Sonar

Sonar (Sound Navigation and Ranging), ses dalgalarını kullanarak cismin boyut, uzaklık ve diğer verileri görmemize yarayan alet. Sesin su altında yayılmasını kullanarak su altında/ üstünde gezmeyi, haberleşmeyi ve diğer cisimleri tespit etmeyi sağlayan bir tekniktir.
Sonar İngilizce “Sound Navigation and Ranging” ifadesinin kısaltımı olan, ses dalgalarıyla bir cismin uzaklığını, boyutunu ve diğer verileri hakkında bilgi almak için kullanılan aletin adıdır. Sonar sistem ilk olarak denizaltıları için üretilmiştir. Ses dalgalarının su altında yayılması özelliğinden faydalanılarak, su altında/üstünde gezinmeyi, mesafe aralığını hesaplamayı, haberleşmeyi ve diğer cisimler hakkında bilgi edinmeyi sağlayan bir tekniktir. Sonarı yunuslar iletişim için, yarasalar ise yön bulmada kullanır.Sonar sistem aktif ve pasif olmak üzere ikiye ayrılır. Pasif sonar gemiler tarafından yapılan sesi dinlemektedir; Aktif sonar atış sesleri yayar ve yankıları dinler.

Tarihi

Bazı hayvanlar (yunuslar ve yarasalar) milyonlarca yıldır iletişim ve nesne tespiti için ses kullansalar da suyun insanlar tarafından kullanımı ilk olarak Leonardo da Vinci tarafından 1490'da kaydedildi. 19. yüzyılda, deniz fenerlerine bir tehlike uyarısı yapmak için bir yardımcı sualtı çanı kullanıldı. Kanadalı mühendis Reginald Fessenden, Boston'daki Denizaltı Sinyali Şirketi'nde çalışırken, daha sonra Boston Limanı'nda test edilen bir sistem olan 1912'den başlayarak deneysel bir sistem kurdu.Bu testte Fessenden derinlik sondajı, sualtı haberleşmesi (Morse kodu) ve echo range (3 km'de bir buzdağı tespit etme) gösterdi. Sözde Fessenden osilatörü, ca. 500 Hz frekans, 3 metrelik dalga boyu ve dönüştürücünün yayılan yüzünün küçük çapı (çapı 1 metreden az) nedeniyle alıcının rüzgârını belirleyemedi. Birinci Dünya Savaşı sırasında, denizaltıları tespit etme ihtiyacı, ses kullanımı konusunda daha fazla araştırmaya yol açtı. Rus fizikçi Paul Langevin, Rus göçmen elektrik mühendisi Constantin Chilowsky ile birlikte çalışırken, 1915 yılında denizaltıları tespit etmek için aktif ses cihazlarının geliştirilmesi üzerinde çalışırken İngilizler hidrofon olarak adlandırılan su altı dinleme cihazlarını daha erken kullanmaya başladı.
Piezoelektrik ve manyetostrikt transdüserleri daha sonra kullandıkları elektrostatik transdüserleri almasına rağmen, bu çalışma gelecekteki
tasarımları etkiledi. Projektörler için Terfenol-D ve PMN (kurşun magnezyum niobat) geliştirilmiş iken, hafif ses hassas plastik film ve fiber optikler hidrofonlar için (su kullanımı için akusto-elektrikli transdüserler) kullanılmıştır. SONAR 1930'lu yıllarda Amerikalı mühendisler kendi sualtı sesi algılama teknolojilerini geliştirdiler ve termoklinler gibi geleceğin gelişimine önemli keşifler yapıldı. İkinci Dünya Savaşı sırasında iki ülke arasında teknik bilgi değiş tokuşundan sonra Amerikalılar, RADAR'ya eşdeğer olarak üretilen sistemler için SONAR terimini kullanmaya başladı.

