ekkolod

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning
Sonar -skærme i den amerikanske atomubåd USS Toledo (SSN 769)

Ekkolod er en "metode til at lokalisere objekter i rummet og under vand ved hjælp af udsendte lydimpulser". [1] Ordet er en engelsk akronym for og n navigation en nd r Anging, som kan translateres som lyd navigation og afstandsbestemmelse.

Sonarmålingsteknikker drager fordel af det faktum, at lyd formerer sig meget mindre tabt under vand end i luften, især ved høje frekvenser. Af historiske årsager skelnes der mellem sonaranordninger (kaldet "ekkolod" for kort), som hovedsageligt lokaliserer vandret, og ekkolod, der hovedsageligt lokaliserer lodret.

Lydsignaler kan bruges til ekkolokalisering ( aktiv ekkolod , dette inkluderer også ekkolod ) eller til at lokalisere objekter, der selv udsender lyd.

Aktive sonarer bruger ekkoprincippet som radarsystemer, dvs. de udsender selv et signal, hvis ekko de modtager, og hvorfra de bestemmer afstanden over ekkoets transittid. Ekkolodere er af denne type.

Litteraturen taler ofte om passiv sonar , hvorved disse oplysninger kan referere til den passive driftstilstand for et positioneringssystem, der også er i stand til aktiv transmission. Kun de signaler eller lyde, der genereres uafhængigt af objekter, modtages, hvilket beskytter camoufleringen af ​​sporingssystemet. Hændelseslydens retning kan bestemmes i begge driftstilstande, men præcis og pålidelig afstandsmåling er ofte kun mulig i den aktive driftstilstand.

Sondringen mellem "sonarsystemer", der kan have en passiv driftsmåde ud over den aktive, og "lyttesystemer", som kun tillader passiv lydlokalisering, er ofte ikke klar, især i den engelsksprogede litteratur.

historie

Den passive sporingsevne ved vandlyd var fra det universelle geni Leonardo da Vinci blev første gang nævnt i 1490: "Hvis du dykker et rør ned i vandet og holder den anden ende til øret, kan du skibe på store afstande for at høre. "Om han har anvendt det med succes, er tvivlsomt, da skibe uden motor producerer forholdsvis lidt støj. Men måske var det muligt at høre urets trommeslag for roerne, årernes rytmiske dypning eller knæk på træskibets skrog på denne måde.

Der er navngivet tre mænd, der på omtrent samme tid, fuldstændigt uafhængigt af hinanden, patenterede et aktivt system til lokalisering af isbjerge , hvilket ikke lykkedes mod isbjerge, men var egnet til dybdelokalisering som ekkolod . Alle tre var tilsyneladende under indtryk af Titanics forlis: Disse er Alexander Behm (se ekkolod), den canadiske opfinder Reginald Fessenden og til sidst Lewis Fry Richardson .

Under Første Verdenskrig steg interessen for den videre udvikling af aktiv sonar for at lokalisere ubåde . I 1915 udviklede den franske fysiker Paul Langevin sammen med elektroingeniøren Constantin Chilowski, der var emigreret fra Rusland, det første aktive sonarsystem, der i sidste ende var egnet til at lokalisere ubåde i en afstand på omkring 1500 m. På britisk side blev der udført intensivt arbejde med en aktiv sonar under navnet ASDIC . Der var ingen operationel brug af aktiv sonar i første verdenskrig. På den anden side er der allerede brugt forskellige versioner af passive systemer.

Hydrofon, der kan sammenlignes med den tyske gruppe -lytterenhed (krystal -roterende basenhed) ombord på USS Pampanito fra anden verdenskrig

Selvom udviklingen mellem de to verdenskrige gik relativt langsomt, var tilstrækkeligt udviklede passive og aktive systemer tilgængelige under Anden Verdenskrig . Ikke desto mindre var ubåde i første omgang hovedsageligt placeret, da de dukkede op, fordi de på det tidspunkt kun optrådte midlertidigt i tilfælde af fare eller angreb ("nedsænkbare"). Betydningen af ​​den aktive sonar var at opretholde en lige opnået kontakt med en nedsænket ubåd, uanset dens egne lyde og før dybdeladningen brugte sin afstand, kurs og hastighed til at bestemme.

Ubådens dykkedybde kunne derimod kun estimeres på grund af brydning af lyd i vandet og i første omgang manglende svingningsevne for sonarsystemerne i lodret retning. Ekkolodkontakten gik stort set tabt umiddelbart før dybdeladninger, fordi det angribende skib måtte nærme sig med høj hastighed på afstand for ikke at blive beskadiget af dybdeladningerne, der eksploderede med en tidsforsinkelse.

