Podvodna akustika (hidroakustika)

[duje]

Temu sam postavio ovdje, ma da mi se čini, da bi mogla i negdje drugdje. Trebala bi biti interesantna, jer objašnjava mnogo zakonitosti i  pitanja o upotrebi podvodnih oružja, navigacije, izradi podvodnog oružja..., koja koje obrađuje ovaj Forum.
Naravno, presložena je ta problematika, da bi se sve objasnilo u nekoliko postova, zato je dobrodošla svaka stručna dopuna.
Od literature sam koristio Pomorsku enciklopediju (JLZ), izdanje 1983.godine


Podvodna akustika  (hidroakustika, podvodni zvuk)

Podvodna akustika je dio akustike koji razmatra pojave vezane uz širenje zvuka u tekućinama i njihovu tehničku primjenu.

Povijesni pregled

Jedan od najstarijih podataka o spoznaji da se zvuk širi i u vodi  nađen je u bilješkama Leonarda da Vincija. Godine 1490. on je zapisao da se, ako se zaustavi brod i zaroni jedan kraj duge cijevi u vodu , a drugi kraj prisloni na uho, mogu čuti brodovi na velikoj udaljenosti. U 19. st., u burnom razvoju prirodnih nauka fizičari su razmatrali i širenje zvuka pod vodom. D. Colladon i C. Sturm izmjerili su 1827. godine brzinu zvuka u Ženevskom jezeru (slika. 1)
Dva čamca bila su usidrena na udaljenosti  od 13.487m. U zvono spušteno s jednog čamca udario bi pod vodom udario bi bat preko poluge (m), a istovrijemeno je svijeća (l) upalila barut (b).Promatrač na drugom čamcu mjerio je vrijeme od blijeska baruta do zvuka zvona koji se slušao pomoću cijevi (p). Srednja vrijednost iz više mjerenja  vremena  bila je 9,4sek, pa je brzina zvuka bila 1.435 m/sek , dok bi prema modernoj empirijskoj formuli  (za temperature vode od 8°C) ona iznosila 1438m/sek. U početku 20.st. u SAD i Velikoj Britaniji  već je postojala mala industrija za proizvodnju pomagala  u navigaciji koja se služila podvodnim zvukom. Izvori su bili podvodna zvona, a prijemnici uvećani stetoskopi. Godine 1912, mjesec dana pošto se Titanic sudario s ledenim brijegom, L.F. Richardson prijavo je patent  uređaja za lokaciju prepreka  pod vodom pomuću zvuka, ali ga nije i praktično realizirao. U SAD je R.A. Fessendsen razvio elektroakustički  pretvarač, koji je vrlo efikasno radio pod vodom, na frekvenciji od oko 1100Hz. Godine 1914., služeći se njime kao predajnikom i prijemnikom, dobio je jeku od ledenjaka, udaljenog oko 2NM. U pokusima gotovo uvijek je dobivao dodatnu jeku  za koju je ustanovio  da potječe od refleksije zvuka na dnu. Tako je “usput” otkrio i zvučni dubinomjer.
 

[duje]

Uspješno djeloovanje njemačkih podmornica u prvome svjetskom ratu primoralo je Veliku Britaniju, Francusku i SAD  da razmotre mogućnost podvodne detekcije. Ubrzo je ustanovljeno da bi uređaji na bazi podvodnog zvuka bili najefikasniji. Razvoj uređaja tekao je u dva pravca: na bazi aktivne i pasivne hidrolokacije. Pasivni uređaji bili su blizu da Vincijeve ideje. Tzv. SC-cijevi ugrađivane sun a protupodmorničke brodove  (sl. 2), ali i na podmornice , za otkrivanje ciljeva na površini (sl. 3).

Detektori podvodnog zvuka od brodova ili podmornice sastojali su se od dva gumena balona , spojena zračnim cijevima  i stetoskopom na uši operatora.  Smjer  prema cilju određivan je okretanjem detektorske baze dok se ne bi postigao maksimalni intemzitet zvuka (kasnije nazvani “onari”) služili su za otkrivanje ciljeva jekom zvuka  generiranog pretvaračima koji su radili u ultrazvučnom području.  U francuskoj K.V. Šilovski i P. Langevin  eksperimentiralu su  kondenzatorskim i ugljenim pretvaračem. Godine 1912. Dobili su jeku od dna i čelične ploče udaljene do 200m. Značajan je napredak Lengevin postigao kad je konstruirao izvor zvuka u obliku sendviča, složenog od piezoelektrične pločice kvarca i dviju čeličnih ploča. Pri tom je upotrijebio i cijevno pojačalo, što je prva poznata primjena elektronike u podvodnoj akustici. Godine 1918. Dobio je jeku od podmornice, udaljene 1500m. Paralelno su hidroakustičke uređaje razvijali  I Britanci. Šifra grupe stručnjaka koja je pod rukovodstvom R.W. Boylea radila na tome bila je ASDIC, a to je ostao i naziv za sonare do kraja prvog svjetskog rata.

