איכון באמצעות קול

איכון בעזרת קול (באנגלית: Sound Ranging) הוא שיטה לקביעת קואורדינטות כלי הארטילריה באמצעות ניתוח קולות ירי התותחים או כלי ירי אחרים כדוגמת מרגמות ורקטות. בשיטה דומה ניתן להשתמש על מנת לכוונן ירי ארטילרי ישיר למקום שהקואורדינטות שלו ידועות.
איכון סוללת תותחים הוא רק אחד מהשימושים הצבאיים לאיכון ואיתור מקורם של קולות שנוצרו באוויר, על פני השטח או מתחת לפני המים. הסונאר (מאנגלית SONAR - ראשי תיבות של Sound Navigation And Ranging) הוא דוגמה מוכרת יותר לשימוש כזה. איכון באמצעות קול הוא אחת משלוש שיטות לאיתור הארטילריה שפיתוחן זורז עקב מלחמת העולם הראשונה. השיטות האחרות היו סיורים אוויריים (הן לתצפית ישירה והן למשימות צילום) ואיתור הרשף הנוצר בזמן הירי.
שיטות לאיכון תותחים בעזרת קול הירי התפתחו עוד קודם למלחמת העולם הראשונה, והיו מבוססות על שימוש בשעון עצר או על האזנה למיקרופונים. שיטת "שעון העצר" התבססה על זיהוי רשף ירי התותח, מדידת הכיוון היחסי אליו ומדידה באמצעות שעון עצר של משך הזמן שלקח לקול להגיע. מכפלת הזמן במהירות הקול אפשרה למצוא את המרחק אל מקור הירי. שיטת "ההאזנה" התבססה על האזנה לשני מיקרופונים המצויים במרחק של מספר קילומטרים האחד מהשני ומדידת הפרש הזמנים בין הגעת קול התותח למיקרופון הראשון לבין הגעתו למיקרופון השני. נראה כי הגרמנים השתמשו בשיטה זו במהלך מלחמת העולם הראשונה. לעומתם, מדינות ההסכמה פסלו את השיטה והתייחסו אליה כבלתי יעילה. הם פיתחו שיטות ומכשירים מדויקים יותר לאיכון בעזרת קול שאינם תלויים במהירות התגובה האנושית. פיתוח השיטות והמכשירים נמשך גם אחר כך, והם מצויים בשימוש עד היום.
איכון בעזרת קול בשיטות מדעיות מבוסס על שימוש במספר זוגות של מיקרופונים על מנת לחשב את הכיוון למקור הקול. החיתוך בין התוצאות מאפשר חישוב של מיקומה של הסוללה. את הכיוונים גוזרים מהפרש הזמנים של הגעת הקול למיקרופונים.

