Sonar

Sonaron teatudtehnoloogiateüldnimetus, milles üldjuhul allveekeskkonnashelilaineidkasutataksenavigatsiooniks,kommunikatsiooniks,veealuste (veepealsete) objektide kauguste ja asukohtade määramiseks ning objektidest kujutiste saamiseks. Sonari mõiste ja nimetus võeti kasutusele akustilise analooginaradarimõisteleFrederick Huntipoolt^[1].Sonariingliskeelne akronüümtähistab väljendit "SOundNavigationAndRanging"ehk" heli abil navigeerimine ja kauguste määramine ". Sonari kõrval on mõnede sonaritüüpide korral kasutusel ka nimetus"hüdrolokaator "(hüdro+ ladlocatio'asetus').

Ajalugu[muuda|muuda lähteteksti]

Sonarite tehnoloogiate arendamise eelduseks olihelikiirusemääramine vees, mille esimestena mõõtsid täpseltCharles SturmjaDaniel Colladon 1826.aastal. Nimelt on helikiirus vees (magevees $\approx$ 1450 m/s) üle nelja korra kiirem kui õhus (kuivas õhus $\approx$ 343 m/s). Esimeseks sonariks võib pidada veealuseid "akustilisi majakaid", mis olidAmeerika Ühendriikide tuletornidejuures lisahoiatussüsteemina kasutusellaevade navigatsioonihõlbustamiseks. Algselt oli allveehelide tekitajatekskellad,mille heli oli laevadele halva nähtavuse korral algeliste kuulamisseadmetega kaugelt kuuldav. Udupasunatega võrreldes oli veealuse kella heli enamasti suurema kuuldeulatusega ja ilmakindlam. Kellasid hakati pärast1913aastat asendamaReginald FessendenileiutatudelektroakustilisteheliallikateFessendeni ostsillaatoritega.Antud seade võimaldas vee allmorsekoodissõnumeid edastada kuni 50 km kaugusele.^[2]Sellisel kujul veealuste "akustiliste majakate" kasutamine asendati peagi pealveelaevadel raadiolainetel põhinevate paremate süsteemidega.

Titanicuuppumine 1912. aastal andis tõuke jäämägede kaugtuvastussüsteemide leiutamisele.Lewis Richardsonandis juba samal aastal Inglismaal sisse avalduse nii õhu- kui ka veekeskkonnas kajalokatsiooni abiljäämägedekaugtuvastusseadmepatenteerimiseks.Richardsoniga samaaegselt esitas Fessenden patendi avalduse Fessendeni ostsillaatoril põhineva jäämäe kaugtuvastusseadmele. Aastal 1914 demonstreeris Fessenden oma seadme võimekust tuvastada jäämäge kuni 3 km kauguselt.

Esimesed helide peegeldumisaja mõõtmisel põhinevad veesügavuse määramised viis läbi prantsuse uurimisrühmPaul Langevinijuhtimisel. Aastal 1916 suutis uurimisrühm esimest korda elektrostaatilise muunduri abil tekitada ja salvestada heli peegeldusi merepõhjalt. Aastal 1917 vahetas elektrostaatilise muunduri väljapiesoelektrilinemuundur. Vaatamata edusammudele ei peetud antud tehnoloogiaid piisavalt usaldusväärseteks, et neid oleksesimeses maailmasõjas Antandiriikide pooltKeskriikide allveelaevadevastu kasutusele võetud. Ameerika Ühendriikide laevadel ja allveelaevadel olid sel ajal kasutusel lihtsad kuulamisseadmed, mida nimetati SC-torudeks. Need kujutasid endast mehaaniliselt juhitava suunatundlikkusegastetoskoope.Seade koosnes kahest teineteisest 1,5 m kaugusel asuvast vees paiknevast kummist andurist, mis kumbki olid õhutorudega ühendatud seadme kasutaja kummassegi kõrva^[3].Elektrooniliste muundurite tehnoloogiaid arendatiSuurbritannias Robert Boyle'ijaAlbert Woodijuhtimisel. Esimene kasutusele võetud aktiivne helituvastusseade oli nimega ASDIC (active sound detection equipment), milles kasutati Langevini uurimisrühma poolt välja töötatud piesoelektrilist muundurit.

Kahe maailmasõja vahelisel ajal arendati sonareid peamiselt militaarvaldkonna tarbeks. Samas saabusid1925Ameerika Ühendriikides ja Suurbritannias müügile ka esimesed tsiviilotstarbelised laevadele mõeldud kajaloodid ehk akustilised sügavuse määrajad. Seejuures võeti varasema piesoelektrilise kvartsi asemel kasutusele sünteetiliseRochelle’i soolakristallid. Esimesed Rochelle'i soola kristallidel põhinevadhüdrofonidasendasid Ameerika kajaloodides kasutusel olnud vananenudsüsimikrofonidvälja1920. aastatelõpus.^[2]Passiivsetelt sonarite asemel arendati sel ajajärgul USA-s kõrgsageduslike aktiivsonareid. Tehnoloogiline üleminek toimus kuna kõrgsageduslik aktiivsonar võimaldab hõlpsamalt tekitada suunatud kiiremustreid ja seeläbi võimaldas oluliselt paremat täpsust suuna määramisel. Saksamaal arendati aktiivsonarite asemel samaaegselt passiivseid sonareid. Peamiseks põhjuseks oli laevade tekitatud helide suurima energia jäämine inimeste jaoks kuuldavasse sagedusvahemikku. Antud vahemikus levivad helilained vees samuti ka oluliselt kaugemale, kui kõrgemad sagedused.^[4]