Vojna primjena podvodne akustike bila je dominantna i u razdoblju izmeđi dva rata, kad se javlja i komercijalna. Već prije pronađeni zvučni dubinomjer s pronalaskom rotirajuće neonske cijevi kao izravnog pokazivača dubine (1925.) počinje se komercijalno iskorištavati. Britanski kapetan ribarskog broda  R Balls služio se ranih tridesetih godina zvučnim “ehometerom” za dobivanje jeke od ribljih jata. Norvežanin O. Sund opisuje 1935. primjenu lokacije jekom pri istraživanju u ribarstvu. Savršavaju se magnetostrikcijski pretvarači. A u piezoelektričkim kvarc se zamjenjuje efikasnijim Rochelleovim solima. Savršeniji elektronički sklopovi omogućuju primjenu viših frekvencija, a time i veću preciznost smjeranja. Britanci razvijaju pisač za sonar i kupolu koja omugoćava rad sonarom i pri većim  brzinama broda.  Sve više pažnje posvećuje se istraživanjima akustičkih svojstava mora. Sonari su, naime, bili nepredvidivo nepouzdani. U prijepodnevnim satima dobivali bi se znatno veći dometi nego poslijepodne (afternoon effect). Kad je postalo jasno da za to nisu krivi operateri ni uređaji , otkriveno je da na širenje zvuka u moru, a time i na domete, znatno utječe ovisnost  temperature mora  o dubini. Godine 1937. A.F. Spilhaus razvio je batitermograf kojim se ta ovisnost mogla precizno mjeriti. Na početku drugog svjetskog rata njime su bili opremljeni  svi protupodmornički brodovi  Ratne mornarice SAD, a i danas je on glavni izvor podataka za hidroakustičku prognozu u većih mornarica svijeta.

[duje]

U drugi svjetski rat obje su strane ušle sa relativno jednostavnom hidroakustičkom opremom. Sonari su se u SAD počeli serijski proizvodit  oko 1937, a nešto kasnije i u SSSR-u. Kompletan pasivni sonar za američku podmornicu stajao je tada oko 5.000$ (sl. 4). Intenzivan rat na moru  ubrzo je naveo saveznike da opet mnogo više pažnje posvete podvodnoj akustici. U SAD  je osnovana posebne grupa za hidroakustiku pri Nacionalnom komitetu za istraživanja za potrebe obrane (NDRC). Vrlo jak naučni potencijal te grupe i velika sredstva koja su jim bila na raspolaganju omogućili sui m da postave temelje za mnoga modernija rješenja: akustički vođeni torpedi, akustičke mine, sonari s elektroničkim skidanjem snopa. Razvijene su metode kalibracije hidroakustičkih pretvarača, a definirani su i izmjereni  mnogi parametric koji određuju  efokasnost uređaja (reverberacija, šum mora, jakost cilja). Tada je stvorena i kovanica SONAR (Sound Navigaton and Ranging), slično radaru. U Njemačkoj je pronađena apsorbirajuća obloga za podmornice koja je otežavala njihovo otkrivanje sonarom i razvijen je pasivni sonar s hidrofonima (podvodni mikrofoni) smještenim duž oplate podmornice  (Gruppenhögreröt, GHG). Kako se rat približavao kraju , protupodmornička borba saveznika bila je sve uspješnija, zahvaljujući i primjeni rezultata rada grupe NDRC-a.

Golem trud uložen u toku rata, omogućio je međutim nagli razvoj hiroakustike poslije rata. Ona je velikim silama omogućila da danas totalno nadziru sve oceane svijeta. Svaki pokret protivničkog broda ili podmornice prati se i registrira u kompjutorskim centralama na obali pomoću senzora hidrofona smještenih na velikim dubinama, na strateškim točkama oceana. Aktivni i pasivni sonari otkrivaju ciljeve pedesetak kilometara daleko, a razvije je cijeli niz hidroakustičkih uređaja posebne namjene (komunikacije, daljinsko upravljanje i dr.)
Vojna primjena bila je, dakle,  pokretač svega novog u prvom razdoblju razvoja podvodne akustike. Poslije drugog svjetskog rata tehnološka revolucija i intenzivnije  iskorišćivanje bogatstva mora omogućili su međutim da podvodna akustika nađe opsežnu komercijalnu primjenu: u ribarstvu, geologiji podmorja (nafta), oceanografiji, navigaciji, daljinskom upravljanju, komunikacijama i dr.