הקמת צוות האיכון

באמצע שנת 1915 החלו הבריטים להתעניין בשיטה שפיתחו הצרפתים לאיכון תותחים בעזרת קול. למרות התנגדות נרחבת שנבעה מספקנות לגבי יעילות השיטה הצליח מפקד חטיבת הטופוגרפיה, לוטננט קולונל יואן מקליין ג'ק (Ewan Maclean Jack), לשכנע את המפקדה להזמין מהצרפתים גלוונומטר תיל ולהקים צוות שיבדוק את יעילות השיטה הצרפתית. הבריטים נזקקו לפיזיקאי המבין במתמטיקה, בחשמל ובקול, וביולי 1915 פנו לויליאם לורנס בראג, קצין בארטילריה המלכותית הרכובה בצבא הבריטי. בראג, פיזיקאי יליד אוסטרליה, סיים את לימודיו באוניברסיטת קיימברידג' 3 שנים קודם לכן. הוא התפרסם במאי 1915 כשזכה יחד עם אביו במדליית ברנרד, פרס יוקרתי שחילקה אוניברסיטת קולומביה שבניו יורק, עבור תגליתם המשותפת בתחום פענוח מבנה הגבישים באמצעי קרני רנטגן. בנובמבר 1915, חמישה חודשים לאחר שבראג הצטרף לצוות ההקמה של יחידת האיכון באמצעות קול, הוא זכה, יחד עם אביו, גם בפרס נובל לפיזיקה בגין אותה תגלית.
התברר כי אף על פי שבאופן תאורטי השיטה של הצרפתים להשוואה בין הזמנים שבהם מגיע קול התותח למספר מיקרופונים וחישוב מיקום התותח על פי מהירות הקול היא נכונה, נתקלו בראג ועמיתיו במספר מכשולים טכניים. ראשית, למרות האנרגיה הניכרת של קול התותח (בראג סיפר כי ביושבו בשירותים הצליח קול ירי תותח בריטי מסוללה קרובה להרים אותו ממושבו), הרי התדירות של קול ירי התותח נמוכה מאוד, בין 25 הרץ בתותח שדה ל-10 הרץ בתותחים הכבדים. הדיאפרגמה במיקרופונים שבהם עשו שימוש בתחילה נועדה לקלוט תדרים גבוהים בהרבה - ירי רובה, זמזום חרקים ואפילו צעקות אדם, אבל היא כמעט שלא נעה בתדרים הנמוכים, ולכן התיל בגלוונומטר כמעט שלא זז. שנית, תותח יורה מפיק שני צלילים - צליל הירי עצמו ובום על-קולי בשעה שהפגז עובר את מהירות הקול. הבום העל-קולי, שמיקומו היה חסר משמעות, הגיע ראשון למיקרופונים, ומנע מהם לקלוט את קול ירי התותח שהגיע זמן קצר אחריו. היה צורך בסוג אחר של מיקרופונים שיקלוט אך ורק את התדירות הנמוכה של ירי התותח, אלא שמיקרופון מסוג זה לא היה בנמצא. למרות זאת החליט המפקד האחראי, לוטננט קולונל ג'ק, כי התוצאות שהושגו מהוות הצלחה והורה לבראג להכשיר מחלקות שישתמשו באיכון תותחים בעזרת קול בציוד שהיה בידיהם.

פתרון בעיית המיקרופונים

באמצע 1916 פתר רב-טוראי מהיחידה של בראג בשם טאקר (W. S. Tucker) את בעיית המיקרופונים. טאקר, שלמד פיזיקה באימפריאל קולג' שבאוניברסיטת לונדון, שם לב שגל ההדף הנוצר על ידי ירי התותח יוצר משב רוח קר. מניסיונו בבניית מד רוח נבנה מיקרופון מסוג חדש המבוסס על חוט פלטינה דק מאוד שהושחל בתוך תיבת תחמושת ריקה, עשויה עץ. בתיל הועבר זרם חשמלי שגרם לו להתחמם, דבר שהעלה את ההתנגדות של התיל. התיל היה אחת הזרועות של גשר ויטסטון, ומפל המתח בתיל אוזן על ידי התאמה של נגד משתנה בזרוע הנגדית של הגשר, כך ששום זרם חשמלי לא עבר בו. משב הרוח הקר של גל ההדף מירי התותח צינן לחלקיק שנייה את התיל, הוריד מהתנגדותו וכך עבר זרם בגלוונומטר. מיקרופון זה הגיב אך ורק להדף שנוצר מירי התותח והתעלם מקול הנפץ של הבום העל קולי וגם מקולות אחרים שקלטו המיקרופונים מהסוג המקובל. עדיין היו בעיות לפתור: ראשית, גם משבי רוח רגילים גרמו להפעלת המיקרופון. הפתרון היה לעטוף את תיבת התחמושת ששימשה כמיקרופון בכמה שכבות של רשת הסוואה. הגרמנים שהגיעו גם הם יותר מאוחר לרעיון של מדידת ההדף בטכניקה דומה, לא הצליחו להתגבר על בעיית הרוח ולכן לא יישמו טכנולוגיה זו עד סוף המלחמה. בעיה נוספת הייתה שחרקים נמשכו לחום שפלט חוט הפלטינה והתיישבו עליו וגרמו לקריעתו. בעיה זו נפתרה על ידי כיסוי החורים בארגז התחמושת ברשתות נחושת שמנעה מהחרקים להיכנס.
לא בכל מצב פעלו המיקרופונים של טאקר כהלכה. אם הרוח נשבה מכיוון המיקרופונים לכיוון התותחים היה גל ההדף מוסט כלפי מעלה ולא מגיע אליהם. לעומת זאת גבעות ובניינים המצויים בין המיקרופונים לתותח לא היוו בעיה שכן גלי קול עוקפים מכשולים אלו. המצב האופטימלי היה ערפל ורוח קלה לכיוון המיקרופונים. למזלם של הבריטים, רוב הזמן הייתה הרוח בפלנדריה מערבית, כלומר מכיוון קווי הגרמנים כלפי קווי הבריטים.

