آکوستیک زیر آبی

چهارشنبه ٢۱ تیر ۱۳٩۱
٢:٤٤ ‎ب.ظ
پرویز برومندنژاد

آکوستیک به معنی وسیع کلمه تولید ، تراگسیل و دریافت انرژی بصورت ارتعاش در ماده است. اگر اتمها و مولکولهای شاره یا جامد از اوضاع طبیعی خود تغییر مکان یابند، نیروی الاستیک در آن پدید می‌گردد، که مربوط به سختی جسم است و می‌خواهد جسم را به حالت نخست باز گرداند. این را نیروی برگرداننده گویند. تأثیر این نیروی الاستیک برگرداننده توأم با خاصیت اینرسی دستگاه ، ماده را برای ارتعاشهای نوسانی و در نتیجه تراگسیل موجهای آکوستیکی قابل می‌سازد.

امواج صوتی امواج مادی بوده که هم طولی و هم عرضی می‌تواند باشد. در شاره ها بصورت طولی است و در محیطهای دیگر هم بصورت طولی و هم بصورت عرضی است. یعنی فرضا اگر صوت وارد یک ماده جامد شود، به موج طولی و عرضی با سرعتهای متفاوت تجزیه می‌شود.




برای تولید و انتشارات امواج آکوستیکی ، ارتعاشهایی را که سبب تولید و انتقال موجهای آکوستیکی می‌شوند بر حسب حدود فرکانسشان به سه دسته تقسیم می‌شوند: ارتعاشهای صوتی که در ایجاد صدا موثرند و با گوش شنیده می‌شوند. حدود فرکانس ارتعاشهایی از این نوع که در ایجاد صدا موثرند و با گوش شنیده می‌شوند، بین 20 الی 15000 سیکل بر ثانیه می‌باشد. ارتعاشهای فراصوتی از فرکانسهای 15000 سیکل بر ثانیه به بالا و ارتعاشهای فرو صوتی ، از فرکانسهای 20 سیکل بر ثانیه به پایین. لازم به ذکر است مدهای ارتعاشی خود نیز انواع گوناگونی دارند.

اموج صوتی در آب 
بکار بردن امواج صوتی درون آب برای تراگسیل اطلاعات مورد علاقه دریانوردان می‌باشد. یکی از نخستین کاربردهای آنها نصب زنگهایی درون آب و اتصال آنها به کشتیهای فانوسدار بوده است. صوت درون آب که بوسیله این زنگها تولید می‌شد تا فاصله زیادی در آب تراگسیلیده می‌شد و از اینرو ممکن بود که بوسیله گیرنده هیدروفونی که در بدنه کشتی دیگری تعبیه شده به وجود آنها پی برده و آشکارسازی کرد.

حال اگر دو دستگاه گیرنده در جهت مخالف یکدیگر نصب شده باشند و یکی از آنها را به گوش راست و دیگری را به گوش چپ متصل سازند ممکن خواهد بود که در اثر خاصیت تشخیص امتداد بوسیله دو گوش محل تقریبی کشتی فانوسدار را پیدا کرد. این اسباب بسیار ساده برای دوری از خطرهای دریایی در مواقعی که شرایط دید واضح در دریا موجود نبوده بسیار با ارزش بوده است.


اختراعات و ابزار

در سال 1912 فسفون نوعی منبع صوتی الکترودینامیکی زیر آبی ساخت که در فرکانسهای میان 500 تا 1000 سیکل بر ثانیه کار می‌کرد. با تکمیل تراگذارهای گیرنده و فرستنده ، از آنها برای تعیین ژرفای آبها به کمک اندازه گیری زمان برگشت صوت از کف اقیانوس بکار می‌برند. یکی از نتایج این پشرفت ساخت دستگاه فراصوتی نوینی به نام ژرفاسنج است. این دستگاه تپهای صوتی کوتاهی تولید می‌کند و بسوی کف دریا می‌فرستد و زمان رفت و برگشت آنرا اندازه گیرد. این اندازه گیری که بر روی نوار کاغذ متحرک ثبت می‌گردد ژرفا را نشان می‌دهد.

