Sonar

Allikas: Vikipeedia
Jump to navigation Jump to search
"Kajalood" suunab siia. Raadiosaate kohta vaata artiklit Kajalood (saade).
Külgvaatesonari pilt laevavrakist Aid

Sonar (ingliskeelne akronüüm sonar, "SOund Navigation And Ranging") ehk hüdrolokaator (hüdro + lad locatio 'asetus') on meetod milles kasutatakse heli levimist (üldiselt allveekeskkonnas) navigatsiooniks, kommunikatsiooniks või veealuste/veepealsete objektide (laevade) tuvastamiseks.

Ajalugu[muuda | muuda lähteteksti]

ASDIC seadme operaatori ruumi rekonstruktsioon, Merseyside'i meremuuseumis.

Ühed esimesed sonarid võeti kasutusele laevade navigatsiooni valdkonnas. Veealuseid kellasid kasutati Ameerika Ühendriikides tuletornide juures lisahoiatussüsteemina. Veealune kellaheli oli laevadele halva nähtavuse korral algeliste kuulamisseadmetega kaugelt kuuldav. See süsteem asendas või dubleeris enamasti väiksema kuuldeulatusega õhu kaudu edastatud helisignaale. 1913 vahetas kellaheli välja Reginald Fessendeni leiutis. Tema elektrotehniline seada Fessendeni ostsillaator võimaldas vee alla edastada morsekoodis sõnumeid kuni 50 km kaugusele.[1] Sel kujul allveehelide kasutamine navigatsioonis sai lõpu tänu raadiolainetel põhinevate paremate süsteemide kasutuselevõtule. Titanicu uppumine 1912. aastal andis tõuke jäämägede kaugtuvastussüsteemide leiutamisele. Lewis Richardson andis juba samal aastal Inglismaal sisse avalduse nii õhu- kui ka veekeskkonnas kajalokatsiooni abil jäämägede kaugtuvastusseadme patendi saamiseks. Samaaegselt pakkus ka Fessenden välja oma seadmel põhineva jäämäe kaugtuvastusseadme ja aastaks 1914 oli tema seade võimeline tuvastama jäämäge kuni 3 km kauguselt.

Esimesed kajaloodil põhinevad veesügavuse mõõtmised viis läbi prantsuse uurimisrühm Paul Langevini juhtimisel. Aastal 1916 suutis uurimisrühm esimest korda elektrostaatilise muunduri abil tekitada heli ja salvestada selle peegeldusi merepõhjalt. Aastal 1917 võttis Langevini uurimisrühm oma muunduris kasutusele piesoelektrilise materjali. Vaatamata edusammudele ei olnud veealune sonarite tehnoloogia esimeseks maailmasõjaks arenenud piisavalt kaugele, et antandi riigid oleksid seda kasutanud keskriikide allveelaevade vastu. Ameerika Ühendriikide laevadel ja allveelaevadel olid sel ajal kasutusel lihtsad kuulamisseadmed, mida nimetati SC-torudeks. Need kujutasid endast põhimõtteliselt mehaaniliselt suunatavat stetoskoopi. Seade koosnes kahest teineteisest 1,5 m kaugusel asuvast kummiandurist, mis kumbki olid õhutorudega ühendatud seadme kasutaja kummassegi kõrva[2]. Samaaegselt uuriti Suurbritannias Robert Boyle'i ja Albert Woodi juhtimisel muundurite tehnoloogiaid, mille tulemusel loodi esimene kasutatav aktiivne helituvastus seade nimega ASDIC (active sound detection equipment). ASDICis kasutati Langevini piesoelektrilist muundurit.