Teise maailmasõja ajal kasutas Saksamaa merevägi oma laevadel (ka allveelaevadel) juba eelnevalt välja arendatud passiivseid sonareid. Süsteemi põhiosa moodustasid võres paiknevad hüdrofonid. Suurbritannia sai sakslaste sonarisüsteemi võimekusest täieliku ülevaate alles1941,kui õnnestus esimest korda oma valdusse saada allveelaev U-570 (mis nimetati ümberHMS Graph). Allveelaevale mõlemale küljele oli paigutatud hüdrofonide võred, mis koosnesid 24 Rochelle'i soola kristallidel põhineva hüdrofonist. Eelvõimendatud hüdrofonide signaale filtreeriti sageduslikult ja viitliinide abil saavutati juhitav suunatundlikkus. Süsteemi kasutaja telefon-kõrvaklappidesse tulev heli oli seejuures kuuldavas sagedusribas 200 (või 10) Hz kuni 20 kHz.^[4]Antud süsteemi võimekus sundis liitlasi oma võimekust passiivsete sonarite alal oluliselt parandama ja esimene passiivse sonari lisandusega aktiivne sonar jõudis USA mereväe kasutusse aastal 1944. Sõja lõpupoolel võttisKriegsmarinekasutusele akustilisedtorpeedod.

Pärast teist maailmasõda jätkus sonarite rakendamine taas tsiviilvaldkonnas. Akustiline merepõhja kaardistamine sai1960. aastatelvõimalikukskülgvaatesonariteja1970. aastatel lehviksonarite(multi beam echo sounders) arendamisega. Kajaloode hakati laialdaselt kasutama kalanduses kalaparvede lokaliseerimiseks ja vastavaid kajaloode hakati nimetama kalaloodideks. Lisaks arendati merepõhja geoloogilisteks uuringuteks akustilisi profileerijaid, mis võimaldasid uurida merepõhja setteid ja aluspõhja omadusi. Sonarite laialdase kasutamisega hakkasid avalduma ka nende võimalikud kahjud mereloomadele. Madalsageduslike aktiivsonarite mõju mereimetajatele on seejuures uuritud1990. aastatekeskpaigast. Sel perioodil hakati esimest korda suurearvulisivaaladekaldale kinni jäämisi seostama militaarsonaritega.

Aktiivsed ja passiivsed sonarid[muuda|muuda lähteteksti]

Sonarite süsteeme, seadmeid ja aparaate jagatakse laias laastus kaheks eri tüübiks^[5]:

Aktiivsed sonarid, genereerivad vähemalt ühe osaga (seda osa nimetatakse tihti projektoriks) eesmärgipäraselt suunatud helisid või heliimpulsse. Tekitatud helid või heliimpulsid levivad keskkonnas sihtmärgini, sellelt peegeldunud heli analüüsitakse. Antud peegelduse ehkkajavõtab vastu sonarisüsteemis näitekshüdrofon.Analüüsimisel võrreldakse heliimpulsi peegelduste vastuvõtmise ja tekitamise vahelisi aegu. Teades helikiirust keskkonnas on võimalik määrata kaugust objektideni (sihtmärkideni), millelt heli peegeldus.
Passiivsed sonarid registreerivad kõiki ümbritsevaid helisid, kuid on võimaldavad määrata ka näiteks suunatundlike hüdrofonide või hüdrofonide võrede abil suundaheliallikateni.

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 ΔL_SEsonari signaali-müra suhteR_SNja tuvastuslävega ΔL_DT.Sonari võrrandid olid kasutusel jubateise maailmasõjaajal^[5].Sonari võrrandeid saab peamiselt kasutadastatistiliselt statsionaarsetehelisignaalide korral.

Sonari võrrandeid saab kasutada näiteks:

Olemasoleva sonarisüsteemi võimekuse määramiseks. Teades mingi keskkonna edastamise kadusi saab hinnata sonari tuvastuskaugust selles keskkonnas.
Teades nõutavat tuvastuskaugust saab uusi sonareid projekteerida piisava tundlikkusega, et nõutud kauguselt sihtmärgi tuvastamine oleks võimalik.

