Τι είναι το SONAR;
Το SONAR είναι μια τεχνική που χρησιμοποιεί ηχητικά κύματα για να χαρτογραφήσει ή να εντοπίσει αντικείμενα στο περιβάλλον. Η υπόθεση είναι αρκετά απλή:πρώτα, εκπέμπει ένα σύμπλεγμα ηχητικών κυμάτων προς την κατεύθυνση ενός αντικειμένου. Ενώ μερικά κύματα θα αναπηδούν από αυτό, τα υπόλοιπα κύματα θα αντανακλώνται προς την κατεύθυνση του πομπού.
Το SONAR είναι μια τεχνική που χρησιμοποιεί ηχητικά κύματα για να χαρτογραφήσει ή να εντοπίσει αντικείμενα στο περιβάλλον. Η υπόθεση είναι αρκετά απλή:πρώτα, εκπέμπει ένα σύμπλεγμα ηχητικών κυμάτων προς την κατεύθυνση ενός αντικειμένου. Ενώ μερικά κύματα θα αναπηδούν από αυτό, τα υπόλοιπα κύματα θα αντανακλώνται προς την κατεύθυνση του πομπού.
Αν έβαζες τη μια άκρη ενός σωλήνα σε μια τεράστια θάλασσα και έβαζες ένα αυτί στην άλλη, σίγουρα θα έμοιαζες με φούντα. Ωστόσο, θα άκουγες και το αχνό βογγητό των πλοίων και το τραγούδι διαφόρων ζώων μακριά στα απέραντα βάθη του ωκεανού. Ο Λεονάρντο Ντα Βίντσι ήταν ο πρώτος άνθρωπος που έκανε αυτό το έξυπνο πείραμα (χωρίς να φοβάται να κριθεί) και ανακάλυψε αυτό το ιδιότροπο φαινόμενο. Είχε εφαρμόσει με επιτυχία αυτό που τώρα ονομάζουμε SONAR.
Πλοήγηση και εμβέλεια ήχου (SONAR)
Το SONAR είναι μια τεχνική που χρησιμοποιεί ηχητικά κύματα για να χαρτογραφήσει ή να εντοπίσει αντικείμενα στο περιβάλλον. Η τεχνική δεν είναι κάτι το υπερβολικό που έχουν αναπτύξει οι άνθρωποι τα τελευταία χρόνια. έχει χρησιμοποιηθεί από ζώα όπως νυχτερίδες και φάλαινες για εκατομμύρια χρόνια.
Μια νυχτερίδα που πετά ενώ ο ήλιος δύει. (Φωτογραφία:satit_srihin / Shutterstock)
Η υπόθεση είναι αρκετά απλή:πρώτα, εκπέμπει ένα σύμπλεγμα ηχητικών κυμάτων προς την κατεύθυνση ενός αντικειμένου. Ενώ μερικά κύματα θα αναπηδήσουν από αυτό, τα υπόλοιπα κύματα θα αντανακλώνται προς την κατεύθυνση του πομπού. Έχοντας γνώση της ταχύτητας του ήχου και του χρόνου που πέρασε πριν την ανάκτηση του κύματος, ένας έξυπνος δέκτης μπορεί να υπολογίσει την απόσταση του αντικειμένου από τον πομπό.
Ενώ το Sonar μπορεί να εφαρμοστεί στην ύπαιθρο, είναι γνωστό ότι είναι πιο αποτελεσματικό στο νερό. Αυτό συμβαίνει επειδή τα ηχητικά κύματα τείνουν να διανύουν μεγαλύτερες αποστάσεις στο νερό. Λόγω της αξιοσημείωτης εμβέλειας του Sonar, οι φάλαινες μπορούν να διακρίνουν το σχήμα και την κίνηση αντικειμένων μεγέθους μπάλες του πινγκ πονγκ από 50 πόδια μακριά. Είναι γνωστό ότι βασίζονται στο Sonar ακόμη περισσότερο από την όραση για να αναζητήσουν τροφή και να παρακολουθήσουν τους συγγενείς τους.
