Allveeakustika

Allveeakustika on akustika haru, mis uurib helilainetega seotud nähtusi vees. Seejuures uuritakse heliallikaid, helilainete levimist, lainete omavahelist vastasmõju, 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.
Allveeakustika rakendused.
Helilaineid kasutatakse peamiselt
Ajalugu.
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 väga lähedane sarnastes oludes tänapäevaste seadmetega mõõdetuga c = 1439 m/s.
Areng esimese maailmasõja lõpuni.
Allveeakustika ajalugu oli oma algusaastatel seotud suuresti selle peamise rakenduse – sonarite valdkonna arenguga. Sonar on meetod, milles enamasti allveekeskkonnas kasutatakse heli levimist navigatsiooniks, kommunikatsiooniks või veealuste/veepealsete objektide (laevade) leidmiseks/tuvastamiseks. Esimesteks allveeakustika rakendusteks peetakse navigeerimise abivahenditeks mõeldud veealuseid kellasid Ameerika Ühendriikides tuletornide juures. Veealused kellad olid odavamad ja töökindlamad, kui seni kasutusel olnud udupasunad ja -viled. Veealuste kellade kasutamine levis ka Läänemere idarannikule ning teadaolevalt paigaldati neid 1910. aastal Hiiu madalal paiknenud Nekmansgrundi tulelaevale ning tänase Ventspilsi läheduses oleve Oviši majaka juurde. Lisaks hakati 20. sajandi alguses merevägedes üha enam allveelaevu kasutama. Allveelaevadega seonduvalt tekkis ka vajaduse allveeakustika alaste uuringute jaoks. Laienenud allveelaevade kasutusele võtmist kinnitab ka Noblessneri laevatehase loomine 1913. aastal Emanuel Nobeli ja Gustav Lessneri poolt Tallinnas. Asutatud tööstusettevõtte põhitegevuseks oli Bars-tüüpi allveelaevade tootmine Venemaa keiserliku mereväe tarbeks.
1913. aastal leiutati kellahelistamise asemel kasutamiseks Reginald Fessendeni poolt elektrotehniline seade (Fessendeni ostsillaator), mis võimaldas edastada morsekoodis sõnumeid isegi ligi 50 km kaugusele. Esimesed kajaloodide patendid võtsid pärast Titanicu uppumist 1912 Lewis Fry Richardson ja 1914 Fessenden jäämägede kaugtuvastamiseks. Esimesed kajalokatsioonil põhinevad veesügavuse mõõtmised viis läbi 1916 prantsuse uurimisrühm Paul Langevini juhtimisel. Esimese maailmasõja ajal olid Ameerika laevadel ja allveelaevadel kasutusel kuulamisseadmed, mida nimetati SC torudeks. Need kujutasid endast põhimõtteliselt mehaaniliselt suunatavat vette ulatuvate kummiotsadega stetoskoopi.
Sõdade vaheline periood.
Üheks esimeseks oluliseks allveeakustika alaseks teadusartikliks peetakse Saksamaa füüsiku Hugo Lichte 1919. aastal ilmunud artiklit. Antud artiklis esitas Lichte enne sõda tehtud mõõtmistele põhinevaid tähelepanekuid vee temperatuuri, soolsuse ja sügavuse mõjudest helikiirusele vees. Lisaks jõudis ta arusaamisele, et heli levib vees refraktsiooni tõttu talvekuudel kaugemale, kui suvel. Sellised uuringud tõid omakorda kaasa sonarite tehnoloogia arenemise. Tehnoloogia arengu näiteks enne teist maailmasõda võib tuua hüdroakustiliste seadmete võimekuse Eesti merejõudude Kalev-klassi allveelaevadel. Vastavalt Arto Ollile olid Kalev ja Lembit varustatud Atlas Werke AG 500 W veealuse akustilise saatjaga, mille tööulatus oli 5–7 meremiili, hüdrofonidega (ümbrushelide kuulamiseks ja sihtmärkide positsioneerimiseks) tööulatusega 2–2,5 meremiili ja kajaloodiga, mis võimaldas mõõta veesügavusi vahemikes 0–100 m ja 0–500 m.
