המשרעת של גל קול מאופיינת בדרך-כלל בעזרת לחץ הקול. בסביבה רגילה ניתן למצוא טווח נרחב מאוד של לחצים, ולפיכך מקובל למדוד את לחץ הקול בסקאלה לוגריתמית, ביחידת המידה דציבל. אם formula_25 הוא שורש ממוצע הריבועים של משרעת לחץ הקול אזי מידת לחץ הקול (sound pressure level, SPL) מוגדרת כ-20 פעמים הלוגריתם של היחס בין formula_25 לבין לחץ ידוע כלשהו, formula_27.
ניתן לחשב את מידת לחץ הקול בדציבלים כך:
הלחץ הידוע formula_27 בו משתמשים הוא סף טווח השמיעה האנושי:
(דהיינו, 20 מיקרו-פסקל; במים, סף השמיעה הוא מיקרו-פסקל אחד).
עוצמת הקול.
קיים הבדל בין מידת לחץ הקול לבין מידת כוח הקול. מידת לחץ הקול נמדדת בעזרת מיקרופונים ומכשירים דומים, וניתן למדוד אותה ישירות. מידת עוצמת הקול, לעומת זאת, היא מידה של כמות האנרגיה המושקעת (ברמקול, למשל) כדי לייצר קול. בשל גורמים סביבתיים והשפעות אחרות, כמות האנרגיה המשמשת להפקת הקול לא בהכרח שווה למידת הקול הנתפשת בחושיו של השומע.
לא ניתן למדוד עוצמת קול ישירות, ולכן מידה זו מחושבת על-פי נתונים אחרים. ישנן שתי שיטות מקובלות למדידתה: "השיטה הישירה" ו"השיטה ההשוואתית". בשיטה הראשונה מודדים את עוצמת הקול על ידי חישוב משוואה הכוללת את התנאים הסביבתיים (כגון טמפרטורה, לחות, זמן תהודה וכו') ואת לחץ הקול. בשיטה השנייה, משווים את לחץ הקול ללחץ קול המופק באותם תנאים ממקור קול מוכר המפיק עוצמת קול ידועה וקבועה, והשוואת לחץ זה עם לחץ הקול הנמדד. שתי השיטות אמינות ומדויקות באותה המידה.
פרמטרים אקוסטיים.
ישנם מספר פרמטרים מדידים המגדירים את אופן פעולת גל הקול. עיקר שימושם הוא עבור מערכות סונאר אך הם רלוונטיים גם עבור שאר המערכות האקוסטיות הקיימות כגון: מד עומק, טלפון תת-מימי, טורפדו וכו'.
באופן כללי כל אחד מהפרמטרים מוגדר ביחידות של דציבל (dB) (יחידת מידה חסרת ממדים), יחד על פי "השיטה ההשוואתית" למדידת עוצמת קול ומבטא בדרך כלל את היחס בין עוצמת נמדדת לבין עוצמת יחוס הנמדדת בהידרופון:
כאשר PM הוא שם הפרמטר, formula_32 היא העוצמה הנמדדת ואילו formula_33 היא בדרך כלל עוצמת הייחוס ללחץ של formula_34 ב-1 יארד.
הפרמטרים הם:
רמת המקור (SL - Source Level).
הגדרה.
כאשר formula_32 היא עוצמת רעש המקור בטווח קרוב ואילו formula_33 היא עוצמת הייחוס ללחץ של formula_34 ב-1 יארד.
רמת הרעש (NL - Noise Level).
הגדרה.
כאשר formula_32 היא עוצמת הרעש ואילו formula_33 היא עוצמת הייחוס ללחץ של formula_34 ב-1 יארד.
פירוט.
רעש סביבתי (AN - Ambient Noise).
ישנם מספר מקורות של רעש רקע בסביבה הימית בתדרים שונים:
רעש עצמי (SN - Self Noise).
ישנם מספר מקורות של רעש עצמי הנובעים ממקור הקול:
רמת הרעש יכולה להיות רעש סביבתי או רעש עצמי (הגדול מביניהם).
אם הרעש הסביבתי שווה לרעש העצמי, לדוגמה:
אזי מתקיים חיבור פנימי לוגריתמי:
והרעש הכולל הוא:
כלל זה נכון כשמדובר בשני גורמים של אותו רכיב אבל ברכיבים שונים כגון: SL ו-NL החיבור הוא רגיל, לדוגמה:
רמת ההדהודים (RL - Reverberation Level).
הגדרה.
כאשר formula_32 היא עוצמת ההדהודים בהדקי ההידרופון ואילו formula_33 היא עוצמת הייחוס ללחץ של formula_34 ב-1 יארד.
