarak gösterilir ve burada (¯) ortalama zamanı ifade eder. Eğer basınç birimi olarak

dyne/cm2 ve ρ ile c içinde birim olarak g/cm

3 ve cm/s kullanılırsa o zaman I, ergs/cm

2

biriminde olur. 1 watt 107 ergs/s’ye eşit olduğu için watt/cm

2 cinsinden akustik enerji

şiddeti;

(7)

olarak ifade edilir [2].

2.3. Desibel olarak ses şiddeti

Su altı akustiğinde çok sık kullanılan desibel (dB) birimi iki ses düzeyinin oranının 10

tabanında logaritmik ifadesidir. Ses ölçümünde logaritmik bir ifadenin kullanılması

sayesinde çok geniş bir frekans aralığında yayılan ses dalgalarının sayısal aralığı azalmakta

ve hesaplamalarda çarpma yerine toplama yapma gibi bazı kolaylıklar sağlanmaktadır. İki

ses şiddeti I1 ve I2, I1/I2 oranına sahip iseler bu desibel olarak 10log(I1/I2) dB olarak ifade

edilir. Bu yüzden kesin şiddetler bir referans şiddet kullanılarak ifade edilir. Şu anda kabul

edilen referans şiddet, 10-6

pascal (≡N/m2) veya bir mikropascal (μPa)’lık bir rms basınca

sahip düzlemsel dalganın şiddetidir. Bu nedenle, 1 μPa referans ses basıncı seviyesi olarak

alınırsa, ses şiddetleri arasındaki oran bir milyon olan düzlemsel bir dalganın ses seviyesi

10 log (106) ≡ 60 dB olur. 1 μPa referans alınarak, ses basınç (P) oranları desibel cinsinden

8 numaralı formüldeki gibi ifade edilir.

P (dB/basınç birimi) = 20 log(P1/P2) (8)

Bir düzlemsel dalganın ortalama ses şiddeti (I), p rms basıncı, ρ ortam yoğunluğu ve ses

hızı (c) arasındaki ilişki 9 numaralı formülde gösterilmiştir.

I=p2/ρc (9)

Deniz suyunda ρc, 1.5×106 kg/(m2s)’dir ve bu yüzden 1μPa’lık rms basınca sahip bir

düzlemsel dalganın ses şiddeti 0.67×10-18

W/m2 olacaktır [27].

2.4. Su Altı Akustik Haberleşme Ağına Giriş

Su altı veri iletişim bağlantısı ve ağ ortamı karasal atmosterde RF veri iletişim kanalına

göre önemli ölçüde farklı kanal sunar. Şekil 6 tek bir verici-alıcı çifti kullanarak veri

iletimi sağlayan tipik bir sualtı ortamını göstermektedir.

15

Basit bir veri iletim düzeni içeren bir projektör (verici) ve hidrofon(alıcı) şematik

gösterimi Şekil 7’de sunulmuştur. Projektör toplanan sensörlü ve navigasyonel veriyi alır

ve veri kaynağında paketler halinde biçimlendirir ve bu taşıyıcı frekans ile modüle

edildikten sonradır. Modülasyonlu sinyal, alıcıda sinyal alımı için yeterli bir seviyeye

yükseltilmiştir. Pil enerjisinin, hatasız iletim ve koruma arasında bir değiş-tokuş olarak;

optimum bir düzeyi vardır. Ona verilen elektrik enerjisine olan oranı olarak yayılan

projektörün akustik gücü, elektrik akustik dönüşüm bloğu tarafından teslim edilen blok ve

projektörün ηtx verimliliğidir. Alıcı üzerinde, hidrofon duyarlılığı, dB/V ile hesaplanan

hidrofon elektrik enerjisine isabet eden ses basıncına dönüştürülür. Sinyal algılaması, ayrıt

edilebilir bir sinyali belirlemek için girişin büyütme ve şekillendirmesini içerir. Burada

gürültü gücünü anlamak için algılama eşiğine varılması gerekmektedir ve ortalama sinyal

gücüne oranı (SNR) olarak değerlendirilir. Taşıyıcı frekansı demodülasyon için verilenden

sonra, araç yanında veri depolamadan biri ya da kontrol ve navigasyon gereksinimlerini

araç içine koymak için kullanıma hazır iletilen verilerden önce varılması gerekmektedir.

Sualtı veri iletişim bağlantıları esas iletişim kanalının kısıtlamaları nedeniyle genellikle

düşük veri hızlarını destekler. Ana kısıtlamalar; yüksek yayılma gecikmeleri, düşük etkili

SNR ve düşük bant genişliğidir. Bu kısıtlamaların etkileri kısa mesafe bağlantılarını ve

uzun iletim mesafelerini kapsayacak şekilde multi-hop iletişim tekniklerinin kullanımıyla

azaltılabilir.

Şekil 6 : Sualtı akustik çevre

16

mesafe(m)

Otonom Sualtı Araçları (AUV,Autonomous Underwater Vehicles) sürüsü ağı için,

yukarıdaki teknikleri kullanmak etkili bir sualtı ağ tasarımı için çok önemli olabilir.

Birçok düğüm sürüsü ağı geliştirmek için, bir Orta Erişim Kontrol (MAC, Medium Access

Control) protokolü kullanarak nokta bağlantısı için tüm noktaları yönetmek gereklidir. Bir

ağ sürüsü iletim kanalı, bir çoklu erişim iletişim sisteminde serbest girişim modunda veri

iletimi için düzenli bir şekilde pek çok alıcı-vericiler tarafından paylaşılır. Şekil 6, N AUV

ile iki iletişim bağlantı noktasını işaret etmek için bir nokta göstermektedir.

Veri iletimini kontrol etmek için farklı AUV’lerden bilgi iletimini kontrol edebilen

etkili bir MAC protokolü tasarlamak gerekir. Bir ağ kümesi içinde MAC protokolünün

tasarımı eğer bir multi-hop iletişim tekniği kullanılır ise daha karmaşık olabilir. Multi-hop

iletişim tekniği, yüksek güçlü verici ve alıcı devrelerine gerek kalmadan uzun mesafe

iletim desteği olacak kadar iyi bir ağ tasarımı ölçeklenmesine izin verebilir. Örneğin, bir

multi-hop iletişim tekniği kullanarak eğer şekil 8’de AUV3 AUV7 için paket iletimi

istiyorsa o zaman paketlerinin iletimi için iletişim yollarının potansiyel bir numarasını

kullanabilir.

Şekil 7 : Projector(verici) ve Hydrophone(alıcı) Blok Şeması

Bilgi

kaynağ

ı

Modülasyon Güç

yükselteci

Taşıyıcı

sinyali

Elektrik/

Akustik

dönüştürme

Akustik/

Elektrik

dönüştürüme

Sinyal

yükseltici

Demodülasy

on

Bilgi

depolama

Taşıyıcı

sinyal

17

AUV7 den AUV3’e gelen olası yolların bazıları: AUV3-AUV2-AUV1-AUV4-AUV7

veya AUV3-AUV6-AUV9-AUV8-AUV7’dır.Bir ağda yol seçimi yönlendirme protokolleri

tarafından kontrol edilir. Optimum yönlendirme protokolleri genellikle bir dizi faktöre

dayalı iletim yolları seçer. Ancak, kablosuz ağda optimum bir yol seçmek için kullanılan

ana faktör bir bağlantı kalitesini gösteren SNR’dir. Benzer şekilde, MAC protokolü

optimum bir paket erişim tekniği geliştirmek için iletim kanalı durum bilgisini

kullanacaktır. Etkili bir protokol tasarımı için sualtı kanalları karakteristiklerinin

özelliklerini anlamak gerekir. Protokol tasarım konuları geçmeden önce sonraki

bölümlerde kısa aralıklı sualtı kanal karakteristiklerini değerlendirelim.

Şekil1 8 : 2D AUV sürü topolojisi

2.5. Sualtı Veri İletim Kanalı Karakteristikleri

Bu bölümde projektörden hidrofona akustik sinyal yayılmasını etkileyecek olan

okyanus kanal parametreleri üzerinde durulacaktır. Kısa menzilli bir bağlantı için veri

iletimi karakteristiklerini türetmek ve sunmak için kullanılan iyi kurulmuş sualtı modelleri

vardır.

2.5.1. Akustik Sinyal Seviyesi

Projektör kaynak seviyesi, SLprojektör genellikle akustik merkezine 1m referans mesafede

ses basıncı seviyesi cinsinden tanımlanır. Bu referans mesafesinde kaynak yoğunluğu

18

I =

(W/m2) (10)

şeklindedir ve dB olarak 1 µPa’da ölçülür, ancak “1 µPa basınç şiddeti nedeniyle

yoğunluğu” anlamına gelir. Bir çok yönlü projektör yüzey alanı küredir (4πr2= 12.6).

Böylece;

SLprojektör = 10log(

) (dB) (11)

olur. Ptx projektör ve referans dalga tarafından tüketilen toplam akustik güç yoğunluğuna

sahip:

Iref =

(W/m2) (12)

Burada Paref referans basınç seviyesi 1 μPa, ρ yoğunluk ( deniz suyunda ρ = 1025 kg/m3

civarında) ve c sesin hızı (deniz suyu için ortalama c = 1500 m / s)’dır [8,9].

Bir çok yönlü projektör için 1m’de bir verici akustik sinyal seviyesi ;

SLprojektor(P) = 170.8 + 10logPtx (dB) (13)

şeklinde yazılabilir.

Eğer projektör yönlü ise, o zaman projektör yönelticilik indeksi

DItx = 10log( Idir/Iomni) (14)

‘dir. Burada Iomni eğer dairesel yayılıyorsa yoğunluğu ve Idir kiriş deseni ekseni boyunca

yoğunluğudur. Yönelticilik[10] kaynak düzeyini 20dB artırabilir. Verici akustik sinyal

seviyesi için daha genel denklem:

SLprojektör(P, η, DI) = 170.8 + 10logPtx + 10logηtx + DItx (dB) (15)

şeklinde yazılabilir.

Burada projektör verimliliği ηtx Şekli 7’de görüldüğü gibi elektriksel akustik dönüşümü

ile ilişkili kayıpları dikkate alır. Böylece projektörden yayılan gerçek SL azalır. Bu

verimlilik bant genişliğine bağımlıdır ve ayarlanmış projektör için 0,2 ile 0,7 arasında

değişebilir[10].

19

2.5.2. Sinyal Zayıflaması

Okyanusta ses yayılımı, deniz suyunun fiziksel ve kimyasal özelliklerinden ve kanalı

kendi geometrisinden etkilenir. Akustik bir sinyal su altında yayma ve emme nedeniyle

zayıflama eğilimindedir. Buna ek olarak, kanal geometrisine bağlı olarak hidrofonda çoklu

sönümleme deneyimleri yaşanabilir. Yol kaybı projektörden hidrofona sinyal yoğunluğu

kaybının bir ölçüsüdür. Doğru bir yol kaybı modelini anlamak ve kurmak için sinyal-

gürültü oranı (SNR) hesaplamaları kritik öneme sahiptir.

2.5.2.1. Yayılma Kaybı

Yayılma kaybı geometrik olarak kaynaktan dışarı yayılanı kapsadığı genişleyen ses

sinyali alanına bağlıdır.

PLyayılma (r)= k× 10log(r) (dB) (16)

Burada r metre olarak mesafe ve k yayılma faktörüdür. Sinyal iletiminin oluşturduğu ortam

sınırsız olduğunda, yayılma küresel ise yayılma faktörü k=2 ortam sınırlı olduğunda

yayılım silindirik ve yayılma faktörü k=1 olarak alınır. Urick[9] okyanusta küresel

yayılmasının nadir bir olay olduğunu ileri sürdü ama kısa aralıklarda var olabildiğini kabul

etmektedir.

AUV kümesi işlemleri olarak meydana gelebilecek daha yüksek bir zayıflama değeri

anlamına gelen kısa menzilli küresel yayılma dikkate alınması gerekecektir ki bu

muhtemeldir. Yayılma kaybı mesafe ile logaritmik bir ilişkiye sahiptir. Bu kısa

mesafelerde yayılma kaybı orantılı olarak emilim terimi (doğrusal bir ilişki yelpazesi ile

olduğu) ile karşılaştırıldığında daha büyük bir rol oynar.

2.5.2.2. Emilim Kaybı

Emme enerji kaybı temsili bir akustik sinyal tarafından üretilen dalga olarak ortaya

çıkan viskoz sürtünme ve iyonik rahatlama nedeniyle ısı şeklinde dışarıya doğru yayılır ve

bu kayıp aşağıdaki gibi mesafeye göre lineer olarak değişir:

PLemme(r, f) = 10log{(α( f ))×r} (dB) (17)

Burada r kilometre olarak mesafe ve α emme katsayısıdır.

Daha spesifik olarak deniz suyunda ses emilimi üç baskın etkiden kaynaklanır; bunlar,

viskozite(kesme ve hacim), borik asit ve magnezyum sülfat (MgSO4) moleküllerin iyonik

20

gevşemesi ve gevşeme zamanıdır. Viskozite etkisi 100kHz’den yüksek frekanslarda

anlamlıdır. Magnezyumun iyonik rahatlama etkileri ise 10kHz ‘den 100kHz frekans

aralığında ve borik asit birkaç kHz düşük frekanslarda etkilemez. Genel olarak, emme

katsayısı α ; artan frekans ile birlikte artar, derinlik arttıkça azalır ve denizde oldukça

yüksektir.

Son yarım yüzyıl boyunca emilim kayıpları ölçümleri hesap frekansı, tuzluluk, sıcaklık,

pH, derinlik ve ses hızını dikkate alan birkaç ampirik formüllere yol açmıştır. Thorp’un

ifadesi[11], denklem (18), 60’lı yıllarda yaptığı ilk araştırmalara göre ve metrik birime

dönüştürüldüğünden beri popüler bir versiyonudur. 100Hz-1MHz frekansları için

geçerlidir ve %35 ppt tuzluluk, pH 8 ve 4 sıcaklık ile deniz suyuna dayalı ve derinliği

0 m (atmosferik basınç) varsayılır ama Thorp tarafından belirtilmemiştir.

(dB/km) (18)

Fisher&Simmons[12] ve diğerleri (Francois&Garrison[13]) o zamandan bu yana α’nın

diğer varyasyonlarını önermişlerdir. Özellikle, Fisher&Simmons[12] 70’li yılların

sonlarında emilimde borik asitin gevşemesiyle ilgili etkisini buldular ve emme katsayısı α

dB/km cinsinden; frekans, basınç(derinlik) ve sıcaklık ile değişir bir form

sağlamıştır.(tuzluluk% 35 ppt ve asitlik pH değeri 8 ve 100 Hz - 1 MHz için de geçerli)

[12,14], denklem (19)’de verilmiştir.

(dB/km) (19)

Burada d metre olarak derinlik ve t sıcaklıktır. 'A' katsayıları sıcaklığın etkilerini

temsil eder, 'P' katsayıları okyanus derinliği (basınç) ve f1, f2 borik asit ve (MgSO4)

moleküllerinin gevşeme frekanslarını temsil eder. Bu terimler, Fisher&Simmons[12] ve

daha yakın zamanda sunulan Sehgal ve Domingo[14,15] tarafından geliştirildi.

2.5.3. Yol Kaybı

Toplam yol kaybı hem yayılım hem de emilim kayıplarının birleşik bir katkısıdır.

Urick[9], emme artı yayılma verimlerinin formülünü uzun menzilli gözlemlerle maktıklı

bir şekilde belirlemiştir.

(20)

21

2.5.3.1. Akustik Yol Kaybı

Kanalın zayıflaması, çalışmanın sıklığına ve verici ile alıcı arasındaki mesafeye

bağlıdır. Sinyal gücündeki zayıflama yol kaybı olarak adlandırılır, kanallar arası uzaklık ve

frekans arasındaki ilişkiyi veren bağıntılar aşağıdaki gibidir:

(21)

Burada; d, alıcı ve verici arasındaki mesafe (km),f ise çalışma frekansı (kHz)’dır.

(22)

Burada;

10.klogd = yayılma kaybı,

d.10logα(f)= emme(absorbe) kaybı,

k = yayılma faktörü,

k = 2 ise küresel yayılma,

=1 ise silindirik yayılma,

=1.5 ise pratikteki yayılma,

şeklinde tanımlanır.

2.5.4. Çokyolluluk

Okyanustaki çokyollu iletim oluşumu iki etki tarafından şekillenmektedir. Bunlardan

birincisi diğer nesnelerden, dipte ve yüzeyde oluşan ses yansımaları, ikincisi ise sesin

sudaki kırılma indisidir. İkinci faktör ses hızının ortama göre değişkenliğinin bir

sonucudur. Şekil 9 bu iki mekanizmayı tanımlamaktadır.

22

Şekil 9. Sığ ve derin sulardaki çok yollu iletim oluşumu. (Aşağıda, ilgili okyanus kesiti

ve derinliğin fonksiyonu olarak ses hızı verilmiştir.)

Ses hızı konuma ve derinliğe göre değişkenlik gösteren sıcaklığa, tuzluluğa, basınca

bağlıdır ve sesin izlediği yol Snell yasasına uygun olarak daima iletim hızının düşük

olduğu bölgeye doğru bükülür. Yüzeye yakın bölgelerde ses hızı gibi sıcaklık ve basınç da

sabit olarak kabul edilir. Sıcak iklimlerde basınç artışı ses hızının üzerindeki etkileri

dengelemek için yeterli değilken , derinliğin artmaya başlamasıyla sıcaklık düşer. Böylece

ses hızı thermoklin denilen bölgede azalır. Belli bir derinlikten sonra, sıcaklık 4 0

C gibi

sabit bir değere ulaştıktan sonra ses hızı derinlik ve basınç artar. Bir kaynaktan ışın demeti

oluştuğu zaman, her bir ışın demeti az da olsa birbirinden farklı yollar izleyecektir ve

belirli bir mesafeye yerleştirilen alıcıda birden çok sinyal gözlenecektir. Yüksek hızdaki bir

ışının çok daha uzun bir mesafe kat edebileceği dikkate alınırsa, bu sebepten güçlü olan

ışınım ilk olarak alıcıya ulaşır. Bu fenomen minimum faz kanal yanıtı olarak sonuçlanır.

Akustik bir kanalın impuls yanıtlaması, belirli bir sayıdaki ışınımların dikkate değer

yayılma yollarının gücü ve gecikmesi, kanal geometrisi ve kanalın yansıma ve kırılma

özelliklerinden etkilenmektedir. Açık konuşmak gerekirse çok sayıda sinyal yansıması

mevcuttur, fakat ışınımlar birden çok yansımaya maruz kalmış ve belirli sayıdaki ışınım

yolundan saparak çok fazla enerji kaybetmiş olabilir.

23

Kanal modelini bir perspektife oturtmak için pth yayılma yolunun uzunluğunu lp olarak

tanımlayalım ve ilk gelen sinyalle alakalı olarak p = 0 olarak kabul edelim. Sığ sularda ses

hızı sabit bir c olarak alınabilir, yol uzunlukları düzlem geometri kullanılarak

hesaplanabilir ve yol gecikmeleri /p pl c olarak elde edilebilir.