Passiivse sonari võrrand[muuda|muuda lähteteksti]

Passiivse sonari võrrandit kasutatakse passiivsete sonarite korral. Passiivse sonari võrrand seob sonari signaali-müra suhetR_SN,allikatasetL_S,levikaduN_PL,sonarimüratasetL_Nja sonari töötluse võimendust ΔL_PG.Passiivse sonari võrrandi võib kirja panna kujul:

$10\log _{10}R_{SN}=L_{S}-N_{PL}-L_{N}+\Delta L_{PG},$

kus

L_S– allikatase, mis kirjeldab heliallika poolt keskkondakiiratava helirõhu ruutkeskmisttaset;
N_PL– levikadu, mis kirjeldab heliallikast kiirgava heli helirõhutaseme vähenemist keskkonnas;
L_N– sonari müratase, mis kirjeldab sonari tundlikkust ning akustiliste ja mitteakustilistemüradesuurust;
ΔL_PG– sonari töötluse võimendus, mis kirjeldab kasutatud signaalitöötluse panust tuvastuse parendamisel.

Aktiivse sonari võrrand[muuda|muuda lähteteksti]

Sonari võrrand aktiivse sonari jaoks seob sonari signaali-müra suhetR_SN,projektori allikatasetL_S,levikadu sonari projektori ja sihtmärgi vahelN_PL,Tx,samaväärse sihtmärgi tugevustN_TS,eq,levikadu sihtmärgi ja sonari vastuvõtja vahelN_PL,Rx,sonari müratasetL_Nja sonari töötluse võimendust ΔL_PGläbi lähenduse

$10\log _{10}R_{SN}\approx L_{S}-N_{PL,Tx}+N_{TS,eq}-N_{PL,Rx}-L_{N}+\Delta L_{PG},$

kus

L_S– projektori allikatase, mis kirjeldab sonari projektori poolt keskkonda kiiratava helirõhu ruutkeskmist taset;
N_PL,Tx– levikadu sonari projektori ja sihtmärgi vahel, mis kirjeldab palju projektori ja sihtmärgi vahepeal olevas keskkonnas levides projektori kiiratud helirõhutase väheneb;
N_TS,eq– samaväärse sihtmärgi tugevus, mis kirjeldab, kui palju sihtmärk temani jõudnud heli tagasi peegeldab;
N_PL,Rx– levikadu sihtmärgi ja sonari vastuvõtja vahel;
L_N– sonari müratase, mis kirjeldab sonari tundlikkust ning akustiliste ja mitteakustiliste mürade suurust;
ΔL_PG– sonari töötluse võimendus, mis kirjeldab kasutatud andmetöötluse panust tuvastuse parendamisel.

Sonarite tüüpe[muuda|muuda lähteteksti]

Kajalood– aktiivsonar, millega mõõdetakselaeva kiiluja merepõhja või laeva ja vees oleva objekti vahelist kaugust.
Kalalood(fish finder)
Külgvaatesonar– aktiivsonari tüüp, mida kasutatakse merepõhjast pildi loomiseks.
Lehviksonar– aktiivsonari tüüp, mida kasutatakse peamiselt merepõhja kaardistamiseks.
Sonopoi– suhteliselt väikesemõõtmeline poi ja sonar, mis visatakse vettelennukiteltvõi laevadeltallveelaevade vastase sõjapidamise,allveeakustikauurimistöö, okeanograafiliste mõõtmiste jaoks.
Tehisavasonar– sonari tüüp, mille eripäraks on sensori ja uuritava piirkonna (objekti) vahelise suhtelise liikumise kasutamine kõrgema ruumilise lahutuse saavutamiseks (akustiline analoogtehisavaradarile).
Veetav ridasonar– passiivsonari tüüp, mille moodustabhüdrofonidejada, mida veetakse kaablilallveelaevavõi pinnalaeva järel.

Vaata ka[muuda|muuda lähteteksti]

Viited[muuda|muuda lähteteksti]

↑Howeth: Chapter XXXIX.Washington. 1963.
↑^2,0^2,1M. Lasky,Review of undersea acoustics to 1950,J. Acoust. Soc. Am., vol. 61, no. 2, pp. 283-297, (1977)
↑M. Klein,Underwater sound and naval acoustical research before 1939,J. Acoust. Soc. Am., vol. 43, no. 5, pp. 931-947, (1968)
↑^4,0^4,1L.E. Holt,German use of sonic listening,J. Acoust. Soc. Am., vol. 19, no. 4, pp. 678-681, (1947)
↑^5,0^5,1Robert J. Urick (1967).Principles of Underwater Sound - 3rd edition.Tata McGraw-Hill Education. Lk 1.

Välislingid[muuda|muuda lähteteksti]

[1] Howeth: Chapter XXXIX.Washington. 1963.

[:0-2] 2,0^2,1M. Lasky,Review of undersea acoustics to 1950,J. Acoust. Soc. Am., vol. 61, no. 2, pp. 283-297, (1977)

[3] M. Klein,Underwater sound and naval acoustical research before 1939,J. Acoust. Soc. Am., vol. 43, no. 5, pp. 931-947, (1968)

[:1-4] 4,0^4,1L.E. Holt,German use of sonic listening,J. Acoust. Soc. Am., vol. 19, no. 4, pp. 678-681, (1947)

[:2-5] 5,0^5,1Robert J. Urick (1967).Principles of Underwater Sound - 3rd edition.Tata McGraw-Hill Education. Lk 1.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]