ماه شعبان و اعیاد شعبانیه مبارک باد.

ایران همدل

سونار چیست و چگونه کار می‌کند: کاربردها و انواع سونار

سونار چیست؟

سونار چیست: سونار، سامانه فاصله‌‌یابی و ناوبری صوتی است. با استفاده از سونار می‌توان از بستر دریاها نقشه‌برداری کرد و اشیای درون آب و فاصله‌شان را اندازه گرفت. سامانه‌های سونار به دو نوع اصلی فعال یا غیرفعال تقسیم می‌شوند، اما از نظر فناوری و طرز کار، گوناگون هستند. سونار فعال، زیر آب امواج صوتی منتشر می‌کند و با دریافت پژواک‌شان اشیای موجود در آب و فاصله‌شان را تشخیص می‌دهد. سونار غیرفعال امواج صوتی منتشر نمی‌کند بلکه امواج صوتی سایر اجسام یا موجودات زیرآب (اعم از جاندار و بی‌جان) را شنود می‌کند. واژه SONAR مخفف Sound Navigation and Ranging و معنایش فاصله‌‌یابی و ناوبری صوتی است. در ادامه با طرز کار، انواع و کاربردهای سونار بیشتر آشنا می‌شویم.

سونار چیست؟

به سامانه دامنه‌یابی و ناوبری صوتی سونار می‌گوییم. سونار نوعی فناوری است که با تجزیه‌وتحلیل امواج صوتی یا پژواک‌شان، اشیای موجود در عمق یا سطح آب را شناسایی و یا از بستر دریاها نقشه‌برداری می‌کند. با کمک سونار می‌توان عمق آب را در نقاط مختلف دریاها، اقیانوس‌ها یا رودخانه‌ها اندازه گرفت. لذا سونار، هم کاربردهای علمی و صنعتی و هم کاربردهای نظامی دارد. برای مثال، زیردریایی‌ها با استفاده از سونار می‌توانند محل کشتی‌ها و زیردریایی‌های دشمن را بیابند. کشتی‌های تحقیقاتی نیز با کمک سونار می‌توانند محل تجمع ماهی‌ها در مناطق خاص دریا یا اقیانوس‌ها را پیدا کنند. با استفاده از سونار می‌توان خود شیء، سرعت و جهت حرکت شیء و نیز فاصله آن‌را مشخص کرد.

سونار چیست: روش کار سونار
تصویر ۱. سامانه سونار فعال با ارسال موج صوتی و دریافت پژواک آن، اجسام یا موانع را شناسایی می‌کند. سامانه سونار غیرفعال موج صوتی نمی‌فرستد، بلکه فقط با دریافت امواج صوتی تولیدشده توسط شناورها یا آبزیان، آنها را تشخیص می‌دهد.

سونار چگونه کار می‌کند؟

سامانه سونار اگر از نوع فعال باشد، امواج صوتی منتشر می‌کند. چنانچه در محدوده فعالیت سونار اشیاء یا موانعی وجود داشته باشند، امواج صوتی به آنها برخورد می‌کنند و اصطلاحا منعکس می‌شوند. سرعت حرکت امواج صوتی در آب حدود ۱۵۰۰ متر در ثانیه است. لذا سامانه سونار زمانی را که طول می‌کشد تا موج صوتی منعکس شود و بازگردد، اندازه می‌گیرد و بر همین اساس، فاصله و حتی ابعاد اشیاء و موانع اطرافش را محاسبه می‌کند. به‌وسیله سونار می‌توانیم فاصله اشیاء در شعاع چندین هزار متری را اندازه بگیریم. همچنین، با محاسبه مدت زمان بازگشت پژواک امواج صوتی، می‌توان عمق آب را محاسبه کرد. طبیعتاً هرچه زمان دریافت پژواک‌ موج صوتی طولانی‌تر باشد، نتیجه می‌گیریم که عمق آب بیشتر است.