Dipteki yansıma katsayıları tabanın tipine ( yumuşak , sert ) ve ışının geliş açısına

bağlıyken , yüzeyin yansıma katsayısı ideal şartlar altında -1 ‘ e eşittir. Pth iletim yolu

boyunca eşlenik yansıma katsayısı p ile ve bu yola ilişkin kayıpları da A ( lp , f ) ile

tanımlarsak pth yolunun mevcut yanıt frekansı ,

( )( , )

p

p

p

fA l f

H

(23)

şeklinde ifade edilir. Bunun sonucu olarak akustik kanalın her bir yolu, toplam impuls

yanıtlamasına katkıda bulunur ve alçak geçiren(low-pass filtre) gibi davranır.

( )( ) p p

p

th t h (24)

Burada hp (t) , Hp(f)’ in ters fourier dönüşümüdür. Şekil 10, yayılma faktörü k = 1.5

ve her bir dip yansımasına ilişkin 3dB’lik kayıp ile 1 km uzunluğunda, 15 m derinliğinde

dibe yakın bölgede bulunan kanalın işletim sisteminin çokyol(multipath) özelliklerini

göstermektedir.

24

Şekil 10. Kanal cevap fonksiyonları

İlk yedi iletim yolu için sonuçlar gösterilmektedir. Tüm dönüşüm fonksiyonları ve

önemli olan yanıtlar aşağıdayken, en üst satırında ise bireysel her bir yolun dönüşüm

fonksiyonları Hp(f) ve yanıtlar hp (t) bulunmaktadır. Toplam multipath yayılma, sığ su

deneylerinde genellikle gözlemlenen yaklaşık olarak bir milisaniye gibi bir değere sahip en

uzun yol gecikmesi ile şekillenmiştir. Bireysel yolların dağılması toplam multipath

yayılımdan daha azdır ve kanal cutoff’un altındaki uygun maksimum frekans değeri için

bu sistemde göz ardı edilebilir. Günümüzde kullanılan çoğu sistem için bu durum

geçerlidir yinede dönüştürücü teknolojisindeki gelişmeler ve daha yüksek bant

genişliklerinin kullanıma uygun hale gelmesiyle bu etki oldukça önemsiz hale gelebilir.

Yaklaşımlar sonucundaki genel model sinyalin doluluk oranına bağlı olabilir.

25

2.5.4.1. Sualtı Çokluyol Karakteristikleri

Çok yollu sinyaller, genel olarak, akustik enerji kaybını temsil eder, ancak iletişim

sistemleri için alınan sinyalin hata oranını önemli ölçüde arttırabilen alıcılarda zararlı

olabilen Inter Symbol İnterference (ISI) olarak da bilinir. Çok yollu sinyaller bu bölümde

açıklanan çeşitli mekanizmalar aracılığıyla sualtını oluşturmaktadır. Böylece alıcıda alınan

çoklu sinyaller yayılım yollarının farklı uzunluğuna bağlı olarak farklı zamanlarda orijinal

sinyalin birçok bileşenlerine sahip olacaktır. Yayılmadaki gecikmeler önceden ve gelecekte

varan sinyal bileşenlerinin örtüşmesine ve bu da sembol bozulmasına veya bit hataları

nedeniyle kayba sebep olacaktır. Bu da ISI oluşturabilir. Sesin yayılma hızı akustik bir

kanalda çok yavaş olduğundan bu yayılma gecikmesi önem arz etmektedir.

Çok yollu sinyalleri oluşturmaktan sorumlu iki önemli mekanizma vardır: Bunlar; ses

sinyallerinin yansımaları ve saçılmayı ifade eden yankılaşım ve akustik sinyallere engel

olan sıcaklık meyilli kanallar oluşturan denizlerdeki benzersiz ses hızı yapısının sonucu

olan ışın bükülmesidir. Çok yollu sinyal oluşumu iletimin gerçekleştiği kanalların

geometrisi, verici ve alıcının konumu ve en önemlisi meydana geldiği derinlik etkenleriyle

belirlenir. Alıcı ve verici dibe veya yüzeye konumlandırılırsa derin sularda yankılaşım

meydana gelmesine rağmen bükülmenin hükmü olacaktır, sığ sularda ise çok yol

yankılaşıma göre üstündür[8,9,15,16].

Su altında yankılanma oluşturan çeşitli fiziksel etkiler vardır:

Deniz tabanı veya deniz yüzeyindeki sınır yansımalarından kaynaklanan çok yollu

yayılımı şekil 6’da gördünüz.

Su asıllı nesnelerin, iletilen sinyal yolunda bulunan deniz hayvanların, bitkilerin ve

kabarcıkların, yansıması nedeniyle oluşan çok yollu yayılma.

Deniz yüzeyi(dalgalar) ya da deniz tabanı pürüzlülüğü veya yüzey emilimi,

özellikle malzemeye bağlı olarak deniz dibi nedeniyle yüzey saçılması.

Sinyal yolu askıya alınmış reaktif kapalı nesneler nedeniyle hacmi saçılma.

Işın bükülmesi, verici ve alıcıları yerleşimlerine bağlı olarak derin sularda çeşitli

yayılım yol kaybı mekanizmalarına neden olur. Düşük sinyal hızlı bölgele için akustik

sinyal yayılması Snell yasasına göre bükülür. Şekil 11 konum ve mevsim ile oluşan

varyasyonlara rağmen, tipik bir okyanus ses hızı profilini gösterir. Profil derinliğe bağlı,

yüzey tabakalarındaki sıcaklık ve daha büyük derinliklerdeki basınç tarafından etkilenmiş

olan ses hızıdır.

Çeşitli yol kaybı mekanizmaları[15];

26

Yüzey tabakası pozitif bir sıcaklık gradyanına(eğimine) sahip olduğunda, yüzey

kanalı, Şekil 12(a)’daki gibi olur; akustik sinyaller yüzeye doğru eğilip, sonra

yüzey katmanının içine doğru geri yansıyabilir.

Derin ses kanalı, bazen SOFAR (sound fixing and ranging) olarak, akustik

yayılımın ses hızı seviyesinin üzerinde ve altında oluştuğu yerde, ses ışınları

sürekli minimum hız derinliğine doğru eğilmesi olarak bilinir. Şekil 12(a)’da

gösterildiği gibi.

Şekil 11. Tipik ses hızı profili

Yakınsama bölgesi, derin su alanlarında vericinin yüzeye oldukça yakın

konumlandırıldığı zaman basınçtaki artıştan dolayı ses ışınları tekrar yüzeye

zorlanıncaya kadar sıcaklıktaki azalmanın sonucu olarak dibe doru yönelir.

Şekil 12(b) de gösterildiği gibi.

Güvenilir akustik yol, verici çok derin sularda ve alıcı sığ sularda bulunduğunda

oluşur. Alt veya üst yüzey yansımalarından genellikle etkilenmez olduğu gibi

güvenilir olarak nitelendirilir. Şekil 12(b)’de gösterildiği gibi.

Gölge sonları özel bir durum olarak kabul edilir ve bu bölgeler herhangi bir sinyal

yayılmasında iptal olur. Bu, gölge sonlarında bir hidrofon herhangi bir sinyal

almayabilir anlamına gelir.

Bu nedenle kullanılmakta olan kanal geometrisi önemli yayılma yolları ve onların göreceli

güçleri ve gecikmelerinin sayısı için önemli bir tespittir. Gölge sonları dışında sinyalsiz

veya çok yollu sinyal bileşenleri hidrofona ulaşabilir, hidrofon doğrudan bir sinyali ve çok

yolu yansıyan, saçılmış veya bükülmüş sinyallerin değişken kombinasyonlarını alabilir.

27

Sinyalin bu çoklu bileşenleri ISI ve sembol tespiti hataları yaratabilen çeşitli yol

uzunlukları nedeniyle geciken birden çok sinyal bileşenidir.

(a)Yüzey kalan ve derin ses kanalı (b) Yakınsama Bölgesi ve güvenilir akustik yol

Şekil 12. Işın eğilme yol kaybı mekanizmaları.

AUV kümesi operasyonlarında kullanılacak çok kısa menzilli kanallar için, hidrofonda

beklenenden daha az çokyol sinyali üretilmesi çok-yol mesafe derinlik oranından da

etkilenecektir[17,18].

Şimdiye kadarki çoğu tartışma deterministik yayılma yolu modellerin çeşitli yansıtıcı ve

ışın bükme yolu seçeneklerinin geliştirilmesinde zamanla değişmeyen akustik kanal çok-

yol üzerine odaklanmıştır. Aksine radyo kanallarında, su altı kanalları içindeki bu rastgele

süreçlerin istatistiksel karakteristiği erken gelişim aşamalarında vardır. Deneysel sonuçlar

göstermiş ki, güne bağlı olarak iletişim bağlantısının yeri ve derinliği, çokluyol sonuçları

saniyeler sırasında kötü durumdaki tutarlılığı burada tartışılan deterministik modellerden

birini takip edebilir[19]. Bir sualtı iletişim kanalında zaman değişkenliğinin başka bir

kaynak alıcı ve verici arasındaki göreceli hareket olduğu zaman oluşur aşağıdaki alt

bölümde kısaca ele alınacağı gibi.

28

2.5.5. Doppler Etkisi

AUV’ lerin birbirlerine göreceli hareketi alınan sinyalde Doppler bozulmasının olası iki

çeşidine neden olacaktır, araçların birbirlerine doğru ve birbirlerinden uzaklaşma hareketi

ile frekansta ortaya çıkan kayma Dopler Kayması ve Doppler Yayılma veya Doppler

spektrumunda frekans dağılımının zamanla değişen doğası olan zaman domeninde çift

tutarlılık etki alanıdır[20].

Alınan sinyalin doppler kayması( ;

(Hz) (25)

olarak tanımlanır. Burada orijinal sinyal frekansı ve ∆v hareketli araçlar arasındaki

göreceli hızıdır. Bir örnek olarak, birbirine göre 1 m/s (2 düğüm) orta derecede yavaş hızla

hareket eden araçlar olsaydı ve fc = 40kHz the Δf ≈ 27Hz olurdu. Doppler yayılma veya

yukarıda bahsedilen tutarlılık zaman ölçümleri, 1 sn kadar uzun olabilir. Doppler kaydırma

ve yayılma kanal kestirim algoritmaları olarak tasarlanmış olması gereken kanal içindeki

zaman değişkenliğini izlemek için değişen komplikasyonlara yol açmaktadır ve açık

iletişim protokolleri içinde senkronizasyon yaklaşımı gecikmektedir. Keşif için küme

işlemleri araçlar arasındaki minimum bağıl hız farkı olduğu yerde sert topoloji gerektirir,

bu bağlamda doppler efektlerinin etkisi biraz azalacak ve böylece daha fazla dikkate

alınmayacaktır.

2.5.6. Ses Hızını Etkileyen Parametreler

Ses hızı suyun içinde havadakinin yaklaşık 5 katı hızıyla hareket eder ve çok uzak

mesafelere ulaşabilir, bu yüzden su altında bilgi taşımak için ses sinyalleri kullanılır.

Normal okyanus şartlarında ses hızı 1450 m/s ile 1550 m/s arasında değişir. Okyanus;

yukarıda deniz yüzeyi, aşağıda ise deniz tabanıyla sınırlı olan bir akustik dalga kılavuzudur

ve bu bölgede yayılım yapan ses dalgalarının hızının değişiminde rol oynayan dört ana

etken vardır; sıcaklık, derinlik, tuzluluk ve basınç. Ses hızı bahse konu bu değerlerdeki

yükselmelerle birlikte artar; ancak yükselim hızı oranları farklıdır ve en az rolü tuzluluk

artışı oynar. Örneğin 10°C sıcaklık yükselmesi 40 m/s, 1000 m derinlik artışı 16 m/s ve

tuzlulukta %1 artış 1.5 m/s hızda artışa sebep olur ve aralarındaki bağlantı basit bir şekilde

(26) numaralı denklemde gösterilmiştir.

C = 1449.2 + 4.6T − 0.055T 2 + 0.00029T

3 + (1.34 − 0.01T)(S − 35) + 0.0160Z (26)

29

Burada C hız m/s, T sıcaklık Celsius, S tuzluluk ve Z derinlik m olarak alınır[28]. Çoğu

durum için bu formül geçerli olurken, farklı koşullar için farklı

formüller de kullanılmaktadır. Basınç; yani derinlik değerlerinde gözlenen artış ise, akustik

yayılım hızının artmasına neden olur ve basıncın tek başına oluşturacağı ses hızı değişimi

su yüzeyi ile 3000 metre arasında yaklaşık 50 m/s kadardır [27]. Sudaki ses hızını

etkileyen parametreler aşağıda anlatılmıştır.

2.5.6.1. Sıcaklık

Sıcaklıktaki değişim, ses hızını diğer faktörlere göre 5 kat daha fazla etkilediği için, ses

hızı değişiminde bahsedilmesi gereken en önemli etkendir. Sıcaklık, moleküllerin sahip

olduğu kinetik enerjinin bir ölçüsüdür. Deniz suyu sıcaklık ölçümlerinde, sıvıların

sıkışması ve genleşmesiyle oluşan potansiyel enerjinin hesaba katılması gerekir [2].

Isı; suda, toprakta olduğundan daha derinlere inebilir çünkü suyun özgül ısısı

toprağınkinden çok fazladır, bu yüzden denizler, ısının dengelenmesinde önemli rol

oynarlar.

Güneşten gelen enerjinin büyük kısmı ilk 10 metre içerisinde emilmektedir, bu oran

berrak okyanus sularında %83 iken, bulanık sularda %99’u bulmaktadır. Bu sebeple, diğer

çevre faktörleri dışlanırsa, ısınma olayı ilk 10 metre içerisinde gerçekleşir. Bazı özel

durumlar dışında, deniz suyu sıcaklığı derinlikle azalır. Sıcak yüzey suları ile dipteki soğuk

su arasındaki ısı alışverişi, rüzgarın yüzey sularını karıştırması ve akıntılar sonucunda

meydana gelir.

Deniz suyunun ısınmasında rol oynayan diğer etkenler ise, güneş radyasyonları, yer iç

ısısının okyanus tabanından konveksiyonla alınması, kimyasal ve biyolojik olaylar sonucu

oluşan ısı, kinetik enerjinin ısı enerjisine dönüşümü ve suyun buharının yoğunlaşmasından

oluşan ısı olarak sıralanabilir. Buharlaşma ve atmosfere bağlı ısı konveksiyonları ile deniz

yüzeyinden yansıma gibi etkenler ise, deniz suyunda ısı kaybına yol açan faktörlerdir.

Ses hızını en çok etkileyen etken olan sıcaklıktan bahsederken, termoklin tanımını

anlamak gerekir. Termoklin; su kolonunda ani sıcaklık değişiminin meydana geldiği

seviyedir ve bu seviyedeki değişim yüzünden ses hızında da buna bağlı olarak ani

değişiklikler meydana gelir. Şekil 13’de tuzluluk oranındaki değişikliğin fazla olmadığı bir

bölgede, ses hızının sıcaklığa bağlı olarak değişimi ve termoklin tabakası görülmektedir.

30

Şekil 13. Marmara, Karadeniz çıkışında yaz mevsimini göre termoklin tabakası ve

sıcaklığa bağlı olarak beklenen ses hızı değişimi

2.5.6.2. Tuzluluk

Deniz suyunun önemli özelliklerinden biri de tuzluluktur. Derin sularda derinlikle çok

az değişir ve yatay değişimleri de ihmal edilebilecek kadar küçüktür. Fakat kıyısal

bölgelerde, özellikle fiyort ve buz sahalarında, tuzluluk etkisi önemlidir.

Deniz suyunun birçok fiziksel özelliği tuzluluğa bağlı olarak değişir. Deniz suyu

yoğunluğu, elektrik iletkenliği, viskozitesi, genleşme katsayısı, osmotik basıncı ve sesin

yayılma hızı, tuzluluğun artmasıyla birlikte artarken, spesifik (özgül) ısısı, buhar basıncı,

ısı iletkenliği ve genleşme katsayısı gibi özellikler azalır.

Tuzluluğu azaltan ve arttıran bazı faktörler vardır ve bu faktörlerden en önemlileri

buharlaşma ve yağıştır. Buharlaşma tuzluluğu arttırırken, yağışla birlikte tuzluluk düşer ve

bu iki zıt etkenin tuzlulukla olan ilişkisi için (27) numaralı denklem kullanılır. Bu

denklemde; E, buharlaşma ve P ise yağış yüksekliklerini mm cinsinden göstermektedir [2].

S (binde olarak) = 34.6 + 0.0175 (E-P) (27)

2.5.6.3. Basınç

Sıcaklık ve tuzlulukla birlikte, denizdeki ses hızına etki eden etkenlerden biri de

basınçtır. Sıvılarda moleküllerin ağırlığı nedeniyle, yüzeye dik olarak etki eden bir basınç

oluşur ve bu basınca “Hidrostatik Basınç” adı verilir ve denizlerde derinliğe bağlı olarak 1

metrede yaklaşık olarak 1 desibar kadar artmaktadır. Desibar (0.1 bar); basıncı ifade eden

en pratik birim olup, bir metre yüksekliğindeki deniz suyunun cm2’lik bir yüzeye yaptığı

basınca eşdeğerdir.

31

2.5.6.4. Yoğunluk

Yoğunluk (özgül kütle); bir cismin kütlesinin birim hacmine oranı olarak

tanımlanmıştır. Deniz suyunun yoğunluğu genelde, yaklaşık 1.026 gr/cm3 olarak alınır ve

sıcaklığın azalması veya tuzluluk ve derinliğin artmasıyla yükselir. Bu ifadeden de

anlaşılacağı gibi yoğunluk dağılımına etki eden faktörler, bu 3 etkende değişikliğe sebep

olan özelliklerdir. Sıcaklık ses hızında olduğu gibi, yoğunluk üzerinde de en çok etkisi olan

parametredir. Ayrıca yoğunluk, deniz suyunun kimyasal yapısıyla da alakalıdır.

2.5.7. Transmisyon (İletim) Kayıpları

Okyanusta ilerleyen bir akustik sinyal, ışın yollarının değişik yolları izlemesi nedeniyle

bozulmaya uğrar ve çeşitli kayıp mekanizmaları yüzünden zayıflar. Sinyal gücündeki bu

değişim, su altı akustiğinde iletim kaybı (transmission loss) olarak ifade edilir. İletim kaybı

(TL), (28) numaralı formülde görüldüğü gibi herhangi bir ölçüm noktasındaki akustik

enerji şiddetinin (I(r,z)), kaynaktan 1m uzaklıktaki akustik enerji şiddetine (Io) desibel

cinsinden olan oranıdır.

(dB ref. 1m) (28)

İletim kaybı, geometrik yayılmadan dolayı meydana gelen kaybın ve zayıflama

yüzünden olan kaybın toplamı olarak ifade edilebilir. Yayılımdan meydana gelen kayıp

basit bir şekilde, sinyalin kaynaktan uzağa doğru yayılım yaptığı sırada ölçülen kayıp

olarak tanımlanabilir ve Şekil 14’de iki farklı geometride yayılım kuralları gösterilmiştir.