יחידות האיכון

יחידת איכון בסיסית כללה שישה מיקרופונים ושני צופים קדומנים. הצופה הראשון שהבחין ברשף של תותח לחץ על מתג המחובר בכבל לגלוונומטר והפעיל את מנוע סרט הצילום. את המיקרופונים פרסו לאורך קשת בת 8 קילומטרים שפנתה כלפי קווי האויב ומוקמה 4.5 קילומטרים מאחורי קו החזית. הסתבר כי סידור זה הבטיח שלכל תותח תהיה תבנית הקלטה משלו ואפשר היה לאכן כל תותח בסוללה גם אם כל התותחים בסוללה ירו בבת אחת. סך הכל נדרשו כ-70 קילומטרים של כבל בעל התנגדות נמוכה שבודד היטב ושנקשר למוטות מעל לפני הקרקע. עובדה זו הצריכה תיקונים תכופים בשל פגיעות של פגזים בכבלים או משום שחיילים בריטים נהגו לגנוב את הכבלים. בתחילה הצליחו מערכות אלו לאכן את מקומם של התותחים ברדיוס של 90 מטרים. את המיקום המדויק של התותח המוסווה איתרו בעזרת צילומי אוויר.
מכיוון שמהירות הקול משתנה עם הטמפרטורה ועם כיוון הרוח, ביצעו הבריטים פיצוצים מבוקרים על מנת למדוד את מהירות הקול הנכונה לאותו רגע, ופותחו טכניקות לתקן את המידע הנרשם על סמך התנאים המטאורולוגיים. נושאים אחרים שנחקרו היו הפריסה האופטימלית וההצבה של "בסיס האיכון לפי קול" – מערך המיקרופונים. נתגלה כי הצורה המיטבית היא לפרוס את המיקרופונים לאורך קו קצר יחסית שצורתו קשת שטוחה. בעזרת שיפורים אלו ניתן היה לאתר בתנאים רגילים את מיקומה של הארטילריה של האויב בדיוק שבין 20 ל-50 מטרים.
התוכנית השתכללה מאוד לקראת סוף מלחמת העולם הראשונה. למעשה השיטה התרחבה וכללה גם את זיהוי קוטר קנה התותח ומטרתו המיועדת וזאת בנוסף למטרה המקורית של איכון מקום התותח. כל מחלקה לאיכון בעזרת קול כללה 18 אנשים (מתוכם 3 קצינים) שבראג אימן תחילה באופן אישי. אחר כך הוא הקים בסיס אימונים לשיטה בעיירה מרלימון (Merlimont-Plage)‏, 30 קילומטרים דרומית לבולון במחוז פה-דה-קאלה. המחלקות שאימן שולבו בפלוגות סקרי השדה שהיו צמודות לכל ארמייה ועסקו בשרטוט מפות ובאיתור תותחי אויב באמצעות זיהוי מקור רשף הירי ובאיכון בעזרת קול. בסוף המלחמה היו בפלוגות אלו כ-5,000 איש והן פעלו בחזיתות צרפת, איטליה, סלוניקי וארץ ישראל. כשהאמריקאים הצטרפו למלחמה ב-1917, הם אימצו את הציוד הבריטי.