چرا از سونار استفاده می‌کنیم؟

در عمق آب نور کافی وجود ندارد. ضمنا در بسیاری نقاط دریاها و اقیانوس‌ها آب به‌اندازه کافی زلال نیست فلذا با دوربین‌ نمی‌توان محیط اطراف را رصد کرد. به همین سبب، کشتی‌ها و زیردریایی‌ها برای شناسایی محیط اطراف‌ و تعیین عمق آب و تشخیص اجسام پیرامون‌شان از سونار استفاده می‌کنند. سامانه‌های سونار، بسته به نوع‌شان با تجزیه‌وتحلیل امواج صوتی و پژواک‌شان، بستر دریا و اشیاء و حتی بعضی از آبزیان را شناسایی می‌کنند.

دستگاه سونار کجا نصب می‌شود؟

دستگاه‌های سونار را معمولا به دو روش به کار می‌گیرند:

  • آویزان از پشت شناور: بعضی از دستگاه‌های سونار را با رشته سیم بلندی از پشت کشتی یا زیردریایی به آب می‌اندازند. کشتی یا زیردریایی در آب حرکت می‌کند و دستگاه سونار را نیز داخل آب به‌دنبال خود می‌کِشد.
  • نصب شده به بدنه شناور: بعضی از دستگاه‌های سونار را به بخشی از بدنه کشتی یا زیردریایی که زیر آب جای می‌گیرد، متصل می‌کنند.
تصویر ۲. دستگاه سونار متصل به بدنه کشتی (سمت راست) و سونار آویزان از پشت کشتی (سمت چپ)

کاربرد سونار چیست؟

سونار در حوزه‌های مختلف مثل اقیانوس‌شناسی، زیست‌شناسی، صیادی و صنایع نظامی کاربرد دارد. بعضی از کاربردهای سونار چنین است:

  • نقشه‌نگاری از کف اقیانوس‌ها: با کمک سونار می‌توان از کف اقیانوس نقشه‌ تهیه کرد. دانشمندان با استفاده از چنین نقشه‌ها و اطلاعاتی، اقیانوس‌ها را مطالعه می‌کنند و مهندسان برای ساخت تجهیزات ساحلی از آن بهره می‌برند.
  • تعیین عمق آب: با کمک سونار می‌توان عمق آب اقیانوس‌ها، دریاچه‌ها و رودخانه‌ها را اندازه گرفت. دریانوردان با کمک چنین اطلاعاتی مسیرهای حرکت‌شان را تعیین می‌کند و دانشمندان در اقیانوس‌ها به پژوهش می‌پردازند. 
  • کشف اشیای زیر آب: با کمک سونار می‌توان اشیای زیر آب مثل کشتی‌های غرق شده را پیدا کرد که هم از نظر تاریخی و هم علمی اهمیت دارد.
  • یافتن ماهی‌ها و آبزیان: با کمک سونار می‌توان محل تجمع آبزیان یا ماهی‌های خاص را پیدا کرد. دانشمندان و زیست‌شناسان گاهی به چنین اطلاعاتی نیاز دارند. حتی کشتی‌های صیادی نیز برای یافتن ماهی‌ها از سونار کمک می‌گیرند.
  • کشف زیردریایی‌ها و کشتی‌های نظامی: زیردریایی‌های خودی می‌توانند با استفاده از سونار، زیردریایی‌ها و کشتی‌های دشمن را پیدا کنند. اژدرها نیز با کمک سونار اهداف سطحی و زیرسطحی را ردیابی می‌کنند.
تصویر ۳. یکی از کاربردهای سونار کاوش و کشف کشتی‌ها یا هواپیماهای غرق شده در قعر دریاست. این عکس، تصویری از یک هواپیما را نشان می‌دهد که با کمک سونار پویش جانبی بازسازی شده است.

پژواک‌نگاری: تبدیل امواج صوتی سونار به نقشه‌های گرافیکی

سونار برای تشخیص اشیای زیر آب و تعیین فاصله و سرعت حرکت‌شان از امواج صوتی بهره می‌برد. اما امواج صوتی به چشم دیده نمی‌شوند. ممکن است بپرسید که پس چگونه با کمک سونار می‌توان از کف دریا و از اشیای موجود در آب نقشه گرافیکی تهیه کرد؟ برای این منظور، داده‌های صوتی سونار بوسیله رایانه تجزیه‌وتحلیل می‌شوند و سپس اطلاعات موجود به نقشه گرافیکی تبدیل می‌شود. روند فوق تقریبا شبیه رسم نمودار برای داده‌های آماری است. برای مثال، وقتی می‌خواهید آمار افزایش جمعیت کشور طی چند سال گذشته را نشان دهید در اصل با عدد و رقم سروکار دارید. اما می‌توانید اعداد و ارقام را در قالب نمودار نیز نشان دهید تا مطالعه آن آسان‌تر باشد. تبدیل یا به تعبیری، ترجمه اطلاعات صوتی به تصاویر گرافیکی را پژواک‌نگاری یا اکوگرافی (echography) می‌گویند.

