Sonar

Sonar (Sound Navigation and Ranging (az: Səs naviqasiyası və dəyişmə)) səs dalğalarından istifadə edərək obyektin ölçüsünü, məsafəsini və digər məlumatlarını görməyə imkan verən cihazdır. Səsin su altında yayılması xüsusiyyətindən istifadə edərək sualtı/suüstü səyahət, xəbərləşmə və digər cisimlərin aşkarlanmasına imkan verən bir texnikadır.

Sonar, İngilis dilindəki “Sound Navigation and Ranging” ifadəsinin qısaltmasıdır və səs dalğaları olan bir obyektin məsafəsi, ölçüsü və digər məlumatları haqqında məlumat almaq üçün istifadə olunan alətin adıdır. Sonar sistem əvvəlcə sualtı qayıqlar üçün istehsal edilmişdir. Suyun altında dalğaların yayılmasından istifadə edərək su altında/ üstündə gəzməyi, məsafələr aralığını hesablamağı, xəbərləşməyi və digər cisimlər haqqında məlumat əldə etməyi təmin edən bir texnikadır. Sonarı delfinlər ünsiyyət üçün, yarasalar isə istiqamətlərini tapmaq üçün istifadə edirlər. Sistem aktiv və passiv olaraq ikiyə bölünür. Passiv sonar gəmilərin səsini eşitməkdir; Aktiv sonar atış səsləri yayır və əks-sədaları dinləyir.

Tarixi

Sonar sistemin işləməsi

Bəzi heyvanlar (delfinlər və yarasalar) milyonlarla ildir ünsiyyət və cismin aşkarlanması üçün səslərdən istifadə etsələr də, insanın sudan istifadəsi ilk dəfə 1490-cı ildə Leonardo da Vinçi tərəfindən qeydə alınmışdır. XIX əsrdə mayakları təhlükə barədə xəbərdar etmək üçün bir köməkçi sualtı zəng istifadə edilmişdir. Kanadalı mühəndis Reginald Fessenden, Bostonda Dənizaltı Siqnal Şirkətində işləyərkən, daha sonra Boston limanında test edilmiş bir sistem olan 1912-ci ildən başlayan sınaq sistemi qurdu. Bu testdə Fessenden dərinlik sondajı, sualtı xəbərləşməni (Morze kodu) və echo range (exo mənzili) (3 km məsafədə bir aysberqin aşkarlanması) göstərdi. Sözdə Fessenden osilatoru, 500 Hz frekans, 3 metrlik dalğa uzunluğu və çeviricinin radiator üzünün kiçik diametrinə (diametri 1 metrdən az) görə alıcının küləyini təyin edə bilmədi. Birinci Dünya müharibəsi dövründə sualtı gəmilərin aşkar edilməsinə ehtiyac səsdən istifadəyə dair daha çox tədqiqata səbəb oldu. Rus fiziki Pol Langevin Rus mühacir elektrik mühəndisi Constantin Chilowsky ilə birlikdə işləyərkən, 1915-ci ildə sualtı qayıqları aşkar etmək üçün aktiv səs cihazlarının inkişafı üzərində işləyərkən, ingilislər hidrofon deyilən sualtı dinləmə cihazlarından daha tez istifadə etməyə başladılar.

Sonar sistemi ilə məsafənin ölçülməsi

Piezoelektrik və maqnetostrikt ötürücülər sonradan istifadə olunan elektrostatik ötürücüləri əvəz etsələr də, bu tədqiqat gələcəkdəki konstruksiyalara təsir etdi. Projektorlar üçün Terfenol-D və PMN (qurğuşun maqnezium niyobat) hazırlanarkən, hidrofonlar üçün (səs istifadəsi üçün akustik-elektrik ötürücüləri) yüngül səs həssas plastik film və fiber optiklər istifadə edilmişdir. SONAR 1930-cu illərdə Amerikalı mühəndislər özlərinin sualtı səs aşkarlama texnologiyalarını inkişaf etdirdilər və termoklinlər kimi gələcəyin inkişafında əhəmiyyətli kəşflər edildi. İkinci Dünya müharibəsi illərində iki ölkə arasında texniki məlumat mübadiləsindən sonra Amerikalılar SONAR terminini RADAR-a ekvivalent olaraq istehsal olunan sistemlər üçün istifadə etməyə başladılar.