פירוט.
רכיב זה קיים אך ורק עבור מערכת אקטיבית הכוללת משדר ומקלט כגון סונאר אקטיבי.
רמת ההדהודים מבטאת את עוצמת ההד החוזר כתוצאה משידור אות אקוסטי ונובעת מ-3 מקורות אפשריים:
ככל שמתרחקים מהמשדר, ההד קטן כפונקציה של הטווח.
רמת ההדהודים נלקחת בחשבון רק כאשר ערכה גדול מערך הרעש (NL). אם ערכה שווה לערך הרעש מתקיים חיבור פנימי לוגריתמי (כמו ב-9.3) המוסיף 3dB כיוון שמדובר בשני גורמים של רכיב הרעש.
אינדקס הכיווניות (DI - Directivity Index).
הגדרה.
כאשר formula_53 היא העוצמה בכיוון מסוים (בזווית מסוימת) ואילו formula_54 היא עוצמה כל-כיוונית (360 מעלות).
פירוט.
אינדקס הכיווניות הוא היחס בין עוצמת הקול בכיוון מסוים (אלומה) לבין עוצמת רעש הרקע אשר ערכה זהה עבור כל הזוויות.
ככל שהאלומה (עבור מערכת אקטיבית אלומות השידור והקליטה, עבור מערכת פסיבית אלומת הקליטה) צרה יותר, מכוונת לכיוון מסוים ומסתובבת כך אינדקס הכיווניות גדול יותר.
בדרך כלל אינדקס הכיווניות נחשב כרכיב המפחית מרכיב רמת הרעש (NL), כיוון שהשידור/קליטה בכיוון מסוים מסנן רעשים.
חוזק המטרה (TS - Target Strength).
הגדרה.
כאשר formula_56 היא העוצמה המוחזרת מהמטרה ואילו formula_57 היא העוצמה הפוגעת במטרה.
פירוט.
עבור מערכת אקטיבית הכוללת משדר ומקלט כגון סונאר אקטיבי היחס בין עוצמת הקול המוחזר ממטרה לבין עוצמת הקול הפוגע במטרה (עוצמת הקול המשודר במרחק 1 יארד מהמטרה) נקרא חוזק המטרה.
כמו כן ניתן להגדיר רכיב זה כשטח חתך אקוסטי בדומה לשטח חתך מכ"מי (שח"מ) על ידי המשוואה הבאה:
כאשר formula_59 הוא שטח חתך הפעולה האקוסטי.
גודל זה תלוי הן בפרמטרים הפיזיקליים של האות כגון:
והן בפרמטרים הפיזיקליים של המטרה:
סף הגילוי (DT - Detection Threshold).
הגדרה.
לסף הגילוי ישנן 2 הגדרות:
היחס בין ההגדרות השונות מתבטא ב-2 המשוואות הבאות:
פירוט.
בדומה לאלקטרומגנטיות בה קיים יחס אות לרעש (SNR), גם עבור אות אקוסטי קיים מושג דומה והוא מבוטא באמצעות רכיב סף הגילוי המוגדר כיחס בין עוצמת האות לעוצמת הרעש.
בצורה אחרת ניתן להגדיר רכיב זה, בעזרת ההסתברויות לגילוי formula_69 ולאזעקת שווא formula_70 .
חיבור הסתברויות אלו לא שווה ל-1 ונלקחות בחשבון בנפרד:
ערכי הסתברות אלו מצוינים במפרטים של מערכות אקוסטיות כאשר הערכים הנפוצים הם : formula_75 ו-formula_76
סף הגילוי תלוי בעיקר בשני גורמים:
הפסדי המעבר (TL - Transmission Losses).
הגדרה.
כאשר formula_78 היא עוצמת המקור ואילו formula_79 היא העוצמה העוברת במרחק formula_80 מהמקור.
פירוט.
הפסדי המעבר מוגדרים כירידה המצטברת בעוצמת גל לחץ אקוסטי היוצא ממקור קול ומתפשט במרחב הימי.
ככל שהגל מתקדם במרחב, עוצמת האות האקוסטי יורדת וזאת עקב 2 גורמים:
התפשטות (פרישה).
באופן כללי, עוצמה נמדדת בהספק ליחידת שטח ומוגדרת על פי הנוסחה:
כאשר formula_82 הוא ההספק ואילו formula_83 הוא גודל השטח.
התפשטות כדורית (ספירית).
במקרה זה, העוצמה מוגדרת על פי הנוסחה הבאה:
כאשר formula_82 הוא ההספק ואילו formula_86 הוא המרחק ממקור הקול.