سونار چیست: ترجمه داده‌های صوتی سونار به نقوش گرافیکی (اکوگرافی)
تصویر ۴. با کمک رایانه، علائم صوتی سونار به‌شکل نقشه‌ گرافیکی بازنمایی می‌شود تا برای کاربر قابل درک باشد.

انواع سونار

سامانه‌های سونار براساس عملکردشان دو نوع اصلی دارند:

  • سونار فعال (active sonar)
  • سونار غیرفعال (passive sonar)

سامانه سونار فعال با انتشار امواج صوتی و دریافت پژواک‌شان اشیاء را شناسایی می‌کند. اما سونار غیرفعال موج صوتی منتشر نمی‌کند بلکه فقط با شنودِ امواج صوتی، اشیای موجود در آب را تشخیص‌ می‌دهد. به عبارت دیگر، سونار فعال، هم فرستنده و هم گیرنده دارد اما سونار غیرفعال فقط دارای گیرنده است.

سونار چیست: تفاوت سونار فعال و غیرفعال
تصویر ۵. به تفاوت سونار فعال و سونار غیرفعال توجه کنید. در این مثال، زیردریایی بوسیله سونار فعال، موج صوتی منتشر می‌کند و با دریافت پژواکش از کشتی، آن را تشخیص می‌دهد. اما در سونار غیرفعال، زیردریایی فقط با دریافت صدای حرکت کشتی، به وجودش پی می‌برد.

البته سونار دسته‌بندی‌ها و زیرگونه‌های دیگر هم دارد. در ادامه، ابتدا سونار فعال و غیرفعال را بیشتر توضیح می‌دهیم و سپس به سایر دسته‌بندی‌ها و زیرگونه‌ها می‌پردازیم.

سونار فعال چیست؟

سونار فعال، هم گیرنده و هم فرستنده دارد. فرستنده، امواج صوتی ارسال می‌کند. امواج ارسالی در صورت برخورد با اشیاء، سمت گیرنده بازمی‌گردند. به امواج بازگشتی، پژواک می‌گوییم. سامانه سونار فعال با محاسبه مدت زمان دریافت پژواک‌ها فاصله و حتی سرعت حرکت اشیاء را مشخص می‌کند. برای مثال، زیردریایی‌های خودی با همین روش می‌توانند کشتی‌ها و زیردریایی‌های دشمن را شناسایی کنند. سونار فعال، امواج صوتی را به‌شکل موج‌های ضربه‌ای (به‌انگلیسی، پالس یا پینگ) منتشر می‌کند. 

دستگاه‌های سونار فعال دو گونه هستند: تک‌پارچه (monostatic) و دوپارچه (bistatic). اگر فرستنده و گیرنده سونار یک‌جا باشند می‌گوییم سونار یکپارچه است. اما اگر فرستنده و گیرنده از هم جدا باشند، می‌گوییم سونار دوپارچه است. بیشتر سونارها تک‌‌پارچه هستند.

فرستنده‌ی سونار فعال، امواج صوتی را به‌شکل علائم الکتریکی تولید می‌کند. سپس مبدل، علائم الکتریکی را به امواج صوتی تبدیل و آن‌را منتشر می‌کند. وقتی امواج صوتی به شیء یا مانعی در آب برمی‌خورند، منعکس می‌شوند و در واقع پژواک می‌یابند. پژواک‌ها به مبدل موجود در داخل گیرنده برخورد می‌کنند و مبدل، امواج صوتی را مجددا به علائم الکتریکی تبدیل می‌کند. گیرنده‌ی سونار، علائم الکتریکی را تقویت می‌کند و آن‌ها را به رایانه می‌فرستد. رایانه، داده‌های الکتریکی را به‌ نقشه‌های گرافیکی تبدیل می‌کند و روی نمایشگر نشان می‌دهد تا قابل فهم و مشاهده باشد. به تبدیل داده‌های صوتی به نقشه‌های گرافیکی پژواک‌‌نگاری (اِکوگرافی) می‌گوییم.