با تکمیل انواع مختلف تراگذارها ، از جمله تراگذار "چراغ قوه‌ای" ، استفاده از توانایی آنها برای تراگسیل فرکانسهای فراصوتی که طول موجشان در آب نسبت به ابعاد جانبی سطح تابنده تراگذار کوچک است، ممکن گردید. پرتوهای صوتی را بصورت تابه باریکی تهیه کرده که مانند نور چراغ قوه بتوان آنها را در راستاهای گوناگون تابانید. اینگونه تراگذارها را نیز ممکن است به عنوان گیرنده در هیدروفنها بکار برد، از اینرو در بیشتر دستگاهها یک تراگذار تنها برای هر دو مقصود نصب گردیده است. با دستگاهی از این گونه ، امکان دارد محل منعکس کننده صوت را که در حقیقت هدف است، با مشاهده راستایی که در آن راستای پژواک قویتر درست می‌شود تشخیص داد.

همچنین با اندازه گیری زمان برگشت تپ کوتاهی که ارسال شده بود و به شکل پژواک برگشته است فاصله آنرا تعیین کرد. تراگذارهای فراصوتی و همچنین هیدروفونهای صوتی و شبکه هیدروفونها را نیز برای گوش دادن به صوتهایی که از کشتیهای دور بر می‌خیزند بکار می‌برند. در زمان جنگ ، این گونه گوش دادنها بسیار سودمند است، زیرا به این ترتیب اگر نتوان فاصله کشتی یا زیر دریایی را تعیین کرد، ولی می‌توان دست کم بی آنکه حضور کشتی گوش دهنده آشکار گردد و حدودی را که در آن زیر دریایی با کشتی دیگر قرار گرفته معین کرد.


جالبترین پیشرفتها در ساختمان و کاربردها و نیز بزرگترین کوششهایی که در آکوستیک زیر آبی شده توام با مسائلی است که مربوطند به طریقه آشکاسازی محل ، تعیین مسیر و دسته بندی آنها در مورد کشتیهای جنگی روی آبی و زیر آبی است. معمولا به این قبیل اسبابها در این قسمت از آکوستیک نامهای عام می‌گذارند، مانند سونار که از حروف نخست عبارت: "Sound Navigation and Ranging" گرفته شده است.

در مورد این مسأله لازم دیده شده که که وسائل موثر نوینی برای تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی آکوستیکی زیر آبی که دارای توان و شدت زیاد باشد ساخته شود و نیز ضروری بود که بتواند با وجود نوفه‌های پوشاننده زمینه، سیگنالهای ضعیفی را که از راه می‌رسند آشکار و ضبط کند. مطالب دیگری که به همین اندازه مهمند عبارتند از مطالعه پدیده‌های اساسی مانند واگرایی ، جذب ، بازتاب ، شکست ، پاشندگی ، پراش و غیره که برای موجهای صوتی فرستاده شده در آب دریا پیدا می‌شود.

سرعت صوت در آب دریا

سرعت صوت در آب شیرین تابع دماست. دو عامل اضافی دیگر بر سرعت صوت در آب دریا تأثیر دارند و در آن عباتند از شوری آب و تغییرات فشار که بر حسب تغییر ژرفای آب پیدا می‌شود. هر کدام از این دو عامل موجب افزایش سرعت صوت هستند.

اتلاف صوت در تراگسیل از آب دریا

اگر آبهای اقیانوس بیکران و همگن می‌بودند فقط دو عامل واگرایی صوت سبب می‌گردیدند که هر اندازه از منبع صوت دور شویم تراز فشار تابع صوتی کاهش یابد.

پدیده‌های شکست

مهمترین پدیده‌ای که واگرایی ساده و انتشار مستقیم تابع صوتی در آب دریا را مختل می‌سازد پدیده شکست است که در اثر تغییر سرعت انتشار حاصل می‌گردد. عوامل موثر بر سرعت: دما - شوری - ژرفا. تغییرات شوری در نزدیکی دهانه رودخانه‌های بزرگ دارای اهمیت است، زیرا در آنجا مقدار زیادی آب شیرین وارد دریا می‌گردد، همچنین در نزدیکی جریانهای درون اقیانوس ، مانند گلف استریم و در مجاورت سطحی که باران و تبخیر حداکثر اثر خود را می‌بخشد. تغییرات سرعت بر حسب زیاد شدن ژرفا که بواسطه زیاد شدن فشار و در مجاورت سطحی که باران و تبخیر حداکثر اثر خود را می‌بخشد.