Şekil 14. Geometrik Yayılım Kanunları ve yayılım durumları

Burada Şekil 14.a’da sınırsız homojen bir ortamda nokta kaynaklı bir yayılım

gösterilmektedir. Bu basit durumda, kaynaktan yayılan güç, kaynağı çevreleyen bir kürenin

32

yüzeyine eşit şekilde dağıtılır. Eğer ortamı kayıpsız bir ortam olarak farz edersek, akustik

ses şiddeti kürenin yüzeyine ters orantılı olacaktır.

I ∝1/(4πR2 ) (30)

(28) numaralı formülden küresel yayılım için iletim kaybını

TL = 20log(r) (dB ref. 1m) (31)

olarak buluruz ve burada r metre cinsinden yatay uzaklıktır. Eğer sinyalin yayıldığı ortam,

Şekil 14.b’de gösterildiği gibi düzlemsel tepe ve alt sınırlarına sahip ise bu durumda; yatay

uzaklıkta akustik ses şiddetindeki değişim, R yarıçaplı ve D derinlikli bir silindirin

yüzeyiyle ters orantılı olacaktır.

I ∝1/(2πRD) (32)

Böylece silindirik yayılımda iletim kaybını (33) numaralı formülle gösterebiliriz.

TL =10logr (dB ref. 1m) (33)

100 km uzunluktaki bir dalga kılavuzunda, küresel yayılım yapan bir sinyali örnek olarak

ele alırsak; toplam iletim kaybı (zayıflama hesaba katılmadan) 60 dB + 20 dB =80 dB

olacaktır. Bu 100km’de meydana gelmesi beklenen minimum kayıp miktarıdır. Ses

dalgalarının deniz suyunda yayılım yaparken zayıflaması, meydana gelecek olan yansıma

ve saçılım etkileri yüzünden, toplam iletim kaybı pratikte daha fazla olacaktır [27].

2.5.8. Gürültü

Sualtı gürültüsüne katkı yapan üç önemli madde vardır: Ortam veya okyanus arka plan

gürültüsü; aracın kendi gürültüsü; karides yakalamak, buz çatlaması ve yağmur gibi

biyolojik sesler de dahil olmak üzere sürekli olmayan gürültü. Doğru bir gürültü modeli

hidrofondaki SNR’yi değerlendirmek için kritiktir bu yüzden bit hata oranı (BER) protokol

performansını değerlendirmek için saptanabilir olmalıdır.

2.5.8.1. Ortam Gürültüsü

Urick Okyanusta ortam gürültüsü iyi tanımlanmıştır[9]. Gauss olarak temsil edilebilir

ve sürekli bir güç spektrum yoğunluğu (PSD) vardır. Bu her frekans spektrumlarının farklı

bölümlerinde hâkim bir etkiye sahip dört bileşenden (aşağıda belirtilen) oluşur.

Türbülans gürültüsü sadece çok düşük frekans bölgelerini etkiler f <10Hz

(34)

33

Nakliye gürültüsü 10-100Hz bölgesine hakimdir ve düşükten yükseğe sırasıyla

aktiviteler için 0 dan 1’e mesafe değerlerinin s nakliye aktivite faktörü ile

tanımlanmıştır:

(35)

Rüzgar ve yağmur nedeniyle oluşan dalga ve yüzey hareketi 100Hz-100kHz orta

frekans bölgelerinde önemli bir faktördür. Rüzgâr hızı w m/s olarak verilir:

(36)

Termal gürültü 100kHz üzerinde hakim olur:

(37)

Rüzgâr hızı w, m/s (1 m/s yaklaşık 2 deniz milidir.) ve f, kHz olarak verilir. Ortam

gürültü gücü, aynı zamanda yüzeyden mesafesi olarak derinlik artışı ile azalır ve bu

nedenle nakliye ve rüzgâr gürültüsü daha hafif olur. Ortam gürültüsünün, daha sığ sularda

derin sulardan 9dB yüksek olduğu görülmüştür[21]. Küme işlemleri, diğer sualtı ağ

işlemlerinin yanı sıra, kümedeki diğer araçların gürültüsü nedeniyle operasyonlarına ortam

gürültüsüne ek bir düzey eklenir nispeten yakın çalışma olacak AUV’ler dâhil olmak

üzere, iletişim düğümleri için bu durum söz konusudur. Kendinden gürültü sonraki

bölümde ele alınacağı gibi beklenti şudur, “nakliye gürültüsü” bileşeni ile ilgili bu ek

“ortam gürültüsü” genellikle 10kHz üstündeki frekansları kullanan akustik haberleşme

üzerinde sınırlı bir etkiye sahiptir olacaktır.

2.5.8.2. Kendinden Gürültü

Kendinden gürültü sinyalleri almak için bir platform olarak aracın kendisi tarafından

oluşturulan gürültü olarak tanımlanır. Bu gürültü, mekanik yapısı ile veya üzerinden geçen

su yoluyla AUV üzerine monte edilen hidrofona ulaşabilir. Kendinden gürültü türbülanslı

akışların derecesi, dönüştürücünün montajı ve yönelticilik özelliklerine bağımlı olarak

değişir[22]. Kendinden Gürültü de denizaltında İkinci Dünya Savaşı sırasında Urick[9]

tarafından yapılan çalışmalardan sunulan bir eşdeğer izotropik gürültü spektrumu olarak

görülebilir. Genel olarak, ortam gürültüsünde olduğu gibi, frekans artışları ile kendinden

gürültü düzeylerinde azalma vardır ancak kendinden gürültü gemilerin yavaş seyahat

34

ederken veya sabitken gürültü spektrumları azalması ile hızdan önemli ölçüde

etkilenir[9,23,24].

Kinsler[23] düşük frekanslarda (<1kHz) ve düşük hızlarda makine gürültüsünün hakim

olduğunu ve çok yavaş hızlarda kendinden gürültünün ortam gürültüsünden genellikle daha

az önemli olduğunu belirtiyor. Oysa yüksek frekanslarda (10kHz) pervane ve akış

gürültüsü hakim olmaya başlar ve hız şiddetle arttığı anda hidrofon da hidrodinamik

gürültü artar ve makine gürültüsü daha önemli hale gelir. Bu, hava kabarcıklarının altında

veya pervane bıçak ucundaki sürüklenme nedeniyledir. Daha yüksek hızlarda, kendinden

gürültü, ortam gürültüsünden çok daha önemli olabilir ve sınırlayıcı bir faktör haline

gelebilir.

Farklı boyut ve türdeki araçların kendinden gürültüsü, araçların tasarımları ve küçük

güncel yayınlanan değerleri olduğu gibi, çeşitlidir. Her araç kendi hız ve çalışma koşulları

ile kendinden gürültü içinde büyük değişimler üretir[24]. Kendinden gürültü motor tipi

seçimi, yapılandırma, montaj ve motor sürücüleri ile kontrol edilebilir.

2.5.8.3. Sürekli Olmayan Gürültü Kaynakları

Sürekli olmayan gürültü kaynakları AUV ‘ lerin yerlerinde veya işletim sürülerine

yakın meydana geldiği zamanlarda çok önemli olabilir. Araştırmalara göre iki önemli

nokta vardır: Deniz bio-akustik alanlarında ve yağmur damlaları tarafından oluşturulan

yağmur ve su kabarcıklarının etkisidir.

Sualtı bio-akustik gürültüsüne büyük katkı sağlayanlar;

Yumuşakçalar – Eklem bacaklı kabuklular– burada en önemlileri 500Hz ve 20kHz

arasında geniş spektrumlu bir gürültü üreten karides yakalamadır.

Balık – Balon balığı 10 - 50 Hz

Deniz memelilerinden - balinalar- yunuslar 20 - 120Hz içerir.

Yağmur, rüzgârdan farklı gürültü spektrumu oluşturur ve sabit bir gürültü kaynağı

olmadığından ayrı ayrı ele alınması gerekir. Urick[9], sağnak yağmur spektrumunun 5 ila

10 kHz bölümü içinde neredeyse 30dB arttığı, sabit yağmurda 10 dB veya 2 den 6’ya deniz

durumuna göre artan gürültü örneklerini gösterdi. Eckart[24] -17 ile 9dB arasında 100Hz’

den 10kHz’ e yüzeyde yağmurun ortalama etkilerini sundu. Sürekli olmayan gürültü

kaynaklarına yapılan bu katkılar düşük frekanslı mesafelerinden 20kHz’e kadar ağır

basmaktadır. Bu durumda, iletişim veri sinyallerinin çalışma frekanslarında etkileşimi

düşük olarak kabul edilir.

35

2.5.8.4. Zayıflama ve Gürültü

Akustik kanalların ayırt edici özelliği yol kaybının sinyal frekansına bağlı olmasıdır.

Buradaki bağımlılık dolaylı olarak emilimle orantılı denilebilir. Emilim kaybına ek olarak

da sinyalin mesafe kaybı mevcuttur. Bu kayıpların toplamı toplam kaybı bize verir.

( , ) ( / ) ( ) rl lkrA l f l l a f (38)

f sinyal frekansı, l iletim mesafesi, lr referans mesafesi, k yol kaybı üssü genel olarak

değeri 1 ile 2 arasında (silindirik ve küresel yayılıma göre). Akustik kanal gürültü, ortam

gürültüsü ve siteye özgü gürültülerin bütününden oluşur. Ortam gürültüsü olarak, sessiz ve

derin deniz arka planda sürekli olarak mevcuttur.

Siteye özgü gürültü ise aksine belirli yerlerde ve belirli durumlarda oluşur. Örnek olarak

kutuplarda buzların çatlaması, sıcak sularda karides yakalanması verilebilir. Ortam

gürültüsü dalgalar, yağmur, türbülans gibi kaynaklardan meydana gelir. Ortam gürültüsü

genellikle gauss olarak düşünülür ve beyaz değildir. Ortam gürültüsünün tersine siteye

özgü sesler gauss değildirler.

Frekansın artmasıyla gürültü spektrumu frekans ile bozunur,sinyalin bant genişliği

üstünden değişen bir sinyal gürültü oranı (SNR) elde edilir. Dar bir bant genişliği ∆f

mesafesi kadar taşınmış bazı f frekansları etrafında tanımlanıyorsa, SNR bu bant olarak

ifade edilebilir.

( , ) ( ) / ( , ) ( )lSNR l f S f A l f N f (39)

S1(f) iletilen sinyalin spektral güç yoğunluğu. Bu denklemden de anlaşılacağı gibi dar

bant SNR frekansın bir fonksiyonu olarak karşımıza çıkmaktadır. Akustik bant genişliği

iletim mesafesi ile bağlantılıdır. Özellikle bant genişliği ve güç ile SNR bağlantılıdır

denilebilir. SNR hedefleri akustik yol kayıpları ve ortam gürültüsüne bağlı olarak

değişmektedir. Bant genişliği uzun mesafelerde sınırlıdır örneğin 100 km için yaklaşık

1kHz kullanılabilir. Kısa mesafelerde bant genişliği beklendiği gibi ama sonuçta enerjini

ortama aktarılma koşullarıyla ile sınırlı olacaktır. Bant genişliğinin sınırlı olması verimli

bant genişliği modülasyonlarının gerekli olduğu anlamına gelmektedir. Bir diğer önemli

nokta ise, akustik bant genişliğinin merkez frekansı fc istek üzerine sık olmasıdır. Bu

durum, dar bant üzerinde varsayım yapma olasılığını engeller ve sinyal işleme yöntemleri

için önemli sonuçlar taşır diyebiliriz.

36

Sonuç olarak, kullanılabilir akustik bant genişliği en temel olarka mesafeye bağlıdır.

Yüksek bit hızında mesafe artımı atlamaları arttırarak aktarımı zayıflatır dolayısıyla

kaynak ve hedef arasındaki toplam mesafenin kısa olmasıyla güçlü bir aktarım yapılması

sağlanır. Uzak mesafeli sistemlerde ise çok atlamalı iletişim sağlanır. Çok atlamalı

sistemler düşük toplam güç tüketimi sağlarlar.

2.6. Kısa Menzilli Kanal Modelleme

Sualtı akustik kanalın tam kapasite kullanılmasının sağladığı avantajlar son derece

önemlidir. Kısa menzilli veri aktarım işlemleri için mevcut uzun mesafeli sualtı akustik

iletim üzerinden elde edilebilir bir takım faydalar vardır. Bu veri iletişim protokolü

tasarımı ve geliştirme açısından daha da incelenecek. Özellikle, çeşitli alanlarda ve çeşitli

kanal şartları altında en uygun sinyal frekansı ve bant genişliği bulma, hidrofonda mümkün

olan en iyi Sinyal-gürültü oranı (SNR) kullanma esasına göre değerlendirilecektir. Çeşitli

olası modülasyon şemaları için kanal kapasitesi ve BER soruşturma da analiz edilecektir.

2.6.1. Frekans Bağımlı Bileşen Olarak SNR

Alıcıda gözlenen Dar bant Sinyal-Gürültü Oranı (SNR), çoklu-yol veya doppler

kayıpları olmadığını varsayarak aşağıda;

ö

(40)

olarak verilmiştir[24]. Burada, B alıcı bant genişliği ve Sinyal Seviyesi (SL), PathLoss ve

Gürültü koşulları önceden geliştirilmişti.

2.6.2. Kanal Bant Genişliği

Farklı mesafelerde sabit verici gücü ve projektör verimliliği varsayarak maksimum

SNR sağlayan optimum sinyal frekansı var olduğu tespit edildikten sonra, farklı mesafeler

için bu koşullar ile ilişkili bir kanal bant genişliği olduğu ortadadır. Bu bant genişliğini

belirlemek için 3dB civarında buluşsal bir optimum frekans kullanılır. Bant genişliği

merkez frekansı olarak seçilen optimum sinyal frekansının fo(r) ±3dB çevresindeki frekans

aralıklarına göre hesaplanır[24].

37

Bu nedenle, fmin(r);

PathLoss(r, d, t, fo(r))N( fo(r)) − PathLoss(r, d, t, f ))N( f ) ≥ 3dB

doğru olduğundaki frekanstır. Benzer şekilde fmax(r);

PathLoss(r, d, t, f ))N( f ) − PathLoss(r, d, t, fo(r))N( fo(r)) ≥ 3dB

doğru olduğundaki frekanstır. Buradan sistem bant genişliği B(r,d,t),

B(r, d, t) = fmax(r) – fmin(r) (41)

olarak belirlenir.

2.6.3. Kanal Kapasitesi

Sualtı veri iletişim kanalının daha gerçekçi bir performans değerlendirmesi için, ilgili

mesafeler için maksimum elde erişilebilir bit-hata oranı C Shannon-Hartley ifadesi

kullanılarak denklem (42) ile tespit edilebilir. Bu kanal kapasitesi hesaplamalarında, tüm

iletilen güç Ptx ve Yol Kayıp Modelleri(PathLoss) ile ilgili kayıpları hariç hidrofona

transfer olduğu varsayılır.

Shannon-Hartley ifadesi denklem (40) ile tanımlanan Sinyal-gürültü oranı SNR(r) ile

aşağıdaki gibi tanımlanır:

C=Blog2(1+SNR(r)) (42)

Burada C bps olarak kanal kapasitesi ve B Hz olarak kanal bant genişliğidir.

2.6.4. Kısa Mesafede Sualtı Akustik Haberleşmede BER

Önceki bölümde belirtilen maksimum kanal kapasite değerine ulaşmak için su altı

akustik haberleşmede önemli bir konu da budur. Sualtı akustik kanal, hızlı zaman

varyasyonları ile oluşan ciddi bayılmalar(fading) ile hidrofonda ISI ve bit hataları

nedeniyle karmaşık dinamiklere yol açar ve önemsenecek düzeyde çoklu-yol etkisi ortaya

koyar. Bit hata oranı BER, bu nedenle veri iletim bağlantı performansında bir önlem teşkil

eder. Sualtı sistemlerinde FSK (Frekans Kaydırmalı Anahtarlama) ve PSK (Faz

Kaydırmalı Anahtarlama) kullanımı ile ilgili birkaç on yıldır araştırmacıların sembol

modülasyon yaklaşımları yoğundur. Bir yaklaşım, hızla değişen çok yola bazı esneklikler

sağlayan güçlü hata düzeltme kodlaması FSK sinyalizasyonu ile atlamalı basit düşük

oranda tutarsız modülasyon frekansı kullanıyor. Alternatif olarak, daha yüksek oranda

tutarlı bir yöntem olan Doppler toleranslı çok kanallı uyarlanır ekolayzır içeren QPSK

38

sinyalizasyon metodunun kullanımı, bu özellik sayesinde önem kazanmıştır[25]. FSK ve

QPSK modülasyon teknikleri için iyi bilinen BER formülleri, Denklem 40’da bulunabilen

SNR ile Bit başına düşen gürültü enerjisinden yola çıkılarak düzenlenmiştir.

(43)

Rb bps olarak veri hızı ve Bc kanal bant genişliğidir. Denklem 44 ve 45 ile sırasıyla

BPSK/QPSK ve FSK için kodlamasız BER verilmiştir:

(44)

(45)

2.6.5. Sistem Sabitleri ve İletişim Ağı Tasarımı Üstündeki Etkileri

Akustik yayılmaların dayattığı temel sınırlamaların yanı sıra, akustik modemin

çalışmasını etkileyebilecek sistem kısıtlamaları da mevcuttur. Bu kısıtlamalardan en

belirgini akustik dönüştürücülerin kanal tarafından önerilen mevcut bant genişliğini

kısıtlamasından ziyade kendi sahip olduğu bant genişliğini kısıtlamasıdır. Sistem

kısıtlamaları sadece fiziksel bağlantıları değil tüm katmanlardaki iletişim mimarisini de

etkiler.

Akustik bir sistemde, iletim için gerekli olan enerji yanıt almak için gerekli olan

enerjiden oldukça fazladır. İletim gücü uzaklığa bağlıdır ve tipik değerleri yaklaşık olarak

watt civarındadır. Buna karşılık iletişimde uyku modunda uygun düğüm noktasını çözmek

için en fazla 1mW’ a ihtiyaç olabilir.

Sualtı araçları pille çalışır dolayısıyla bu konularda sadece güç değil enerji tüketimi de

önemlidir.

Şu anda sualtı iletişimde, iletişim ağının kapasitesine bağlı olarak mümkün

uygulamaların nasıl geliştirileceği belli değildir ve bu konu hala araştırma konusudur. Hem

ad hem de hoc altyapı tabanlı iletişim ağları için akustik yayılma tasarım ilkeleri radyo

39

ağları için kullanılan ilkelerden oldukça farkı olabilir. Çünkü bu iletişim sistemleri ucuz ve

tek kullanımlık olmayıp, çevre koşullarına göre de ne küçük nede uygulanabilir değillerdir.

40

3. YAPILAN ÇALIŞMALAR

3.1. Su Altında Frekansa Bağlı Dalga Boyunun Değişimi

Su altında ses hızının (c), 1500m/s olduğu düşünülerek dalga boyu incelendi.

Bu değişim denklem (1)’den yararlanılarak şekil 15’deki gibi elde edilmiştir.

Şekil 15.Dalga boyunun frekansa bağlı değişimi.

Bu grafikten de görüldüğü üzere frekans arttıkça dalga boyu azalmaktadır ve bu azalışın

en hızlı olduğu aralık 100-500 Hz aralığıdır. Buradan sonra azalma miktarı düşüş

göstermektedir.