سونار فعال چگونه اشیاء و فاصله اشیاء را تشخیص می‌دهد؟

سرعت حرکت صدا در آب، ثابت و حدود ۱۵۰۰ متر بر ثانیه است. درنتیجه، زمانی که طول می‌کشد تا علائم ارسالی به شیء برخورد کنند و زمانی که طول می‌کشد تا بازگردند و به گیرنده برسند، یکسان است. بدین‌ترتیب، با سنجش زمان بین ارسال امواج صوتی توسط فرستنده و بازگشت امواج صوتی به گیرنده می‌توان فاصله دستگاه سونار تا شیء را اندازه گرفت. برای مثال، اگر بازگشت سیگنال ارسالی ۱۰ ثانیه طول بکشد، نتیجه می‌گیریم که ۵ ثانیه طول کشیده تا موج صوتی به شیء برسد و با آن برخورد کند و ۵ ثانیه نیز طول کشیده است تا پژواکش به گیرنده بازگردد.

میانگین سرعت حرکت صوت در آب ۱۵۰۰ متر بر ثانیه است. پس اگر ۵ ثانیه طول بکشد تا موج صوتی به شیء برسد، می‌توانیم فرض کنیم که فاصله شیء از ما ۷۵۰۰ متر است زیرا:

فاصله = سرعت x زمان

متر بر ثانیه ۷۵۰۰=۱۵۰۰×۵

در سامانه سونار فعال، پژواک موج به شیء‌ای که موج از آن منعکس می‌شود، بستگی دارد.

سونار غیرفعال چیست؟

سونار غیرفعال، فقط گیرنده دارد و فرستنده ندارد، یعنی امواج صوتی منتشر نمی‌کند بلکه صدای دیگر شناورها یا جانوران آبی را دریافت و شنود می‌کند. زیردریایی‌ها، کشتی‌ها و حتی جانوران دریایی همگی صدا تولید می‌کنند. سونار غیرفعال امواج صوتی دریافتی را تجزیه‌وتحلیل می‌کند تا نوع کشتی یا شناور را تشخیص دهد و جهت حرکت، سرعت و فاصله‌اش را تعیین کند.

اما سونار غیرفعال در مقایسه با سونار فعال محدودیت‌هایی دارد. برای مثال، سونار غیرفعال نمی‌تواند بُرد دقیق اشیای زیر آب را دقیق اندازه بگیرد مگرآنکه از دستگاه‌های موقعیت‌سنج کمک بگیرد. اما در عوض، سونار غیرفعال چون علائم صوتی منتشر نمی‌کند، مکانش مخفی می‌ماند. چنین قابلیتی در کاربردهای نظامی مزیت محسوب می‌شود.

با توضیحات فوق مشخص می‌شود که سونار غیرفعال مستقلا نمی‌تواند از بستر دریا یا رودها نقشه‌برداری کند زیرا کف دریاها و رودها به‌خودی‌خود هیچ صدایی تولید نمی‌کند. لذا برای نقشه‌برداری از کف دریاها باید همراه سونار غیرفعال از ابزارهای تصویبرداری و نقشه‌برداری نیز بهره برد.

تفاوت سونار فعال و سونار غیرفعال چیست؟

اکنون که سونار فعال و غیرفعال را توضیح دادیم می‌توانیم تفاوت‌شان را در چند جمله خلاصه کنیم: گفتیم که سونار فعال هم فرستنده و گیرنده دارد اما سونار غیرفعال فقط گیرنده دارد. یعنی، سونار فعال برای تشخیص اجسام و محیط پیرامونش امواج صوتی منتشر می‌کند و پژواک آنها را می‌گیرد. سپس با تجزیه‌وتحلیل پژواک‌ها می‌تواند از بستر دریا نقشه بردارد و یا اجسام و فاصله آنها و حتی جهت و سرعت حرکت‌شان را تشخیص دهد. اما سونار غیرفعال موج صوتی تولید نمی‌کند بلکه فقط امواج صوتی پیرامونش را شنود می‌کند و با تجزیه‌وتحلیل آنها وجود اجسام مختلف را تشخیص می‌دهد.