På grund af skibets egen støj var det ikke muligt at lokalisere ekkoloddet ved middel hastighed eller i det bageste område. Selv dybdeladninger, der allerede er eksploderet, vil forstyrre dem i nogen tid. Sonarsystemernes rækkevidde afhænger stærkt af vand- og vejrforholdene, og det er ofte svært at skelne mellem reelle og tilsyneladende placeringsmål. Dette gav ubådene, der engang havde nået deres størst mulige dybde, gode muligheder for at unddrage sig dybdeafgifter gennem deres egne manøvrer og også at undslippe en aktiv sonarplacering.

Den typiske aktive ekkolod var søgeledsstrålingssonaren ("Search Light Sonar") i frekvensområdet mellem 15 kHz og 40 kHz. Der blev sendt korte lydimpulser, såkaldte pings.

Dækningen af ​​en sektor med aktiv sonar var meget tidskrævende på grund af signaludbredelsestiden (for hvert vinkeltrin). Områdeovervågning var derfor ikke særlig vellykket. I modsætning hertil, med radar, på trods af det lignende funktionelle princip, er områdeovervågning mulig, fordi elektromagnetiske bølger kan bruges, som har en udbredelseshastighed flere størrelsesordener højere i luft end lydbølger i vand.

Når først der er kommet kontakt med et objekt, kan søgeledsstrålings ekkolod holde målet godt. "Split-beam" -teknikken giver hjælp med en todelt modtager, der kan bruges til at bestemme, om målet bevæger sig ud af stråleaksen.

Panorama -ekkoloddet (engelsk PPI - Plane Position Indication ) viste sig først efter Anden Verdenskrig. Det betyder, at der udføres allround- eller sektormæssig udsendelse, og ved modtagelse dannes et sektor- eller allround-billede af et ekkolodsping samtidigt (eller svinges elektronisk meget hurtigt) med en elektronisk retningsdannelse af strålen gennem tilsvarende fase- eller transittid ændres. Dette var den almindelige teknik i de første 20 år efter Anden Verdenskrig.

En stor nyskabelse i 1970'erne var introduktionen af ​​towed array sonar (TAS). I dette passive lokaliseringssystem trækkes en kæde af hydrofoner i en oliefyldt slange langs et langt kabel bag skibet. På grund af olien flyder slangen under vand uden at være flydende. Mekaniske spjæld til akustisk afkobling installeres mellem hydrofonslangen og trækkablet, så skibets vibrationer har mindst mulig forstyrrende indflydelse. Med denne teknologi kan meget lave frekvenser ned til under 100 Hz gøres brugbare. De er ikke svækket meget på dybt vand, men kan ikke afkobles med en antenne på skibet og på grund af den lange bølgelængde krævede meget store dimensioner.

Den seneste udvikling fra omkring 1985 er den aktive lavfrekvente trækekolod eller LFAS (Low Frequency Active Sonar), der fungerer ved frekvenser under 2 kHz, nogle gange ved et par hundrede Hz.

Under den kolde krig blev der gjort en betydelig indsats for at udvikle ekkolodsteknologi, parallelt med de store fremskridt inden for ubådsteknologi. Selv efter afslutningen af ​​den kolde krig er sonarteknologien af ​​stor betydning på grund af den undersøiske terrortrussel og udviklingen af ​​ubemandede undervandskøretøjer (UUV, ubemandede undervandskøretøjer ), især de autonome undervandskøretøjer (AUV Autonomous Underwater Vehicles ), som i stigende grad bestemme søgeområdet.

Sonar -forskningsinstitutter i USA, United States Naval Research Laboratory , i NATO , NATO Undersea Research Center i La Spezia , Italien og Tyskland, Bundeswehr Technical Center for Ships and Naval Weapons, Maritime Technology and Research .

Aktiv ekkolod

Princip for aktiv ekkolod: Tiden fra afsendelse af pulsen til modtagelse af det reflekterede signal er proportional med afstanden til objektet
Indbygget enhed i en "fishfinder" sonar

Der er lavfrekvente (50 Hz til 3 kHz), mellemfrekvente (3 kHz til 15 kHz) og højfrekvente aktive ekkolod.