İlgili matlab komutları aşağıdaki gibi olur.

f=100:1:10000; %Frekans değişimi[Hz]

c=1500; %Su altı ses hızı[m/s]

dalgaboyu=c./f; %Denklem (1)

plot(f,dalgaboyu);

xlabel('Frekans[Hz]'); ylabel('Dalga Boyu[m]');

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100000

5

10

15

Frekans[Hz]

Dalg

a B

oyu[m

]

41

3.2. Akustik Sinyal Seviyesi ve Kaynak Yoğunluğu Değişimleri

Referans mesafesi 1m alınarak denklem (10)’a göre kaynak yoğunluğu, denklem (11)’e

göre ise buna bağlı akustik sinyal seviyesi değişimleri incelendi. Bu değişimler şekil 16 ve

şekil 17’de görülmektedir.

Şekil 16. 1 m referans mesafesine göre Kaynak Güç Yoğunluğu.

Referans mesafesinin sabit olması sebebiyle alan da sabit olmaktadır. Buna bağlı olarak

da verici gücü ile kaynak güç yoğunluğu arasında Şekil 16’da görüldüğü gibi lineer bir

ilişki ortaya çıkmaktadır.

İlgili matlab komutları ise;

r=1; %referans mesafesi [m]

Ptx=0.001:0.01:50; %Verici gücü [W]

Alan=4*pi*r^2; %[m^2]

I=Ptx/Alan; %Kaynak Güç Yoğunluğu [W/m^2]

plot(Ptx,I);

xlabel('Verici Gücü [W]'); ylabel('Kaynak Güç yoğunluğu [W/m^2]')

şeklindedir.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Verici Gücü [W]

Kaynak G

üç y

oğunlu

ğu [

W/m

2]

42

Şekil 17. Verici gücüne bağlı Akustik Sinyal Seviyesi’nin değişimi.

Akustik sinyal seviyesi referans mesafesindeki güç yoğunluğu değerine göre verici

gücündeki değişimden kaynaklı olarak yukarıdaki gibi bir karakteristik oluşturmaktadır.

Burada gözlemlendiği gibi 1mW-5W aralığından düşük bir akustik sinyal seviyesinden

yüksek bir akustik sinyal seviyesine sıçrama olurken (yaklaşık olarak 35dB ) bu değerden

sonra verici gücünü arttırmanın akustik sinyal sevisinde çok fazla bir iyileştirme

oluşturmadığı görülmektedir. Buna bağlı olarak diyebiliriz ki ortalama 5-10 W arası bir

verici gücü, akustik sinyal seviyesi bakımından oldukça ideal bir değer aralığıdır.

Grafiğe ilişkin komutlar aşağıdaki gibidir.

Ptx=0.001:0.01:50; %Verici gücü Ptx [W]

Paref=1*10^-6; %Referans basınç seviyesi [pascal]

p=1025; % Deniz suyu için yoğunluk [kg/m^3]

c=1500; % Deniz suyunda ses hızı[m/s]

Iref=Paref^2/(p*c); %Referans basınç da kaynak güç yoğunluğu

SLprojektor=10.*log10(Ptx./(12.6*Iref)) %Akustik sinyal seviyesi [dB]

plot(Ptx,SLprojektor);

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50140

145

150

155

160

165

170

175

180

185

190

Verici gücü Ptx [W]

Akustik s

inyal seviy

esi [d

B]

43

Denklem (11)’de yapılan analize alternatif olarak, sunduğumuz denklemlerden denklem

(13) verilebilir.

Denklem (13) ele alacak olursak, burada akustik sinyal seviyesi sadece verici gücüne

bağlı olarak verilmiştir. Bu denklemi incelersek:

Şekil 18. Verici gücüne bağlı Akustik Sinyal Seviyesi’nin değişimi.

Elde edilen sonuçlar karşılaştırıldığında birebir uyuşma söz konusu olmasa da çok

büyük bir farklılık söz konusu değildir. Şekil 18’de de görüldüğü üzere 5-10 w aralığı

akustik sinyal seviyesi için ideal bir aralık konumunu korumaktadır. Sonuç olarak iki

denklem kıyas edildiğinde birbiriyle örtüşen sonuçlar teşkil etmektedir. Uygulama

açısından iki denklemde kullanılabilir sonuçlar oluşturur.

Bu grafiğe ilişkin matlab komutları;

Ptx=0.001:0.01:50; % Verici Gücü [W]

SLprojektor=170.8+10*log(Ptx); %Verici Akustik Sinyal Seviyesi [dB]

plot(Ptx,SLprojektor);

xlabel('Verici Gücü [W]'); ylabel('Verici Akustik Sinyal Seviyesi [dB]');

şeklindedir.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50100

120

140

160

180

200

220

Verici Gücü [W]

Verici A

kustik S

inyal S

eviy

esi [d

B]

44

3.3. Akustik Sinyal Seviyesinin Verimlilik ve Güce Bağlı Değişimi

Bu kısımda daha önce ele alınan akustik sinyal seviyesinin projektör verimliliği ve

gücüne bağlı olarak parametresel değişimleri ele alındı. İki parametreye bağlı denklem(15)

baz alınarak oluşturulan akustik sinyal seviyesi değişimi şu şekildedir.

Şekil 19. Verici gücüne ve projektör verimliliğine bağlı Akustik Sinyal Seviyesi değişimi.

Akustik sinyal seviyesi değişimi ele alındığında verici gücünün 0-10 W değişim aralığı

en iyi seviye verimliliğinin yakalandığı kısımdır. Daha sonraki artışlarda ise verimliliğin

ilk duruma göre daha düşük olduğu gözlemlenmektedir. Daha önceki simülasyon

sonuçlarında 5-10 W lık bir güç seviyesinin yeterli olduğu görülmekteydi bant genişliğine

bağlı olarak verimliliği de göz önüne aldığımızda bu aralığın korunduğunu net olarak

görebilmekteyiz. Bunun yanında akustik sinyal seviyesi, ηtx göz önüne alındığında daha iyi

bir sonuç alındığı söylenebilir. Yani denklem (11,13)’e göre ηtx dahil olduğunda denklem

(15)’in verdiği sonuçlar daha yüksek bir akustik sinyal seviyesine çıkıldığını

göstermektedir. Denklem (15) ile elde edilen akustik sinyal seviyesi diğer denklemlere

göre aynı güçlerde daha iyi (yaklaşık 6-8 dB) bir sonuç vermektedir.

45

Şekil 20. Band genişliğine bağlı projektör verimliliğine göre Akustik Sinyal Seviyesi

değişimi

Burada denklem (15)’in ışığında ηtx değişimine göre akustik sinyal seviyesi değişimi

incelendi. Açık olarak görülmektedir ki bant genişliğine bağlı projektör verimliliği arttıkça

akustik sinyal seviyesinde bir iyileşme söz konusudur. ηtx değişimi 0.2 değerinden 0.7

değerine kadar çıktığında sinyal seviyesinde net bir iyileşme söz konusudur(6-7 dB civarı).

Bu sonuçlar eşliğinde ηtx ile akustik sinyal seviyesi arasında yaklaşık lineer bir ilişki var

denilebilir.

Şekil 19,20 ile ilgili matlab kodu şu şekildedir;

DItx=16.8; %Dıtx[dB]

Ptx=0.001:0.1:50; %Ptx[W]

ntx=0.2:0.01:0.7; %Band genişliğine bağımlı verici verimliliği

[Ptx,ntx]=meshgrid(Ptx,ntx);

46

SLprj=170.8+10*log10(Ptx)+10*log10(ntx)+DItx; %Akustik sinyal seviyesidir

birimi ise [db] dir.

mesh(Ptx,ntx,SLprj);

xlabel('ptx projektör gücü[W]')

ylabel('ntx BG bağımlı verici verimliliği')

zlabel('SLprj akustik sinyal seviyesi[dB]');

şeklinde oluşturulmuştur.

Yönelticilik indeksi(DItx), frekansa bağlı olarak değişim göstermektedir. Şekil 21’ de

f=10, 12.5, 15, 17.5, 20 kHz frekans değerlerindeki yönelticilik indekslerine bağlı verici

akustik sinyal seviyesinin verici gücü ile değişimleri oluşturulmuştur.

Şekil 21. Verici Gücü ve Yönelticilik İndeksine Verici Akustik Sinyal Seviyesi.

Görüldüğü üzere yönelticilik indeksinin belli değerleri için verici gücündeki değişime

bağlı olarak akustik sinyal seviyesi yukarıdaki gibi bir değişim sergilemektedir. Daha

öncede incelediğimiz üzere güce bağlı akustik sinyal seviyesi karakteristiği formu

korunmakla birlikte DItx değişimine göre akustik sinyal seviyesinde değişimler söz

konusudur. DItx artışı olduğunda sinyal seviyelerinde iyileşmeler ortaya çıkarmaktadır.

Yani DItx artışı akustik sinyal seviyesinde artışı sağlamaktadır. 10 W güç seviyesinde bu

durum net olarak görülebilmektedir. Şekil 21’de görüldüğü gibi aldığımız en düşük ve en

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50150

160

170

180

190

200

210

Ptx Verici Gücü [W]

SLprj-V

erici A

kustik S

inyal S

eviy

esi [d

B]

DItx=13.6

DItx=15.2

DItx=16.8

DItx=18

DItx=19.2

47

yüksek (13,6-19,2aralığı ) DItx seviyesi arasında yaklaşık olarak 9-10 dB’lik bir iyileşme

farkı oluşmuştur. Buna bağlı olarak DItx akustik sinyal seviyesinin önemli olduğu her

noktada oldukça etkin bir parametre konumuna sahip olmaktadır.

Şekil 21 ile ilgili matlab komutları aşağıdaki gibi olmalıdır.

%Verici akustik sinyal seviyesi için daha genel denklem

%DItx yönelticilik indeksi,frekansa bağlı olarak farklı değerler almaktadır.

DItx1=13.6; %DItx[db] %f=10kHz;

DItx2=15.2; %DItx[db] %f=12.5kHz

DItx3=16.8; %DItx[db] %f=15kHz

DItx4=18; %DItx[db] %f=17.5kHz

DItx5=19.2; %DItx[db] %f=20kHz

Ptx=0.001:0.1:50; %Ptx[W]

ntx=0.5; %Band genişliğine bağımlı verici verimliliği

SLprj1=170.8+10*log10(Ptx)+10*log10(ntx)+DItx1;%Akustiksinyal seviyesi[dB]

SLprj2=170.8+10*log10(Ptx)+10*log10(ntx)+DItx2;%Akustiksinyal seviyesi[dB]

SLprj3=170.8+10*log10(Ptx)+10*log10(ntx)+DItx3; Akustiksinyal seviyesi[dB]

SLprj4=170.8+10*log10(Ptx)+10*log10(ntx)+DItx4; Akustiksinyal seviyesi[dB]

SLprj5=170.8+10*log10(Ptx)+10*log10(ntx)+DItx5; Akustiksinyal seviyesi[dB]

plot(Ptx,SLprj1,Ptx,SLprj2,'r',Ptx,SLprj3,'g',Ptx,SLprj4,'m',Ptx,SLprj5,'k');

şeklinde oluşturulmuştur.

48

3.4. Emme Katsayısı ve Buna Bağlı Emilim Kaybı

3.4.1. Emme Katsayısı

Emme katsayısının tuzluluk 35 ppt, sıcaklık 4 ˚C, pH 8 ve derinlik 0 m(atmosterik

basınç) alındığında frekansa bağlı olarak değişimi denklem (17)’den faydalanılarak

incelenmiştir bu değişim şekil 22’de ki gibi elde edilmiştir.

Şekil 22 . Frekansa bağlı emme katsayısının değişimi.

Emme katsayısı ile frekans arasında denklem (18)’de verildiği gibi genel olarak karesel

bir ilişki söz konusudur. Uygulamada emme katsayısının düşük olması tercihimizdir.

Ancak belli frekans bantlarının altında sağlıklı bir haberleşme kanalı sağlanamadığından

bu katsayının düşük olabildiği ve haberleşmenin sağlandığı frekans aralıklarını tercih

etmekteyiz. Bu katsayının artması emilim kaybını arttırmaktadır dolayısıyla emilim

kaybının artması istenmeyen bir durum teşkil etmektedir. Şekil 22 üzerinde görüldüğü

üzere 100- 400 kHz lik bant bölgesinde emme katsayısı artışı düşük seviyede kalmakta

iken daha sonraki frekans artışlarında ise emme katsayısı daha hızlı bir artış

göstermektedir. Şekil 22 ve denklem (18)’e göre 400 kHz’lik bir bant aralığı daha iyi bir

emme katsayısı sağlamaktadır.

Emme katsayısına ilişkin matlab komutları ise aşağıdaki gibidir.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

50

100

150

200

250

300

350

frekans [kHz]

em

me k

ats

ayıs

ı af[

dB

/km

]

49

f=0.1:.5:1000; %Frekans aralığı [kHz]

r=0.001:1:2000; %Mesafe [m]

af=((0.11.*(f.^2))/(1+(f.^2)))+((44.*(f.^2))/(4100+(f.^2)))+(2.75.*0.0001.*(f.^2))

+0.0033 %af[dB/km] frekansa baglı emme katsayısıdır.Burada

tuzluluk 35 ppt, sıcaklık 4 C, pH 8 ve derinlik 0 m(atmosterik basınç) alınmıştır.

3.4.2 Emilim Kaybı

Denklem (17)’de görüldüğü üzere Emilim kaybı mesafeye, emme katsayısına ve dolaylı

olarak frekansa bağlı bir değişime sahiptir. Şekil 23’de ise denklem(17)’den faydalanılarak

emilim kaybının emme katsayısına mesafeye bağlı olarak değişimi incelenmiştir. Burada

emme katsayısının değişimi ise frekansa bağlı olarak şekil 22’de verildiği gibidir.

Şekil 23. Emilim kaybının emme katsayısı ve mesafeye göre değişimi

Şekil 23 üzerinden görülmektedir ki belli bir mesafeye kadar(0-200m arası) emilim

kaybı oldukça yüksek bir artış göstermektedir. Daha sonraki mesafe artışlarında ise emilim

kaybındaki artış daha düşük seviyede kalmıştır. Emilim kaybı su altı akustik haberleşme

sistemlerinde etkin bir konuma sahiptir. Buna bağlı olarak kaybın düşük olması

istenmektedir. Mesafe artışları emilim kaybını arttırmakta ancak 200m den sonraki artış

miktarı daha düşük seviyelerdedir. Buna bağlı olarak eğer 200 m üzerinde bir mesafe söz

konusuysa mesafenin etkisinin daha düşük olduğu söylenebilir.

50

Daha önceki kısımda söylediğimiz gibi frekans artışı emme katsayısını arttırmakta ve

buna bağlı olarak şekil 23’de gözüktüğü gibi emilim kaybın da bir artış ortaya çıkmaktadır.

Yanı emme katsayısı frekansın artmasıyla bir artış göstermektedir. Ancak mesafenin etkisi

frekanstan daha fazla bir emilimin kaybına sebep olmaktadır. Yanı emilim kaybında en

önemli etken mesafedir. Daha sonra ise frekansın etkisi söz konusudur.

Emilim kaybına ilişkin matlab komutları ise;

%Emme katsayısı ve buna bağlı yol kaybı değişimlerinin çizimi

f=0.1:.5:1000; %Frekans aralığı [kHz]

r=0.001:1:2000; %Mesafe [m]

af=((0.11.*(f.^2))/(1+(f.^2)))+((44.*(f.^2))/(4100+(f.^2)))+(2.75.*0.0001.*(f.^2))

+0.0033;

%af[dB/km] frekansa baglı emme katsayısıdır

%Burada tuzluluk 35 ppt, sıcaklık 4 C, pH 8 ve derinlik 0 m(atmosterik basınç)

alınmıştır

plot(f,af);figure(1); %Emme katsayısının frekansa göre değişimi

xlabel('frekans [kHz]');

ylabel('emme katsayısı af[dB/km]');

[af,r]=meshgrid(r,af);

figure(2);

PLemme=10.*log10((af).*r); %Emme kaybı[dB]

mesh(af,r,PLemme); %Emme kaybının

xlabel('Mesafe r[m]');

ylabel('Emme katsayısı af[dB/km]');

zlabel('Emme Eaybı(dB)');

şeklindedir.

Emilim kaybının belli frekanslarda mesafeye göre değişimi ise şekil 24’de verildiği

gibidir.

Emme katsayısının frekansa bağlı olmasından kaynaklı emme kaybı da dolaylı yoldan

frekansa bağlı olduğunu daha önceki kısımlarda belirtmiştik.

51

Şekil 24. Belli frekanslarda mesafeye bağlı olarak emme kaybının değişimi.

Burada belli frekans değerlerine göre (f1=40kHz, f2=80kHz, f3=120kHz,

f4=160kHz)mesafe bağlı olarak emme kaybını incelediğimizde sonucun diğer sonuçlarla

örtüştüğü görülmektedir. Bu ölçümün sebebi ise frekans değişiminin direkt olarak emme

kaybına etkisini göstermektir. Frekans dolaylı da olsa emme kaybı üzerinde önemli bir

yere sahiptir. Sistemlerin sağlık haberleşme sağlayabilmesi için bu kaybın düşük olması

tercih edilir. Daha önceki kısımlarda belirtildiği gibi 200m den sonraki menzillerde menzil

200m’nin altındaki kadar etkili olmamaktadır. Ancak seçilen frekans bölgesi genel olarak

emme katsayısı üzerindeki etkisini korumaktadır. Buna bağlı olarak tekrar yenilemek

gerekirse frekans ile emme katsayısı arasındaki ilişkiden dolayı frekans seçimi çok önemli

bir etken teşkil eder.

Şekil 24’e ilişkin matlab komutları ise;

%Emme katsayısı ve buna bağlı yol kaybı değişimlerinin çizimi

f1=40;f2=80;f3=120;f4=160; % [kHz]

r=0.001:1:2000; % adım adım r değişimi

af1=((0.11.*(f1.^2))/(1+(f1.^2)))+((44.*(f1.^2))/(4100+(f1.^2)))+(2.75.*0.0001.*(f1.^2))

+0.0033;

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-20

-10

0

10

20

30

40

50

menzil [m]

Em

me K

aybı[

dB

]

f1=40kHz

f2=80kHz

f3=120kHz

f4=160kHz

52

af2=((0.11.*(f2.^2))/(1+(f2.^2)))+((44.*(f2.^2))/(4100+(f2.^2)))+(2.75.*0.0001.*(f2.^2))

+0.0033;

af3=((0.11.*(f3.^2))/(1+(f3.^2)))+((44.*(f3.^2))/(4100+(f3.^2)))+(2.75.*0.0001.*(f3.^2))

+0.0033;

af4=((0.11.*(f4.^2))/(1+(f4.^2)))+((44.*(f4.^2))/(4100+(f4.^2)))+(2.75.*0.0001.*(f4.^2))

+0.0033;

%af[dB/km] frekansa baglı emme katsayısıdır

%Burada tuzluluk 35 ppt, sıcaklık 4 C, pH 8 ve derinlik 0 m(atmosterik basınç)

alınmıştır

PLemme1=10.*log10((af1).*r); %Emme kaybı[dB]

PLemme2=10.*log10((af2).*r); %Emme kaybı[dB]

PLemme3=10.*log10((af3).*r); %Emme kaybı[dB]

PLemme4=10.*log10((af4).*r); %Emme kaybı[dB]

plot(r,PLemme1,'b',r,PLemme2,'r',r,PLemme3,'g',r,PLemme4,'k');

xlabel('menzil [m]');

ylabel('Emme Kaybı[dB]');

şeklindedir.

