Allveeakustika

Allveeakustika on akustika haru, mis uurib helilainetega seotud nähtusi vees. Seejuures uuritakse heliallikaid, helilainete levimist, nende lainete omavahelist interaktsiooni, peegeldumist ja murdumist veekihtidel ning vee piirikihtidel (näiteks vee ja õhu piirikiht, vee ja merepõhja piirikiht). Peamiselt käsitletakse allveeakustikas helinähtusi veekogudes ja enamasti looduslikes veekogudes nagu ookeanid, mered, järved ja jõed. Allveeakustika rakenduslikuma taustaga allharusid nimetatakse mõnikord ka hüdroakustikaks.

Vees helikiiruse mõõtmine

Tinglikult võib allveeakustika alguseks pidada aastat 1826. Sel aastal mõõtsid teadaolevalt esmakordselt helikiirust Genfi järves prantsuse matemaatik Charles Sturm ja šveitsi füüsik Daniel Colladon. Nende mõõteseadmestik koosnes paadilt vette lastud kellast ja sellest 13–14 km kaugusel vee alla ulatuvast kuuldetorust. Kellalöömise aja fikseerimiseks kasutati põlevast pulbrist tekkinud välgatust. Helikiiruseks 8 °C vees määrati c=1435 m/s, mis on äärmiselt lähedane sarnastes oludes tänapäevaste seadmetega mõõdetuga c=1439 m/s.

Teine maailmasõda ja Soome laht

USA oli teise maailmasõja alguseks arendanud peamiselt kõrgsageduslikke aktiivsonareid. Saksamaa kasutas aga hea võimekusega hüdrofonide võredel põhinevaid passiivseid sonareid. Sonarite võimekuse ennustamiseks vajalikud süsteemsed ümbritsevate helide uuringud ookeanides said alguse 1940. aastatel. Erilise põhjalikkusega uuriti sagedusriba 20–50 000 Hz Vern Knudseni juhitud uurimisrühma poolt. Sõjaaegseid uuringuid kokkuvõtvaid logaritmilises skaalas olevaid sirgeid jooni hakati hiljem nimetama Knudseni kõverateks.
Esimene teadaolev allveehelide mõõtmine Soome lahes toimus varjatud jälgimise eesmärgil teise maailmasõja ajal. Sakslastel oli Porkkala saarestikus, Suursaarel ja Vaindlool allveehelide kuulamiseks kohandatud Atlas-Werke (Unterwasserschall-Gruppenhorchanlagen für Kustenhorchstationen) toodetud GHC allveehelide seire süsteem. Antud süsteem koosnes kahest üksteisest 3–6 km kaugusel kümnest ringjalt võres paiknevast hüdrofonist, mis olid paigutatud mere põhja 8–12 km kaugusele kaldast.

Pärast teist maailmasõda

Pärast teist maailmasõda leidis allveeakustika taas rakendusi väljaspool militaarvaldkonda. Akustiline merepõhja kujutamine sai 1960. aastatel võimalikuks külgvaatesonarite ja 1970. aastatel lehviksonarite (multi beam echo sounders) esiletulekuga. Kajaloodide rakendused laienesid kalandusse kalaparvede lokaliseerimiseks. Lisaks arendati meregeoloogia jaoks akustilisi profileerijaid merepõhja setete ja mere aluspõhja uuringuteks. Veealuseid akustilisi sideühendus- ja positsioneerimissüsteeme kasutatakse tänapäeval mitmesuguste rakenduste tarbeks laialdaselt. Akustilised Doppleri nihkel põhinevad hoovuste profileerijad olid füüsikalises okeanograafias laialt levinud mõõteriistaks juba 1980. aastate lõpust.
Inimtekkeliste allveehelide võimalikest halbadest keskkonnamõjudest saadi USA-s teadlikuks 1970. aastate lõpus, pärast esimesi nafta- ja gaasipuurtornide põhjustatud helidest tulenevate arktiliste mereimetajate häiringu reaktsioonide uurimisi. Madalsageduslike aktiivsonarite mõju mereimetajatele on uuritud alates 1990. aastate keskpaigast, kui esimesi suurearvulisi vaalade kaldale kinnijäämisi hakati seostama militaarsonarite kasutamisega.

Inimtekkelised heliallikad

Inimtekkelisteks heliallikateks on kõik objektid, mis inimtegevustega seotult vee alla helisid edastavad. Inimtekkelisi allveehelid võib tinglikult jagada tahtlikeks ja mittetahtlikeks helideks. Mittetahtlike puhul tekib helid inimtegevuste kõrvaltulemina ja tahtlike helide korral on heli tekitamine oluline ja/või vältimatu osa tegevusest. Tahtlike hulka kuuluvad näiteks lõhkamised, merepõhja seismilised uuringud, sonarid ja akustilised peletajad. Tahtmatult tekkinud helisid tekitavad näiteks laevad ja merelised tööstuslikud tegevused nagu nafta puurimine, vaiade rammimine ja meretuuleparkide töötamine. Lisaks antud jaotusele on levinud ka jaotus helide kestvuse ja intensiivsuse alusel. Eristatakse impulss- ja pidevheliallikaid, kus impulssheliallikad on lühikese ajalise kestvusega, kuid suure intensiivsusega. Impulssheliallikateks on näiteks lõhkamised, seismiliste uuringud ja vaiade rammimine ehitustöödel meres. Pidevmüra allikateks on näiteks tiheda liiklusega laevateed, meretuulepargid ja merepõhja süvendustööd.

