Sonaro garso atspindžio technologija

Kai garsas tampa akimis po vandeniu

Įsivaizduokite, kad plaukiate laivu per rūką tokį tankų, kad nematote net savo rankos prieš nosį. Kaip žinotumėte, kur yra krantinė, kiti laivai ar pavojingos seklumos? Būtent šiai problemai spręsti ir buvo sugalvota sonaro technologija – sistema, kuri naudoja garsą tam, kam mes paprastai naudojame šviesą. Tik skirtingai nei šviesa, garsas puikiai sklinda vandenyje, o tai padarė sonarą nepakeičiamu įrankiu jūrų pasaulyje.

Sonaro principas iš esmės paprastas: išsiunti garso bangą, ji atsimuša į kažkokį objektą ir grįžta atgal. Pagal tai, kiek laiko užtruko šis kelionė ten ir atgal, galima apskaičiuoti atstumą iki objekto. Skamba nesudėtingai, tiesa? Bet kaip ir daugelis dalykų, kurie atrodo paprasti popieriuje, praktikoje visa tai tampa kur kas įdomiau ir sudėtingiau.

Kaip iš tiesų veikia garso atspindys

Garso banga vandenyje keliauja maždaug 1500 metrų per sekundę – tai beveik penkis kartus greičiau nei ore. Kai sonaro siųstuvas išspinduliuoja garso impulsą, jis sklinda vandenyje kaip koncentriniai ratai, kai įmeti akmenį į tvenkinį, tik trimačiai. Kai šis impulsas susiduria su kažkuo kietu – žuvies būriu, povandeninio laivo korpusu ar dugnu – dalis energijos atsispindi atgal.

Čia prasideda įdomiausia dalis. Ne viskas atsispindi vienodai. Kietesni objektai atsispindi geriau nei minkšti. Didelis metalinis laivas grąžins stiprų atspindį, o žuvų būrys – silpnesnį ir išsklaidytą. Vandenyje esantys temperatūros sluoksniai gali sulenkti garso bangas kaip prizmė lenkia šviesą, todėl kartais sonaras gali „nematyti” objektų, kurie yra tam tikrame gylyje.

Modernūs sonarai naudoja ne vieną dažnį, o visą jų spektrą. Žemesnio dažnio garsai keliauja toliau, bet duoda mažiau detalių. Aukštesnio dažnio signalai – atvirkščiai: puikiai parodo detales, bet greitai silpnėja. Tai tarsi skirtumas tarp žiūronų ir mikroskopo – kiekvienas geras savo tikslui.

Nuo Titaniko iki šiuolaikinių povandeninių laivų

Sonaro istorija prasidėjo tragedijoje. Po to, kai 1912 metais nuskendo „Titanikas”, mokslininkai pradėjo intensyviai ieškoti būdų, kaip aptikti ledkalnius tamsoje ir rūke. Pirmasis praktiškas sonaras buvo sukurtas Pirmojo pasaulinio karo metais – ne ledkalniams aptikti, o vokiečių povandeniniams laivams medžioti.

Britų mokslininkas Lewisas Richardsonas ir prancūzas Paulas Langevinas beveik vienu metu dirbo prie panašių sistemų. Langevinas naudojo kvarcą, kuris elektros įtampos veikiamas galėjo generuoti ultragarso bangas. Tai buvo revoliucija – pagaliau žmonės galėjo „matyti” po vandeniu.

Antrojo pasaulinio karo metais sonaro technologija išgyveno didžiulį šuolį. Povandeniniai laivai tapo pagrindiniais kovos laivais, o gebėjimas juos aptikti ar nuo jų pasislėpti tapo gyvybiškai svarbiu. Buvo sukurti aktyvieji ir pasyvieji sonarai. Aktyvusis išsiunčia signalą ir laukia atspindžio, o pasyvusis tiesiog klausosi garsų, kuriuos skleidžia kiti objektai – variklių ūžesio, sraigto dundesio.

Aktyvusis ir pasyvusis sonaras – du skirtingi pasauliai

Aktyvusis sonaras yra tarsi žibintuvėlis tamsoje. Jūs šviečiate ir matote, kas jus supa. Problema ta, kad visi kiti irgi mato, kad jūs šviečiate. Povandeniniams laivams tai didelė problema – išsiuntę aktyvųjį sonaro signalą, jie iš karto atskleidžia savo poziciją priešui.

Pasyvusis sonaras veikia kaip ausys. Jis tiesiog klausosi. Modernus povandeninis laivas gali turėti tūkstančius hidrafonų (povandeninių mikrofonų), išdėstytų po visu korpusu. Šie jutikliai gali užfiksuoti net tolimiausią variklio vibraciją ar sraigto sukeliamą kaviaciją. Patyrę operatoriai gali atpažinti laivo tipą pagal jo „garso parašą” – kiekvienas laivas skamba šiek tiek kitaip.

Šiuolaikiniai povandeniniai laivai skiria didžiulį dėmesį tylumui. Varikliai montuojami ant vibracijas slopinančių platformų, korpusai dengiami specialia guma, kuri sugeria garso bangas, o sraigai projektuojami taip, kad sukeltų kuo mažiau triukšmo. Tai tikra katės ir pelės žaidimas – vieni bando būti tylesni, kiti – geriau girdėti.

Žvejyba, mokslas ir jūrų dugnas

Ne tik karinis laivynas naudoja sonarą. Žvejai jau dešimtmečius naudoja echozondus – paprastus sonarus, kurie parodo jūros dugną ir žuvų būrius. Šiuolaikinis žvejybinis sonaras gali parodyti ne tik tai, kur yra žuvys, bet ir kokio dydžio, kokiame gylyje, net kokios tai gali būti rūšys pagal tai, kaip jos atsispindi.