השימוש בפועל באיכון בעזרת קול

הגרמנים ידעו שיש לבריטים אמצעי לאיכון תותחים בעזרת הקול והורו שאין לירות בתותח בודד אלא להפעיל כמה תותחים בבת אחת, מבלי לדעת שציוד האיכון של הבריטים אינו מושפע מעובדה זו. באחת ההתקפות שערכו הגרמנים ב-1917 נפל הציוד לידיהם אך הם לא השכילו להבין כיצד הוא פועל. 
במקרים שבהם הצליח הצבא הבריטי להשתלט על אזור גרמני התברר שהמאכנים באמצעות קול איתרו 95% מהתותחים. ב-8 באוגוסט 1918 קצרו הבריטים באמיין את ההצלחה הגדולה ביותר המבוססת על איכון באמצעות הקול; הבריטים תקפו לאחר שבוע של ערפל שבו לא ניתן היה לערוך סיורים אוויריים, ובמהלכו הזיזו הגרמנים את תותחיהם מבלי לדעת שמאכני הקול איתרו אותם בקלות מחדש. סוללות התותחים הבריטיות השמידו את הסוללות הגרמניות ולגרמנים לא נותרה תשובה מול הנשק החדש שהעמידו הבריטים מולם - הטנק. אריך לודנדורף, ראש המטה של מפקד צבא גרמניה, פאול פון הינדנבורג, ושליט גרמניה בפועל, כינה מתקפה זו "היום השחור של הצבא הגרמני".

בין מלחמות העולם

המחקר הבריטי בנושא (כמו גם המחקר במדינות אחרות) נמשך בין שתי מלחמות העולם. בבריטניה הוביל מחקר זה לפיתוח מיקרופונים טובים יותר וציוד הקלטה שעשה שימוש בנייר רגיש לחום במקום בסרט צילום. בנוסף פותח שימוש בקשר רדיו, אם כי רק לשם לקישור בין המיקרופונים לציוד ההקלטה. קשר הרדיו לא איפשר בשלב זה לצופים הקדומניים להפעיל את מכשיר ההקלטה ולשם כך עדיין נאלצו לפרוס כבל שליטה. המצאה נוספת בשנות ה-30 הייתה פיתוחו של ה"קומפרטור" (comparator – המשווה). היה זה מחשב אנלוגי שחישב משוואות דיפרנציאליות מהמעלה הראשונה. המכשיר סיפק אמצעי מהיר להשוות את הקואורדינטות של נפילת הפגז שאותרו בעזרת איכון בעזרת קול עם הקואורדינטות של המטרה המיועדת ומכך הסקת התיקון הנדרש לדיוק בפגיעה במטרה.