Lavfrekvente ekkolod bruges som langtrækkende sonarer med overførselsdistancer på over 20 km eller overvågningssystemer til ubådsjagt , dvs. lokalisering af ubåde. Dette skyldes den lave dæmpning af lave frekvenser. Udførelsen udføres normalt som et slæbeanlæg. Mellemfrekvente systemer er de traditionelle underjordiske jagtsystemer. Torpedosonaren i hovedet på en torpedo bruger 20 kHz til 60 kHz. Minejagt og mineundgåelsessonarer bruger frekvenser over 100 kHz på grund af den krævede høje opløsning og den korte afstand, der kræves. Sonarsider fra siden er sonarsystemer, der bruges til forskning og minejagt.

I den civile sektor er for eksempel fiskeskoler placeret med en fiskelup . Afgrænsningen til ekkoloddet er flydende der. Ud over at lokalisere fiskeskoler anvender pelagisk trawlfiskeri netprober baseret på ekkolodprincippet, som muliggør både dybdekontrol af fiskeredskaber og overvågning af afstanden mellem forskydningsbrædderne eller netgeometrien. [2] [3]

Fordelen ved den aktive ekkolod i forhold til den passive ekkolod er, at den let kan bestemme ikke kun retningen, men også afstanden til målet, og at den også er velegnet til mål, der ikke udsender nogen støj. Minejagt og mineundgåelsessonarer er derfor altid aktive ekkolod. Deres ulempe er, at de afslører tilstedeværelsen af ​​en aktivt transmitterende sonarbærer langt uden for systemets opfattelsesområde, og at de kan repræsentere en belastning for miljøet, især for havpattedyr. Ubåde bruger aktiv ekkolod yderst sparsomt, hvis overhovedet.

Såkaldte søgelampe ("søgelys") sonarer er nu forældede og bruges næsten ikke mere. Med denne type system drejes senderen / modtageren mekanisk. Det betyder, at du kun kan registrere i en retning ad gangen. De fleste af nutidens anti-ubåds ekkolod (undtagen træk sonarer) bruger et cirkel- eller delcirkelsystem. Der er sendere / modtagere arrangeret i en cirkel og flere oven på hinanden. På denne måde kan du overvåge alle retninger på samme tid og stadig registrere dem på en målrettet måde. Du kan derefter elektronisk styre individuelle grupper eller dem alle og dermed sende en all-round ping eller ping efter hinanden.

Lydfil / lydprøve Sonarsignaler optaget i stereo med to hydrofoner ? / i

Passiv ekkolod

Hydrofon

Passiv sonar består af mindst en hydrofon (undervands mikrofon ) og anvendes til at detektere undersøiske lyde og andre akustiske signaler. Det passive ekkolod i sig selv udsender ikke lydbølger og kan i modsætning til det aktive ekkolod ikke lokaliseres.

Omfattende hydrofonarrangementer bruges normalt til at bestemme retningen og til at adskille den lyd, du leder efter, fra andre støjkilder. Dette gør det muligt at bestemme målets retning, men ikke dens afstand. Afstanden forsøges gennem komplekse strategier med algoritmer, der evaluerer ens egen bevægelse og målets formodede afstand ved hjælp af ændring af retningslejet (Target Motion Analysis - TMA). En anden, nyere tilgang forsøger at bestemme målets afstand (og dybde) fra lydfeltets lodrette fordeling ved omvendt modellering.

Passiv ekkolod bruges hovedsageligt af ubåde, fordi den ikke afslører placeringen af ​​denne ubåd gennem lydemissioner. Siden omkring 1975 har man brugt akustiske slæbeantenner på op til flere kilometer i længden til at lokalisere ubåde fra overfladeskibe ved hjælp af lavfrekvent stråling, hvilket er svært at reducere. Men succeser med at reducere støjen fra ubåde begrænser nu deres anvendelighed. Derfor er disse bugserede antenner suppleret med akustiske sendere (Active Adjunct), så man går tilbage til aktiv ekkolod (når man lokaliserer med overfladeskibe, ikke fra ubåde).

Generelt kan overfladeskibe primært lokaliseres af kavitationsstøj forårsaget af sammenbrud af bobler forårsaget af "rivning" af vandet i propellerens undertrykområde. Imidlertid er den (støj fra dieselmotoren, pumpestøj, gearstøj, alle de mulige klik og rangler -transienter ) og andre lyde placeret, hvilket også er klassificeringen kan give typen af ​​støjkilde.