Ένας λοβός από φάλαινες. (Συντελεστές φωτογραφιών:Catmando/Shutterstock)
Ενεργό και παθητικό SONAR
Τελικά, οι άνθρωποι ανέπτυξαν μηχανές Sonar με εκθετικά ανώτερη εμβέλεια και ανάλυση. Το πιο απλό από αυτά περιλαμβάνει το συνδυαστικό σύστημα του φωνητικού κουτιού και των αυτιών μας. Είναι το Sonar που εφαρμόζουμε στις κορυφές των βουνών και στα φαράγγια όταν φωνάζουμε στην κορυφή των πνευμόνων μας και τελικά ακούμε την ηχώ. Ωστόσο, το LFA Sonar που αναπτύχθηκε από τον στρατό εκπέμπει ηχητικά κύματα που ταξιδεύουν χιλιάδες μίλια. Το σαρωτικό εύρος του μας επιτρέπει να καλύπτουμε σχεδόν το 80% των ωκεανών της Γης εκπέμποντας ηχητικά κύματα μόνο από τέσσερα πλεονεκτήματα!
Παρά την εξαιρετικά ανώτερη ταχύτητα του φωτός και, εν προκειμένω, της εξαιρετικά ανώτερης ταχύτητας του RADAR, είναι το Sonar που χρησιμοποιείται από την NOAA για την ανάπτυξη ναυτικών χαρτών, την εκτέλεση χαρτογράφησης του θαλάσσιου πυθμένα, τον εντοπισμό ναυαγίων και την πρόβλεψη υποβρύχιων κινδύνων. Στην πραγματικότητα, το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας του Sonar εγκρίθηκε αφού είδε τα γεγονότα που οδήγησαν στην τραγική κατάργηση του Τιτανικού. Ο πρωταρχικός του σκοπός ήταν να εντοπίσει αντικείμενα που κρύβονται κάτω από την επιφάνεια του ωκεανού, προκειμένου να αποφευχθούν υποβρύχιες συγκρούσεις.
Μια αναπαράσταση του τρόπου με τον οποίο τα πλοία χρησιμοποιούν το SONAR για να χαρτογραφήσουν τους πυθμένες της θάλασσας.
Στη συνέχεια, ο πρώτος παγκόσμιος πόλεμος έφερε σημαντικές προόδους που άνοιξαν το δρόμο για υποβρύχια υποβρύχιας επιτήρησης και πολέμου. Η υποβρύχια επιτήρηση εφαρμόζει αυτό που είναι γνωστό ως παθητικό Σόναρ — μια τεχνική που δεν απαιτεί δικό της πομπό, καθώς συνεπάγεται την ακρόαση ηχητικών κυμάτων που εκπέμπονται από άλλους πομπούς. Αυτό σημαίνει να ακούτε τους ήχους που κάνουν οι φάλαινες και τα εχθρικά πλοία. Το εργαλείο απλώς ανιχνεύει τα ηχητικά κύματα που ταξιδεύουν προς αυτό. Τα μηχανήματα, ωστόσο, δεν μπορούν να προσδιορίσουν τις θέσεις αυτών των πομπών χωρίς τη βοήθεια άλλων συσκευών παθητικής ακρόασης. Εργάζονται σε συνδυασμό για να τριγωνοποιήσουν τη θέση ενός πομπού, κρυφά, χωρίς να κάνουν αισθητή την παρουσία τους.
Τα υποβρύχια μεταδίδουν ηχητικά κύματα και ανιχνεύουν αντικείμενα που βρίσκονται κοντά τους μετρώντας το χρόνο που μεσολάβησε μεταξύ της λήψης της ηχούς.
Από την άλλη πλευρά, τα πολεμικά υποβρύχια εφαρμόζουν το ενεργό Sonar — μια τεχνική που χρησιμοποιεί έναν δέκτη καθώς και έναν πομπό. Αυτή είναι η τεχνική που συνδέουμε πιο εύκολα με το Sonar. Τα υποβρύχια μεταδίδουν ηχητικά κύματα και ανιχνεύουν αντικείμενα που βρίσκονται κοντά τους μετρώντας τον χρόνο που έχει περάσει πριν λάβουν την ηχώ. Εκτός από την απλή ανίχνευση της παρουσίας ενός αντικειμένου, η σταδιακή άνοδος των εξαιρετικά εξελιγμένων εργαλείων μας επέτρεψε επίσης να αναγνωρίσουμε το σχήμα, το μέγεθος και τον προσανατολισμό με εξαιρετική λεπτομέρεια.