3.5. Frekans, Derinlik ve Sıcaklığa Bağlı Emme Katsayısının ve Yol Kaybının

Değişimleri

Emme katsayısı ve yol kaybı temel olarak frekans, derinlik ve sıcaklığa bağlı bir

değişim karakteristiğine sahiptir. Bağlı bulundukları bu değişkenler ve ilişkileri ise aşağıda

verilen denklem dizilerinde irdelenmiştir.

(46)

(47)

(48)

(49)

(50)

53

(51)

(52)

(53)

Burada görülen A1, A2, A3, , , , , değişkenlerine ilişkin açıklamalar

denklem(19) verildiğinde yapılmıştır.

Fisher&Simmons[12]’den yararlanılarak denklem(19) için yukarıdaki denklemler göz

önüne alınarak incelemeler yapıldığında nereden kaynaklandığı belirlenemeyen bir eksiklik

sebebiyle olması gereken karakteristikler oluşturulamamıştır.

Yapılan araştırmalar sonucunda bu karakteristikler için daha sonra geliştirilmiş olan

AINSLIE & McCOLM modelinin daha uygun ve beklenen sonuçlar verdiği görülmüştür.

Emme katsayısı ve yol kaybı denklemlerine ilişkin karakteristikler bu modelden

yararlanılarak elde edilmiştir.

AINSLIE & McCOLM modeline göre emme katsayısı aşağıdaki denklemlerle

tanımlanmaktadır[31].

(54)

(55)

(56)

Burada f1,f2 borik asit ve (MgSO4) moleküllerinin gevşeme frekanslarını temsil eder. S

tuzluluk, pH suyun asitliği, T sıcaklık(˚C), D metre olarak suyun derinliğidir.

54

3.5.1. Frekans, Derinlik ve Sıcaklığa Bağlı Emme Katsayısının Değişimi

Şekil 25 tuzluluğun(S) 35ppt, sırasıyla T=4˚C ve T=27˚C değerleri sabit alınarak

derinliğin D=0, 10, 30, 100m’lik değerleri için denklem(56)’dan faydalanılarak kaynak

frekansı üzerinden emme katsayısı değişimini göstermektedir.

Şekil 25. Emme katsayısının frekansa bağlı değişimi.

Tuzluluk sabit alınarak (35ppt) kaynak frekansına bağlı değişim gösteren emme

katsayısının ayrıca derinliğe göre de nasıl bir değişim gösterdiğini yukarıda görülmektedir.

Frekans, derinlik, sıcaklık parametrelerine göre emme katsayısı üzerinde büyük değişim

farkları oluşmaktadır. Emme katsayısı üzerinde en etkili parametre daha öncede

belirttiğimiz gibi frekans olmaktadır bunun yanı sıra derinliğin de emme katsayısı üzerinde

oldukça etkili bir parametre olduğu da şekil 25’den açıkça anlaşılmaktadır. Yukarıdaki

karakteristiklerde derinlik olarak 0, 10, 30, 100m’lik değerler için bakıldığında derinliğin

artmasına bağlı hızlı bir şekilde emme katsayısının düştüğü gözlemlenmektedir. Sonuç

olarak 50 m ve üzeri değerlerde emme katsayısının etkinliğinin önemli ölçüde azaldığı

açıkça görülmektedir. Sıcaklığın etkisi ise derinlik ve frekansa nazaran daha düşüktür.

Şekil 25’deki T=4˚C ve T=27˚C için denklem(56)’dan faydalanılarak elde edilen

karakteristiklere bakıldığında düşük sıcaklık bölgesinde belli bir frekans bandında (0-

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

5

10

15

20

25

30

Frekans [kHz]

Em

me K

ats

ayıs

ı �

(f,d

,t)

[dB

/km

]

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

5

10

15

20

25

30

35

40

Frekans [kHz]

Em

me K

ats

ayıs

ı �

(f,d

,t)

[dB

/km

]

D=0m,T=4C

D=10m,T=4C

D=30m,T=4C

D=100m,T=4C

D=0m,T=27C

D=10m,T=27C

D=30m,T=27C

D=100m,T=27C

55

60kHz) emme katsayısı daha büyük çıkmaktadır. Ancak frekans bu bandın üstüne çıkan

değerlerde düşük sıcaklık için emme katsayısı aksine daha düşük değerler almaktadır. Bu

durumda yüksek sıcaklık değerlerine sahip olan sularda 60kHz ve altında bir frekans bandı

içerisinde haberleşme yapılması karakteristiğe göre daha uygun düşmektedir. Düşük

sıcaklıklı bölgelerde ise frekans bandının etkinliği azalmaktadır yüksek frekans değerlerine

daha uygun bir haberleşme ortamı oluşmaktadır.

Şekil 25’e ilişkin ilgili matlab komutları projenin ekler kısmında ayrıntılı olarak

sunulmuştur.

3.5.2.Frekans, Derinlik ve Sıcaklığa Bağlı Yol Kaybının (PathLoss)Değişimi

Yol kaybı da emme katsayısı gibi frekans, derinlik ve sıcaklığa bağlı bir değişim

karakteristiğine sahiptir. Denklem (20) den faydalanılarak elde ettiğimiz şekil 26 da ki

karakteristikler ise bu parametre bağlı olarak yol kaybının değişimini göstermektedir.

Şekil 26. Mesafeye bağlı, belli derinliklerde ki Yol Kaybı. (PathLoss)(S=35ppt)

Yol kaybı (PathLoss) mesafe arttığında karakteristikten anlaşıldığı üzere artış

göstermektedir. Elde edilen karakteristikler sırasıyla T=4˚C ve T=27˚C altında ve S=35ppt

sabit alınarak mesafeye ve bunun yanında belirli derinlik değerlerin değerlerine göre elde

edilmiştir. T=4˚C de alınan ölçümler 0 m lik derinlik için incelendiğinde yol kaybının daha

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Mesafe[m]

Path

Loss(r

,f,d

,t)[

dB

],

f=80[k

Hz],

T=

4C

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Mesafe[m]

Path

Loss(r

,f,d

,t)[

dB

], f

=80[k

Hz]

D=0m, T=27C

D=10m, T=27C

D=30m, T=27C

D=100m, T=27C

56

düşük olduğunu söyleyebiliriz. Ancak aradaki fark oldukça azdır. Bu sıcaklık değerinde

derinlik artışlarında yol kaybı için denklem (20) ve karakteristik üzerinden pek bir şey

söylemek mümkün olmamakta. Yol kaybı üzerinde derinlik artışı daha önceki kısımlardan

ve yapılan uygulama sonuçlarından da bilindiği üzere sıcaklığa bağlı olarak değişim

karakteristiğinde küçük oynamalar olsa da genel olarak T=4˚C ve T=27˚C deki gibi düşüş

göstermesi beklenmektedir. T=27˚C içinse yol kaybı 40 m ve üstündeki derinliklerde belli

bir değerde yaklaşık olarak aynı sonuçları vermektedir. Yol kaybı düşük mesafelerde

büyük artışlar göstermektedir. Yaklaşık 0-50 m aralığında hızlı bir değişim daha sonraki

mesafe artışlarında ise daha yavaş bir değişim söz konusudur. Uygulamada genel olarak

50m’nin üstünde bir mesafe söz konusu olduğu için bu mesafeden sonraki yol kayıplarında

mesafeye göre düşük seviyelerde kalmaktadır. Yanı mesafe 50m den fazla ve derinlik 40m

den daha derin olduğu bir ortam söz konusuysa yol kaybı bu değerlerin üstünde yavaş ve

kararlı bir değişim göstermektedir. Yol kaybını ve emilim kaybını göz önüne aldığımızda

düşük frekanslarda 200 m ve üzeri bir haberleşme mesafesinde 40 m den az olmayan

derinliklerde iyi bir akustik kanal elde edebilmekteyiz. Burada 200m üstünde kayıplar

üzerindeki değişimler daha düşük olmakta ve ortam derinleştikçe kayıplar azalmaktadır.

Şekil 27’de ise tuzluluk (S)=17 ppt alınarak aynı koşullar altında yol kaybı

incelenmiştir.

Şekil 27. Mesafeye bağlı, belli derinliklerde ki Yol Kaybı. (PathLoss)(S=17ppt)

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

Mesaf[m]

Path

Loss(r

,f,d

,t)[

dB

],

f=80[k

Hz],

T=

4C

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

Mesaf[m]

Path

Loss(r

,f,d

,t)[

dB

],

f=80[k

Hz],

T=

27C

D=0m, T=27C

D=10m, T=27C

D=30m, T=27C

D=100m, T=27C

57

Tuzluluğun azalması durumunda (ortalama tuzluluk 35-38ppt) yol kaybının da azaldığı

Şekil 25-26 kıyaslandığında net olarak görülmektedir. Tuzluluk oranın yüksek olduğu

noktalarda kayıplarda düşük bölgelere göre artmaktadır. S=17’de, S=35 göre yaklaşık

olarak 4-5 dB lik bir iyileşme söz konusudur.

Şekil 26 ve şekil 27’ye ilişkin ilgili matlab komutları projenin ekler kısmında ayrıntılı

olarak sunulmuştur.

3.6.Araç Hızlarına ve Taşıyıcı(Kaynak) Frekansına Bağlı Doppler Frekansı

Denklem(25)’den yararlanılarak şekil 28’de haraketli araçlar arasındaki göreceli hıza ve

aynı zamanda taşıyıcı frekansının değişimine bağlı doppler frekans karakteristiği

oluşturulmuş

Şekil 28.Doppler frekansının hareketli araçlar arasındaki göreceli hıza bağlı değişimi.

Şekil 28’de görülüyor ki araçların arasındaki bağıl hız arttıkça doppler frekansı da

doğrusal bir değişim göstermektedir. Yani doppler frekansı bağıl hızın artışıyla büyümekte,

azalmasıyla da küçülmektedir. Taşıyıcı frekansının değişimi açısından inceleyecek olursak;

fc=40, 80, 120, 160 [kHz] değerleri için karakteristikte gözlenen durum doppler frekansının

fc frekansı büyüdükçe arttığıdır.

Şekil 28’e ilişkin ilgili matlab komutları projenin ekler kısmında ayrıntılı olarak

sunulmuştur.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

2

4

6

8

10

12

Hareketli Araçlar Arasındaki Göreceli Hızı, Dv [m/s]

Alınan S

inyalin

Dopple

r K

aym

ası,

Df

[kH

z]

fc=40kHz

fc=80kHz

fc=120kHz

fc=160kHz

58

3.7. Ses Hızı(Sound Wave Speed)nın belirli parametrelere bağlı değişimi

Akustik haberleşme kanallarında ses üzerinden bir haberleşme oluştuğu için ses ile ilgili

birçok değişim ve en önemlisi ses hızı önemli bir konuma sahiptir.

3.7.1. Derinlik ve Sıcaklık Bağlı Olarak Ses Hızı(Sound Wave Speed)

Ses hızı bir çok ortam parametresinden etkilendiğini söylemek mümkündür. Ancak

temel olarak derinlik, sıcaklık ve tuzluluk gibi 3 temel parametre ses hızı üzerinde oldukça

etkili olmaktadır sabit tuzluluk altında sıcaklığa ve derinliğe bağlı ses hızı değişimi şekil

29’da görüldüğü gibidir.

Şekil 29. Derinlik, sıcaklık ve tuzluluğa bağlı olarak ses hızı.

Ses hızı birçok ortam parametresine bağlı olarak değişim göstermektedir.

Denklem(26)’dan faydalanılarak ses hızı değişimini derinlik, sıcaklık ve tuzluluğa göre

modellediğimizde ses hızı değişimi şekil 29’da gözlemlendiği gibidir. Derinlik göz önüne

alınırsa ses hızı ve derinlik arasında yaklaşık lineer bir ilişki ve doğru orantı olduğunu

söylemek mümkündür. Şekil 29’da elde edilen sonuçlara göre sabit tuzluluk altında

(S=35ppt) ses hızı derinlik arttıkça derinlikle doğru orantılı olarak artmaktadır. Sayısal

olarak söylemek gerekirse 0 - 1000 metrelik bir değişimde ses hızı yaklaşık olarak 20m/s

59

’lik bir artış oluşmaktadır. Bu durumda ikisi arasında %2’lik bir ilişki olduğunu

söyleyebiliriz.

Sıcaklığın ses hızı üzerinde ki etkisi ise derinlikle benzer bir ilişkidir. İkisi arasında

lineer ve doğru orantılı bir ilişki olduğunu söylemek mümkündür, ancak sıcaklık ses hızı

üzerinde derinliğe göre çok daha etkili olmaktadır. Bu yüzden sıcak akustik ortamlarda ses

hızı daha yüksek seviyelere olaşmaktadır. Sıcaklıktaki yaklaşık olarak 0˚C-20˚C lik bir

değişim aralığında ise ses hızında yaklaşık 70m/s ‘lik bir artış oluşmaktadır. Sıcaklığın

yaklaşık olarak 3.5 katı oranında ses hızında bir iyileşme olmaktadır.

Sonuç olarak ses hızı sıcaklık ve derinliğin artmasıyla meydana gelen artış miktarıyla

doğru orantılı olarak artmaktadır. Ses hızının artması bu sistemlerde haberleşmenin ses ile

olmasından dolayı oldukça iyi sonuçlar veren bir durumdur. Verimli bir kanal modellemesi

için iyi bir ses hızı gündeme gelmektedir. Denklem (26)’dan ve buna bağlı elde ettiğimiz

sonuçlara göre ses hızı açısından derinlik ve sıcaklık istenen iki parametre olarak

değerlendirebilir. Ses hızı üzerindeki etkisine bakıldığında sıcaklık ve derinlik seçimi

yapılırken ses hızı üzerindeki etkileri göz önüne alarak doğru bir seçim yapılması

gerekmektedir.

Şekil 29’a ilişkin ilgili matlab komutları projenin ekler kısmında ayrıntılı olarak

sunulmuştur.

3.7.2. Derinlik, Sıcaklık ve Tuzluluğa Bağlı Olarak Ses Hızı(Sound Wave Speed)

Aşağıda verilen şekil 30’da ise farklı tuzluluk değerleri altında belirlediğimiz iki farklı

sıcaklık değerlerine göre ses hızının derinliğe göre değişimi görülmektedir. Bu inceleme

tuzluluğun ses hızı üzerine nasıl bir etki oluşturduğunu göstermektedir. Bunun yanı sıra

sıcaklık ve derinliğin de nasıl bir etki oluşturulduğu göz önene alınmıştır.

60

Şekil 30. Belirli tuzluluk ve sıcaklık değerlerinde derinliğe bağlı ses hızı.

İlk durumda T=4˚C ikinci durumda ise T=27˚C elde ettiğimiz sonuçlarda tuzluluk

S=17, 38, 35 (bin kg suda bulunan tuz miktarları) burada S=17 Karadeniz, S=38 Akdeniz

için verilen değerlerdir, S=35 ise genel olarak alınan ortalama tuzluluk değeridir.

Önce ki kısımlarda da söylediği gibi sıcaklık artışı ses hızında lineer olarak bir artış

oluşturmaktadır şekil 30’da elde edilen sonuçlarda bunu tekrar doğrulamaktadır. Burada ilk

durum ve ikinci durum arasında 23 ˚C ’lik bir sıcaklık artışı vardır, bu artışa karşılık ise ses

hızında 70-80 m/s ’lik bir iyileşme görülmektedir.

Derinlik artışı ise aynı şekilde ses hızı üzerinde doğru orantılı lineer bir artış

oluşturmaktadır. Bu iki parametre (derinlik ve sıcaklık) önceki kısımda ki gibi burada ses

hızı üzerinde pozitif bir etki oluşturmaktadır.

Tuzluk ise şekil 30’da görüldüğü gibi net olarak ses hızını etkilemektedir. Tuzluluk da

diğer iki parametre gibi ses hızı üzerinde olumlu bir etki oluşturmaktadır. Tuzluluk artışı

ses hızında ciddi olarak iyileşme etkileri oluşturur. Ses hızı baz alındığında derin, tuzlu ve

sıcak ortamlarda iyi bir ses hızına erişilebilineceğini şekil 29, şekil 30 ve denklem(26)

eşliğinde söylemek mümkündür.

Şekil 30’a ilişkin ilgili matlab komutları projenin ekler kısmında ayrıntılı olarak

sunulmuştur.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10001440

1450

1460

1470

1480

1490

Derinlik, Z [m]

Ses H

ızı,

C [

m/s

]

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10001515

1520

1525

1530

1535

1540

1545

1550

1555

1560

Derinlik, Z [m]

Ses H

ızı,

C [

m/s

]

S=17,T=4C

S=38,T=4C

S=35,T=4C

S=17,T=27C

S=38,T=27C

S=35,T=27C

61

3.8.Alıcı Sinyal Seviyesi’nin Verici Gücüne ve Mesafeye Bağlı Değişimi

Alıcıdaki sinyal seviyesi (Prx), verici gücüne ve yol kaybına bağlı olarak denklem

(57)’deki gibi tanımlanır.

[dB] (57)

Burada PathLoss yol kaybı başlığı altında denklem (20)’de daha önce verilmişti. Emme

katsayısı ise denklem (57)’ye göre hesaplanmaktadır. Bu eşitlik üç parametreye bağlı

olarak ele alınabilir. Birincisi frekans sabit alınarak(burada f=80kHz) verici gücüne bağlı

belli mesafelerde alıcıdaki sinyal seviyesidir. Bu değişim, silindirik yayılım(k=1) için şekil

31’de verildiği gibi olmaktadır. İkinci ise verici gücü ve frekans sabit alınarak mesafeye

bağlı alıcıdaki sinyal seviyesidir. Bu durumda oluşan karakteristik ise şekil 32’de verildiği

gibi olmaktadır. Son olarak incelenecek olan nokta ise frekansın alıcıdaki sinyal

seviyesinde yarattığı etkidir ve bu durumda vericideki güç ve mesafe için sabit değerler

belirlenerek değişimleri şekil 33’de olduğu gibi elde edilmektedir.

Şekil 31. Farklı mesafelerdeki verici gücüne bağlı Alıcı Sinyal Seviyesi.

Alıcıda ki sinyal seviyesi haberleşme açısından oldukça önemlidir. Karasal

haberleşmede ortalama olarak -100dBm’lik bir alıcı eşik seviyesi bulunmaktadır. Su altı

haberleşmesinde saplıklı bir haberleşme oluşabilmesi için alıcı sinyal seviyesi önem arz

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Verici Gücü [W]

Alıcı

Sin

yal S

eviy

esi [d

B],

f=

80kH

z

r=100m

r=250m

r=500m

r=1000m

62

etmektedir. Şekil 31’de elde edilen sonuçlar ışığında bazı seçim ve değişimlere bağlı alıcı

sinyal seviyesi karakteristiği görülmektedir. Bu karakteristik incelendiğinde direkt olarak

her haberleşme sisteminde olduğu gibi verici gücü dikkat çekmektedir. Verici gücü alıcı

sinyal seviyesini yukarı değerlere taşımanın en kolay yolu olarak gözükebilir ancak su altı

sitemleri genel olarak beslemelerini karasal sistemler gibi herhangi bir hat üzerinden değil

batarya üzerinde almaktadır çoğunlukla buda gücü sınırlamaktadır. Bunun yanı sıra su altı

ekolojik yaşamı da güç sınırlaması konusunda bir etken oluşturmaktadır. Verici gücü 0-5

W arası değerlerde alıcı sinyal seviyesinde en yüksek verimin olduğu aralık oluşmaktadır

daha sonraki güç artışları ise bu durum kadar verimli sonuçlar vermemektedir.

