אקוסטיקה תת-מימית

גלי קול במים

גל קול העובר בתווך הימי מוגדר כאוסף של פעולות דחיסה ודילול מכניים של מולקולות המים. פעולות אלו מזוהות במקלט כגון האוזן האנושית או הידרופון כשינויים בלחץ. גלי קול נוצרים באופן טבעי או באופן מלאכותי על ידי אדם באמצעות מכשירים תת-מימיים.

אינטראקציות גבול

גם פני הים וגם הקרקעית הם גבולות מחזירים ומפזרים.

פני הים

שטח פני הים יכול לשמש כמחזיר מושלם עבור מטרות רבות. הבדל העכבות (בין המים לאוויר) בגבול זה הוא גדול כל כך שרק מעט אנרגיה יכולה לעבור אותו. גלי לחץ אקוסטיים מוחזרים מפני הים בפאזה הפוכה הנקראת לעיתים כ-"שינוי של פאי" או כ-"היפוך של 180 מעלות" ומיוצגת מתמטית ברכיב החזרה של מינוס 1. 
בתדר גבוה (מעל 1kHz) או כאשר הים סוער, חלק מגל הקול מתפזר ונלקח בחשבון מתמטית על ידי רכיב החזרה שגודלו בערך מוחלט קטן מ-1. בדרך כלל רכיב ההחזרה ניתן על ידי הביטוי: , כאשר h הוא גובה גלי הים ביחידות שורש ממוצע הריבועים. גורם סיבוכיות נוסף הוא הרוח היוצרת בועות או מביאה דגים קרוב לפני הים. הבועות יכולות להיגרם גם כתוצאה מענן המיתמר ועולה כלפי מעלה הבולע חלק מהקול ומפזר אותו בחזרה.

קרקעית הים

חוסר ההתאמה בין העכבות האקוסטיות של המים ושל הקרקעית הוא בדרך כלל קטן יותר מאשר זה הקיים בפני הים ועל כן הוא יותר מורכב. הפיזור וההחזרה תלויים בסוגי החומרים מהם עשויה הקרקעית ובעומק השכבות. תאוריות שונות פותחו על מנת לחזות את התפשטות גלי הקול בקרקעית.

מבנה התווך הימי

הים מחולק ל-3 שכבות עומק:

שכבת הערבוב

השכבה העליונה שבה מתערבבים המים שבפני השטח עם המים שבעומק הקרוב אליהם ונוצר מצב של שיווי משקל תרמי כך שהטמפרטורה קבועה בשכבה זו ומשתנה לפי עונות השנה (בין 13 מעלות צלזיוס בחורף עד 25 מעלות צלזיוס בקיץ בים התיכון). גודל שכבה זו משתנה בין קיץ לחורף (בים התיכון הוא נע בין 40 מ' בקיץ עד 180 מ' בחורף). מכיוון שבשכבה זו הטמפרטורה קבועה והעומק גדל – גרדיאנט מהירות הקול הוא חיובי.

שכבת התרמוקלינה

השכבה האמצעית בין שכבת הערבוב לשכבת העומק. עקב הפרשי הטמפרטורות בין השכבות, גרדיאנט הטמפרטורה בשכבה זו בדרך כלל שלילי אך משתנה בין קיץ לחורף כאשר בחורף הגרדיאנט מגיע למצב קבוע. מכיוון שבשכבה זו הטמפרטורה קטנה והעומק גדל – גרדיאנט מהירות הקול הוא שלילי.

שכבת העומק

השכבה התחתונה שבה הטמפרטורה קבועה לאורך כל השנה (13 מעלות צלזיוס בים התיכון). מכיוון שבשכבה זו הטמפרטורה קבועה והעומק גדל – גרדיאנט מהירות הקול הוא חיובי.
בדרך כלל המליחות קבועה לאורך אזורים שלמים ולכן . 
לעומת זאת שינוי הטמפרטורה () בשכבת התרמוקלינה גורם לשינוי במהירות הקול של (מטר לשנייה), ואילו השינוי בעומק () גורם לשינוי במהירות הקול של  (מטר לשנייה).
מכיוון שהמהירות אינה קבועה, עבור כל נקודה במרחב הימי נוצרת החזרת ושבירת גל קול על ידי מעבר ממהירות נמוכה לגבוהה וההפך (תלוי בגרדיאנט מהירות הקול) לפי חוק סנל.