Materiallar və konstruksiyalar

1915-1940-cı illər arasında inkişafda az irəliləyiş var idi. 1940-cı ildə ABŞ sonarları, bir qayda olaraq, bir maqnitostriqtor ötürücü və bir dairəvi gövdədə bir Rochelle duz kristalına arxa-arxaya qoşulmuş 1 fut diametrli polad lövhə ilə birləşdirilmiş bir sıra nikel borularından ibarət idi. Bu, gəminin gövdəsinə quraşdırılmışdı və əl ilə istənilən bucağa yönəldilirdi. Piezoelektrik Rochelle duz kristalı daha yaxşı parametrlərə sahib idi, lakin magnetostriktiv hissə daha etibarlı idi. İkinci Dünya müharibəsi dövründə meydana gələn itkilər, maqnitostrik çeviricinin parametrləri və Rochelle duzunun etibarlılığını artırmağa davam edərək sürətli tədqiqatların aparılmasına imkan verdi. Rochelle duzuna alternativ olaraq üstün alternativ olan ammonium dihidrogen fosfat (ADP) tapıldı; İlk tətbiq 24 kHz Rochelle duz çeviricilərini əvəz etmişdir. Doqquz ay ərzində Rochelle duzu köhnəlmişdi. ADP istehsal müəssisəsi 1940-cı ilin əvvəllərində onlarla işçiyə malik idisə, 1942-ci ildə işçilərin sayı minlərlə idi.

ADP kristallarının ən erkən tətbiqlərindən biri akustik minalar üçün hidrofonlar idi. Kristallar 3000 m-dən (10,000 fut) təyyarələr arasında yerləşdiriləcək mexaniki zərbələrə və bitişik mina partlayışlarından sağ çıxmaq qabiliyyətinə əsaslanaraq 5 Hz-də aşağı tezlikli hissə üçün təyin olundular. ADP etibarlılığının əsas xüsusiyyətlərindən biri sıfır yaşlanma xüsusiyyətləridir; Kristal parametrlərini hətta uzun müddətli saxlama şəraitində saxlayır.

Digər bir tətbiq akustik gəzinti torpedaları üçündür. Torpedo burnuna üfüqi və şaquli olaraq iki cüt istiqamətli hidrofon quraşdırılmışdır; Cütlərdən gələn fərqləndirici siqnallardan torpedonun sola-sağa və ya aşağıya-yuxarıya doğru istiqamətlənməsində istifadə edilmişdir. Bir qabaqlayıcı tədbir hazırlanmışdı: hədəf sualtı qayıq bir kimyəvi maddə boşaltdı və torpedo səs-küylü qazlı yemin ardınca getdi. Əks qabaqlayıcı tədbir aktiv sonar ilə təchiz olunmuş bir torpedo idi - torpedo burnuna bir çevirici əlavə edildi və mikrofonlar əks olunan dövri səs tonlarını dinləyirdi. Çeviricilər, düzbucaqlı formada sıra halında almaz şəkilli sahələrə düzülmüş eyni düzbucaqlı kristal plitələrdən ibarətdir.

ADP kristallarından sualtı qayıqlar üçün passiv sonar seriayaları hazırlanmışdır. Müxtəlif kristal formaları bir polad boruya yerləşdirilmis, kastor yağı vakuumda doldurularaq möhürləndi. Bundan sonra borular paralel seriyalara quraşdırılmışdır.