Verici gücünün yanı sıra mesafe de alıcı sinyal seviyesine etki eden bir diğer önemli

faktör olarak görülmektedir. Zayıflamalar ve ortam karakteristiği mesafeye göre büyük

değişimler göstermekte ve değişimlere bağlı alıcı sinyal seviyesi de değişim

göstermektedir. İdeal bir su altı akustik haberleşme kanalı olarak düşündüğümüzde sadece

mesafe etkisi önemini korumaktadır. Şekil 31 üzerinde de görüldüğü üzere mesafe arttıkça

alıcı sinyal seviyesinde düşmelere oluşmaktadır. Mesafeye bağlı olarak ters orantılı bir

değişim söz konusudur. Mesafe ve alıcı sinyal seviyesindeki ilişki ideal bir akustik kanal

açısından yaklaşık lineer kabul edilebilir.

Şekil 32. Farklı verici güçlerinde mesafeye bağlı Alıcı Sinyal Seviyesi.

Şekil 31 üzerinde bahsettiğimiz gibi alıcı sinyal seviyesi verici gücü ile doğru orantılı

mesafe ile ters orantılı bir değişim karakteristiği sergilemektedir. Bu açıdan bakıldığında

karasal sistemler gibi bir karakteristiği olduğunu söylemek mümkündür. 50-100 den

sonraki mesafe artışlarında lineere yakın bir ilişki oluşmaktadır. Verici güç seviyelerinin

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

Mesafe [m]

Alıcı

Sin

yal S

eviy

esi [d

B],

f=

80kH

z

Ptx=1mW

Ptx=10mW

Ptx=100mW

Ptx=1W

63

küçülmesi de alıcı sinyal seviyesini direkt aşağıya çekmektedir. Bu açıdan haberleşme

mesafesi ve vericide ki güç seviyesi iy bir seçim ve analiz gerektirir.

Şekil 33. Alıcı Sinyal Seviyesi’nin frekansa bağlı değişimi.

Frekansı bağlı olarak alıcı sinyal seviyesini incelersek dışarıdan bakıldığında pek fazla

bir ilişki kurulmasa da frekans da alıcı sinyal seviyesi üzerinde etkili olmaktadır. Frekansın

etkisinin en temel nedeni ise önceki kısımlarda verdiğimiz emilim ve yol kayıpları

görülebilir. Frekans artışı emilim kaybını arttırmakta idi bu artışa bağlı olarak yüksek

frekanslara çıkıldıkça alıcı sinyal seviyesinde bir düşüş görülebilmektedir. Emilim

kaybında ki artış ise direkt değil emme katsayınsın frekansa göre artmasından kaynaklı

olarak gelmektedir. Buradan görüldüğü üzere su altı haberleşme ortamında bir

parametrenin birçok etkisini olduğunu söylemek mümkündür. Alıcı sinyal seviyesi, frekans

karakteristiğine bakıldığında frekansın alıcı sinyal seviyesine düşük olduğu bölgelerde pek

fazla etki etmediği görülmektedir. Şekil 33’deki karakteristiğe göre 10 kHz civarı bir bant

kullanılırsa alıcı sinyal seviyesinde frekans etkileri minimum düzeyde tutulabilinir.

Frekans dışında aynı karakteristik üzerinden verici gücünü de irdelersek şekil 31 ve şekil

32’de ki karakteristik üzerinden gözlemlendiği gibi frekans karakteristiği üzerinde verici

gücü etkisi aynıdır. Yanı güç arttıkça alıcı sinyal seviyesi bu artışa bağlı olarak bir artış

göstermektedir.

Karakteristik üzerinden bakıldığında durum bu şekilde olsa da alıcı verici ve kanal

karakteristikleri ve ortam şartlarında bu durumlar değişim gösterebilmektedir. Örneğin

düşük frekanslarda daha iyi bir karakteristik çıksa da haberleşme için minimum olarak

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-70

-60

-50

-40

-30

Frekans [kHz]

Alıcı

Sin

yal S

eviy

esi [d

B],

Ptx

=1W

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

Frekans [kHz]

Alıcı

Sin

yal S

eviy

esi [d

B],

r =

500m

r=100m

r=250m

r=500m

r=1000m

Ptx=1mW

Ptx=10mW

Ptx=100mW

Ptx=1W

64

görülen frekans seviyesinin altına düşülemez bunun yanı sıra ortam şartları ve kaynak

sorunlarından kaynaklı güç seviyeleri belli seviyelerde sınırlanmaktadır.

Şekil 31, şekil 32 ve şekil 33’e ilişkin ilgili matlab komutları projenin ekler kısmında

ayrıntılı olarak sunulmuştur.

3.9. Gürültü Değişiminin İncelenmesi

Gürültü konusu daha önce verilen denklem (34, 35, 36, 37) eşitliklerinden

faydalanılarak ele alındığınırsa bu ifadeler sonucunda toplam gürültü ise ambians(ortam)

gürültüsü olarak tanımlanır ve denklem (58)’deki gibi ifade edilir.

[dB] (58)

Burada bütün gürültü ifadeleri dB cinsinden alınmıştır. Sonuç olarak frekansa bağlı gürültü

değişimi incelendiğinde, her bir gürültü ayrı ayrı şekil 34’de ve Ambians Gürültüsü şekil

35’de olduğu gibi bir karakteristiğe sahip olmaktadır. (Rüzgâr hızı ve nakliye aktivite

faktörü sıfır kabul edilmiştir.)

Şekil 34. Gürültü çeşitlerinin ayrı ayrı frekansa bağlı değişimleri.

Akustik ortamlarda karasal ortamlar gibi birçok gürültü etmeni bulunmaktadır.

Haberleşme konusunda sistem karakteristiği ve haberleşme seviyesinde her zaman gürültü

etkin bir konuma sahiptir. Başarı oranı sinyal gücünün gürültüye oranına bağlı olarak

100

101

102

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

Frekans [kHz]

Gürü

ltü Ç

eşid

i [d

B]

Nturb

Nship,s=0

Nwind,w=0

Nth

65

değişim göstermektedir. Gürültü seviyesi arttıkça haberleşme ortamı kötüleşmekte iletişim

kalitesi düşmektedir. Bundan kaynaklı olarak gürültü analizi oldukça önemlidir. Bu önem

tüm haberleşme sistemi ve ortamları için geçerlidir. Frekans artışından en çok etkilenen

gürültü karakteristiği olarak şekil 34 baz alınarak Nship gürültü gücü olduğu söylenebilir,

ardından ise Nwind , Nth frekans en az etkilenen ise Nturb olduğunu söyleyebilir. Nth

gürültüsü dışındaki diğer gürültü gücü seviyeleri frekans ile ters orantılı bir karakteristik

sergilemektedir, Nth ise frekans ile doğru orantılı bir karakteristiğe sahiptir. Sistemler teker

teker gürültülerine göre değil sahip oldukları toplam gürültü seviyesine göre incelenir bu

noktada genel karakteristik üzerinden yorumlarsak frekans artışı gürültü açısından olumlu

bir etki yaratmaktadır denilebilir.

Şekil 35. Ambians gürültüsünün frekansa bağlı değişimi.

Ambians gürültüsüne baktığımız da ise şekil 34’de yorumladığımız üzere sistemlerin

toplam gürültü karakteristiği gürültü analizinde daha ön planda tutulmaktadır. Bu

karakteristik üzerinden rahatça söylenebilir ki frekans artışı gürültü karakteristiği açısında

sistem performansına pozitif bir etki oluşturmaktadır. Ancak önceki kısımda da değinidiği

üzere frekans artışı emilim kaybına ve alıcı sinyal seviyesinde düşmeye neden olmaktadır.

Bu özellikler göz önüne alındığında frekans bölgesi seçimi oldukça önemli bir etken haline

gelmektedir. Gerek görülen bu karakteristikler gerekse sistem performansı açısından

frekans seçimi noktası bu ortam veya diğer ortamlarda gerçekleşen hemen hemen tüm

kablosuz haberleşme sahalarında önemli bir yere sahip olmaktadır. Frekans seçimi

istenilen değere göre bir diğerinde taviz verme koşulunu veya ortak bir ideal kriteri

100

101

102

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

Frekans [kHz]

Am

bia

ns G

ürü

ltüsü [

dB

]

66

gözetme üzerine yapılabilmektedir. Tüm haberleşme sahalarında belli yayın bantları

bulunmaktadır bu bantlar kullanılış amacı ve imkânına göre değerlendirilip uygun frekans

seçimi yapılması gerekliliği oluşturulur.

Şekil 34 ve şekil 35’e ilişkin ilgili matlab komutları projenin ekler kısmında ayrıntılı

olarak sunulmuştur.

3.10. İşaret Gürültü Oranının Frekansa ve Mesafeye Bağlı Değişimleri

İşaret gürültü oranı frekansa, yol kaybına, bant genişliğine, gürültüye ve mesafeye bağlı

olarak değişen haberleşme için oldukça önemli bir parametredir. Sıcaklık, tuzluluk,

derinlik, pH ve diğer otam koşulları sabit alındığında ortaya çıkan ifadesi frekansa ve

mesafeye bağlı olarak denklem (59)’daki gibi olur. Bu durumda mesafe sabit alınarak

frekansa bağlı değişimi şekil 36’daki gibi; frekans sabit alınarak mesafeye bağlı değişimi

ise şekil 37’deki gibi olur.( s=0,w=0,B=100kHz, S=35,D=0,T=4,pH=8 alınmıştır.)

[dB] (59)

Şekil 36. İşaret gürültü oranının frekansa bağlı değişimi(r=500m).

Belli koşullar sabit alınmak kaidesi ile elde edile şekil 36’da ki karakteristik frekans

seçimine göre SNR oranının değişimini içermektedir. SNR haberleşme kalitesinde etkili

olan en temel öğelerden biri olarak görülmektedir. Haberleşme sistemleri üzerinde belli

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Frekans [kHz]

SN

R [

dB

]

67

SNR bölgeleri oluşturularak bu sayede istenilen haberleşme kalitesi belirlenmektedir. Bu

ölçüte bağlı, bulunulan koşul ve ortam değerlendirilerek sistemdeki SNR oranını üst

seviyeler tutmak gereklidir. SNR seviyeleri birçok koşula göre değişim göstermektedir

denklem(59)’a bakıldığında da bunu gözlemlemek mümkündür. Şekil 36’dan da takip

edilirse SNR karakteristiği frekans artışına bağlı olarak bir iyileşme göstermektedir. Bu

noktada frekans artışı ile iyi bir SNR oranı yakalanabilineceğini söylemek mümkündür.

Düşük seviyelerden başlayarak 30 kHz seviyesine kadar verimli bir SNR karakteristiği

elde edilmektedir. Diğer frekans bölgelerinde frekans artışına bağlı bu verim daha düşük

seviyelere çekilmektedir. SNR kriteri su altı akustik haberleşme ortamında ve diğer bir

ortamlarda önemli bir konuma sahiptir, işte bundan kaynaklı olarak seçimi SNR seviyesi

dolayısıyla frekans ve diğer ortam koşulları göz önüne alınarak çalışmaların yapılması

gerekir.

Şekil 37. İşaret gürültü oranının mesafeye bağlı değişimi(f=80 kHz).

Bu kısımda ise yukarıda sabit bir uzaklığa bağlı frekans üzerinden elde ettiğimiz

karakteristik Şekil 36’ya göre bu kez sabit bir ortalama frekans altında mesafeye göre bir

SNR karakteristiği oluşturulmaya çalışılmıştır. Daha öncede söylendiği gibi bir çok etmene

bağlı olarak değişen bu SNR oranı mesafe ye göre de kayda değer bir değişim

karakteristiğine sahiptir. Beklendiği üzere kısa mesafelerde sadece SNR değil birçok

ölçütte iyi performans karakteristikleri yakalanmaktadır. SNR de mesafe ile ters orantılı bir

ilişkiye sahiptir. Kısa mesafelerden başlayarak artış gösteren bir mesafe göre

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500-20

-10

0

10

20

30

40

Mesafe [m]

SN

R [

dB

]

68

değerlendirildiğinde ilk kısımda etki düşük sonra hızlı bir SNR kötüleşmesi daha sonra ise

mesafeye bağlı lineere yakın bir SNR düşüşü oluşmaktadır. Bu değişimler ise koşullar ve

belli değişkenler sabit alındığında gerçeğe yakın bir ideal ortam oluşturduğunda geçerlidir.

Bunun dışındaki durumda ise karakteristik üzerinde değişmeler olsa da çok fazla bir sapma

olmayacağını söylemek mümkündür, bu durum frekans karakteristiği için de geçerliliğini

korumaktadır. SNR oranı şekil 37 baz alınarak yorumlandığında 100 m ve üzeri mesafe

artışlarında mesafeye bağlı olarak sabit eğimliye yakın neredeyse lineer bir kötüleşme

gösterir. Alıcı verici konumu ve arasındaki uzaklık her zaman göz önünde bulundurularak

su altı akustik sistemlerin performans analizi yapılması gerektiğini bu sayede net olarak

söyleyebilmekteyiz. Çalışma yapılan su altı ortamlarında her değişim ve her parametre

dikkate alınamayacak olsa da belirli değerlerden ödün verilemez. Bu değerler sistem

performansı üzeride direkt etkileri olan önem sırası yüksek değerlerdir.

Şekil 36 ve şekil 37’ye ilişkin ilgili matlab komutları projenin ekler kısmında ayrıntılı

olarak sunulmuştur.

69

4.SONUÇ

Su altı akustik haberleşme sistemi simülasyonu başlığı altında yaptığımız bu çalışma, su

altı akustik haberleşme alanında gerek teorik gerekse uygulama olarak kapsamlı bir içeriğe

sahip, bize ve bizden sonra bu konuda çalışma yapacak kişi ve kurumlara faydalı

olabilecek çok yönlü bir kaynak oluşturma amacı ile yapılmıştır.

Üç tarafı denizlerle çevrili olan ülkemizde bu özelliğine rağmen bu alanda az sayıda

çalışma olması ve su altı akustik haberleşme sistemlerin geliştirilme ihtiyacı olduğu

kanaatiyle böyle bir çalışma oluşturulmuştur.

Yapılan bu çalışmada içerik olarak, su altı ortamında gerçekleşen akustik haberleşme

karakteristikleri üzerinde ortamdan kaynaklı oluşabilecek etkiler ön planda tutulmuştur.

Çalışma ilkesi karasal RF haberleşmesi gibi olan ancak haberleşmenin ses üzerinden

gerçekleştiği bu sistemlerde RF kullanılmamasının en temel nedeni, su altı ortamındaki

yalıtkanlık sabitinin hava ortamına nazaran yüksek olmasından kaynaklı RF’in çok hızlı bir

şekilde zayıflayarak haberleşme ortamına uygun olmamasıdır. Ses dalgaları(akustik wave)

ise su altı ortamında RF gibi hızlı bir zayıflama oluşturmadığından bu sistemler üzerinde

haberleşme kanalında ses dalgaları kullanılmaktadır. Su altı haberleşme kanallarında

akustik dalgaların kullanılmasının temel nedeni olarak zayıflama karakteristiği verilebilir.

Ancak akustik dalgalarda su altı haberleşme kanallarındaki birçok etkenden kaynaklı

değişim gösteren bir karakteristiğe sahiplerdir. Temel olarak üzerinde durulan ise bu

karakteristiğin bağlı olduğu etkisel parametrelerdir.

Yukarıda bahsedildiği üzere akustik dalgalar üzerinden yapılan su altı haberleşmeler de

akustik dalganın karakteristiği ön planda tutulmaktadır. Yapılan incelemelerde bu değişime

paralel olarak ele alınmıştır.

Günümüzde su altı dünyası gerek ülkemiz gerekse dünya açısından birçok soru

işaretleri ve bilinmezler içermektedir. Dünyanın yaklaşık olarak 2/3 ü su ile kaplı

olduğundan kaynaklı su altı haberleşmesi alanında yapılan çalışmalar her geçen gün hız

kazanmaktadır. Yaklaşık olarak 2 asır öncesinden günümüze kadar süren bu çalışmalar ele

alındığında belli dönemlerde durağanlaşsa da artık oldukça önemli bir konuma sahip

olduğunu görmekteyiz. Dünya açısından bakıldığında su altı haberleşmesi artık önemli bi

konuma sahiptir. Ülkemiz açısından bakıldığında bu konuda çalışmalar yeni yeni hız

kazanmaktadır. Bu çalışmanın yapılma sebeplerinden birisi olarak da bu konu üzerindeki

çalışmaların ülkemiz açısından az olması gösterilebilinir.

70

Akademik manada veya diğer manada bu alanda yapılan birçok çalışma göz önüne

alındığında lisans düzeyinde bu konuda yapılabilecek en iyi çalışmalardan birisini

oluşturma düşüncesiyle başlanan bu projede birçok kaynak ve çalışma referans alınarak

üzerine yeni çözüm önerileri ve elde edilen sonuçlar eşliğinde ideal su altı haberleşme

kanalının nasıl olması gerektiği ön planda olmak üzere akustik haberleşmenin su altındaki

performansı, performans kriterleri ve bu kriterlere bağlı nasıl bir haberleşme karakteristiği

gösterdiğini belirlemektir.

İçerik ve girişte belirtildiği üzere su altı akustik haberleşme sistemlerini kapsayan bu

araştırma genel olarak yapılanın dışında, tek bir nokta üzerinde değil birçok etkinin

incelendiği her koşulun ele alınmaya çalışıldığı bir çalışma olması hedeflenmiştir. Büyük

oranda bu hedef doğrultusunda beklenilen ve tasarlanan plana göre yapılan bu çalışma

genel olarak bu amaca uygun olarak planladığı gibi sürdürülmüştür.

Projenin teorik kısmına paralel olarak gerçeklenilen pratiksel uygulamalar ise tezin

yapılan çalışmalar kısmında detaylı olarak verilmeye çalışılmıştır. Su altı akustik

haberleşme sistemlerinde, meydana gelebilecek ortama bağlı veya bağlı olmayan tüm

değişimlere karşı incelenilen ve çözüm önerilerinin sunulduğu bu çalışma da oluşan

dezavantajları ve sistemi olumsuz etkileyen koşulları dikkate alarak daha iyi bir

haberleşme karakteristiği ortaya çıkartılmak istenmiştir. Bu konuda gerek ilgili referans

kaynaklardan ve gerekse sahip olunan bilgi ışığın da amaca uygun olarak çalışmalar

yapılmıştır. Genel olarak değerlendirildiğinde ulaşılan ve yayınlanan birçok araştırmaya

nazaran bu konudaki soru işaretlerini azaltıcı yönce bir çalışma oluşturulmuştur. Esas

itibariyle amacına uygun ve yapılan program doğrultusunda kalınmıştır.