Kahe maailmasõja vahelisel ajal arendati sonareid peamiselt militaarvaldkonna tarbeks. Samas saabusid 1925 Ameerika Ühendriikides ja Suurbritannias müügile ka esimesed tsiviilotstarbelised laevadele mõeldud kajaloodid. Varasema piesoelektrilise kvartsi asemel võeti kasutusele sünteetilise Rochelle’i soola kristallid. Esimesed Rochelle'i soola kristallidel põhinevad hüdrofonid asendasid Ameerika kajaloodides vananenud süsimikrofonid välja 1920. aastate lõpus.[1] Passiivsetelt sonaritelt liiguti sel ajajärgul USA-s kõrgsageduslike aktiivsonarite kasutamisele. Üleminek tehti, kuna kõrgsageduslik aktiivsonar võimaldab hõlpsamalt terava kiiremustri tekitamist ja seeläbi oluliselt paremat suunamääramistäpsust. Saksamaal passiivsetest sonaritest ei loobutud, kuna laevade emiteeritavate helide energia on tugevaim inimeste jaoks kuuldavas sagedusvahemikus. Samas levivad helilained nendes sagedusvahemikes ka oluliselt paremini, kui kõrgematel sagedustel.[3]

Teise maailmasõja ajal kasutas Saksamaa merevägi oma laevadel (ka allveelaevadel) välja arendatud passiivseid sonareid. Süsteemi põhiosa moodustasid võres paiknevad hüdrofonid. Suurbritannia sai sakslaste sonarisüsteemi võimekusest täieliku ülevaate alles 1941, kui õnnestus esmakordselt oma valdusesse saada U-570 allveelaev (nimetati ümber HMS Graph). Allveelaevale oli paigutatud mõlemale küljele 24 Rochelle'i soola kristallidel põhinevat hüdrofonide võret. Eelvõimendatud hüdrofonide signaale filtreeriti sageduslikult ja viitliinide abil saavutati juhitav suunatundlikkus. Süsteemi kasutaja kõrvaklappidesse tulev heli oli seejuures sagedusribas 200 (või 10) Hz kuni 20 kHz.[3] Antud süsteemi võimekus sundis liitlasi passiivsete sonarite alal oma võimekust oluliselt parandama ja esimene passivse sonari lisandusega aktiivne sonar jõudis USA mereväe kasutusse alles 1944.

Pärast teist maailmasõda leidis allveeakustika militaarvaldkonna kõrval taas rakendusi tsiviilvaldkondades. Akustiline merepõhja kujutamine sai 1960. aastatel võimalikuks külgvaatesonarite ja 1970. aastatel lehviksonarite (multi beam echo sounders) esiletulekuga. Kajaloodide rakendused laienesid kalandusse kaladeparvede lokaliseerimiseks. Lisaks arendati meregeoloogia jaoks akustilisi profileerijaid merepõhja setete ja mere aluspõhja uuringuteks. Madalsageduslike aktiivsonarite mõju mereimetajatele on uuritud alates 1990. aastate keskpaigast, kui esimesi suurearvulisi vaalade kaldale kinni jäämisi hakati seostama militaarsonarite kasutamisega.

Kalalood (ing. k fishfinder)

Aktiivsed ja pasiivsed sonarid[muuda | muuda lähteteksti]

Sonari süsteeme, seadmeid ja aparaate jagatakse laias laastus kahte tüüpi[4]:

  1. Aktiivsed sonarid, on sonarid, mille mingi osa (seda osa nimetatakse tihti projektoriks) edastab eesmärgipäraselt helisid või heliimpulsse. Antud helid või heliimpulsid levivad läbi keskkonna sihtmärgini ja peegelduvad sihtmärgilt. Antud peegelduse ehk kaja salvestab sonarisüsteemis näiteks hüdrofon. Seeläbi mõõdetakse heliimpulsi peegelduste vastuvõtmise ja tekitamise vahelisi aegu. Teades keskkonnas helikiirust on võimalik seeläbi määrata objektide (sihtmärkide) kauguseid.
  2. Passiivsed sonarid salvestavad kõiki ümbritsevaid helisid ja määravad erinevatel viisidel heliallikate asukohti vastavalt nende tekitatud helidele.