Esimesed tsiviilotstarbelised laevadele mõeldud kajaloodid tulid Ameerika Ühendriikides ja Suurbritannias müügile 1925. Enne teist maailmasõda tegi allveeakustika suuri samme. 1930. aastate alguses selgitas Marcel Minnaert õhumullide mõju allveehelide levile. Minnaert tegi kindlaks monopoolse heliallikana toimiva õhumulli vabavõnkesageduse vees. Meredes helilevi modelleerimisel mõisteti laialdasemalt helikiiruste (vee temperatuuri ja soolsuse) stratifikatsiooni suurt mõju helilainete murdumisele. Esimesed batütermograafid vee temperatuuri stratifikatsiooni mõõtmiseks ehitati seejuures alles 1930. aastate lõpus. Nende vajalikkust allveeakustika jaoks illustreerib fakt, et teise maailmasõja alguseks olid kõik USA mereväe allveetõrjelaevad nendega varustatud.
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 ümbrushelide 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 kõveraid hakati hiljem nimetama Knudseni kõverateks.
Üks esimesi teadaolevaid allveehelide mõõtmisi Soome lahes toimus varjatud jälgimise eesmärgil teise maailmasõja ajal. Sakslastel oli Porkkala saarestikus, Suursaarel ja Vaindlool allveehelide kuulamiseks kohandatud Atlas-Werke AG (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, Hara laht.
Pärast teist maailmasõda leidis allveeakustika taas rakendusi väljaspool militaarvaldkonda. Akustiline merepõhja kujutamine sai 1960. aastatel võimalikuks külgvaatesonarite ja 1970. aastatel lehviksonarite esiletulekuga. Kajaloodide rakendused laienesid kalandusse kalaparvede lokaliseerimiseks kalaloodide kujul. 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.
Samas tingis külma sõja puhkemine merevägedes allveeakustika alase uurimistöö jätkumise, kuna mõlemad osapooled soovisid saavutada allveesõjas vastase üle otsustavat tehnoloogilist ülekaalu. Antud põhjustel ehitati 1950. aastate lõpus ka NSV Liidu mereväe poolt Hara lahte Suurpea mereväebaas laevade füüsikaliste väljade uurimiseks. Antud baasis oli ka pealvee- ja allveelaevadelt kiirguva ja peegelduva heli mõõtmiseks kolm merepõhja paigutatud mõõteplatvormi, millel igaühel asetses viis hüdrofoni koos eelvõimenditega, veealuste kaablitega ja kaldal paiknevate seadmetega. Mõõtesüsteemi kutsuti nimega Altair ja see koostati Teadusuuringute Keskinstituudis Morfizpribor (Morfizpribor Central Research Institute).
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.
Allveeheliallikad.
Veealuseid heliallikaid jagatakse analoogselt maapealsete helimaastike korral kolme rühma:
Erinevate heliallikate tekitatud helide kogu võib kuulata siin: . 
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, seismilised 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 peetakse helitekitajaks pinnalainete omavahelist mittelineaarne vastasmõju. Sagedustest alates 5 Hz tekitab heli lainetuse tekitatav turbulents, murduva laine langemine veepinnale ja veealuste õhumullide laienemine/implosioon/ostsilleerumine. Seejuures on tuuletekkeliste allveehelide intensiivsus otseses sõltuvuses tuule kiirusest. Sademed nagu vihm, rahe ja lumi tekitavad samuti allveehelisid. Sademetest tekib heli kokkupõrkest veepinnaga ja veealuste õhumullide omavõnkumistest/implosioonist. 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 näiteks 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 veeloomad. Nende hulgas on nii mereimetajaid, kalu kui ka selgrootuid. Helisid kasutavad veeloomad omavahelises suhtluses, aga ka saagi leidmiseks ja püüdmiseks. Kõige paremini teatakse oma veealuste laulude poolest erinevaid vaalalisi. Üheks merede kõige valjemaks loomaks on aga peamiselt soojades meredes elavad naksurkrevettlased. 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.