Çok yönlü olarak yapılan bu araştırmalar ışığında dünyanın her yerindeki su altı

ortamının farklı olduğundan kaynaklı birçok koşula göre yorum yapılmaya çalışılmıştır.

Yapılan uygulamanın ışığında en etkin rol oynayan parametrelerin bazılarından

bahsedecek olursak bunlar, kaynak frekansı, derinlik, tuzluluk ve sıcaklık olarak verilebilir.

Kaynak frekans seçimi şekil 22, şekil 23, şekil 24, şekil 25 şekilleri üzerinden de

görüldüğü gibi emilim kaybında, emme katsayısında, yol kaybında ve genel olarak

meydana gelen kayıplar üzerinde etkin bir rol oynamaktadır. Bu etkin rolden kaynaklı

olarak sistemin çalışma verimliliğinin artması için kaynak frekansının çok dikkatli

seçilmesi ve bu frekans değerinin seçimi için ortam koşullarının da ön planda tutulması

gerekmektedir. Frekans aralığı seçimi yapılacak haberleşmenin sağlığı açısında elde edilen

sonuçlar ışığında etkin bir rol oynamaktadır denilebilir.

71

Kaynak frekansında sonra bir başka parametre olarak derinlik görülebilir. Şekil 29 ve

şekil30 ele alındığında derinliği etkileri görülmektedir. Ses hızı açısından bakıldığında

ortam derinliği istenilen bir etkendir. Derinlik arttıkça elde edilen sonuçlara bağlı olarka

ses hızında bir artış görülmektedir. Derinlik artışı ise sistemleri dayanıklılığı üzerinde

sorunlar çıkartabilmektedir. Bilindiği üzere su altında çok daha yüksek basınç seviyeleri

vardır. Derinlik artışı ile meydana gelen basınç artışı alıcı verici sistemleri üzerinden

fiziksel tahribat oluşturabilme riski taşıdığından kaynaklı olarak derinlik seçimi belli

seviyelerde sistemin sağlığı göz önünde bulundurularak yapılması gerekmektedir.

Tuzluluk seviyesi coğrafi koşul, iklim ve konuma göre değişim göstermektedir. Örneğin

Akdeniz de 38ppt (38/1000) iken Karadeniz de bu oran 17 ppt (17/1000) civarındadır. Bu

tarz değişimler göz önüne alınarak tüm işlem aşamalarında tuzluluk göz önüne alınmıştır.

Tuzluluk seviyesi açısından ses hızına bakarsak aynı derinlik gibi ses hızı üstünde olumlu

bir etkisi bulunmaktadır. Tuzluluk sistemde alınan tüm ölçümler açısından etkin bir

parametre konumundadır. Fazla etkisinin olmayacağı düşünülse de bunun aksine tuzluluk

seviyesi su altı ortamında haberleşme karakteristiğini direkt veya dolaylı yoldan

etkilemektedir. Çalışılan ortamın tuzluluk miktarı bilinerek çalışmalar o ortama uygun

olarak gerçekleştirilmelidir.

Frekans, derinlik, tuzluluk dan sonra ise sıcaklık da göz önüne alınmalıdır. Sıcaklık

kayıplar açısından pek istenen bir koşul olmasa da ses hızı, emme katsayısı ve dolaylı

olarak emilim kaybı açısında sıcak ortamlar daha iyi sonuçlar vermektedir. Oluşturulan

modellerde ortalama olarak uygulama sahasında oluşabilecek sıcaklıklar üzerine gerçek

değerler bazında bir çalışma yapılmıştır. Bu çalışmalarda sıcak koşullarda daha iyi bir

haberleşme performansının olduğunu söylemek mümkündür. Yol kayıpları açısında bu

durum iyi sonuçlar vermemektedir. Bu yüzden bir noktadan sağladığı iyileşmeler ve diğer

noktadan dezavantajları göz önüne alındığında bu parametre haberleşmenin yapıldığı

ortam açısında önem kazanmaktadır. Sıcaklık ölçüm alınacak su altı ortamının dahili bir

değeridir aynı tuzluluk gibi bu etmen dışarıdan tayin edilemediğinden kaynaklı olarak

alınan sonuçlar üzerinde bu ortama bağlı değerlerin alıcı verici arasındaki ilişkiye dahil

edilmesi ve bunlara bağlı olarak frekans seçiminin ve derinliğin alıcı verici konumunun iyi

bir şekilde seçilmesi gerekmektedir.

Yukarıda yer verilen bazı parametreler sadece görünen parametreler olarak

değerlendirilebilinirler bunların dışındaysa görünen ve görünmeyen olarak raslantısal

tamamen ortam kaynaklı bir veya uygulamadan koşullarından oluşan birçok

72

parametrelerinde mevcut oldu söylenilebilir. Önceki kısımlarda da belirtildiği üzere

projenin temel amacı oluşabilecek ve modellenebilecek tüm parametrelerin göz önüne

alınarak haberleşme kanalının modellemesinin yapılmasıdır.

Hava ara yüzünde gerçekleşen RF haberleşme ile kıyaslandığında akustik kanalların

modellenmesi ve yapısı biraz daha karmaşıktır. Günümüzde kullanılan bu iki haberleşme

türünün işleyiş sitemi yapısal olarak aynı ancak uygulama olarak farklıdır. Sualtı akustik

haberleşme gerek karakteristiği gerekse modellemesi açısından daha zor bir çalışma koşulu

teşkil etmektedir. Bu zorluğun getirdiği bir takım zorluklardan kaynaklı olarak bu alandaki

çalışmalar biraz daha zor ve zahmetli olarak değerlendirilebilinir. İki haberleşme ortamı

açısından temel fark su altı ortamlarında ses dalgaları kullanılır ve daha düşük frekanslarda

bir yayın yapılmaktadır. Hava ortamında ise yüksek frekanslı RF dalgaları

kullanılmaktadır.

Tüm bu koşulların yanında en önemli koşullardan biri olarak su altı doğal yaşamı da ön

plana çıkmaktadır. Bu konudaki çalışmalar doğal ortam ve su altı canlıların açısından

sorun oluşturmayacak ve oluşabilecek zarar olasılığı minimum düzeyde tutularak

gerçeklenmelidir. Bizi sadece haberleşme karakteristiği değil ekolojik sistemin etkileri de

bu sahada kısıtlamaktadır. Bu açıdan bu haberleşme sistemleri karasal sistemlere göre bir

daha fazla kısıtlamaların olduğu bir ortam olarak görülmektedir.

İhtiyaç duyulma noktasına gelindiğinde ise bu sistemlere neden ihtiyaç duyulduğunun

nedenleri çok fazla olmakla birlikte bazıları üzerine konuşulması gerekirse su altındaki su

akış hareketleri, denizlerde ki akıntıların yönlerinin tespiti, ekolojik sistemin değişimi,

balık göçlerinin ve yaşamlarının incelenmesi, deprem bölgelerinde oluşan su altı fay

hatlarının tespiti ve kontrolü gibi nedenler ön plandadır. Bu tarz alanların dışında ticari

olarak tekne sistemlerinde deniz araçlarında ve bu tarz sahalarda da kullanıldığını

söylemek mümkündür. Günümüzde bir nevi gereklilik olduğunu söylemek mümkündür.

En temel olarak ülkemizin zengin bir konuma sahip olmasına rağmen akademik olarak

eksik olduğumuzu düşündüğümüz için başlanılan bu konu üzerinde oluşturulan bu çalışma

yapılan araştırmalar ve çalışmaların sonucu olarak ortaya konulmuştur. Biz ve bizden sonra

bu konuda inceleme veya çalışma yapmak isteyen kişi veya kurumlara yardımcı olabilmek

adına ortaya koyulan çalışmada daha önceki çalışmaların üstüne çıkılarak olabildiğince

faydalı ve kapsamlı bir eser olması ön planda tutulmuştur. Bu alandaki çalışmalar her

geçen gün artmakta ve giderek önem kazandığı görülen su altı haberleşme sistemleri konu

ve içerik zenginliğine sahip daha önce üzerinde az çalışma olduğundan kaynaklı gelişime

73

açık bir saha olarak değerlendirilmesi mümkündür. Yapılan bu çalışma herkesin bildiği

haberleşme ortam ve koşullarından farklı bir ortamı tanıma ve modelleme yetisini

kazandırma adına etkin bir ortam olarak görülebilir. Her koşulu düşünerek ve bu koşullara

bağlı değişimleri öngörerek bu alanda çalışma yapmanın kişisel değerler, karar

mekanizması ve mantıksal olarak değerlendirilme açısından bu alanda ki çalışanlara her

adımda yeni bir şeyler katacağı söylenebilir. Gerek yapılan incelemeler gerek elde edilen

sonuçlar ışığında bu alanda ortaya koyabilecek birçok şeylerin olduğunu söylemek

mümkündür. Su altı haberleşmesi kişisel kazanımlar içeren ve üzerine çalışmaktan oldukça

zevk verebilecek bir çalışma sahası olarak görülebilir. Bu sahada ki çalışmaların her geçen

gün arttığını ve önem kazandığını göz önüne aldığımızda çalışılan ve çalışılması gereken

bir alan olarak değerlendirilebilir

…Mavi, her zaman bilinmezlikler içinde bir özgürlüğü saklar…

74

KAYNAKLAR

[1] W. Van Den Boss, Bitirme tezi, SEA Hamburg 2004.

[2] URICK, J. (1983): Principles of Underwater Sound, 3rd Edition, Mc. Graw

Hill, Inc. ISBN 0-07-066087-5.

[3] JENSEN, F.B., KUPERMAN, W.A., PORTER, M.B. ve SCHMIDT, H.

(1994): Computational Ocean Acoustics. American Institute of Physics. ISBN

1-56396209-8 NewYork.

[4] Partan, J., Kurose, J., and Levine, B. N. 2007. A survey of practical issues in

underwater networks. SIGMOBILE Mob. Comput. Commun. Rev. 11, 4 (Oct.

2007), 2333.

[5] J.H. Cui, J. Kong, M. Gerla, and S. Zhou. Challenges: Building Scalable and

Distributed Underwater Wireless Sensor Networks (UWSNs) for Aquatic

Applications. UCONN CSE Technical Report: UbiNetTR0502

(BECAT/CSETR055), January 2005.

[6] F. Akyildiz, D. Pompili, and T. Melodia. Underwater acoustic sensor networks:

Research challenges. Ad Hoc Networks (Elsevier), 3(3):257–279, March 2005.

[7] Jun Hong Cui; Jiejun Kong; Gerla, M.; Shengli Zhou, "The challenges of

building mobile underwater wireless networks for aquatic applications,"

Network, IEEE , vol.20, no.3, pp. 1218, MayJune 2006

[8] Coates, R. (1989)., Underwater Acoustic Systems, John Wiley and Sons.

[9] Urick, R., Principles of Underwater Sound for Engineers, McGraw-Hill,

(1967).

[10] Waite A.,Sonar for Practicing Engineers, third edn, Wiley. , (2005).

[11] Thorp, W. H., Deep-ocean sound attenuation in the sub- and low-kilocycle-per-

second region, Journal of the Acoustical Society of America 38(4): 648–654,

(1965).

[12] Fisher, F. & Simmons, V., Sound absorption in sea water, Journal of the

Acoustical Society of America 62(3), (1977).

[13] Francois, R. & Garrison, G. (1982). Sound absorption based on ocean

measurements: Part 1 and 2, Journal of the Acoustical Society of America

72(3,6): 896–907, 1879 – 1890.

75

[14] Sehgal, A., Tumar, I. & Schonwalder, J. (2009). Variability of available

capacity due to the effects of depth and temperature in the underwater acoustic

communication channel, IEEE OCEANS 2009, EUROPE, pp. 1–6.

[15] Domingo, M. (2008). Overview of channel models for underwater wireless

communication networks, Physical Communication pp. 163 – 182.

[16] Etter, P. (2003). Underwater Acoustic Modeling and SImulation, third edn,

Spon Press.

[17] Hajenko, T. & Benson, C. (2010). The high frequency underwater acoustic

channel, IEEE OCEANS 2010, Sydney, pp. 1 –3.

[18] Parrish, N., Roy, S., Fox, W. & Arabshahi, P. (2007). Rate-range for an fh-fsk

acoustic modem, Proceedings of the second workshop on Underwater

networks, WuWNet ’07, pp. 93–96.

[19] Stojanovic, M. (2006). On the relationship between capcity and distance in an

underwater acoustic communication channel, International Workshop on

Underwater Networks, WUWNet’06.

[20] Rappaport, T. (1996). Wireless Communications, Principles and Practice,

Prentice Hall.

[21] Caruthers, J. (1977). Fundamentals of Marine Acoustics, Elsevier Scientific

Publishing.

[22] Sullivan, E. & Taroudakis, M. (2008). Handbook of Signal Processing in

Acoustics Volume 2, RSpringer.

[23] Kinsler, L., Frey, A., Coppens, A. & Sanders, J. (1982). Fundementals of

Acoustics, John Wiley and Sons.

[24] Eckart, C. (1952). Principles of Underwater Sound, Research Analysis Group,

National Research Council, California University.

[25] Johnson, M., Preisig, J., Freitag, L.& Stojanovic, M. (1999). FSK and PSK

performance of the utility acoustic modem, IEEE OCEANS ’99 MTS. Riding

the Crest into the 21st Century, Vol. 3, pp. 1512 Vol. 3.

[26] James Preisig (2009). Underwater Acoustic Communication Channels:

Propagation Models and Statistical Characterization Milica Stojanovic,

Northeastern University , Woods Hole Oceanographic Institution.

[27] ALPAR, B. ve DOĞAN, E. (1994): Deniz ve Göllerde Derinlik Ölçme Sistem

ve Yöntemleri. İ.Ü. Deniz Bilimleri ve İşletmeciliği Enstitüsü yayını, 551.46

1998/3800, s.119

76

[28] CLAY, C.S., ve MEDWIN, H. (1977): Acoustical Oceanography, Wiley

Interscience, New York.

[29] Kerem KÖPRÜLÜ: Akdeniz – Karadeniz Su Altı Akustik Yayılım Model

Uygulamaları,2006.

[30] Cox, A.W. (1974). Sonar and Underwater Sound, Lexington Books. Domingo,

M. (2008). Overview of channel models for underwater wireless

communication networks, Physical Communication pp. 163 – 182.

[31] H. G. Urban, Handbook of Underwater Acoustic Engineering. STN ATLAS

Elektronik GmbH, November 2002.

77

T.C.

KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ

Mühendislik Fakültesi

Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü

SU ALTI AKUSTİK HABERLEŞME

SİSTEMİ SİMÜLASYONU

BİTİRME PROJESİ

EKLERİ

Haziran 2012

TRABZON

78

EK-1

SİMÜLASYONLARLA İLGİLİ MATLAB KOMUTLARI

a)Şekil 25, şekil26 ve şekil 27 ile ilgili matlab kodları.

clear all; close all;

S=35; %Tuzluluk[ppt]

D1=0; D2=10; D3=30; D4=100; %Derinlik[m]

T1=4; T2=27; %Sıcaklık[C]

pH=8;

f=80; %Frekans[kHz]

r=0:0.1:500; %Mesafe [m]

%f=0.1:0.1:100; Şekil 25 için burası aktik edilirken yukarıdaki sabit frekans iptal

edilecektir.

f1=0.78.*sqrt((S./35)).*exp(T1./26);

f2=42.*exp(T1./17);

f11=0.78.*sqrt((S./35)).*exp(T2./26);

f22=42.*exp(T2./17);

a1=0.106.*((f1.*(f.^2))./((f1.^2)+(f.^2))).*exp((pH-

8)./0.56)+0.52.*(1+(T1./43)).*(S./35).*((f2.*(f.^2))./((f2.^2)+(f.^2))).*exp(-

D1./6)+4.9.*0.0001.*(f.^2).*exp(-((T1./27)+(D1/17))); %Emme katsayısı

[dB/km]Denklem (56)

a2=0.106.*((f1.*(f.^2))./((f1.^2)+(f.^2))).*exp((pH-

8)./0.56)+0.52.*(1+(T1./43)).*(S./35).*((f2.*(f.^2))./((f2.^2)+(f.^2))).*exp(-

D2./6)+4.9.*0.0001.*(f.^2).*exp(-((T1./27)+(D2/17))); %Emme katsayısı

[dB/km]Denklem (56)

a3=0.106.*((f1.*(f.^2))./((f1.^2)+(f.^2))).*exp((pH-

8)./0.56)+0.52.*(1+(T1./43)).*(S./35).*((f2.*(f.^2))./((f2.^2)+(f.^2))).*exp(-

D3./6)+4.9.*0.0001.*(f.^2).*exp(-((T1./27)+(D3/17))); %Emme katsayısı

[dB/km]Denklem (56)

a4=0.106.*((f1.*(f.^2))./((f1.^2)+(f.^2))).*exp((pH-

8)./0.56)+0.52.*(1+(T1./43)).*(S./35).*((f2.*(f.^2))./((f2.^2)+(f.^2))).*exp(-

D4./6)+4.9.*0.0001.*(f.^2).*exp(-((T1./27)+(D4/17))); %Emme katsayısı

[dB/km]Denklem (56)

a11=0.106.*((f11.*(f.^2))./((f11.^2)+(f.^2))).*exp((pH-

8)./0.56)+0.52.*(1+(T2./43)).*(S./35).*((f22.*(f.^2))./((f22.^2)+(f.^2))).*exp(-

D1./6)+4.9.*0.0001.*(f.^2).*exp(-((T2./27)+(D1/17))); %Emme katsayısı

[dB/km]Denklem (56)

a22=0.106.*((f11.*(f.^2))./((f11.^2)+(f.^2))).*exp((pH-

8)./0.56)+0.52.*(1+(T2./43)).*(S./35).*((f22.*(f.^2))./((f22.^2)+(f.^2))).*exp(-

D2./6)+4.9.*0.0001.*(f.^2).*exp(-((T2./27)+(D2/17))); %Emme katsayısı

[dB/km]Denklem (56)

a33=0.106.*((f11.*(f.^2))./((f11.^2)+(f.^2))).*exp((pH-

8)./0.56)+0.52.*(1+(T2./43)).*(S./35).*((f22.*(f.^2))./((f22.^2)+(f.^2))).*exp(-

D3./6)+4.9.*0.0001.*(f.^2).*exp(-((T2./27)+(D3/17))); %Emme katsayısı

[dB/km]Denklem (56)

a44=0.106.*((f11.*(f.^2))./((f11.^2)+(f.^2))).*exp((pH-

8)./0.56)+0.52.*(1+(T2./43)).*(S./35).*((f22.*(f.^2))./((f22.^2)+(f.^2))).*exp(-

D4./6)+4.9.*0.0001.*(f.^2).*exp(-((T2./27)+(D4/17))); %Emme katsayısı

[dB/km]Denklem (56)

79

%subplot('2,1,1');plot(f,a1,'b',f,a2,'r',f,a3,'m',f,a4,'k'); Emme katsayısını frekansa bağlı

çizdirme(T=4C) şekil 25 için aktif edilir.

%subplot('2,1,2');plot(f,a11,'b',f,a22,'r',f,a33,'m',f,a44,'k'); Emme katsayısını frekansa bağlı

çizdirme(T=27C) şekil 25 için aktif edilir.