הצבת העוצמה בנוסחת הפסדי המעבר מביאה לתוצאה הבאה:
כאשר formula_80 הוא המרחק ממקור הקול שבו נמדדים הפסדי המעבר.
התפשטות כדורית מהווה קירוב עבור התפשטות קול במים עמוקים.
התפשטות גלילית (צילינדרית).
במקרה זה, העוצמה מוגדרת על פי הנוסחה הבאה:
כאשר formula_82 הוא ההספק ואילו formula_86 הוא המרחק ממקור הקול.
הצבת העוצמה בנוסחת הפסדי המעבר מביאה לתוצאה הבאה:
כאשר formula_80 הוא המרחק ממקור הקול שבו נמדדים הפסדי המעבר.
התפשטות גלילית מהווה קירוב עבור התפשטות קול במים רדודים.
הנחתה (בליעה).
ישנם מספר משתנים המשפיעים על ההנחתה:
שילוב שני האפקטים, התפשטות והנחתת גל הקול, מבוטא בנוסחה הבאה:
כאשר formula_80 הוא המרחק ממקור הקול שבו נמדדים הפסדי המעבר ואילו formula_96 הוא רכיב ההנחתה ביחידות של dB לקילויארד.
חישוב הפסדי המעבר.
נוסחאות (14.4), (14.6) ו-(14.7) מהווה קירוב בלבד מאחר שהתווך הימי אינו כדור מושלם או גליל מושלם.
כמו כן, התלות של הפסדי המעבר בגורמים נוספים בלתי צפויים ומשתנים כגון: קיומם של מובלים, אזורי התכנסות ואזורי צל (ראה: צורות התפשטות של גלי קול) אינה מאפשרת חישוב מדויק של הפסדי המעבר.
על מנת לפתור בעיה זו פותחו מודלים לחישוב הפסדי המעבר כאשר העיקריים בהם הם:
יישומים.
סונאר.
סונאר הוא השם שניתן למקבילה האקוסטית של מכ"ם. בסונאר אקטיבי משדרים פולסים אקוסטיים כדי לחקור את הים, ולאחר מכן ההדים המוחזרים מעובדים כדי לחלץ מידע על הים, גבולותיו ואובייקטים מתחת למים. שימוש אלטרנטיבי, הידוע בשם סונאר פאסיבי, מנסה לעשות את אותו הדבר על ידי האזנה לצלילים המוקרנים על ידי אובייקטים מתחת למים. ניתן להשתמש בפרמטרים האקוסטיים כדי לחשב את ה - formula_97 (ספרת הערך) של מערכת הסונאר, המוגדר ככמות המאפיינת רמת ביצועי סונאר ע"פ הפרמטרים האקוסטיים הניתנים למדידה מדויקת. השוואת ערך ה-FOM של מערכת הסונאר לערך הפסדי המעבר (TL), קובעת האם יהיה גילוי במערכת או לא.
תקשורת תת-מימית.
הצורך בתקשורת אקוסטית מתחת למים קיים ביישומים כגון איסוף נתונים לניטור סביבתי, תקשורת עם ובין כלי רכב מאוישים ולא מאוישים מתחת למים, שידור של צוללן, וכו'.
יישום מרכזי של תקשורת אקוסטית הוא שליטה מרחוק מתחת למים. דוגמה בולטת הם משחררים אקוסטיים - מכשירים ימיים לפריסה מחדש ושיקום של ציוד אלקטרוני טבוע בקרקעית הים, שבו הציוד הטבוע מופעל מרחוק על ידי אות פקודה אקוסטי.
המחקר בתחום זה כולל אתגרים משמעותיים, במיוחד בערוצים אופקיים, במים רדודים.בהשוואה לרדיו, רוחב הפס הזמין קטן בכמה סדרי גודל. יתר על כן, מהירות הקול הנמוכה גורמת להתפשטות רב ערוצית היוצרת זמן השהיה של עשרות או מאות אלפיות השנייה והסחות דופלר משמעותיות. לעיתים קרובות מערכות תקשורת אקוסטית אינן מוגבלות על ידי רעש, אלא על ידי הדהודים. אמינות מערכות אלו משופרת באמצעות מערכי הידרופונים, המאפשרים טכניקות עיבוד כגון עיצוב אלומה אדפטיבי.
ניווט ומעקב תת-מימי.
ציוד ניווט ומעקב תת-מימי, משמש לצורך חיפושים ועבודה על ידי צוללנים, כלי רכב תת-מימיים נשלטים מרחוק, כלי רכב תת-מימיים אוטונומיים, צוללות מאוישות וצוללות אוטונומיות כאחד.