Helikiirus vees.
Magevees (tihedus 1000 kg/mformula_1) ja merevees (tihedus 1030 kg/mformula_1) on helikiiruse ligikaudsed väärtused atmosfääri rõhu tingimustel vastavalt 1450 m/s ja 1500 m/s. Helikiirus vees suureneb rõhu, temperatuuri ja soolsuse kasvamisega. Destilleeritud vees on maksimaalne helikiirus temperatuuril 74 °C. Temperatuuri suurenedes hakkab sellest temperatuurist alates helikiirus vähenema. Antud maksimaalse helikiiruse temperatuuri väärtus tõuseb rõhu kasvamisega.
Meredes ja ookeanides on helikiiruse arvutamiseks kasutusel lihtsustatud empiirilised valemid. Ühe sellistest laialt levinud valemitest on välja pakkunud Wayne D. Wilson ja see annab helikiiruse formula_3 leidmiseks järgmise valemi:
formula_4,
kus
See empiiriline valem annab õigete temperatuuride, soolsuste ja sügavuste korral helikiiruse tulemuse, mis erineb 96 protsendil kordadest tegelikust väärtusest vähem kui 0,6 m/s.
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.
Heli taju ja mõõtmine vees.
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.
Heli mõõtmine vees.
Kõige laialdasemalt kasutatakse vees helide mõõtmiseks hüdrofoni. Hüdrofon võimaldab mõõta helirõhku, millest arvututakse helirõhutase. Võrreldes õhuga, kasutatakse vees mõõdetud akustiliste suuruste arvutamisel teisi kontrollväärtusi. Vees mõõdetud helirõhutaseme arvutamisel on kontrollväärtuseks 1 μPa. Seetõttu märgitakse seal, kus vees ja õhus mõõdetud helirõhutasemete eristamine on oluline täpsustuseks juurde ka kontrollväärtus näiteks dB re 1 μPa. Allvee helirõhu mõõtmistulemusi esitatakse enamasti sarnaselt õhuakustikaga järgmistes vormides:
Kuna helirõhutase vees erineb helirõhutasemest õhus kontrollväärtuste tõttu, siis on sama numbrilise helirõhutaseme väärtuse korral heliintensiivsus (mõeldud tasalaine helivõimsust ühikpindala kohta) õhus 202×3600 = 1 440 000 korda suurem kui vees. Teisiti öeldes heliintensiivsus õhus olema 61,6 dB suurem, kui samaväärne heliintensiivsus vees.
Lisaks helirõhule mõõdetakse vees ka akustiliste lainetega seotud osakeste (heliosakese) liikumist kirjeldavaid suuruseid (osakese siire, osakese kiirus, osakese kiirendus). Osakeste liikumist kirjeldavaid suurusi saab leida hüdrofonidega mõõdetud rõhuvälja mõõtmistest, aga ka seadmete abil, mis võimaldavad osakeste liikumist mõõta vahetult. Mereloomade helitaju uuringud on tuvastanud, et helirõhu asemel või lisaks helirõhule tajuvad akustilise laine levimisel tekkivat osakeste liikumist ka veeloomad (näiteks kalad).
Veeloomade helitaju.
Vees elavate loomade helitaju uurimisega tegelev teadusharu on allvee bioakustika (underwater bioacoustics). Seejuures on teadaolevate helide suhtes tundlike liikide hulk pidevalt suurenenud. Uuritud on mereimetajate, kalade, mõnede vähilaadsete, sukelduvate veelindude (näiteks kormoranid) ja selgrootute loomade helitaju.
Kaladel on helide tajumiseks kaks elundit: lisaks kõrvale ka küljejooneelund. Küljejoone abil on kalad võimelised tajuma veeosakese liikumist. Veeosakese liikumine annab helirõhu tajumisega võrreldes ka informatsiooni teiste kalade/loomade liikumisest ja paiknemisest vees.
Kalu jaotatakse helide tajumisvõime alusel "kuulmisgeneralistideks" ja "kuulmisspetsialistideks".