[duje]

Širenje zvučnog snopa u moru

 
Brzina i smjer širenja zvučnog vala u moru ovisi o temperature, slanosti i dubini. Temperatura mora u velikim dubinama oceana nepromijenjena je i iznosi 1°-3°C. Srednja slanost morske vode iznosi  oko 35‰. Sjeverna mora su manje, a tropska više slana. (sl. 9)

Ovisnost temperature (a slično i slanosti) o dubini daje gotovo paralelne i horizontalne  izoterme (izohaline). Kako su  u mirnoj vodi i linije stalnog hidrostatičkog tlaka horizontalne, brzina zvuka, koja ovisi o ta tri faktora, uglavnom je nepromijenjena unutar horizontalnih slojeva, a mijenja se dubinom mora (sl. 10). Pri tome nisu presudne apsolutne vrijednosti brzine zvuka u pojedinim slojevima, već veličina I predznak gradijenta, tj. brzine promjene brzine zvuka s dubinom. Kada bi gradijent bio jednak nuli, zvučne zrake širile bi se iz izvora pravocrtno. Ako je gradijent pozitivan, zvučne trake se savijaju prema površini (sl. 11a),a širenje je rezultat višestrukih refleksija od površine. Formira se površinski zvučni kanal u kojem se  zvučna energija može širiti na veću udaljenost. Takvi uvjeti pojavljuju se u moru  u jesen i zimi.

Pri negativnom gradijentu zvučne zrake savijaju se prema dnu (sl. 11b). Širenje zvučnog vala rezultat je višestrukih refleksija od dna. Dio energije se pri tom apsorbira u dnu, pa se zvuk širi na kraće udaljenosti. Izraženos tog efekta ovisi o veličini gradijenta: što je on negativniji, to su uvjeti nepovoljniji. Takvi uvjeti vladaju u moru u proljće i ljeti, a postoje i dnevna kolebanja: po danu su uvjeti širenja slabiji nego po noći.
S prelaskom pozitivnog gradijenta u površinskome sloju u negativni na većim dubinama dolazi do cijepanja zvučne zrake na dvije u točkiprijelaza (sl. 11c). Jedna zraka savija se prema površini, a druga prema dnu. Dalje od područja cijepanja nalazi se područje zvučne sjene, u kojoj je intenzitet zvuka neznatan.

[duje]

Još nekoliko diagrama o ponašanju zvuka u tekućinama

[duje]

Izvori zvuka - šuma u moru


Da ne pišem o šumovima kje stavraju ribe, morski sisavci, ljudi, more samo, tektonska i vulkanska aktivnost….. malo pogladajmo one izvore, koji su interesantniji za “Palubu”.


Brodovi: Plovni objekti jaki su izvori podvodnog zvuka jer nose složene mehanizme velikih snaga za pogon i pomoćne operacije, sa mnogo pokretnih dijelova – izvora vibracija, koji se preko oplate ili pogonskog vijka prenose na vodu (more).Stvaranje hidroakustičkog polja oko plovnog objekta nepovoljno je sa brodograđevnog stajališta jer ukazuje na nesavršenost konstrukcije, uzrokuje gubitak energije i omogućuje oštećenje pojedinih sklopova, izloženih povečanim vibracijama i eroziji. Pretjeranom intenzitetu podvodnih zvukova odgovara i povećana buka u zrakukoja može smetati posada broda. Prejaki podvodni zvukovi ribarskih brodova mogu rastjerati ribu, a ratne brodove dovode u opasnost da budu prijevremeno otkriveni pasivnim sonarom.
Hidroakustičko polje plovnih objekata sastoji se od složenih zvukova  u obliku šumova iharmonijskih komponenti  (sl. 20). Intenzitet i oblik spektra ovisi o vrsti objekta, brzini kretanja, dubini, stupnju obraslosti i režimu plovidbe. Glavni su izvori zvuka strojevi i hidrodinamičke pojave.

