Sualtı akustiği uygulamalarında ışın izleme ve yayılım kaybı hesabının kullanılması
Transmission loss calculation with ray tracing method for underwater acoustics problems
Yazar: BAKİ BATI
Danışman: YRD. DOÇ. DR. A. GÖKHAN YAVUZ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
Işın İzleme (Ray Tracing) Yöntemi optik, elektromanyetik, akustik, jeofizik v.b. alanlarda dalga yayılım problemlerinin çözümünde yaygın olarak kullanılan bir çözüm yöntemidir. Temeli 15. Yüzyıla dayanan sualtı akustiğinde geliştirilen Işın İzleme yöntemlerinden Gaussian Demet İzleme Yöntemi, ışın izleme yönteme dayanan ve ışın izlemenin kostik (bir çeşit süreksizlik) ve mükemmel gölge bölge gibi sorunlarını çözen daha karmaşık bir algoritmadır[3]. Bu algoritma, su altı akustiğinde, ışın yollarının, iletim kaybının ve sinyal ulaşma zamanlarının hesaplanmasında kullanılır. Gaussian Demet İzleme Yöntemi, bir yüksek frekans tekniği olması nedeniyle, derin su ve çok uzak menzil problemlerini hızlı olarak çözebilmektedir. Özel olarak Işın İzleme yöntemi sualtı akustik uygulamalarında ses yayılım yollarının belirlenmesinde, İletim Kaybı hesapları ile sesin vericiden alıcıya ulaşma zamanının hesaplanmasında kullanılır[5]. Hesap işlemi sırasında kullanılan en önemli parametre, hesabın yapıldığı ortama ait ses hızı profili bilgisidir. Her ses hızı farkı su ortamında bir katman yaratır ve bu katmanlar arasında ses Snell yasasına bağlı olarak hareket eder. Sesin izlediği yol boyunca her attığı adım hesaplanarak ulaştığı mesafe ya da varış süresi bilgilerine ulaşılabilir. Işın İzleme sesin enerjisinin bittiği ya da hedefe çarptığı zaman kadar devam eder. Hedefe çarpma işleminin gerçekleşmesi için hedefin ışın yolunda bulunması gerekir. Sesin ilerlemesi esnasında ses ışını izlediği yol boyunca enerjisinde kayıplar yaşar ve bu kayıpların toplamına İletim Kaybı denir. İletim Kaybı; sesin yayılarak enerjisini kaybetmesinden, sesin enerjisinin ısıya dönüşmesinden, su içerisinde partiküllere çarpmasından yada dip ve yüzey yansımalarından kaynaklanabilir. Bu tez kapsamında, sualtı akustik dalga yayılım algoritmaları çalışmaları kapsamında Işın İzleme algoritması ile algoritmayı kullanıcının kolay kullanması amacıyla tasarlanan ileri seviyeli parametrik bir arayüz geliştirilmiştir. Tez kapsamında geliştirilen yazılımda yayılımın yapılacağı ortamın parametreleri, ses ışınını gönderecek olan kaynağa ait özellikler, ulaşılması istenen hedefe ait özellikler, ses hızı profili, sıcaklık profili ve saha parametreleri kullanıcı tarafından girilerek görsel analiz yapılması ve taşınabilir bir simülasyon ortamı sağlanması sağlanmıştır. Geliştirilen yazılım; senaryo veri giriş ekranı, hesaplama işletimi alanı, senaryo kayıt/yükleme/silme alanı, Işın İzleme alanı ve İletim Kaybı alanı olmak üzere 5 ana bölümden oluşur. Bu yazılım yardımı ile hesaplanan sualtı ses yayılım yolları ve İletim Kayıpları, izlenebilmektedir.

Abstract:
Ray Tracing Method is widely used in optics, electromagnetics, acoustics and geophysics as a solution of wave propagation problems. Gaussian Beam Tracing is a complicated method that solves caustic and perfect shadow problems which depends on Ray Tracing Method. This algorithm is used for calculating ray paths, transmission loss and ray travel time. Gaussian Beam Tracing Method is one of problem solving algorithm at underwater acoustics since 15. Century, which can solve acoustic problems for deep water and long distances by reason of being high frequency technique. This algorithm is used for calculating ray paths, transmission losses and travel time of ray in underwater acoustic. Ray Tracing Method is used for determining sound propagation paths, transmission loss calculations and to find travel time passes between transmitter and receiver. Sound speed profile is the most important parameter for calculation process. Every difference in sound speed profile makes a layer in water and sound travels between these layers belonging to Snell?s Law. The range or travel time of sound can be calculated by every step of sound in sound propagation path. Tracing ray continues till the energy of sound finishes or sound arrives to the target. Echo from a target can only come true if the target is on the way of ray path. In every step in ray path, ray loses its energy and sum of these loses named Transmission Loss. Transmission Loss can be caused by spreading, absorbtion, scattering and reflection. In this thesis; Ray Tracing Algorithm, within underwater acoustic wave propagation algorithm calculation, and high level parametric user interface is developed. The software which is developed in this thesis; provides to be able to analyze graphical outputs in a portable simulation and the user can set parameters of sea condition, transmitter, target, sound speed profile, temperature profile and area. This software includes 5 parts, which are input scene, scenario scene, ray tracing graph and transmission loss graph. Sound propagation paths and transmission loss can be calculated by user inputs and can be analyzed by user interface.