İkinci Dünya müharibəsinin sonunda, standart ABŞ Hərbi Dəniz Qüvvələri axtarış sonar bir sıra ADP kristallarından istifadə edərək 18 kHz-də işləyirdi. Bununla birlikdə daha uzun aralıq tələb olunan, lakin daha aşağı tezliklərdən istifadə lazımdır. Tələb olunan ölçülər ADP kristalları üçün çox böyük idi, buna görə 1950-ci illərin əvvəllərində magnetostrictiv və barium titanat piezoelektrik sistemlər inkişaf etdirildi, lakin bunların bərabər empedans xüsusiyyətlərinə çatması və şüa nümunəsinə nail olmasında problemlər var idi. Daha sonra barium titanat daha sabit qurğuşun sirkonat titanat (PZT) ilə əvəz edildi və tezlik 5 kHz-ə endirildi. ABŞ Hərbi Donanması bu materialdan AN/SQS-23 sonarında bir neçə onilliklər ərzində istifadə etdi. SQS-23 sonar əvvəlcə magnetostrictiv nikel çeviricilərindən istifadə etdi, lakin onlar bir neçə ton ağırlığında idi, həmçinin nikel bahalı və kritik bir material hesab edildi; Buna görə piezoelektrik çeviricilər əvəz edildilər. Sonar 432 fərdi ötürücüdən ibarət böyük bir seriya idi. Ötürücülər əvvəlcə etibarlı deyildi, mexaniki və elektrik nasazlıqlarını göstərirdi və quraşdırıldıqdan dərhal sonra xarab olurdu; Ayrıca bir neçə satıcı tərəfindən istehsal edilmişdilər, fərqli dizaynlara sahibdilər və xüsusiyyətləri, seriyanın fəaliyyətinə təsir edə biləcək dərəcədə fərqli idi. Fərdi ötürücülərin təmir edilməsinə imkan verən siyasət daha sonra qurban verilmiş və möhürlənmiş və digər xarici mexaniki hissələrin problemini aradan qaldıraraq bunun əvəzinə, təmir edilməyən möhürlü modullar “birdəfəlik modul dizaynı” seçilmişdi.

İkinci Dünya müharibəsinin başlanğıcında Yaponiya İmperator Donanması kvars əsaslı projektorlardan istifadə etmişdir. Bunlar böyük və ağır idi, xüsusən də aşağı tezliklər üçün nəzərdə tutulmuşdular; 9 kHz-də işləyən Type 91 dəsti 30 düymlük diametrə sahib idi və 5 kVt gücə və 7 kV çıxış amplitüdünə malik bir osilator tərəfindən idarə olunurdu. Type 93 projektorları sferik çuqun qarmaqlarına quraşdırılmış bərk kalsium sendviçlərdən ibarət idi. Type 93 sonarları sonradan Alman dizaynına uyğun və maqnitostrik projektor istifadə edən Tyoe 3 ilə əvəz olundu; Projektorlar 16 x 9 düymlük çuqun düzbucaqlı gövdədə iki düzbucaqlı eyni müstəqil bölmədən ibarət idi. Təsirə məruz qalan sahə dalğa uzunluğunun yarısı idi və üç dalğa uzunluğunda idi. Maqnitostritiv nüvələr 4 mm nikel ştamplardan və sonra 12,7% ilə 12,9% arasında alüminium tərkibi olan bir dəmir alüminium ərintisindən hazırlanmışdılar. Gücü 20 V/8 A DC mənbəyindən polarizasiya ilə 3,8 kV-da 2 kVt-dan təmin edildi

Yaponiya İmperiyası Hərbi Dəniz Qüvvələrinin passiv hidrofonları hərəkətli bir rulon dizaynına, Rochelle duzlu piezo çeviricilərinə və karbon mikrofonlarına əsaslanırdı.

Maqnetostriktiv çeviricilər, İkinci Dünya müharibəsindən sonra piezoelektrik vasitələrə alternativ olaraq izlənilmişdir. Nikel əsaslı sürüşkən dəyirmi çeviricilər, əsasən diametri 13 fut qədər olan ən böyük fərdi sonar ötürücülər yüksək güclü aşağı tezlikli əməliyyatlar üçün istifadə edilmişdirlər. Metalların üstünlüyü yüksək gərginlik gücü və aşağı giriş elektrik empedansına malik olması ilə bərabər, gərilmə gücü qabaqcıllaşdırma ilə artırıla bilən qurğuşun sirkonat titanatdan (PZT) daha az elektrik itkisinə və daha aşağı bağlama əmsalına malikdir. Digər materiallar da sınaqdan keçirildi; Qeyri-metal ferritlərin, aşağı elektrik cərəyan keçiriciliyi üçün aşağı kəskinlikli cərəyan itkisinə səbəb olacağına ümid edilirdi, Metglas yüksək bağlama əmsalı təklif etdi, lakin ümumiyyətlə PZT-dən aşağı idi. 1970-ci illərdə üstün maqnetomexaniki xüsusiyyətlərə malik nadir torpaq və dəmir birləşmələri, yəni Terfenol-D ərintisi aşkar edilmişdi. Bu mümkün yeni dizaynların, məsələn Bir hibrid magnetostriktiv piezoelektrik çeviricidir. Ən yeni sch material Galfenoldur.