انواع دیگر سونار

همانطور که قبلا اشاره کردیم، سامانه‌های سونار را براساس فناوری‌ها و شیوه‌های کارشان نیز می‌توان به انواع دیگری دسته‌بندی کرد. در ادامه با بعضی از سایر گونه‌های سونار آشنا می‌شویم.

همانطور که گفتیم سونار انواع و زیرگونه‌های دیگر هم دارد از جمله:

  1. تک‌شعاعی یا شعاع تقسیم‌شده (Single-beam / Split-beam Sonar)
  2. چندشعاعی یا چندپرتوی (Multibeam Sonar)
  3. پویش جانبی یا ساید اسکن (Side Scan Sonar)
  4. آرایه فازی (Phase Array Sonar)
  5. روزنه مصنوعی (Synthetic Aperture So
  6. علامت راداری شدید فشرده (CHIRP)
  7. داپلر (Doppler Sonar)

۱ سونار تک‌شعاعی چیست؟

سونار تک‌شعاعی یا شعاع تقسیم‌شده (Single-beam / Split-beam Sonar) نوعی سونار فعال است که علائم صوتی منفرد را به‌شکل عمودی و با بسامدی خاص در آب منتشر می‌کند و سپس پژواکش را می‌گیرد. این‌نوع سونار در مطالعات زیست‌شناسی و زمین‌شناسی زیر آب کاربرد دارد.

۲. سونار چندشعاعی چیست؟

سونار چندشعاعی یا چندپرتوی (Multibeam Sonar) از محدوده تحت پوشش خود، تصویر سه‌بعدی تهیه می‌کند. این‌نوع سونار، امواج صوتی را مثل نور فانوس دریایی مدام مقابل روی خود می‌گرداند تا از کف دریا و اجسام زیر آب نقشه دقیق و واضح ثبت ‌کند. سونار چندشعاعی در مقایسه با سونار عادی تک‌شعاعی، منطقه پوشش وسیع‌تری دارد و تصاویر دقیق‌تری ثبت می‌کند. ضمنا سونار چندضعاعی برخلاف سونار پویش جانبی، نه از طرفین بلکه از محدوده مقابل خود نقشه برمی‌دارد.

سونار چیست: پژواک‌نگاره بستر دریا با استفاده از سونار چندشعاعی یا چندپرتوی
تصویر ۶. عکسی از پژواک‌نگاره بستر دریا با استفاده از سونار چندشعاعی (multibeam sonar)

۳. سونار پویش جانبی چیست؟

پویش جانبی یا اسکن جانبی (Side Scan Sonar) از محدوده تحت پوشش خود نقشه دوبعدی تهیه می‌کند. این‌نوع سونار امواج صوتی را در چپ و راست خود می‌گرداند و منتشر می‌کند. سونار پویش جانبی برای عملیات‌های جستجو و امداد و نیز در کاوش‌های باستان‌شناسی مفید است.

سونار چیست: نحوه ارسال علائم صوتی در سونار پویش جانبی
تصویر ۷. نحوه انتشار علائم صوتی توسط سونار پویش جانبی

۴. سونار آرایه فازی چیست؟

سونار آرایه فازی (Phased Array Sonar) نوع پیشرفته سونار است که در آن، چندین سامانه کوچک سونار با همکاری یکدیگر در جهت‌های خاص، موج صوتی متمرکز منتشر می‌کنند. این‌نوع سونار در عملیات‌های نظامی و برای تشخیص و ردیابی اجسامی مثل شناورها و زیردریایی‌ها مفید است.

