مقدمة إلى شركة سونار وشركة تحت الماء

ولا يزال سونار (الملاحة الصوتية والارتشاء) يشكل تكنولوجيا أساسية لاستكشاف المياه، والعمليات البحرية، وإدارة مصائد الأسماك، والهندسة البحرية، ويعمل عن طريق وضع نبضات سليمة وتحليل الصدى التي تعود من الأجسام أو قاع البحار، ويتوقف موثوقية نظم السونار على الفيزياء التي يبثها الصودر الصوتي في الكشف عن المياه البحرية، وهي آثار تتأثر بثلاثة متغيرات رئيسية في درجة الحرارة، والملاهيجة.

وتتراوح سرعة الصوت في مياه البحر عادة بين نحو ٤٥٠ ١ مترا/متر في المياه السطحية الباردة والمنخفضة الخطورة إلى أكثر من ٥٥٠ ١ مترا/متر في المياه المدارية الحارة والملحة، بل إن تغييرا في عدد قليل من المترات في الثانية يمكن أن ينحني الأمواج الصوتية بما يكفي لخلق مناطق عمياء أو صدى زائف، حيث تتحول العمليات البحرية إلى بيئات أكثر تعقيدا مثل المستعمرات ودرجات ودرجة حرارية.

فيزياء البروغ الصوتي في الماء

فالسفر الصوتي عبر المياه كموجة ضغط طويلة، وتحدد سرعة هذا الارتفاع بكثافة وسيطة متوسطة، وتشتمل الصيغة التجريبية المستخدمة على نطاق واسع لسرعة سليمة في مياه البحر (اليونسكو، تشين وميليرو، أو ما شابه ذلك) على درجة الحرارة والملوحة والضغط كمتغيرات المستقلة، وبالنسبة لمعظم التطبيقات السونارية العملية، فإن إسهام الضغط (المتعمق) يمكن التنبؤ به، ودرجة الحرارة والملوحة.

معادلة السرعة الصوتية

ومن بين الأمثلة المبسطة على معادلة السرعة الصوتية ما يلي:

  • Temperature effect:] an increase of 1 °C raises sound speed by approximately 4 m/s (depending on baseline conditions).
  • Salinity effect:] an increase of 1 PSU raises sound speed by roughly 1.3 m/s.
  • Pressure effect:] an increase of 100 m depth adds about 1.7 m/s to sound speed.

وهذه المعامل ليست مستقلة، فعلى سبيل المثال، يتباين معامل الحرارة بحد ذاته بدرجة الحرارة والملوحة، غير أن التأثير المهيمن في المحيط العلوي (0 إلى 500 متر) هو درجة الحرارة، يليه الضغط، حيث يؤدي الملوحة عادة دورا ثانويا وإن كان حاسما محليا.

العوامل: درجة الحرارة، والملح، والضغط

وفي المحيط المفتوح، تنخفض درجة الحرارة بعمق، وتخلق حرارة حرارة قوية، وتتفاوت أيضا، وإن كانت أقل حدة في كثير من الأحيان، باستثناء الأفواج النهرية، أو الجليد المذوب، أو أحواض التبخر، وتزداد الضغط بشكل متواز مع العمق، وتزيد دائما سرعة الصوت، وتنتج هذه العوامل صورة سريعة سليمة يمكن تصنيفها على أنها أعمق في أعماق البحار )بأفق مشرقة(

أثر درجة الحرارة المائية على الإشارات القمرية

إن درجات الحرارة هي أكثر الأسباب شيوعاً لتشوه إشارات السونار، فسرعة الزيادات الصوتية في المياه الأكثر دفئاً وتتناقص في المياه المبردة، وعندما تعبر موجة سليمة الحدود بين مختلف طبقات الحرارة، فإنها تنحني - وهي ظاهرة تعرف باسم ]] Refraction].() ويتبع اتجاه الركود في منطقة Snell:

الترموزينات والانتقام

إن خط الحرارة هو طبقة تتغير فيها درجة الحرارة بسرعة فوق فترة عمق صغيرة، ويمكن أن يكون التدرج حاداً عند 5 درجات مئوية فوق 10 أمتار في التخصيب الصيفي، أما الأمواج الصوتية التي تبث في زاوية ضحلة، فيمكن أن تتراجع تماماً بسبب وجود خط حراري قوي، مما يؤدي إلى نشوء منطقة ظل تحتها.

سينال الخسارة وخط النسيج

وبالإضافة إلى الارتداد، تتسبب تغيرات درجات الحرارة في فقدان الإشارة من خلال الاستيعاب والتشتت، وفي حين أن الامتصاص الجزيئي متسق نسبيا، فإن تقلبات درجات الحرارة المضطربة تنتج تغيرات سريعة دقيقة تبعث على طاقة سليمة، وتخفض الإشارة المتسقة التي تعود إلى جهاز الاستقبال.