מלחמת העולם השנייה

במהלך מלחמת העולם השנייה היה איכון בעזרת קול טכנולוגיה בשלה ובשימוש נרחב, בייחוד על ידי הבריטים (על ידי גדודי הסקר הארטילריים שצורפו לרמת קורפוס) והגרמנים (במחלקות הניטור של הוורמאכט - Beobachtungs Abteilungen). פיתוח הטכנולוגיה נמשך וציוד משופר הונהג לראשונה, במיוחד לאיתור מרגמות. לקראת סוף המלחמה הנהיגו הבריטים שיטת ריבוב שאיפשרה למיקרופונים לשתף כבל אחד אל ציוד ההקלטה.
ב-1944 התגלה כי מכ"ם מסוגל לאתר מרגמות, אבל לא תותחים או רקטות. אף שהמכ"ם היה יכול "לראות" את הפגזים לא ניתן היה לחשב את מסלולם האליפטי.
חיל הנחתים האמריקני כלל יחידות לאיכון בעזרת קול כחלק תקני של גדודי ההגנה שלו. יחידות איכון בעזרת קול אלו היו פעילות במרינס הן לפני מלחמת העולם השנייה והן במהלכה. גם צבא ארצות הברית עשה שימוש במאתרים בעזרת קול; במהלך קרב אוקינאווה השתמש הצבא האמריקני באמצעי האיכון בעזרת הקול על מנת לכוון אש ארטילרית שנועדה לשתק את הסוללות היפניות. היפנים ניסו להתמודד עם שיטה יעילה זו של איתור הסוללות שלהם על ידי טקטיקה של "ירה וזנק" שפירושה ירי של מעט פגזים והזזת התותחים לפני שתגיע התגובה בדמות אש נגד סוללתית. אך בעוד ששיטה זו הייתה טקטיקה יעילה כנגד אש נגדית, היא גרמה להפחתה ביעילות של האש הארטילרית.
במהלך מלחמת העולם השנייה עשו הבריטים שימוש נרחב באיכון בעזרת קול. קיימים ברשת האינטרנט מספר ניכר של יומנים מעולים המציגים את השימוש באיכון בעזרת קול על מנת לאתר ארטילריה. המאמר הבא מתאר את הציוד האלקטרוני הכרוך בפעולות אלו.

מלחמת קוריאה

גם במלחמת קוריאה נעשה שימוש באיכון ארטילריה בעזרת קול, אבל טכניקה זו רק השלימה איתור מרגמות באמצעות מכ"ם וצופי ארטילריה מוטסים. מכיוון שטרם פותחו אמצעי חסימת מכ"ם ולאו"ם הייתה עליונות אווירית במהלך כל המלחמה היו שיטות אלו פשוטות ומדויקות יותר.

מלחמת וייטנאם

איתור אש ארטילריית האויב נעשה במלחמת וייטנאם בעזרת מכ"ם או מטוסים. לאוסטרליה הייתה יחידה קטנה לאיכון בעזרת קול בווייטנאם בין השנים 1970-1967 שהפעילה קווי מיקרופונים צולבים לאיכון אש אויב מכל כיוון שהוא.
באותה תקופה פרסו הבריטים בעומאן ובבורניאו סוללות המכונות 'Cracker' המצוידות במכשור לאיכון בעזרת קול ובמכ"מים מאתרים.
בתחילת שנות ה-70 של המאה ה-20 הונהג לראשונה קשר רדיו VHF שאפשר לצופה בעמדה הקדומנית להדליק את ציוד ההקלטה. ההתקדמות בתחום האלקטרוניקה אפשרה זמן קצר אחר כך להחליף את השרטוט והחישובים הידניים במחשבונים אלקטרוניים.
בכמה מצבאות העולם השלישי היה כוח אדם מספיק לאפשר הצבת אנשים ליד כל מיקרופון, נוהג שלא היה מצוי בצבאות מערביים.