Bi- og multistatisk ekkolod

For at finde det optimale kompromis mellem egenskaberne for den aktive og passive ekkolod, har man for nylig vendt sig til bi- eller multistatisk ekkolod. En bistatisk ekkolod er dybest set en aktiv sonar, men senderen er på en anden platform end modtageren. Begge kan være meget langt fra hinanden. Fordelen er, at det aktive signal ikke afslører modtageren. Som følge heraf kan fjenden ikke taktisk tilpasse sig situationen så let med militær ekkolod.

Ulempen er, at senderen og modtageren skal koordineres på en eller anden måde for at udnytte afstandsbestemmelsen og dermed den hurtige målpositionering. Det er også meget vanskeligere at måle systemets ydeevne og bygge et rimeligt display .

I tilfælde af multistatisk sonar bruges flere modtagere (hver på en separat platform, f.eks. Skib eller ubåd) til en sender, muligvis også flere sendere, som alle skal koordineres med hinanden. Dette fører i sidste ende til distribuerede systemer.

Individuelle ekkolodstyper

VDS-enhed på den franske fregat La Motte-Picquet (D645) ; du kan se den bageste del med styrefinner
Dykkerekolod AN / AQS-13 brugt af en H-3 SeaKing-helikopter
Indlæsning af sonoboys i en Lockheed P-3

Ud over de nævnte grundlæggende ekkolodversioner er der en række sonarer, der er forskellige i struktur og anvendelse:

HMS

HMS står for engelsk Hull Mounted Sonar (skrogmonteret ekkolod). (Ubåden) sonaren er fastgjort direkte til skibet, oftest i en særlig bule på stævnen (bue -ekkolod). Denne perle har en anden form og et andet formål end den løgbue, der er udbredt i dag for at reducere strømningsmodstanden. Den mere linseformede ekkolodsudbulning er forrest og dybere end den dybeste del af flykroppen for at opnå et godt udsyn frem og bag.

TAS

TAS ( English Towed Array Sonar), efterfølgende antennesonar eller trukket sonar, refererer til en passiv lavfrekvent ekkolod til U-jagten. Det bugseres bag skibet som en lang line -antenne, en slange med hydrofoner, efter et kabel. Det betyder, at antennen kan betjenes på den mest fordelagtige dybde og fjernes fra støj fra sin egen platform.

FAS

FAS ( engelsk Flankarray -ekkolod), sideantennesonar , refererer til en passiv sonar på begge sider af flykroppen ved ubåde.

LFAS

LFA ( engelsk lavfrekvent aktiv ekkolod), lavfrekvent aktiv ekkolod, kaldet aktive ekkolod med lave frekvenser afhængigt af typen mellem ca. 100 Hz og 3 kHz.

VDS

VDS ( engelsk variabel dybde -ekkolod ): Sonar til variable dybder, beskriver et slæbende ekkolod, der i modsætning til den nyere TAS eller LFAS ikke bruger en lang line -antenne, men en kompakt enhed, der bugseres på et kabel bag skibet.

Mine jagtsonarer

Minejagt-ekkolod (f.eks. Minejagt-ekkolod DSQS11M) er højfrekvente sonarer til påvisning og klassificering af søminer (jord- / ankerminer). Identifikationen udføres derefter optisk af minedykkere eller droner.

Min undvigelsessonar

Mineundgåelsessonarer er højfrekvente aktive sonarer til advarsel om miner.

Dykkende ekkolod

Et dykkende ekkolod Engelsk Dippingsonar er et ekkolod, der er suspenderet fra en helikopter. Tidligere blev der også brugt enkle hydrofoner, derfor ligner en ekkolodbøje; i dag bruges fortrinsvis aktive sonarer, der ligner en VDS.

Sonoboje (ekkolodbøje)

Sonobøjer (ekkolodbøjer) tabes fra fly eller helikoptere til ubådsjagt. De hænger en hydrofon på en forudbestemt dybde og sender modtagne signaler tilbage til flyet via UHF -radiofrekvenser. Der er også mere komplekse sonoboys med flere hydrofoner til retningsdannelse og aktive sonoboys.

Passive sonoboys kan også bruges ubemærket til at optage akustiske "fingeraftryk" fra overflade- og undervandsbiler. Til dette frigives de også fra skibe / både.

Sonar til sidevisning

Sidescan-ekkolod ( engelsk sidescanning-ekkolod) er en billeddannende sonar til forskning og til jagt på mine.

Skadelige virkninger på havpattedyr

Som det fremgår af obduktioner af strandede havpattedyr , har en række hvalstrængninger siden 1985 været forbundet med militære sonarforsøg.