Materyaller ve Tasarımlar

1915-1940 yılları arasında gelişme konusunda çok az ilerleme oldu. 1940'ta ABD sonarları tipik olarak bir magnetostrikt dönüştürücüden ve bir küresel gövdede bir Rochelle tuz kristaline sırt sırta bağlanmış 1 fit çaplı bir çelik plakaya bağlı bir dizi nikel tüpünden oluşuyordu. Bu gemi gövdesine montajlandı ve manuel olarak istenen açıyla döndürüldü. Piezoelektrik Rochelle tuz kristali daha iyi parametrelere sahipti, fakat manyetostriktif ünite daha güvenilirdi. İkinci Dünya Savaşı süresince meydana gelen kayıplar, manyetostriktif transdüser parametrelerinde ve Rochelle tuzu güvenilirliklerinde ilerlemeyi sürdürerek hızlı araştırma yapılmasını sağladı. Rochelle tuzunun yerine alternatif olarak, üstün bir alternatif olan amonyum dihidrojen fosfat (ADP) bulundu; İlk uygulama, 24 kHz Rochelle tuz transdüserlerinin yerine geçti. Dokuz ay içinde, Rochelle tuzu eskimişti. ADP üretim tesisi, 1940 başlarında birkaç düzine personelden 1942'de binlerce kişiye ulaştı.
ADP kristallerinin en erken uygulanmasından birisi akustik madenler için hidrofonlardı. Kristaller, 3.000 m'den (10,000 ft) uçaklar arasında konuşlandırılacak mekanik şoklara ve komşu mayın patlamalarından sağ çıkma kabiliyetine dayanarak, 5 Hz'de düşük frekanslı kesim için belirlendi. ADP güvenilirliğinin temel özelliklerinden biri sıfır yaşlanma özelliklerinden; Kristal, parametrelerini uzun süreli depolamada dahi korur.
Başka bir uygulama akustik gezme torpidoları içindir. Torpido burnunda, yatay ve düşey düzlemde iki çift yönlü hidrofon monte edildi; Çiftlerden gelen fark sinyallerinin torpido sol-sağ ve yukarı-aşağı yönünde kullanılması sağlandı. Bir önlem geliştirildi: hedeflenen denizaltı, efervesan bir kimyasal madde taburcu etti ve torpido, gürültülü gazlı yemden sonra gitti. Karşı önlem, aktif sonar ile bir torpidodu - torpido burnuna bir dönüştürücü eklendi ve mikrofonlar, yansıyan periyodik ton patlamalarını dinliyordu. Dönüştürücüler, dikdörtgen şeklinde sıra halinde elmas biçimli alanlara düzenlenmiş aynı dikdörtgen kristal plakaları içermektedir.
ADP kristallerinden denizaltılar için pasif sonar dizileri geliştirildi. Çeşitli kristal tertibatları bir çelik boru içine yerleştirildi, vakumla hint yağı dolduruldu ve mühürlendi. Borular daha sonra paralel dizilere monte edildi.
II. Dünya Savaşı sonunda standart ABD Deniz Kuvvetleri tarama sonar bir dizi ADP kristali kullanarak 18 kHz'de çalışıyordu. Bununla birlikte daha uzun aralık istenen ancak daha düşük frekansların kullanılması gereklidir. Gerekli boyutlar ADP kristalleri için çok büyüktü, bu nedenle 1950'lerin başında manyetostriktif ve baryum titanat piezoelektrik sistemler geliştirildi, ancak bunların eşit empedans özelliklerine ulaşması ve kiriş deseninde sorunlar vardı. Baryum titanat daha sonra daha kararlı kurşun zirkonat titanate (PZT) ile değiştirildi ve frekans 5 kHz'e düşürüldü. ABD filosu, bu malzemeyi AN / SQS-23 sonarında birkaç on yıl boyunca kullandı. SQS-23 sonar önce manyetostriktif nikel dönüştürücüleri kullandı, ancak bunlar birkaç ton ağırlığındaydı ve nikel pahalıydı ve kritik bir malzeme olarak değerlendirildi; Piezoelektrik transdüserler bu nedenle ikame edildi. Sonar, 432 bireysel transdüserden oluşan büyük bir dizi idi. İlk önce transdüserler güvenilmezdi, mekanik ve elektriksel arızalar gösteriyor ve kurulumdan hemen sonra bozuluyor; Aynı zamanda birkaç satıcı tarafından üretildi, farklı tasarımlara sahipler ve özellikleri dizinin performansını etkileyecek kadar farklıydı.Bireysel transdüserlerin onarılmasına izin veren politika daha sonra feda edildi ve mühürlerdeki ve diğer yabancı mekanik parçaların sorununu ortadan kaldırarak bunun yerine, onarılamayan mühürlü modüller "harcanabilir modüler tasarım" seçildi.