 
Mašinski šumovi : potječu od vibracija pokretnih dijelova strojeva na brodu. To su nebalansirane osovine, ponovljivi  diskontinuiteti u obliku zupčanika, lopatica turbina i utora armatura, eksplozije u cilindrima motora, kavitacija u cijevovodima, pumpama i ventilima te mehaničko trenje u ležajevima. Mašinski šum nastaje unutar plovnog objekta , a u vodi se prenosi preko oplate trupa. Spektar sadržava uglavnom diskretne frekvencije, vezane uz broj okretaja strojeva i njegove višekratnike.

Hidrodinamički šumovi: potječu od pogonskog stroja i trupa.  Kavitacija je najsnažniji izvor šuma na plovnim objektima, pri većim brzinama. Ona nastaje, u prvom redu, na pogonskom vijku, a rjeđe na privjescima trupa. Uvjet za pojavu kavitacije je stvaranje područja tolikog podtlaka dadolazi do razlaganja vode i stvaranja mjehurića plina. Nakon odvajanja od mjesta nastajanja mjehurići putuju u struji vode u područje većeg tlaka, pa implodiraju i pri tome generiraju jak zvuk. Stalne implozije većeg broja mjehurića čuju se pod vodom kao glasno pištanje. Spektar kavitacijskog šuma dominantan je u području od 10 do 10.000Hz. Intenzitet kavitacijskog šuma raste s obzirom (broj okretaja vijka), a pada s porastom tlaka (dubina; sl. 22); kada se on prijeđe, intenzitet šuma višestruko se povećava, a s njime i mogućnost da se otkrije objekat pasivnim sonarom. Plovljenje u malošumnom režimu posebno je važno za podmornice, a satoji se u ronjenju na većoj dubini, brzinom nižom od praga kavitacije. Intenzitet šuma mjeri sa pri tom mjeračem vlastitog šuma koji ima hidrofone raspoređene po oplati podmornice.
Rotacijski šum sadržava niz diskretnih komponenti u niskofrekventnom dijelu spectra šuma, na frekvencijama višekratnicima ritma kojim krila vijka presjecaju razne nepravilnosti u polju strujanaj.
Direktne hidrodonamičke komponente u šumu plovnog objekta potječu od nepravilnosti  i fluktuacija u strujanju tekućine, mogu biti izvor zvuka direktno ili posredno, izazivajući vibracije trupa koje se prenose na vodu.
Zvuk se generira  i pri periodičnom odvajanju vrtloga sa isturenih dijelova oplate (Karmanovi vrtlozi). Hidroelastički šum nastaje kad odvajanje  vrtloga izazove rezonantne vibracije dijelova oplate. Zujanje vijka je slučaj  generiranog hidroelastičkog šuma odvajanjem od rubova krila pogonskog vijka. Karaktristično je za zujanje da u određenim područjima broja okretaja vijka daje stabilne čiste tonove velikog intenziteta u vodi, ali i u zraku, gdje kao buka smeta posadi. Zujanje vijka može biti povezano s mehaničkim oštećenjima (erozijom) krila vijka. Na ratnim brodovima i podmornicama zujanje je posebno nepoželjno jer ih demaskira na velikim udaljenostima.
(V.Komeštik JLZ)

[kukador]

zanimljivo
dobra tema
nadam se, da imamo među obom i čoveka od prakse

[duje]

zanimljivo
dobra tema
nadam se, da imamo među obom i čoveka od prakse

Bilo bi dobro, ako ima koji PEL-ista, pa da ispriča o svojim iskustvima.

[manemebasat]

Palubarci lep pozdrav
Eto, ja sam sluzio vojni rok 1983 godine kao posluzioc PEL - PEG-a na podmornici 821. Nazalost nisam kasnije nista pratio struku, pa sam skoro sve sto sam tamo naucio i zaboravio, tako, da ne mogu biti u pomoc. U toj maloj kabini smo se na tri smene izmenjivali stari vodnik prve klase Buric, jos jedan pelista i ja. Upravljali smo aktivnim sonarom (PEL - podvodni elektricni lokator), pasivnim sonarom PEG (podvodni elektricni goniometar) i podvodnim telefonom za vezu izmedju zaronjenih podmornica. PEL se skoro nikad nije upotrebljavao, jer naravno zbog zvuka kojeg odava oda i poziciju podmornice neprijatelju, osim za lociranje podvodnih mina u minskom polju. Za otkrivanje ostalih objekata na povrsini i pod vodom se upotrebljavao pasivni sonar PEG. Secam se, da nas je vise puta pratio veliki broj delfina. Ti su pod vodom tako glasni u svojoj komunikaciji, da je nas pasivni sonar bio neupotrebljiv, jer se nista drugo nije culo osim njih. Tada sam morao poslati jedan ''ping'' ( kao Sean Connery u ''Hunt for Red October'' .... ''One ping only!''  ) i sa time rasterati delfine.