تغییرات سرعت بر حسب زیاد شدن ژرفا که بواسطه زیاد شدن فشار پیدا می‌شود کاملا منظم است. برای ژرفاهای کم ، زیاد نیست و اگر تغییرات دما زیاد باشد می‌توان آن را نادیده گرفت. تغییرات سرعت انتشار ، که در نتیجه تغییرات دما حاصل می‌گردد معمولا خیلی زیاد است. بویژه در نزدیکی سطح آب ، یعنی در محلی که عاملهایی چون فصول سال ، زمان روز یا شب ، ابری بودن هوا ، وجود سرعت با دو حالت دریا تمام اینها عاملهایی هستند که در تغییر دما موثر به شمار می‌روند. اثر شکستی که در نتیجه این پیدا می‌شود بر انتشار موجهای صوتی ، از بسیاری جهات مانند اثر هوای گرم شده بر انتشار پرتوهای نوری است.

کانالهای صوتی 

نوعی شکست که توجه خاصی به آن مبذول می‌گردد در ژرفاهای زیاد پیدا می‌شود، یعنی جایی که دما بطور یکنواخت کاهش می‌یابد تا به c 4˚ برسد. در این ژرفا اوضاع فیزیکی در سراسر سال پایدار و یکنواخت باقی می‌مانند. در این ژرفا امواج حداقل سرعت را دارند، ولی سرعت در ژرفای کمتر بر اثر افزایش دما زیاد می‌شود و در ژرفای زیادتر نیز سرعت انتشار افزایش می‌یابد، زیرا فشار مایع در اینجا بیشتر است.

در نتیجه چنین اوضاعی است که همه پرتوهایی که ابتدا در ناحیه حداقل سرعت واقع بوده‌اند به شرطی که زاویه کوچکی با امتداد افقی بسازند خمیده می‌شوند و دوباره به همین ناحیه باز می‌گردند. یعنی به سوی سطح خارجی یا کف دریا متوجه نمی‌شوند و در این حال دالانی تشکیل می‌دهند که کانال صوتی ژرف نام دارد. موجهای صوتی که در این کانال انتشار می‌یابند مجبورند که در همین کانال باقی بمانند و در نتیجه به تندی موج منتشر در آبی که سرعت در همه نقاطش یکسان است وا نمی‌گردیدند.

کاربردهای دیگر آکوستیک زیر آبی

بسیاری کاربردهای نظامی و بازرگانی دیگر برای موجهای آکوستیکی زیر آبی پیدا شده‌اند. مثلا اژدرهای آکوستیک فعال و یا غیر فعال هر دو به نوعی طراحی شده‌اند که درست به کشتیها اصابت می‌کنند. مینهای آکوستیکی ممکن است بوسیله نوفه کشتیهای نزدیک تحریک شونده یا بوسیله منبع صوتی که باز داده‌ای معادل داشته باشد به حرکت در آید.

ژرفایابها را می‌توان برای تعیین ژرفای آب در زیر کشتی و یا برای تعیین محل اجتماع ماهیها بکار برد. سرانجام ، موجهای آکوستیکی را می‌توان وسیله‌ای برای تأمین ارتباط زیر آب بوسیله مکالمه دانست. در حالت اخیر به عنوان محیطی برای تراگسیل موجهای با فرکانس 8000 سیکل بر ثانیه بکار می‌رود، که بعدا این فرکانس به فرکانس قابل شنیدن تبدیل می‌شود. هر نوع دگر آهنگشتی را که در ارتباطات رادیویی بکار می‌رود می‌توان در اینجا بکار برد، از قبیل دگر آهنگش دامنه ، یا دگر آهنگش یک طرفه با حذف فرکانس ناقل ، دگر آهنگش فرکانس ، یا دگر آهنگش فاز و تعیین فاصله‌های زیادتر از 10 مایل و غیره. 


موضوعات مرتبط:
برچسب‌ها: مقالات
تمامی حقوق این وب سایت متعلق به 💻بینهایت💻 است. || پرویز برومند نژاد