Sonar

"Kajalood" suunab siia. Raadiosaate kohta vaata artiklit Kajalood (saade).

Sonar on teatud tehnoloogiate üldnimetus, milles üldjuhul allveekeskkonnas helilaineid kasutatakse navigatsiooniks, kommunikatsiooniks, veealuste (veepealsete) objektide kauguste ja asukohtade määramiseks ning objektidest kujutiste saamiseks. Sonari mõiste ja nimetus võeti kasutusele akustilise analoogina radari mõistele Frederick Hunti poolt^[1]. Sonari ingliskeelne akronüüm tähistab väljendit "SOund Navigation And Ranging" ehk "heli abil navigeerimine ja kauguste määramine". Sonari kõrval on mõnede sonaritüüpide korral kasutusel ka nimetus "hüdrolokaator" (hüdro + lad locatio 'asetus').

Külgvaatesonari kujutis laevavrakist

Ajalugu

ASDIC seadme operaatori ruumi rekonstruktsioon, Merseyside'i meremuuseumis

Sonarite tehnoloogiate arendamise eelduseks oli helikiiruse määramine vees, mille esimestena mõõtsid täpselt Charles Sturm ja Daniel Colladon 1826. aastal. Nimelt on helikiirus vees (magevees ${\displaystyle \approx }$1450 m/s) üle nelja korra kiirem kui õhus (kuivas õhus ${\displaystyle \approx }$343 m/s). Esimeseks sonariks võib pidada veealuseid "akustilisi majakaid", mis olid Ameerika Ühendriikide tuletornide juures lisahoiatussüsteemina kasutusel laevade navigatsiooni hõlbustamiseks. Algselt oli allveehelide tekitajateks kellad, mille heli oli laevadele halva nähtavuse korral algeliste kuulamisseadmetega kaugelt kuuldav. Udupasunatega võrreldes oli veealuse kella heli enamasti suurema kuuldeulatusega ja ilmakindlam. Kellasid hakati pärast 1913 aastat asendama Reginald Fessendeni leiutatud elektroakustiliste heliallikate Fessendeni ostsillaatoritega. Antud seade võimaldas vee all morsekoodis sõnumeid edastada kuni 50 km kaugusele.^[2] Sellisel kujul veealuste "akustiliste majakate" kasutamine asendati peagi pealveelaevadel raadiolainetel põhinevate paremate süsteemidega.

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 patenteerimiseks. 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 uurimisrühm Paul Langevini juhtimisel. Aastal 1916 suutis uurimisrühm esimest korda elektrostaatilise muunduri abil tekitada ja salvestada heli peegeldusi merepõhjalt. Aastal 1917 vahetas elektrostaatilise muunduri välja piesoelektriline muundur. Vaatamata edusammudele ei peetud antud tehnoloogiaid piisavalt usaldusväärseteks, et neid oleks esimeses maailmasõjas Antandi riikide poolt Keskriikide allveelaevade vastu kasutusele võetud. Ameerika Ühendriikide laevadel ja allveelaevadel olid sel ajal kasutusel lihtsad kuulamisseadmed, mida nimetati SC-torudeks. Need kujutasid endast mehaaniliselt juhitava suunatundlikkusega stetoskoope. 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 arendati Suurbritannias Robert Boyle'i ja Albert Woodi juhtimisel. 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 saabusid 1925 Ameerika Ühendriikides ja Suurbritannias müügile ka esimesed tsiviilotstarbelised laevadele mõeldud kajaloodid ehk akustilised sügavuse määrajad. Seejuures võeti varasema piesoelektrilise kvartsi asemel kasutusele sünteetilise Rochelle’i soola kristallid. Esimesed Rochelle'i soola kristallidel põhinevad hüdrofonid asendasid Ameerika kajaloodides kasutusel olnud vananenud süsimikrofonid välja 1920. aastate lõpus.^[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 alles 1941, kui õnnestus esimest korda oma valdusse saada allveelaev U-570 (mis nimetati ümber HMS 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 võttis Kriegsmarine kasutusele akustilised torpeedod.