İkinci Dünya Savaşı'nın başlangıcındaki İmparatorluk Japon Deniz Kuvvetleri, kuvartz bazlı projektörleri kullandı. Bunlar özellikle düşük frekanslar için tasarlandıklarında büyük ve ağırdı; 9 kHz'de çalışan Tip 91 seti 30 inçlik bir çapa sahipti ve 5 kW güç ve 7 kV çıkış genlikli bir osilatör tarafından çalıştırılıyordu. Type 93 projektörleri sağlam kalsiyum sandviçlerden oluşuyordu, küresel dökme demir gövdelerine monte edildi. Type 93 sonarları daha sonra Alman tasarımını takip eden ve magnetostriktif projektör kullanan Tip 3 ile değiştirildi; Projektörler, yaklaşık 16 x 9 inçlik dökme demir dikdörtgen gövdede iki dikdörtgen özdeş bağımsız ünitelerden oluşuyordu. Maruz kalan alan, dalga boyu genişliğinin yarısıydı ve üç dalga boyu yüksekti. Manyetostriktif çekirdekler, 4 mm'lik nikel damgaları ve daha sonra% 12,7 ile% 12,9 arasında alüminyum içeriğine sahip bir demir alüminyum alaşımından yapılmıştır. Güç, 20 V / 8 A DC kaynaktan gelen kutuplaşmayla 3.8 kV'de 2 kW'dan sağlandı.
Japon İmparatorluğu Deniz Kuvvetleri'nin pasif hidrofonları, hareketli bobin tasarımı, Rochelle tuzlu piezo dönüştürücüler ve karbon mikrofonlara dayanıyordu.
Manyetostriktif transdüserler, II. Dünya Savaşı'ndan sonra piezoelektrik araçlara alternatif olarak takip edildi. Nikel kaydırmalı yuvarlak dönüştürücüler, muhtemelen en büyük bireysel sonar transdüserleri olan çapı 13 feet'e kadar çıkan yüksek güçlü düşük frekanslı işlemler için kullanıldı. Metallerin avantajı, yüksek çekme mukavemetine ve düşük giriş elektrik empedansına sahip olmakla birlikte, gerilme mukavemeti öngerilmeyle arttırılabilen PZT'den daha düşük elektriksel kayıplara ve daha düşük bağlanma katsayısına sahiptir. Diğer malzemeler de denendi; Metalik olmayan ferritler, düşük elektrik akımı iletkenliği için düşük girdaplı akım kayıplarına neden olacağı konusunda umutluydu, Metglas yüksek bağlanma katsayısı sundu ancak genel olarak PZT'den daha düşüktü. 1970'lerde, nadir toprak elementleri ve demir bileşikleri, üstün manyetomekanik özelliklerle, yani Terfenol-D alaşımı ile keşfedildi. Bu, olası yeni tasarımları, örn. Bir hibrid magnetostriktif piezoelektrik dönüştürücü. En yeni sch materyal Galfenol'dur.
Diğer dönüştürücüler arasında, boşlukların yüzeyleri üzerinde manyetik kuvvetin etkilendiği değişken relüktans (veya hareketli armatür veya elektromanyetik) dönüştürücüler ve geleneksel hoparlörlere benzer hareketli bobin (veya elektrodinamik) dönüştürücüler bulunur; Son derece düşük rezonans frekansları ve üzerinde düz geniş bant özellikleri nedeniyle sualtı ses kalibrasyonunda kullanılır.
Gemilerin alt kısmına bir transdüktör yerleştirilir. Bu transdüktörün amacı insanın işiteceği veya daha yüksek frekansta ses dalgaları oluşturmaktır. Oluşturulan bu ses dalgaları denizaltılara, kayalara veya herhangi bir cisme çarparak geri döner. Böylece çarpma ve yansımanın sayesinde mesafe hesaplanır. Sesin sudaki hızı havadan yaklaşık 4 kat daha fazladır. Hesaplamalarda buna göre yapılır. Zaman aralığı sesin yansımasının vurması ile yanan bir lamba bir döner disk ile ölçülür. Disk sabit bir hızla döner. Ses gönderildiğinde lamba üstte o noktasındadır. Yansıma ile lamba tam bir daire çizer. Bazı aygıtlarsa bu menzili yani mesafeyi kaydeder. Ya da televizyon gibi ekranda orada ne olduğu anlaşılır. Sonar, daha önceleri ASDIK ismi ile tanınırdı. Su altında ses dalgaları ile yön ve uzaklığı tespit için kullanılır. Ona benzer diğer sistem ise radardır. Çalışma sistemi hemen hemen aynıdır fakat, radar ses dalgaları yerine radyo frekansları kullanır. Çalışma sistemi aynı olan bu iki cihazda sıklıkla bugün kullanılmaktadır. Yarasalar ve yunusların kendilerine ait olan sonarları vardır. Özellikle yarasalar kör olduklarından sonarları sayesinde bir yerlere çarpmadan uçarlar. Yunuslarsa sonar kullanarak sürülerini takip eder ve haberleşirler. Deniz altı inceleme ya da donanmalarda kullanılan sonar sistemlerse biraz daha farklı çalışırlar. Ses dalgaları yollandıktan sonra, mekanik sistemler aracılığı ile bir oluktan geçirilerek yoğunlaştırılır. Bu nedenle bir dizi transdüktör gemi altına yerleştirilir. Böylece yollanan sinyaller bir araya toplanarak daha güçlü frekans yollarlar.
Sonar deniz altı haritaları çıkarmakta, deniz altı maden araştırmalarında, balıkçılıkta, donanmalarda sıklıkla kullanılır. Balıkçılıkta, balığın cinsi ve yoğunluğu ve ne derinlikte olduğu sonarlar ile hesaplanır. Her balık farklı bir şekilde yansıma yaratır.  Yandan taramalı sonarlarsa, deniz dibini tam olarak görüntüler. Deniz altı bitki örtüsü, tabanda olan nesneler, deprem faylarını ve maden yataklarını bulur.