۵. سونار روزنه مصنوعی چیست؟

روزنه مصنوعی (Synthetic Aperture Sonar) تلفیقی از سونار دوربرد و تصویربرداری دقیق است و می‌تواند از نواحی وسیع زیرآب نقشه دقیق تهیه کند. برخلاف سونارهای عادی که معمولا هر بار یک علامت صوتی می‌فرستند و منتظر پژواکش می‌مانند، سونار روزنه مصنوعی هم‌زمان چند علامت صوتی می‌فرستند و با تحلیل و تلفیق پژواک‌شان نقشه‌ها و تصاویر بسیار دقیقی می‌سازد. این‌نوع سونار برای کشف مین‌های دریایی و رصد آثار باستانی زیر آب بسیار مناسب است.

سونار چیست: نحوه ارسال علائم صوتی در سونار روزنه مصنوعی
تصویر ۸. نحوه انتشار علائم صوتی توسط سامانه سونار روزنه مصنوعی

۶. سونار علامت راداری شدید فشرده (چیرپ) چیست؟

سونار علامت راداری شدید فشرده (به‌انگلیسی چیرپ: CHIRP مخفف Compressed High Intensity Radar Pulse)، با چند بسامد مختلف موج صوتی می‌فرستد تا از ساختارها و اجسام زیر آب تصاویر دقیق‌تری تهیه کند. در این‌نوع سونار، طول هر علامت صوتی در مقایسه با سونارهای عادی، طولانی‌تر است.

۷. سونار داپلر چیست؟

سامانه سونار داپلر (Dopper Sonar) سرعت اشیای زیر آب را اندازه می‌گیرد.


سونار در طبیعت

جالب است بدانیم که بعضی از جانوران خشکی و دریا نوعی سونار طبیعی دارند. مثلا دلفین‌ها و خفاش‌ها برای شناسایی دشمنان خود و طعمه‌های‌شان قابلیت‌هایی دارند که شبیه سونار است. برای مثال، خفاش هنگام پرواز صداهایی با بسامد خاص تولید و پژواک‌شان را دریافت می‌کند. خفاش با سرعتی حیرت‌انگیز پژواک‌ها را تجزیه‌وتحلیل می‌کند و مکان و فاصله موانع یا طعمه‌ها و حتی جهت و سرعت حرکت‌شان را تشخیص می‌دهد.

نهنگ‌های دندان‌دار نیز برای موقعیت‌یابی روش جالبی دارند. آنها با به حرکت درآوردن هوا بین سینوس‌های‌ سرشان امواج صوتی پربسامد تولید می‌کنند. صدای آنها در سرتاسر آب منتشر می‌شود و در صورت برخورد با اجسام مختلف پژواک می‌یابد و نهنگ دندان‌دار با تجزیه‌وتحلیل پژواک‌ صدای خودش، محیط اطرافش را شناسایی می‌کند.

تفاوت رادار و سونار چیست؟

کار سونار و رادار کشف و شناسایی اجسام است، اما نوع موجی که منتشر می‌کنند فرق دارد. سونار برای کشف محیط یا اهدافش از امواج صوتی و رادار از امواج رادیویی بهره می‌برد. سامانه‌های سونار عمدتا زیر آب و برای شناسایی کشتی‌ها، زیردریایی‌ها، دسته‌های آبزیان، بستر رودها و دریاها و کشف بقایای باستانی به‌کار می‌روند. اما رادارها معمولا در آسمان یا روی زمین برای کشف و ردیابی اهداف سطحی یا هوایی کاربرد دارند.


جمع‌بندی: سونار چیست و چه انواع و کاربردهایی دارد

گفتیم سونار نوعی فناوری است که با تجزیه‌وتحلیل صدا یا پژواک صدا در زیر آب، اجسامی مثل شناورها و یا دسته‌های آبزیان را کشف می‌کند. همچنین برای نقشه‌برداری از بستر دریاها و رودها و یا برای کشف بقایای کشتی‌های غرق شده و تمدن‌های کهن نیز از سونار بهره می‌برند. سامانه‌های سونار از نظر نحوه عملکرد به دو نوع اصلی فعال و غیرفعال تقسیم می‌شوند. اما سونارها از نظر فناوری چندین نوع هستند. سونارها در حوزه‌های‌ گوناگون از جمله نظامی، اکتشافات دریایی، باستان‌شناسی و امداد و نجات کاربرد دارند.