التغيرات الموسمية والجنائية

إن آثار التذبذب ليست ثابتة، فالتدفئة الشمسية خلال اليوم تدفئ طبقة السطح، وتقوية حرارة السونار، وتخفض مدى السونار، وفي الليل، يمكن للتبريد أن يخلط عمود المياه، ويلغي مؤقتاً التدرج ويحسن الكشف، ويجب أن تكون التغيرات الموسمية - التدرج الملموس مقابل ظروف الشتاء الثابتة جيداً - تغيير أداء السونار بعشرات من العلامات الدرقية.

أثر الملح على إشارات القمر

ويؤثر الملح على سرعة الصوت بالدرجة الأولى من خلال التغيرات في كثافة المياه والتكرار، إذ يبلغ سرعة المياه العذبة نحو 440 1 متراً/ساعة 20 درجة مئوية، بينما تبلغ مياه البحر المشبع بالماء النقي الكامل (35 وحدة دعم البرامج) عند درجة الحرارة نفسها نحو 520 1 متراً/متر، ورغم أن تأثير الملوحة على الوحدة يقل عن درجة الحرارة، فإن الخفافيش النهري الملوحة يمكن أن يكون مبتاً، ولا سيما في المياه الجوفية.

الهالونات وآثارها

فالهالوكلين هو تدرج عمودي قوي في الملوحة، مثل الترملوين الحراري، يُعيد تلف الأمواج الصوتية، لأن سرعة الصوت تزيد مع ارتفاع الملوحة، فإن الانخفاض في الملوحة (كما هو موجود تحت عدسة المياه العذبة) سيتسبب في حدوث انخفاض في مستويات المياه الجوفية، وعلى العكس من ذلك، إذا زادت الملوحة مع العمق (الشكل من درجات الحرارة العادية في المياه البحرية) فإن الرواسب.

Estuarine and River Plume Environments

وتواجه الدراسات تحدياً بالنسبة للسونار لأن درجة الحرارة والملوحة تتباين رأسياً وأفقياً على السواء، ويظهر موجز نموذجي للزراعة الاستوارين خلسة، وطبقة سطحية دافئة، وطبقة قاعية باردة، وقد ترتفع سرعة الصوت أولاً عبر طبقة السطح ثم تنخفض من خلال المكعب قبل أن ترتفع مرة أخرى بسبب الضغط، وتنتج هذه الملامح غير الموحة مسارات الرجعية المتعددة ويمكن أن تتسبب في حدوث تدخلات الحادية في بيئة متعددة.

مقارنة مع آثار التدرج

وفي معظم المحيطات المفتوحة، تهيمن درجة الحرارة على تقلبات سرعة الصوت، غير أنه في المناطق المرتفعة الارتفاع التي تقترب درجات الحرارة من التجميد، يخفض معامل الحرارة، ويمكن أن تصبح الملوحة هي السيطرة الأولية، ففي المحيط القطبي، مثلا، يؤدي الرفض الدقيق أثناء تشكيلات الجليد البحري إلى كثافة، وإلى حدوث انخفاض كبير في سرعة سرعة الصوت، كما أن المسافنة القريبة من التدفقات الكبيرة من النهر (أمازون، الكونغو).

الآثار المشتركة للمؤقتين والملح

ولا تعمل درجة الحرارة والملوحة بمعزل عن بعضها؛ فهي تتفاعل عبر مجال الكثافة، الذي يحكم الاستقرار الرأسي لعمود المياه وتشكيل هياكل ذات نطاق رفيع تبعث على الصدر، وكثيرا ما يكون الأثر المشترك مقيساً كمياً بالدرجة الكثيفة، أو [(FLT:0]) بيكنوكلاين ، حيث تحدث أدق التغيرات في كل من درجة الحرارة والملوحة.

Pycnoclines

فالخط الفاصل هو طبقة من الزيادة السريعة في الكثافة، التي تنتج عادة عن حرارة حرارة، أو نصف محمول، أو كلاهما، لأن سرعة الصوت هي وظيفة أحادية الكثافة (الشديدة على سرعة الصوت)، قد يزيد خط الصوت دائما سرعة الصوت، ولكن معدل الكشف عن الصوت قد يتفاوت، إذا ما نجحت الموجة الخفيفة،

Variable Sound Speed Profiles

وفي سيناريوهات العالم الحقيقي، يتم الحصول على بيانات سريعة سليمة من الأشعة المميتة القابلة للاختراق، أو من خلال التلقيحات المتكررة في مادة الترسيب، أو البيانات ذات الطابع الحقيقي، أو من خلال نظام المياه السطحية الحديثة يمكن أن يُضفي على نظام SSP الضوء على التقلبات الشعاعية في التواتر الأمثل، أو في ضوء التسارع في استخدام الجليد.