Digər çeviricilərə maqnit qüvvəsinin boşluqların səthinə təsir etdiyi dəyişkən reluktans (və ya hərəkət edən armatur və ya elektromaqnit) çeviricilər və adi dinamiklərə bənzər hərəkət edən bobin (və ya elektrodinamik) ötürücülər daxildir; Çox aşağı rezonans tezliklərinə və düz genişzolaqlı xüsusiyyətlərinə görə sualtı səs kalibrləmə üçün istifadə olunur.

Gəmilərin alt hissəsinə bir çevirici qoyulur. Bu çeviricinin məqsədi insanların eşidə biləcəyi və ya daha yüksək bir tezlikdə səs dalğaları yaratmaqdır. Yaradılmış bu səs dalğaları sualtı qayıqlara, qayalara və ya hər hansı bir cisimə dəyərək geriyə qayıdır. Beləliklə, məsafə dəymə və əks etdirilmə sayəsində hesablanır. Suda səs sürəti havadakından təxminən 4 qat daha yüksəkdir. Hesablamalar buna müvafiq olaraq aparılır. Vaxt intervalı səsin əks olunması nəticəsində yaranmış zərbə dalğasının vurması ilə yanan lampa və dönən disk ilə ölçülür. Disk sabit sürətlə fırlanır. Səs göndərildikdə lampa üstdə o nöqtəsindədir. Əks-olunma ilə lampa tam bir dairə çəkir. Bəzi qurğular isə bu aralığı yəni məsafəni qeyd edir. Və ya televizor kimi ekranda nələrin baş verdiyi görünür. Sonar əvvəllər ASDIK kimi tanınırdı. Səs dalğaları, suyun altındakı istiqaməti və məsafəni aşkar etmək üçün istifadə olunur. Digər bir oxşar sistem radardır. Əməliyyat sistemi demək olar ki, eynidır, lakin radarlar səs dalğaları əvəzinə radio tezliklərdən istifadə edir. Eyni əməliyyat sisteminə malik olan bu iki cihaz bu gün müntəzəm olaraq istifadə olunur. Yarasa və delfinlərin öz sonarları var. Xüsusilə yarasalar kor olduqları üçün sonarları sayəsində bir yerə dəymədən uçurlar. Delfinlər isə sonardan istifadə edərək sürülərini izləyir və ünsiyyət qururlar. Sualtı tədqiqatlarda və ya donanmalarda istifadə olunan sonar sistemləri bir az fərqli işləyir. Səs dalğaları göndərildikdən sonra mexaniki bir sistem vasitəsilə bir yivdən keçirilərək gücləndirilir. Buna görə bir qrup ötürücülər gəminin altına qoyulur. Beləliklə, göndərilən siqnallar birləşdirilir və daha güclü bir tezlik göndərilir.

Sonar sualtı xəritələr yaradılmasında, sualtı mədən tədqiqatlarında, balıqçılıqda, donanmada müntəzəm olaraq istifadə olunur. Balıqçılıqda balığın növü, yoğunluğu və nə qədər dərində olması sonarlar vasitəsilə hesablanır. Hər bir balıq fərqli bir əks-etmə yaradır. Yan tərəfdən göndərilmiş siqnallar isə, dəniz dibini tam olaraq göstərirlər. Dənizaltı bitki örtüsünü, yerdəki cisimləri, zəlzələ nəticəsində dənizin dibində baş verən bütün hadisələri və mineral yataqlarını tapır.