Eluta looduse heliallikad

Veepinnal või selle läheduses olevad eluta looduse heliallikatest peamised on tuuletekkelised ja sademetega seotud. Seejuures neist laialdasem on tuuletekkeline vee pinnalainetus. Väga madalatel sagedustel 0,1–5 Hz on helitekitaja lainete omavaheline mittelineaarne vastasmõju. Sagedustest alates 5 Hz tekitab heli lainetusest tulenev turbulents, murduva laine langemine veepinnale ja veealuste õhumullide laienemine/lõhkemine/ostilleerumine. Seejuures on tuuletekkeliste helide intensiivsus on otseses sõltuvuses tuule kiirusest. Sademed nagu vihm, rahe ja lumi tekitavad samuti allveehelisid. Sademetest tekib heli kokkupõrkest veepinnaga ja veealuste õhumullide omavõnkumistest/lõhkemised. Kogu veesamba ulatuses on alates 100 000 Hz oluliseks heli tekitajaks vees olevate vabade laengukandjate korrapäratu liikumine, mille tekitatud heli nimetatakse soojusmüraks. Allveehelisid tekitavad ka veealused vulkaanid, seismiline aktiivsus, settetransport merepõhjas ja maalihked. Külmemas kliimas on oluliseks helitekitajaks veekogude jääkate. Jää tekkega, liikumisega ja sulamisega on seotud palju erinevaid helisid. Samuti tekitab lainetus jää-äärel kindlaid iseloomulikke helisid.

Elus looduse heliallikad

Allveehelisid tekitavad oma elutegevuse käigus ka erinevad mereorganismid. Nende hulgas on nii mereimetajaid, kalu kui ka selgrootuid. Helisid kasutavad mereloomad omavahelises suhtluses, aga ka saagi leidmiseks ja püüdmiseks. Kõige paremini teatakse oma veealuste laulude poolest erinevaid vaalalisi. Üheks merede kõige valjemaks loomaks on aga soojades meredes elav püstolkrevett. Läänemeres teevad vee all helisid pringlid, loivalised (hallhüljes, randal ja viigerhüljes) ja mitut liiki kalad (näiteks tursk, heeringas ja räim).

Allvee helilevi

Vees levivad helilained pea viis korda kiiremini, kui õhus. Kuivas õhus temperatuuril 20 °C on helikiirus ligikaudu 343 m/s ehk 1235 km/h. Samas on magevees helikiirus 1 atm rõhu korral ligikaudu 1450 m/s ehk 5220 km/h. Eesti päritolu teadlastest on Ants Tõnis Piip uurinud helikiirusi ja sellega seotud "helikanaleid" ookeanides.

Helilainete levimine vees

Helilainete levimist vees mõjutavad erinevad tegurid. Helilevi suuna määrab helikiiruste muutlikkus vees. Veekogudes on levinud, et vertikaalsihis erinevad helikiirused omavahel oluliselt rohkem, kui horisontaalsihis ehk veekogudes esineb helikiiruste osas stratifikatsioon. Teatud levinud helikiiruste stratifikatsioonid toovad esile helilevis just veekeskkonnale tüüpilisi iseärasusi. Üks sellistest iseärasustest on näiteks teatud tingimustel väikeste edastamise kadudega helilainejuhtide ehk helikanalite tekkimine meredes ja ookeanides. Selline lainejuht tekib näiteks termokliini ja sügavusega suureneva rõhu koostoimel. Termokliini tõttu on helikiirus kõrgeima temperatuuri tõttu suurim veepinnale lähemates kihtides. Seejärel helikiirus sügavusega väheneb vee temperatuuri languse tõttu. Samas helikiirus suureneb koos sügavusega rõhu suurenemise tõttu. Viimase kahe koosmõjul leidub veesambas helikiiruse sügavussõltuvuse miinimum, kus tekibki väikese edastamise kaoga helilainejuht. Helikanali lihtsustatud analoog optikast on valguse levimine täieliku sisepeegelduse korral.

Allveehelilevi modelleerimine

Allveehelilevi nagu helilevi üldiselt kirjeldab helilainevõrrand koos vastavate rajatingimustega. Samas on veealuse helilevi hõlpsamaks kirjeldamiseks välja pakutud erinevaid mudeleid. Kõige enam levinud on seejuures kiirte teooria, normaalmoodide lahendid ja lainevõrrandi paraboolse võrrandi lihtsustus. Kiirte teoorial on analoogia valguskiirte kasutamisel valguse levimise kirjeldamiseks optikas. Kiirte teooria võimaldab suhteliselt täpselt kirjeldada kõrgsageduslike helilainete levi, kuid selle täpsus langeb madalsageduslike helilainete korral.

Inimeste kuulmine vees

Kõige madalam helirõhutase, mida inimene sukeldudes võib tajuda, on ligikaudu 67 dB re 1 μPa, kõige tundlikum ollakse seejuures sagedusribas, mis jääb 1 kHz ümbrusse. Nagu õhus, võivad ka vees kõrged helirõhutasemed olla sukeldujatele ohtlikud. Vastavad allvee helitasemetega seotud eeskirjad on sukeldujatele esitatud NATO Allvee Uurimiskeskuse poolt projektis SOLMAR. On täheldatud sukelduja pulsi ja hingamissageduse tõusu, kui ta on veekeskkonnas mille helirõhutase ületab 154 dB re 1 μPa sagedusribas 0,6–2,5 kHz. Ebameeldivustunde tekkimine madalamatel sagedustel sõltub helirõhutasemest ja sagedusribast.