دراسات حالة في مناطق بحرية مختلفة

Deep Ocean:] In the abyssal plainsal plainsal plainsal, temperature and salinity are nearly constant below 1,000 m, leading to a linear sound speed increase with depth. Sonar signals propagate in a deep sound channel (SOFAR axis) that allows global-scale communication. However, shallow sources and receivers still must contend with the surface thermocline.

Coastal and Shelf Seas:] powerful summer thermoclines in the North Sea and Baltic Sea create surface ducts and shadow zones.

River Plumes and Estuaries:] The Amazon Riverعم in the Atlantic reduces surface salinity to 30 PSU while maintaining high temperature, producing a low-sound-speed lens that refracts signals upward. Sonar used for oil and gas surveys in the Gulf of Mexico must account for the Missisip heavy rainpie, especially

Polar Regions:] In the Arctic, freshwater from melting sea ice lowers salinity and temperature, creating a shallow, low —soundspeed layer, this layer can compch sound energy in a surface duct, enabling long propagation ranges for under-ice sonar but also creating strong reflections that complicate ice-water discrimination.

استراتيجيات عملية للتخفيف من حدة الكوارث للمشغلين السينار

ونظراً للآثار العميقة لدرجات الحرارة والملوحة على وضوح السونار، وضع المشغلون والمهندسون عدة استراتيجيات للتخفيف من هذه المتغيرات والحفاظ على الأداء الموثوق به.

الاستشعار البيئي والمعايرة

وقبل نشر نظام سونار، يجري تقييم بيئي باستخدام جهاز تحليل أشعة السينيوم أو XBT. قياس درجة الحرارة والملوحة من السطح إلى أقصى درجة من الاهتمام، وتستخدم هذه البيانات لحصر نظام SSP المحلي، الذي يمكن بعد ذلك إدخاله في خوارزمية الأشعة السونارية لتعديل النطاق، وزاوية الشعاع، والتردد.

تجهيز الإشارات

ويمكن أن يعوض التضليل التصحيحي وتجهيز الحقول المطابقة عن برامجيات SSP غير معروفة أو ذات الوقت، وباستخدام إشارات من مكبرات متعددة وتكييف الأوزان في الوقت الحقيقي، يمكن أن يركز النظام على الاتجاه الحقيقي حتى في وجود الاختراق، وكبديل لذلك، توفر إشارات النطاق العريض قوة ضد التقلبات التكاثرية الناجمة عن الاضطرابات المتعددة.

شبكات التعويض عن الحالات الحقيقية

وفي العمليات الواسعة النطاق (المسح الهيدروغرافي، والمسح البحري للألغام)، يمكن لشبكة من أجهزة الاستشعار العائمة أو المنشورة أن تنقل معلومات مستكملة عن نظام SSP إلى مركز التجهيز المركزي، مما يتيح لنظام السونار تعديل بارامتراته المتعلقة بالطيران، فمثلا يمكن لأجهزة تصنيع تحت الماء ذاتية ذاتيا تحمل معدات السونار أن تختبر عمود المياه عند تحركها، وأن تبني نموذجا ثلاثيا من نماذج السرعة الصوتية وأن تستخدمه لتصحيح نهجه.

ويمكن الحصول على موارد خارجية بشأن نماذج السرعة السليمة والتعويضات من وثائق البحوث الدفاعية ] و] و[أدوات مؤسسة هول الأوقيانوغرافية أدلة .]

الخلاصة والاتجاهات المستقبلية

ودرجة الحرارة والملوحة في المياه ليست طفيفة في عمليات السونار؛ فهي متغيرات بيئية من النوع الأول يمكن أن تحدث الفرق بين تردد واضح وهدف مفقود؛ أما الفيزياء التي تنطوي على تردد الصوت واستيعابه وتشتيت في البرمجيات فهي مفهومة جيداً، وتسمح التكنولوجيا الحديثة بالحصول على تعويض في الوقت الحقيقي باستخدام قياسات وجوه التلقيم الرئوي ومقاييس الطحالب المكيّة.

وبالنسبة للمهندسين والمشغلين، فإن المأزق الرئيسي هو عدم تحمل أي صورة ثابتة للسرعة، بل إن الآثار الموسمية والميدالية يمكن أن تغير أداء السونار تغييرا جذريا، إذ إن الاستثمار في السمة البيئية السليمة وتجهيزها بالتكيف، يمكن للمستعملين التجاريين والعلميين والعسكريين أن يكفلوا أن توفر تكنولوجيا السونار الموثوقية والدقيق اللازمين في الطلب على البيئات تحت الماء.