בשנים האחרונות

אף על פי שהחל משנות ה-70 של המאה ה-20 התווספו מכ"מים לאיתור תותחים למכ"מים לאיתור מרגמות, עברה הטכניקה של איכון באמצעות קול תחייה מחודשת משום שצבאות אחדים ממשיכים להשתמש בה למרות מגרעותיה. נראה כי בחלקן גם מכירים בפוטנציאל להפעיל עמדות האזנה קדומניות עבור המכ"מים.
את הגישה החדשה הובילו הבריטים. השיטה פותחה על ידי מעבדת המחקר של חברת פלסי (Plessey) (חברת אלקטרוניקה בריטית המצויה כיום בבעלות הקונצרן המאוחד של ג'נרל אלקטריק וסימנס), הממוקמת באחוזת רוקה (ומכאן שמה באנגלית Roke Manor Research Limited). בשיטה שפיתחה המעבדה הוחלפו המיקרופונים הבודדים בקשת הבסיס באשכולות של ציוד אלקטרוני המקושרים בקשר רדיו VHF לעמדת הבקרה. כל אשכול כלל 3 מיקרופונים המוצבים במרחק של מספר מטרים האחד מהשני, חיישן מטאורולוגיה ויחידת עיבוד. כל אשכול בלתי מאויש האזין לקולות ברציפות וחישב את כיוונו אליו ורשם נתונים נוספים, נתונים אלו נשלחו אוטומטית לעמדת הבקרה בה מוזגו עם הנתונים מהאשכולות האחרים וכך חושב מיקומו של מקור הקול. באבטיפוס של המערכת החדשה הקרויה HALO (ראשי תיבות של Hostile Artillery LOcating – איתור ארטילריה עוינת) נעשה שימוש בסרייבו ב-1995. המערכת בשלב הייצור קרויה ASP ‏ (Advanced Sound ranging Project – פרויקט מתקדם לאיכון בעזרת קול) נכנסה לשרות בצבא הבריטי ב-2001. דווח כי בעיראק, בשנת 2003, הצליחה המערכת לאתר ארטילריה עוינת ממרחק של 50 קילומטרים. המערכת נרכשה על ידי מספר צבאות אחרים, כולל חיל הנחתים האמריקני. מערכת דומה פותחה בגרמניה. כיום נעשה שימוש באיכון קולי לצורך איתור צלפים.
ממשלת ארצות הברית התעניינה באיכון באמצעות קול על מנת לאתר מקורות ירי בערים הגדולות.

איתור בעזרת קול

שימושים צבאיים נוספים מלבד איכון מיקומה של ארטילריה כוללים איתור צוללות ומטוסים. שימושים אזרחיים כוללים איתור חיות הבר, ואיתור המקום ממנו נורו יריות. בעזרת שימוש באותות רדיו יושמה המתודולוגיה הבסיסית של איכון בעזרת קול למערכות ניווט כדוגמת ה-LORAN וה-GPS.
רוב העבודה על איכון מטוסים בעזרת קול נעשתה על ידי הבריטים. הם פיתחו רשת נרחבת של "מראות אקוסטיות" שהיו בשימוש במהלך מלחמת העולם הראשונה והשנייה. "מראות קול" (Sound mirrors) הן למעשה מיקרופונים הנעים על ציר שממטרתם למצוא את הזווית שבה משרעת הקול היא המקסימלית, שהוא גם הכיוון אל המטרה. שתי מראות אקוסטיות במקומות שונים יספקו שני כיוונים שונים, דבר המאפשר בעזרת טריאנגולציה לקבוע את מקומו של מקור הקול.
לפני פיתוח המכ"ם היה איכון בעזרת קול הטכנולוגיה היחידה לאתר מטוסים ממרחק, אך לקראת מלחמת העולם השנייה החל המכ"ם להוות אלטרנטיבה אמינה. עם זאת, תחנות האיכון בעזרת קול המשיכו לפעול כגיבוי. בעוד שאיכון ארטילריה בעזרת קול הייתה שיטה שהתמידה עד ימינו, איכון מטוסים בעזרת קול הוכחה כשיטה בלתי שימושית. כבר במלחמת העולם השנייה היו המטוסים מהירים משמעותית מהמטוסים של מלחמת העולם הראשונה ולכן מערכות האיכון בעזרת קול יכלו לתת אזהרה מוקדמת רק מספר מועט של דקות לפני הגעת המטוס, עובדה זו הפכה אותן לנחותות בהשוואה למכ"ם. תחנות האזנה נטושות קיימות עדיין וניתן לבקר בהן. לאחר מלחמת העולם השנייה לא נעשה יותר שימוש באיכון מטוסים בעזרת קול.