I december 2001 indrømmede den amerikanske flåde medvirken til flere havpattedyrs stranding og død i marts 2000. [4] Medforfatteren af ​​hendes foreløbige rapport [5] konkluderer, at dyrene var nogle flådeskibe, der blev dræbt af den aktive sonar eller såret.

De aktive lavfrekvente ekkolodsystemer (Low Frequency Active Sonar, LFAS), der bruges i den militære sektor, kan med deres lydtryk på op til 240 decibel skræmme og bedøve havpattedyr som hvaler og delfiner og formodentlig dræbe dem som en resultat af hurtige ændringer i dybden ( dekompressionssygdom ). [6] Kaskelothvaler kan generere tilsvarende høje lydtryk. Placeringssignaler på op til 180 decibel blev målt bag hendes hoved, lydtryksniveauet foran hendes hoved er sandsynligvis op til 40 decibel højere. [7] For blåhvaler er angivet mere end 180 decibel. [8.]

Med denne information skal det tages i betragtning, at en anden referenceværdi (1 mikropascal ) anvendes til dB enhed for tryk med vand- bårne støj end for luftbåren støj (20 TPa). For identiske absolutte tryk er det angivne vandbårne lydtryksniveau nøjagtigt 26 dB højere, [9] et lydtrykniveau på 26 dB specificeret for vand svarer til et lydtrykniveau på 0 dB for luft (nogenlunde den menneskelige høretærskel) . (Referenceværdierne for intensitetsniveauer adskiller sig endnu mere, referenceværdien for luft er 10 −12 watt / m² og for vand 6,7 · 10 −19 watt / m², så der med den samme absolutte værdi er en numerisk forskel på 61,7 dB.) [9]

De undersøgte dyr viser ikke desto mindre alvorlig fysiologisk skade, herunder hjerneblødning, vaskulære skader, vesikeldannelse i blodet og kardiovaskulær kollaps. Det må også antages, at der er et stort antal urapporterede tilfælde, da dyr, der dør i det åbne hav, synker til havbunden og forbliver uopdaget.

Se også

litteratur

  • Robert J. Urick: Principper for undervandslyd. 2. udgave. McGraw-Hill Book Company, New York NY 1975, ISBN 0-07-066086-7 .
  • Heinz G. Urban: Håndbog i vandbåren lydteknologi. STN Atlas Electronics, Bremen 2000.
  • Gerhard Aretz: Sonar i teori og praksis til undervandsapplikationer. Monsenstein og Vannerdat, Münster 2006, ISBN 3-86582-393-9 .
  • Philippe Blondel, Bramley J. Murton: Håndbog om billedbilleder fra havbunden. Wiley et al., Chichester et al. 1997, ISBN 0-471-96217-1 ( Wiley Practice Series in Remote Sensing ).
  • Harrison T. Loeser (red.): Sonar engineering Handbook. Peninsula Publishing, Los Altos CA 1992, ISBN 0-932146-02-3 .
  • Forlader sonarer skibet? I: Hansa - International Maritime Journal . Januar 2003, s.   38-42 .

Weblinks

Commons : Sonar - samling af billeder, videoer og lydfiler

Individuelle beviser

  1. Sonar . duden.de; Hentet 13. august 2011.
  2. Trål sonde. Scanmar, adgang 5. oktober 2018 (amerikansk engelsk).
  3. Netværksprobesystemer. Thünen Institute, adgang til den 5. oktober 2018 .
  4. Ubådslokalisering dræber hvaler . telepolis , 14. januar 2002; Hentet 2. september 2013.
  5. Fælles delårsrapport, Bahamas Marine Mammal Stranding, begivenhed den 15.-16. Marts 2000 , ( erindring af 4. oktober 2013 i internetarkivet ) (PDF; 1,6 MB) bahamaswhales.org, december 2001; Hentet 2. september 2013.
  6. Ulf Marquardt: Helvede støj i stilhedens rige. (PDF) WDR, 9. oktober 2007, adgang til 9. maj 2017 .
  7. Med mikrofonen i dybhavet . NZZ.ch, 20. november 2002; Hentet 28. september 2011.
  8. Vores dyrevenner - rigtige superører . Planet skole; Hentet 28. september 2011.
  9. a b Reinhard Lerch, Gerhard Martin Sessler, Dietrich Wolf: Teknisk akustik . Grundlæggende og applikationer. Springer, Berlin / Heidelberg 2009, ISBN 978-3-540-23430-2 , s.   539 (kapitel 17.1 Lydformering i vand).