Ο συμβιβασμός μεταξύ της ανάλυσης και της εξασθένησης
Οι πομποί είναι κυρίως πιεζοηλεκτρικά υλικά, υλικά που ταλαντεύονται και παραμορφώνονται όταν υποβάλλονται σε ηλεκτρικό ρεύμα. Η παραγωγή ήχου από αυτές τις παραμορφώσεις είναι ανάλογη με τη δόνηση ενός διαφράγματος στο ηχείο σας. Αντίθετα, τα πιεζοηλεκτρικά υλικά παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα όταν υποβάλλονται σε παραμόρφωση, μια ιδιότητα που μας έπεισε να τα χρησιμοποιήσουμε ταυτόχρονα ως δέκτες.
Ωστόσο, επειδή τα ανακλώμενα κύματα είναι κύματα διασκορπισμένα από ένα αντικείμενο, μπορεί κανείς εύλογα να συμπεράνει ότι η έντασή τους είναι μειωμένη σε σύγκριση με τα αρχικά, προσπίπτοντα ηχητικά κύματα. Η χαμηλή ένταση των λαμβανόμενων κυμάτων καθιστά τις εικόνες θολές ή όχι κατάλληλα φωτεινές. Η ποιότητα μιας εικόνας, επομένως, εξαρτάται όχι μόνο από τις δυνατότητες του μηχανήματος, αλλά και από τις πτυχές του αντικειμένου και του εδάφους στο οποίο εφαρμόζεται ο μηχανισμός.
Για παράδειγμα, τα αντικείμενα που καλύπτονται με πιο απόκρημνες ή ακανόνιστες επιφάνειες απορροφούν περισσότερα ηχητικά κύματα από τα αντικείμενα που καλύπτονται με κανονικές ή λείες επιφάνειες. Η διάδοση των ηχητικών κυμάτων μπορεί επίσης να επηρεαστεί από τη θερμοκρασία του νερού και τις ακαθαρσίες που αυτό καλλιεργεί. Η ανάλυση και το εύρος, από την άλλη πλευρά, είναι χαρακτηριστικά που συνδέονται στενά με τη συχνότητα των ηχητικών κυμάτων.
Ο ήχος διανύει μεγαλύτερες αποστάσεις στο νερό από το φως ή τα ραδιοκύματα. (Φωτογραφία:Seaphotoart / Shutterstock)
Τα ηχητικά κύματα χαμηλής συχνότητας, αυτά κάτω των 20 kHz, παράγουν κακή ανάλυση, αλλά διαθέτουν υψηλότερα εύρη, καθώς είναι πολύ απίθανο να εξασθενήσουν από εμπόδια στο ενδιάμεσο. Αντίθετα, τα ηχητικά κύματα υψηλής συχνότητας, αυτά με συχνότητα μεγαλύτερη από 100 kHz, παράγουν εκπληκτική ανάλυση, αλλά είναι επιρρεπή σε έντονη εξασθένηση. Προκύπτει ένας συμβιβασμός, έτσι ώστε η βέλτιστη συχνότητα πρέπει να επιλεγεί προσεκτικά σε αναλογία με το μέγεθος της επιθυμητής λεπτομέρειας.
Το σόναρ δεν χρησιμοποιείται αποκλειστικά για επιτήρηση ή για πολεμικά υποβρύχια. Χρησιμοποιείται επίσης από τους γιατρούς για την ανίχνευση κύστεων και καρκινικών κυττάρων, μια διαδικασία που είναι γνωστή ως υπερηχογράφημα. Οι γιατροί διεισδύουν στους ασθενείς τους με ηχητικά κύματα που διασκορπίζονται και εκτοξεύονται μέσα στο σώμα, επιτρέποντάς τους να ανιχνεύσουν μύες και όργανα με πολύ μεγαλύτερη λεπτομέρεια από ό,τι θα επέτρεπαν οι ακτίνες Χ.
Προς το τέλος του The Dark Knight , ο Batman, απελπισμένος, εφάρμοσε την ιδέα του Fox's Sonar σε κάθε smartphone στο Γκόθαμ για να καθορίσει την τοποθεσία του Τζόκερ.
Συσκευές βυθομέτρου είναι επίσης προσαρτημένες στα άκρα των διχτυών ψαρέματος, επιτρέποντας στους ψαράδες να έχουν μια πρόχειρη εκτίμηση των ψαριών που έχουν πιαστεί στο δίχτυ. Ακόμη και ο Batman δεν μπόρεσε να αντισταθεί στη χρήση του Sonar, έστω και ανήθικα, για να πιάσει τον υπεκφυγό Joker. Παρά τη μη ρεαλιστική ή τραβηγμένη εφαρμογή του Sonar στη σκηνή, αντιλαμβάνεται κανείς πόσο σημαντική είναι η τεχνολογία.