LP

[Plavnik]

@manemebasat,
 drago mi je da si se kao bivši podmorničar i PEL-ista uključio na Palubu.
Kada si ti služio vojsku (1983. godine) u formacijskoj posadi P tipa 821 bio je i jedan mornar poslužioc PEL-a, što si i ti bio. Naravno posluživao si PEL kada je to bilo predviđeno Bobenim rasporedom te obavljao niz drugih poslova na podmornici. U redovitoj smjeni podvodne službe PEL-ista je davao četverosatnu smjenu na PEG-u, kada je bilo "Na ronjenje" PEL-ista je bio u kabini sa PEG-istom i posluživao PEL koji je smio uključiti samo po zapovijedi (aktivni rad demaskira P). Nakon 1986. kada je ugrađeno novi PEG (Sonar) mornar nije više bio poslužitelj PEL-a nego je bio radarista a dotadašnji starješina koji je bio radarsita postao je 2. poslužitelj PEG-a.
Bilo bi dobor da na Palubi pregledaš topic o podmornicama, sigurno ćeš prepoznati mnoge ljude. Bilo bi lijepo da se pokušaš sjetiti tadašnje posade pa napišeš odnosno pokušaš rekonstruirati tadašnju posadu. "Tvoja" podmornica je danas jedina sačuvana i nalazi se u Tivtu kao muzejski eksponat.

[lovac]

duje, pozdravljam te, pošto si pokrenuo ovu veoma važnu i interesantnu temu, vezanu za podmorničarstvo.

Ja sam čitava dva semestra izučavao predmet hidroakustika na akademiji, teoretski. Kasnije, kroz službu nisam imao prilike da se se susretne sa tom tematikom, ali još uvek pamtim mnoga slikovita predavanja ppuk Đorđevića sa katedre hidroakustike.
(Uvek je sveže misirisao na mušku kozmetiku ataše koja je bila aktuelna krajem sedamdesetih godina. Bio je pravi šmeker.)

Kabinet za hidroakustiku na MVA je bio veoma dobro opremljen. Imali su čak i bazen za praktično prikazivanje teoretskih postavki.
Mada, ppuk Đorđević je najviše voleo da korisiti taj bazen za prikaz rasprostiranja laserskog snopa kroz vodu.
 

[brankorsa]

Pa  eto i ja da se javim. Bio sam elektroničar hidroakustičar starešina na "Heroju" 821 od sredine 1969 do sredine 1971 godine u Lori u Splitu. Moja iskustva su prilično upečatljiva jer smo puno vozili. Ja sam Beli a naš komandant je bio Mate Parun a pomoćnik Vidaković. Bili smo prilično izvežbani jer smo kompletan torpedni napad odradili preko Pega i torpednog računara ( Ožić). Jovanov je bio na situacionom stolu a Cojić nkao komandir 1 BO. Ja sam pratio i navodio na cilj, računar je izračunao  je odredio borbeni kurs i momenat lansiranja torpeda. Parun je sve pratio preko periskopa i ništa me nije ispravljao. Lansiran je školski torpedo koji je prošao ispod kobilice broda mete skoro tačno na polovini. Tada se videlo da su podaci - šumovi sa PEGa slušani i gledani preko male katodne cevi mogli pouzdano da posluže. Mogao se skoro tačno odediti kurs brzina i vrsta pogona. Kod izvlaćenja od napada patrolnih brodova, znao sam da brod koji uspori drži PEL kontakt na nama a oonaj što ubrzava gubi PEL kontakt zbog kavitacije i porasih smetnji pa ga ovaj drugi navodi na nas. Zavisno iz pravca napada npr. iz pramčanih sektora napadali su krmenim klizačima ( dubinskim bombana a kada su dolazili iz krmenih sektora , napadali su pramčanim bacačima - jež  sa kojima noje trebalo toliko da se približe . Taktika izvlačenja npr. pasja krivulja, je zavisila od tih podataka. Moglo bi se još puno o ovome ali za forum je ovo OK. Napominjem da se za PEG trebalo imati sluha i mnogo vežbati u kabinetu gde su se slušale vrste podvodnih šumova uz objašnjenje spikera.   

[bajker]

Pozdrav, znam da je tema duže vrijeme mrtva, interesira me bilo kakva literatura vezana za hidroakustiku, točnije za hidroakustično pozicioniranje
Hvala