Sonari võrrandid[muuda | muuda lähteteksti]

Sonari võrrand on võrrand, mis aitab hinnata sonari võimekust tema erinevate ülesannete täitmiseks. ISO 18405 definitsiooni järgi seob sonari võrrand sonari signaali liiasuse ΔLSE sonari signaali-müra suhte RSN ja tuvastusläve ΔLDT. Sonari võrrandeid kasutati juba teise maailmasõja ajal[4]. Sonari võrrandid on peamiselt kasutatavad statistiliselt statsionaarsete signaalide korral.

Sonari võrrandeid saab kasutada näiteks:

  • Olemasoleva sonarisüsteemi võimekuse määramiseks. Teades mingi keskkonna edastamise kadusi saab näiteks hinnata sonari tuvastuskaugust selles keskkonnas.
  • Uute sonarite projekteerimisel saab planeerida sonarita vastavalt nõutud tuvastuskaugusele.

Passiivse sonari võrrand[muuda | muuda lähteteksti]

Passiivse sonari võrrand on sonari võrrand passiivse sonari jaoks. Passiivse sonari võrrand sonari signaali-müra suhet RSN, allikataset LS, levikadu NPL, sonari mürataset LN ja sonari töötluse võimendust ΔLPG. Passiivse sonari võrrandi võib kirja panna kujul:

kus,

  • LS allikatase kirjeldab heliallika poolt keskkonda kiiratava helirõhu ruutkeskmist taset;
  • NPL levikadu kirjeldab heliallikast kiirgava heli helirõhutaseme vähenemist keskonnas;
  • LN sonari müratase kirjeldab sonari tundlikkust ning akustiliste ja mitteakustiliste mürade suurust;
  • ΔLPG sonari töötluse võimendus kirjeldab kasutatud andmetöötluse panust tuvastuse parendamisel.

Aktiivse sonari võrrand[muuda | muuda lähteteksti]

Sonari võrrand aktiivse sonari jaoks seob sonari signaali-müra suhet RSN, projektori allikataset LS, levikadu sonari projektori ja sihtmärgi vahel NPL,Tx, samaväärse sihtmärgi tugevust NTS,eq, levikadu sihtmärgi ja sonari vastuvõtha vahel NPL,Rx, sonari mürataset LN ja sonari töötluse võimendust ΔLPG läbi lähenduse

milles

  • LS projektori allikatase kirjeldab sonari projektori poolt keskkonda kiiratava helirõhu ruutkeskmist taset;
  • NPL,Tx levikadu sonari projektori ja sihtmärgi vahel kirjeldab palju projektori ja sihtmärgi vahepeal olevas keskkonnas levides projektori kiiratud helirõhutase väheneb;
  • NTS,eq samaväärse sihtmärgi tugevus kirjeldab, kui palju sihtmärk temani jõudnud heli tagasi peegeldab;
  • NPL,Rx on levikadu sihtmärgi ja sonari vastuvõtja vahel,
  • LN sonari müratase kirjeldab sonari tundlikkust ning akustiliste ja mitteakustiliste mürade suurust;
  • ΔLPG sonari töötluse võimendus kirjeldab kasutatud andmetöötluse panust tuvastuse parendamisel.

Sonarite loetelu[muuda | muuda lähteteksti]

Vaata ka[muuda | muuda lähteteksti]

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

  1. 1,0 1,1 M. Lasky, Review of undersea acoustics to 1950, J. Acoust. Soc. Am., vol. 61, no. 2, pp. 283-297, (1977)
  2. M. Klein, Underwater sound and naval acoustical research before 1939, J. Acoust. Soc. Am., vol. 43, no. 5, pp. 931-947, (1968)
  3. 3,0 3,1 L.E. Holt, German use of sonic listening, J. Acoust. Soc. Am., vol. 19, no. 4, pp. 678-681, (1947)
  4. 4,0 4,1 Robert J. Urick (1967). Principles of Underwater Sound - 3rd edition. Tata McGraw-Hill Education. Lk 1. 

Välislingid[muuda | muuda lähteteksti]