Ploss1=1*10*log10(r)+(a1*r*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB] ,Denklem (20)

Ploss2=1*10*log10(r)+(a2*r*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB] ,Denklem (20)

Ploss3=1*10*log10(r)+(a3*r*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB] ,Denklem (20)

Ploss4=1*10*log10(r)+(a4*r*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB] ,Denklem (20)

Ploss11=1*10*log10(r)+(a11*r*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB] ,Denklem (20)

Ploss22=1*10*log10(r)+(a22*r*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB] ,Denklem (20)

Ploss33=1*10*log10(r)+(a33*r*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB] ,Denklem (20)

Ploss44=1*10*log10(r)+(a44*r*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB] ,Denklem (20)

subplot('2,1,1');plot(r,Ploss1,'b',r,Ploss2,'r',r,Ploss3,'m',r,Ploss4,'k'); %Yol Kaybı[dB]

,Denklem (20) mesafeye bağlı çizimi(T=4C)

subplot('2,1,2');plot(r,Ploss11,'b',r,Ploss22,'r',r,Ploss33,'m',r,Ploss44,'k'); %Yol Kaybı[dB]

,Denklem (20) mesafeye bağlı çizimi(T=27C)

%Burada yol kaybı için S=17 yapılırsa şekil 27 için gereken kod yazılmış olur.

b)Şekil 29 ve şekil 30 ile ilgili matlab kodları.

clear all, close all;

%Bu denklemde C hız(m/s), T sıcaklık(Celsius), S tuzluluk ve Z derinlik(m) olarak alınır.

T1=4;T2=27; %Sıcaklık[C]

%T=0:.1:20

%Tuzluluk oranı Karadeniz'de:%1.7, Marmara'da:%2.2, Akdeniz'de:%3.8

S1=17;%KARADENİZ

S2=38;%AKDENİZ

S3=35;%ORTALAMA TUZLULUK

% Hint okyanusu derinliği en düşük okyanus 897 m ile sınır ölçüsü olarak alındı

Z=0:.1:1000; %Derinlik[m]

%[T,Z]=meshgrid(T,Z); Şekil 29 için aktif edilmeli.

%Ses hızı C[m/s] denklemleri aşağıda.(Denklem 26)

C1=1449.2+4.6.*T1-0.055.*T1.^2+0.00029.*T1.^3+(1.34-0.01.*T1).*(S1-35)+0.0160.*Z;

C2=1449.2+4.6.*T1-0.055.*T1.^2+0.00029.*T1.^3+(1.34-0.01.*T1).*(S2-35)+0.0160.*Z;

C3=1449.2+4.6.*T1-0.055.*T1.^2+0.00029.*T1.^3+(1.34-0.01.*T1).*(S3-35)+0.0160.*Z;

C11=1449.2+4.6.*T2-0.055.*T2.^2+0.00029.*T2.^3+(1.34-0.01.*T2).*(S1-

35)+0.0160.*Z;

C22=1449.2+4.6.*T2-0.055.*T2.^2+0.00029.*T2.^3+(1.34-0.01.*T2).*(S2-

35)+0.0160.*Z;

C33=1449.2+4.6.*T2-0.055.*T2.^2+0.00029.*T2.^3+(1.34-0.01.*T2).*(S3-

35)+0.0160.*Z;

figure(1);

%mesh(T,Z,C3); Sıcaklığa ve derinliğe bağlı ses hızı(3boyut).Şekil 29 için aktif edilmeli.

subplot('2,1,1');plot(Z,C1,'b',Z,C2,'r', Z,C3,'k'); %Ses hızı,denklem 26 nın derinliğe bağlı

çizimi

80

subplot('2,1,1');plot(Z,C11,'b',Z,C22,'r', Z,C33,'k'); %Ses hızı,denklem 26 nın derinliğe

bağlı çizimi

c)Şekil 31 ile ilgili matlab kodları.

clear all; close all;

Ptx=0.001:0.1:50;

S=35; %Tuzluluk[ppt]

D=0; %Derinlik[m]

T=4; %Sıcaklık[C]

pH=8;

f=80; %Frekans[kHz]

r1=100; %Mesafe [m]

r2=250; %Mesafe [m]

r3=500; %Mesafe [m]

r4=1000 %Mesafe [m]

f1=0.78.*sqrt((S./35)).*exp(T./26);

f2=42.*exp(T./17);

a=0.106.*((f1.*(f.^2))./((f1.^2)+(f.^2))).*exp((pH-

8)./0.56)+0.52.*(1+(T./43)).*(S./35).*((f2.*(f.^2))./((f2.^2)+(f.^2))).*exp(-

D./6)+4.9.*0.0001.*(f.^2).*exp(-((T./27)+(D/17))); %Emme katsayısı [dB/km]Denklem

(56)

Ploss1=1.*10.*log10(r1)+(a.*r1.*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB] ,Denklem (20)

Ploss2=1.*10.*log10(r2)+(a.*r2.*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB] ,Denklem (20)

Ploss3=1.*10.*log10(r3)+(a.*r3.*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB] ,Denklem (20)

Ploss4=1.*10.*log10(r4)+(a.*r4.*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB] ,Denklem (20)

Prx1=10.*log10(Ptx)-Ploss1; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (57)

Prx2=10.*log10(Ptx)-Ploss2; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (57)

Prx3=10.*log10(Ptx)-Ploss3; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (57)

Prx4=10.*log10(Ptx)-Ploss4; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (57)

plot(Ptx,Prx1,'b',Ptx,Prx2,'r',Ptx,Prx3,'g',Ptx,Prx4,'k');

d)Şekil 32 ile ilgili matlab kodları.

clear all; close all;

Ptx1=0.001; %Verici Gücü [W]

Ptx2=0.01; %Verici Gücü [W]

Ptx3=0.1; %Verici Gücü [W]

Ptx4=1; %Verici Gücü [W]

S=35; %Tuzluluk[ppt]

D=0; %Derinlik[m]

T=4; %Derinlik

pH=8;

f=80; %Frekans [kHz]

r=0:0.1:500; %Mesafe [m]

f1=0.78.*sqrt((S./35)).*exp(T./26);

f2=42.*exp(T./17);

81

a=0.106.*((f1.*(f.^2))./((f1.^2)+(f.^2))).*exp((pH-

8)./0.56)+0.52.*(1+(T./43)).*(S./35).*((f2.*(f.^2))./((f2.^2)+(f.^2))).*exp(-

D./6)+4.9.*0.0001.*(f.^2).*exp(-((T./27)+(D/17))); ;%Emme Katsayısı[dB/km], Denklem

(20)

Ploss=1.*10.*log10(r)+(a.*r.*(10^-3)); ; %Yol kaybı [dB], Denklem (20)

Prx1=10.*log10(Ptx1)-Ploss; ; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (57)

Prx2=10.*log10(Ptx2)-Ploss; ; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (57)

Prx3=10.*log10(Ptx3)-Ploss; ; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (57)

Prx4=10.*log10(Ptx4)-Ploss; ; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (57)

plot(r,Prx1,'b',r,Prx2,'r',r,Prx3,'g',r,Prx4,'k');

e)Şekil 33 ile ilgili matlab kodları.

clear all; close all;

Ptx1=0.001; %Verici gücü[W]

Ptx2=0.01; %Verici gücü[W]

Ptx3=0.1; %Verici gücü[W]

Ptx4=1 ; %Verici gücü[W]

S=35; %Tuzluluk[ppt]

D=0; %Derinlik[m]

T=4; %Derinlik

pH=8;

f=0.1:0.1:100; %Frekans[kHz]

r1=100; %Mesafe [m]

r2=250; %Mesafe [m]

r3=500; %Mesafe [m]

r4=1000; %Mesafe [m]

f1=0.78.*sqrt((S./35)).*exp(T./26);

f2=42.*exp(T./17);

a=0.106.*((f1.*(f.^2))./((f1.^2)+(f.^2))).*exp((pH-

8)./0.56)+0.52.*(1+(T./43)).*(S./35).*((f2.*(f.^2))./((f2.^2)+(f.^2))).*exp(-

D./6)+4.9.*0.0001.*(f.^2).*exp(-((T./27)+(D/17))); %Emme katsayısı [dB/km]Denklem

(56)

Ploss1=1.*10.*log10(r1)+(a.*r1.*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB], Denklem (20)

Ploss2=1.*10.*log10(r2)+(a.*r2.*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB], Denklem (20)

Ploss3=1.*10.*log10(r3)+(a.*r3.*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB], Denklem (20)

Ploss4=1.*10.*log10(r4)+(a.*r4.*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB] ,Denklem (20)

Prx1=10.*log10(Ptx3)-Ploss1; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (20)

Prx2=10.*log10(Ptx3)-Ploss2; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (20)

Prx3=10.*log10(Ptx3)-Ploss3; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (20)

Prx4=10.*log10(Ptx3)-Ploss4; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (20)

Prx11=10.*log10(Ptx1)-Ploss3; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (20)

Prx22=10.*log10(Ptx2)-Ploss3; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (20)

Prx33=10.*log10(Ptx3)-Ploss3; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (20)

Prx44=10.*log10(Ptx4)-Ploss3; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (20)

subplot('2,1,1');plot(f,Prx1,'b',f,Prx2,'r',f,Prx3,'g',f,Prx4,'k'); %Alıcı Sinyal Seviyesi

çizdirme

82

subplot('2,1,2');plot(f,Prx11,'b',f,Prx22,'r',f,Prx33,'g',f,Prx44,'k'); %Alıcı S,nyal Seviyesi

çizdirme

f)Şekil 34 ve şekil 35 ile ilgili matlab kodları.

f=10^0:10^0.1:10^2

s=0; %Nakliye Aktivite Faktörü

w=0 %rüzgar hızı

Nturb=17-30.*log10(f); %Türbülans Gürültüsü

Nship=40+20*(s-0.5)+26.*log10(f)-60.*log10(f+0.03); %Nakliye Gürültüsü

Nwind=50+7.5*(w^0.5)+20.*log10(f)-40.*log10(f+0.4); %Rüzgar Grültüsü

Nth=-15+20.*log10(f); % Termal Gürültü

figure(1);

semilogx(f,Nturb,'r',f,Nship,'b',f,Nwind,'g',f,Nth,'k'); %Denklem (34,35,36,37) logaritmik

çizimleri

Ntop=Nturb+Nship+Nwind+Nth; %Dnklem 58

figure(2);

semilogx(f,Ntop); %Dnklem 58 logaritmikçizimi

g)Şekil 36 ile ilgili matlab kodları.

clear all; close all;

Ptx=1;

r=500; %mesafa [m]

f=10^0:10^0.1:10^2; %Frekans [kHz]

B=100; %Bant genişliği [kHz]

s=0; %Nakliye Aktivite Faktörü

w=0 %rüzgar hızı

Nturb=17-30.*log10(f); %Türbülans Gürültüsü

Nship=40+20*(s-0.5)+26.*log10(f)-60.*log10(f+0.03); %Nakliye Gürültüsü

Nwind=50+7.5*(w^0.5)+20.*log10(f)-40.*log10(f+0.4); %Rüzgar Grültüsü

Nth=-15+20.*log10(f); % Termal Gürültü

S=35; %Tuzluluk[ppt]

D=0; %Derinlik[m]

T=4; %Derinlik

pH=8;

f1=0.78.*sqrt((S./35)).*exp(T./26);

f2=42.*exp(T./17);

a=0.106.*((f1.*(f.^2))./((f1.^2)+(f.^2))).*exp((pH-

8)./0.56)+0.52.*(1+(T./43)).*(S./35).*((f2.*(f.^2))./((f2.^2)+(f.^2))).*exp(-

D./6)+4.9.*0.0001.*(f.^2).*exp(-((T./27)+(D/17))); %Emme katsayısı [dB/km]Denklem

(56)

Ploss=1.*10.*log10(r)+(a.*r.*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB], Denklem (20)

SNR=10*log10(Ptx)-Ploss-Ntop-10*log10(B); %Denklem 59

plot(f,SNR); %Denklem 59 f ye bağlı çizimi

83

h)Şekil 36 ile ilgili matlab kodları.

clear all; close all;

Ptx=1;

r=0:0.1:500; %mesafa [m]

f=80 %Frekans [kHz]

B=100; %Bant genişliği [kHz]

s=0; %Nakliye Aktivite Faktörü

w=0 %rüzgar hızı

Nturb=17-30.*log10(f); %Türbülans Gürültüsü

Nship=40+20*(s-0.5)+26.*log10(f)-60.*log10(f+0.03); %Nakliye Gürültüsü

Nwind=50+7.5*(w^0.5)+20.*log10(f)-40.*log10(f+0.4); %Rüzgar Grültüsü

Nth=-15+20.*log10(f); % Termal Gürültü

S=35; %Tuzluluk[ppt]

D=0; %Derinlik[m]

T=4; %Derinlik

pH=8;

f1=0.78.*sqrt((S./35)).*exp(T./26);

f2=42.*exp(T./17);

a=0.106.*((f1.*(f.^2))./((f1.^2)+(f.^2))).*exp((pH-

8)./0.56)+0.52.*(1+(T./43)).*(S./35).*((f2.*(f.^2))./((f2.^2)+(f.^2))).*exp(-

D./6)+4.9.*0.0001.*(f.^2).*exp(-((T./27)+(D/17))); %Emme katsayısı [dB/km]Denklem

(56)

Ploss=1.*10.*log10(r)+(a.*r.*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB], Denklem (20)

SNR=10*log10(Ptx)-Ploss-Ntop-10*log10(B); %Denklem 59

plot(r,SNR); %Denklem 59 r ye bağlı çizimi

84

BAŞLA

Tabanı

Gir

Taban

Denklemlerin

yazılması

Sınır

koşullarının

yazılması

İşlem

Sonuç

Gerçeğe

Yakınmı

Sonucun görsel

olarak elde

edilmesi

DUR

Hayır

Evet

EK-2

TÜM PROGRAMLAR İÇİN GENEL BİR PROGRAM AKIŞ DİYAGRAMI

85

EK -3

Standartlar ve Kısıtlar Formu

Karadeniz Teknik Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü

STANDARTLAR VE KISITLAR FORMU

1. Projenizin tasarım boyutu nedir? Açıklayınız.

Projemizde tasarım boyutu olarak su altı haberleşme kanallarında haberleşmeye etkileyen

parametresel denklemlerin teorik çalışmalarını ele almak ve uygulama olarak bu denklemlerin simülasyon

ortamında parametrelere bağlı olarak haberleşmeye etkilerini grafiksel olarak incelemek.

2. Projenizde bir mühendislik problemini kendiniz formüle edip, çözdünüz mü?

Mevcut problemlerden yola çıkarak gereken önermelerde bulunmaya çalıştık ancak tam anlamıyla

bir problemi formüle edip çözdüğümüzden bahsedemeyiz.

3. Önceki derslerde edindiğiniz hangi bilgi ve becerileri kullandınız?

Bölümümüzde gördüğümüz ve haberleşme hakkındaki bilgilerimizin temelini oluşturan teorik ve

pratiksel olarak uygulamaların ve aldığımız derslerden edindiğimiz bilgileri projemizde etkin olarak

kullandık diyebiliriz.

4. Kullandığınız veya dikkate aldığınız mühendislik standartları nelerdir?

IEC 60.945 Denizcilik Seyrüsefer ve Radyokomünikasyon Ekipman ve Sistemleri - Genel

Gereksinimler - Deney Yöntemleri ve Gerekli Test Sonuçları.

IEC 61.162 Denizcilik navigasyon ve telsiz ekipmanları ve sistemleri, Sayısal Sistemler.

IEC 61174 Denizcilik Seyrüsefer ve Radyo Haberleşme, Elektronik Harita Gösterim ve Bilgi

Sistemi (ECDIS).

IEC 61.993 Denizcilik Navigasyon ve telsiz cihaz ve sistemleri.

IEC 62388 Denizcilik Seyrüsefer ve Radyo İletişim, GEMİ Radar.

5. Kullandığınız veya dikkate aldığınız gerçekçi kısıtlar nelerdir?

a) Ekonomi

Ekonomik olarak gerçeklenebilir ve pratik uygulama imkanı sunabilen bir proje olması.

b) Çevre sorunları:

Kullandığımız teçhizatların insan sağlığı, sualtı canlıları ve sualtı yaşam hayatına etkileri.

c) Sürdürülebilirlik:

Projemiz günümüzde etkin bir çalışma sahasına sahip olmakla beraber her gün büyüyen ve

birçok yatırımların oluşturulduğu gelişmeye açık bir çalışmadır.

d) Üretilebilirlik:

Genel olarak varolan şeyler üzerinden yola çıktığımız için üretilebilirlik hakkında mevcut

sorunların irdelenerek yeni önerilerde bulunmak denilebilir.

f) Sağlık:

Yapılan incelemelerde bütün parametreler insanlar,diğer canlılar ve özellikle su altı canlılarının

sağlıkları gözetilerek irdelenmiş ve bu kısıtlara göre simülasyonlar oluşturulmuştur.

86

Projenin Adı SU ALTI AKUSTİK HABERLEŞME SİSTEMİ

SİMÜLASYONU

Projedeki Öğrencilerin adları 1) 210315 - Mehmet BOYALI

2) 210357 - İbrahim ÖNDER

3) 210392 - Erhan Kemal AKYAZI

Tarih ve İmzalar

87

ÖZGEÇMİŞ

MEHMET BOYALI

1991 yılında Antalya/ Kale de doğdu. 1996-2001 yılları arası ilköğretim eğitiminin ilk

5 yılını Karabucak İlköğretim Okulunda, 2001-2004 yılları arası ilköğretim eğitiminin

kalan 3 yılını Yunus Emre İlköğretim okulunda tamamlayarak 8 yıllık ilköğretim eğitimini

tamamladı. Lise eğitimini 2004-2008 yılları arasında Demre Anadolu Lisesinde tamamladı.

İlköğretim ve lise eğitimleri boyunca Antalya/ Demre de ikamet etti. Lisans eğitimine ise

2008 yılında kayıt olduğu Karadeniz Teknik Üniversitesi Elektrik & Elektronik

Mühendisliği Bölümü lisans programında devam etmekte. Şu an son sınıf öğrencisi.

Yabancı dil olarak İngilizce ve almanca bilmekte.

İBRAHİM ÖNDER

26 Mart 1988 Rize/Ardeşen’de doğdu. İlköğretimi Işıklı 60. Yıl İlköğretim Bölge

Okulu’nda okuyup ilk öğretimi burada bitirdi. Orta öğretimini Ardeşen (YDA) Lisesi’nde

okudu. 2008 yılında Karadeniz Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisği

bölümünü kazandı. Şu anda Karadeniz Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektronik

Mühendisliğinde lisans eğitimine devam etmektedir.

ERHAN KEMAL AKYAZI

1990 yılıda Trabzon'un Çarşıbaşı ilçesinde doğdu. İlk öğretim ve Orta Öğretimimi

Çarşıbaşı Gazi İlköğretim okunun da tamamladı. 2004 Yılında Vakfıkebir lisesinde lise

eğitimime başladı ve 2007 yılında Vakfıkebir lisesinden mezun oldu. 2008 yılında

Karadeniz Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği bölümünde Lisans

eğitimime başladı ve eğitimine halen burada eğitimine devam etmektedir.