Pärast teist maailmasõda jätkus sonarite rakendamine taas tsiviilvaldkonnas. Akustiline merepõhja kaardistamine sai 1960. aastatel võimalikuks külgvaatesonarite ja 1970. 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 uuritud 1990. aastate keskpaigast. Sel perioodil hakati esimest korda suurearvulisi vaalade kaldale kinni jäämisi seostama militaarsonaritega.

Kalalood (ing. k fishfinder)

Aktiivsed ja passiivsed sonarid

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 ehk kaja võtab vastu sonarisüsteemis näiteks hüdrofon. 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 suunda heliallikateni.

Sonari võrrandid

Sonari võrrand on võrrand, mis aitab hinnata sonari võimekust tema erinevate ülesannete täitmiseks. ISO 18405 definitsiooni järgi seob sonari võrrand sonari signaali liiasuse ΔL_SE sonari signaali-müra suhte R_SN ja tuvastuslävega ΔL_DT. Sonari võrrandid olid kasutusel juba teise maailmasõja ajal^[5]. Sonari võrrandeid saab peamiselt kasutada statistiliselt statsionaarsete helisignaalide 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

Passiivse sonari võrrandit kasutatakse passiivsete sonarite korral. Passiivse sonari võrrand seob sonari signaali-müra suhet R_SN, allikataset L_S, levikadu N_PL, sonari mürataset L_N ja sonari töötluse võimendust ΔL_PG. Passiivse sonari võrrandi võib kirja panna kujul:

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

kus

• L_S – allikatase, mis kirjeldab heliallika poolt keskkonda kiiratava helirõhu ruutkeskmist taset;
• N_PL – levikadu, mis kirjeldab heliallikast kiirgava heli helirõhutaseme vähenemist keskkonnas;
• L_N – sonari müratase, mis kirjeldab sonari tundlikkust ning akustiliste ja mitteakustiliste mürade suurust;
• ΔL_PG – sonari töötluse võimendus, mis kirjeldab kasutatud signaalitöötluse panust tuvastuse parendamisel.

Aktiivse sonari võrrand

Sonari võrrand aktiivse sonari jaoks seob sonari signaali-müra suhet R_SN, projektori allikataset L_S, levikadu sonari projektori ja sihtmärgi vahel N_PL,Tx, samaväärse sihtmärgi tugevust N_TS,eq, levikadu sihtmärgi ja sonari vastuvõtja vahel N_PL,Rx, sonari mürataset L_N ja sonari töötluse võimendust ΔL_PG läbi lähenduse

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

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

• Kajalood – aktiivsonar, millega mõõdetakse laeva kiilu ja 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 vette lennukitelt või laevadelt allveelaevade vastase sõjapidamise, allveeakustika uurimistöö, okeanograafiliste mõõtmiste jaoks.
• Tehisavasonar – sonari tüüp, mille eripäraks on sensori ja uuritava piirkonna (objekti) vahelise suhtelise liikumise kasutamine kõrgema ruumilise lahutuse saavutamiseks (akustiline analoog tehisavaradarile).
• Veetav ridasonar – passiivsonari tüüp, mille moodustab hüdrofonide jada, mida veetakse kaablil allveelaeva või pinnalaeva järel.

Vaata ka

• Lokaator
• Sodar
• Infraheli
• Ultraheli
• SOSUS
• Allveeakustika

Viited

1. Howeth: Chapter XXXIX. Washington. 1963.
2. M. 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)
4. L.E. Holt, German use of sonic listening, J. Acoust. Soc. Am., vol. 19, no. 4, pp. 678-681, (1947)
5. Robert J. Urick (1967). Principles of Underwater Sound - 3rd edition. Tata McGraw-Hill Education. Lk 1.

Välislingid

• Toivo Tänavsuu, Estonians to make marine navigation easier and safer (DEMO)
• Robotiehitamise juhend – ultrahelisonar