Mokslininkai naudoja sonarą jūros dugno kartografavimui. Daugiaspindulio sonaro sistema gali vienu metu išsiųsti dešimtis ar net šimtus signalų skirtingomis kryptimis, sukurdama detalų trijų dimensijų jūros dugno vaizdą. Būtent tokia technologija buvo naudota ieškant dingusio Malaizijos lėktuvo MH370 – buvo nuskanuoti tūkstančiai kvadratinių kilometrų Indijos vandenyno dugno.

Biologai naudoja sonarą jūrų gyvūnų stebėjimui. Galima sekti banginių migraciją, stebėti žuvų būrių judėjimą, net tirti koralų rifų būklę. Įdomu tai, kad kai kurie jūrų gyvūnai patys naudoja natūralų sonarą – delfinai ir banginiai orientuojasi vandenyje būtent taip. Jų echolokacijos sistema yra kur kas tobulesnė už bet kokią žmogaus sukurtą technologiją.

Technologiniai iššūkiai ir apribojimai

Sonaro naudojimas nėra be problemų. Viena didžiausių – tai daugelio kelių efektas. Garsas vandenyje atsispindi ne tik nuo tikslo, bet ir nuo paviršiaus, dugno, temperatūros sluoksnių. Vienas signalas gali grįžti keliais skirtingais keliais, sukurdamas klaidinančius atspindžius – vadinamuosius „vaiduoklius”.

Jūros vanduo nėra vienalytis. Skirtingo druskingumo, temperatūros ir slėgio sluoksniai kuria tarsi nematomas sienas, kurios lenkia garso bangas. Kartais susidaro „garso kanalai” – sluoksniai, kuriuose garsas gali keliauti šimtus kilometrų beveik neprarasdamas energijos. Kitu atveju gali susidaryti „aklosios zonos”, kur sonaras tiesiog neveikia.

Biologinis triukšmas irgi kelia problemų. Vandenynas nėra tylu vieta – krevetės traškėja, žuvys cypsi, banginiai gieda. Lietaus lašai, daužantys į vandens paviršių, sukelia tokį triukšmą, kad gali visiškai užgožti sonaro signalus. Laivų varikliai, pramonė, net seisminiai tyrimai – visa tai prisideda prie povandeninio triukšmo fono.

Aplinkosauginiai klausimai ir etika

Pastaraisiais metais vis daugiau dėmesio skiriama sonaro poveikiui jūrų gyvūnams. Ypač galingi kariniai sonarai gali sklesti garsą tokiu intensyvumu, kad tai fiziškai sužeidžia jūrų žinduolius. Yra užfiksuota atvejų, kai po intensyvių karinių pratybų su sonaro naudojimu pakrantėse buvo randami išmesti banginiai su vidiniais sužalojimais.

Delfinai ir banginiai naudoja echolokaciją ne tik orientavimui, bet ir bendravimui, medžioklei, socialiniams ryšiams. Stiprus žmogaus sukurtas sonaras gali juos supainioti, sutrikdyti jų komunikaciją, net atskirti motinas nuo jauniklių. Kai kurie mokslininkai teigia, kad didėjantis povandeninis triukšmas yra viena iš priežasčių, kodėl kai kurios banginių populiacijos mažėja.

Dėl šių priežasčių daugelis šalių įvedė apribojimus, kada ir kur gali būti naudojami galingiausi sonarai. Karinės pratybos dažnai sustabdomos, jei netoliese pastebima banginių. Mokslininkai dirba ties „draugiškesnėmis” sonaro versijomis, kurios naudoja mažesnį intensyvumą arba dažnius, kurie mažiau trukdo jūrų gyvūnams.

Ateitis po vandeniu: kur link žengia technologija

Šiuolaikinis sonaras vis labiau integruojamas su dirbtinio intelekto sistemomis. Kompiuteris gali išanalizuoti tūkstančius atspindžių per sekundę, atskirti tikrus objektus nuo klaidinančių atspindžių, net atpažinti konkrečius laivus pagal jų akustinius parašus. Tai žymiai efektyviau nei žmogus, žiūrintis į ekraną ir bandantis suprasti, ką reiškia tie taškai.

Autonominiai povandeniniai aparatai vis dažniau naudoja sonarą navigacijai ir tyrimams. Tokie robotai gali dirbti gelmėse, kur žmogui būtų per pavojinga ar per brangu. Jie kartografuoja jūros dugną, ieško nuskendusių laivų, tikrina povandeninių naftotiekių būklę, net dalyvauja archeologiniuose tyrimuose.

Ateityje tikimasi sukurti dar tikslesnius, energiją taupančius ir aplinkai draugiškesnius sonarus. Mokslininkai tiria, kaip delfinai ir šikšnosparniai naudoja echolokaciją, bandydami pritaikyti gamtos sprendimus technologijose. Galbūt ateities sonarai veiks pagal visiškai naujus principus, kuriuos tik dabar pradedame suprasti.

Sonaro technologija per šimtmetį nuo savo atsiradimo tapo neatsiejama jūrinio gyvenimo dalimi. Ji padeda saugiai plaukti laivams, žvejams rasti laimikį, mokslininkams tyrinėti vandenynų paslaptis, o kariniams laivams apsaugoti savo šalis. Nors ji kelia ir tam tikrų aplinkosauginių iššūkių, nuolatinis technologijų tobulinimas ir atsakingesnis naudojimas rodo, kad garsas ir toliau liks mūsų pagrindiniu įrankiu tyrinėjant tą didžiulę mūsų planetos dalį, kuri slypi po vandens paviršiumi.