Vad är SONAR?

Daniel Kish: How I use sonar to navigate the world (April 2019).

Anonim

SONAR är en teknik som använder ljudvågor för att kartlägga eller lokalisera objekt i omgivningen. Förutsättningen är ganska enkel: först avge ett kluster av ljudvågor i riktning mot ett objekt. Medan några vågor kommer studsa av det, kommer de återstående vågorna att reflekteras tillbaka i emitterens riktning.

Om du skulle infoga ena änden av ett rör i ett enormt hav och sätta ett öra till det andra, skulle du definitivt se ut som en löne. Men du skulle också höra svag groaning av fartyg och sång av olika djur långt borta i de stora djupen av havet. Leonardo Da Vinci var den första personen som utför detta geniala experiment (utan rädsla för att bli dömd) och upptäckte detta nyckfulla fenomen. Han hade framgångsrikt implementerat det vi nu kallar SONAR.

Sound Navigation och Ranging

En fladdermöss flyger när solen sätter. (Fotokredit: satit_srihin / Shutterstock)

Förutsättningen är ganska enkel: först avge ett kluster av ljudvågor i riktning mot ett objekt. Medan några vågor kommer studsa av det, kommer de återstående vågorna att reflekteras tillbaka i emitterens riktning. Med kunskap om ljudets hastighet och tiden som passerade innan vågan hämtades kan en modig mottagare beräkna objektets avstånd från emitern.

Medan Sonar kan genomföras utomhus, är det känt att det är mer effektivt i vatten. Detta beror på att ljudvågor tenderar att resa längre avstånd i vatten. På grund av Sonars anmärkningsvärda sortiment kan valar skilja föremålets form och rörelse storleken på ping-pong-bollar från 50 meter bort. De är kända för att förlita sig på Sonar ännu mer än syn på foder och spåra deras släktingar.

En valp. (Fotokrediter: Catmando / Shutterstock)

Aktiv och passiv SONAR

En representation av hur fartyg använder SONAR för att kartlägga havsbotten.

Därefter tog det första världskriget stora framsteg som banade vägen för undervattensövervakning och krigsföring ubåtar. Undervattensövervakning implementerar det som kallas passiv Sonar - en teknik som inte kräver egen sändare, eftersom det innebär att lyssna på ljudvågor som emitteras av andra sändare. Det innebär att lyssna på ljud som görs av valar och fiendens fartyg. Verktyget upptäcker enkelt ljudvågorna som rör sig mot det. Maskinerna kan emellertid inte bestämma placeringen av dessa sändare utan hjälp av andra passiva lyssningsenheter. De arbetar tillsammans för att triangulera placeringen av en sändare, smidigt, utan att göra sin närvaro känd.

Ubåtar sänder ljudvågor och upptäcker objekt i närheten av dem genom att mäta den förflutna tiden mellan mottagningen av ekot.

Å andra sidan implementerar warfare ubåtar aktiv sonar - en teknik som utnyttjar både en mottagare och en sändare. Det här är den teknik som vi lättast förknippar med Sonar. Ubåtar sänder ljudvågor och upptäcker objekt i närheten av dem genom att mäta den förflutna tiden innan de mottar ekot. Förutom att bara detektera ett objekts närvaro har den gradvisa uppkomsten av överlägset sofistikerade verktyg också gjort det möjligt för oss att identifiera formen, storleken och orienteringen i utsökta detaljer.

Kompromissen mellan upplösning och dämpning

Eftersom de reflekterade vågorna är vågor utspridda av ett objekt kan man dock med rätta konstatera att deras intensitet minskar jämfört med de ursprungliga ljudvågorna. Den mottagna vågornas låga intensitet gör bilderna mörka eller inte lämpligt ljusa. Kvaliteten på en bild beror därför inte bara på maskinens möjligheter utan även på aspekterna av objektet och terrängen där mekanismen är implementerad.

Exempelvis absorberas föremål som är täckta med mer sprungor eller oregelbundna ytor mer ljudvågor än föremål som är täckta med vanliga eller släta ytor. Förökningen av ljudvågor kan också påverkas av vattentemperaturen och de föroreningar som den främjar. Upplösning och intervall är å andra sidan egenskaper som är nära kopplade till ljudvågornas frekvens.

Ljudet färdas längre avstånd i vatten än ljus eller radiovågor. (Foto Kredit: Seaphotoart / Shutterstock)

Lågfrekventa ljudvågor, de som är under 20 kHz, ger dålig upplösning, men de skryter högre intervall, eftersom de högst osannolikt inte dämpas av hinder däremellan. Tvärtom, högfrekventa ljudvågor, de med en frekvens som är större än 100 kHz, alstrar fenomenal upplösning, men de är benägna att svaga dämpning. En kompromiss uppstår, så att den optimala frekvensen måste väljas noggrant i proportion till storleken på önskad detalj.

Sonar används inte enbart för övervakning eller genom krigsfartyg. Det används också av läkare för att upptäcka cystor och cancerceller, en process som kallas ultraljud. Läkare infiltrerar sina patienter med ljudvågor som sprider och ricochet inuti kroppen, så att de kan upptäcka muskler och organ i mycket större detalj än röntgenstrålarna skulle tillåta.

Mot slutet av The Dark Knight, använde Batman, i desperation, Foxs Sonar-konceptet till varje smartphone i Gotham för att bestämma Joker-platsen.

Sonaranordningar är också anslutna till ändarna av fiskenät, så att fiskarna får en grov uppskattning av fisken som fångas i nätet. Även Batman kunde inte motstå att använda Sonar, om än oetiskt, för att fånga den evasive Joker. Trots scenens orealistiska eller försvunna implementering av Sonar inser man hur betydande tekniken är.