צורות התפשטות של גלי קול

ישנן 4 צורות של התפשטות והובלה של גלי קול במים למרחקים עצומים דרך מוליך גלים טבעי:

מובל שטח

עקב קיומו של גרדיאנט מהירות קול חיובי בשכבת הערבוב (שכבת השטח), קרן היוצאת ממקור קול (המוצב בשכבה זו) בזווית כלפי מטה, תישבר ותתעקם כלפי מעלה, עד הגעתה לנקודה מסוימת בשכבה המשמשת כמחזיר מושלם עקב שיקולי אנרגיה. כאשר הקרן חוזרת מאחר שהיא באה ממהירות גבוהה לנמוכה, היא שוב תישבר ותתעקם כלפי מעלה, עד הגעתה לפני הים המשמשים גם הם כמחזיר מושלם וכל התהליך מתחיל מחדש. בסופו של דבר, נוצר גל סינוסואידלי הנע בין פני הים לגבול השכבה. בקרן היוצאת בזווית כלפי מעלה מתרחש תהליך זהה אך הפוך.
הסיבה לקיומו של התהליך המתואר לעיל היא חוק סנל הנקרא גם "חוק הקרניים העצלות". לפי חוק זה, גל הקול כביכול "מעדיף" לנוע במהירות נמוכה מאשר במהירות גבוהה ולכן הקרן נשברת בזווית כלפי המהירות הנמוכה.
העובדה שרוב הקרניים היוצאות ממקור הקול נלכדות בשכבת הערבוב בתהליך שתואר לעיל יוצרת את מובל השטח, דהיינו מוליך גלים טבעי בשכבת השטח.
גודל המובל משתנה גדל בין הקיץ לחורף ולכן עיקר השימוש בו הוא בחורף.
מיעוט הקרניים היוצאות ממקור הקול אינן נלכדות במובל השטח והן משמשות ליצירת צורה נוספת של התפשטות גלי הקול - אזורי התכנסות ואזורי צל.

תעלת קול עמוקה

בנקודה המפרידה בין שכבת התרמוקלינה לבין שכבת העומק ערך מהירות הקול מגיע למינימום. מאחר שגם מעל וגם מתחת לנקודה זו ישנו מעבר גלי קול ממהירות גבוהה לנמוכה מתרחש התהליך המתואר במובל שטח. לכן, נוצר בנקודה זו מובל עומק הנקרא גם תעלת קול עמוקה (ראו גם מוביל גלים).
מאחר שנקודה זו נמצאת בעומק רב, קשה למקם בה מקור קול עמיד.
למרות זאת, נעשה בה שימוש בחילוץ טייס מהתרסקות מטוס צבאי: הטייס משליך מכיסא המפלט מטען נפץ המחובר למד עומק ומתוכנת להתפוצץ בנקודה זו. קול הפיצוץ נשמע למרחק של עשרות קילומטרים וכך ניתן לגלות את מיקום הטייס.

דילוגי קרקעית

כאשר עומק הנקודה האמורה לשמש כמחזיר מושלם עקב שיקולי אנרגיה בצורת התפשטות של אזורי התכנסות ואזורי צל נמצא מתחת לקרקעית, קרן הקול מוחזרת מהקרקעית ועוברת את המסלול המתואר לעיל עד לפני הים וחזרה. בדומה לאמור לעיל, נוצר גל סינוסואידלי אלא שהפעם הוא נע בין פני הים לבין הקרקעית ומושפע מהרכב הקרקעית, האם היא עשויה מחומרים מחזירים או לא.
הצטברות קרניים היוצאות בזוויות קרובות מטה או למעלה ומגיעות לקרקעית יוצרת צורת הולכת גל טבעית נוספת הנקראת דילוגי קרקעית – עקב הדילוג בין פני הים לבין הקרקעית.
מטבע הדברים התופעה נפוצה יותר במים רדודים מאשר במים עמוקים.
להלן דוגמה סכמטית להתפשטות גל קול בצורות שונות:

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.

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.

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.
בניגוד לאותות רדיו הנבלעים במהירות בתווך הימי, אותות קול מתפשטים לטווח ארוך יותר וניתנים למדידה או להערכה מדויקת. לכן, ניתן להשתמש באותות קול למדידת המרחק בין מטרה הנמצאת במעקב לבין תחנת הבסיס בדיוק רב, ובעזרת טריאנגולציה לחשב את המיקום של היעד, לעיתים ברמת הדיוק של סנטימטר. החל משנת 1960, פותחו מערכות מיקום אקוסטיות תת-מימיות המצויות במאה ה-21 בשימוש נרחב.