عمق سنج

عمق سنج یا همان Echo sounder یک دستگاه با کارکرد ساده و بخشی از سوییت سونار شناور است که وظیفه‌ی نمایش عمق را عهده‌دار است. این دستگاه به کمک ارسال امواج صوتی به کف دریا و دریافت پژواک بازگشتی عمق را محاسبه می‌کند. در فرمول محاسباتی دستگاه سرعت صوت (حدودا 1.5 کیلومتر در ثانیه) و مدت زمان رفت و برگشت مشخص است. لذا عمق را به راحتی می‌توان به دست آورد و در اختیار سامانه‌های ناوبری قرار داد. البته در کاربردهای دقیق اقیانوس شناسی لازم است سرعت صوت را با دقت بالایی به دست آورد چرا که سرعت با توجه به شوری، دما و برخی پارمترهای دیگر آب تغییر می‌کند. در این کاربردها یک پراب اندازه گیری سرعت صوت نیز در آب قرار می‌گیرد.

برای رسیدن به نتیجه مناسب معمولاً تلاش می‌شود امواج به صورت عمود به کف تابانده شوند تا انکسار و شکست رخ ندهد در غیر اینصورت از دو مبدل متصل در دو سمت شناور جهت تابش و دریافت بازتاب زاویه دار امواج استفاده می‌شود. یک عمق‌سنج به طور کلی شامل سه بخش منبع تغذیه، ثبت‌کننده یا نمایشگر و تراندویسر است. تراندویسر وسیله‌ای است که وظیفه تبدیل سیگنال‌های الکتریکی به امواج مکانیکی قابل انتشار در آب و دریافت پژواک صوتی و بازگرداندن آن به سیگنال‌های الکتریکی قابل درک برای سیستم را به عهده دارد. در این نوع سنسورها از دو روش پیزوالتریک و مغناطیسی ‌جهت انجام روند یاد شده استفاده می‌شود.
در روش مغناطیسی اتفاقی همانند آنچه در اسپیکرهای سنتی رخ می‌دهد اتفاق می‌افتد، بدین ترتیب که یک سیم‌پیچ مغناطیسی با حرکت دادن یک صفحه امواج الکتریکی را به امواج صوتی تبدیل می‌کند و در دریافت امواج، عکس این روند اتفاق می‌افتد.
در روش پیزوالکتریکی ﻫﻨﮕﺎﻣﻲ ﻛﻪ ﻳﻚ ﻣﻨﺒﻊ ﻭﻟﺘﺎﮊ ﻣﺘﻨﺎﻭﺏ ﺑﺎ ﻓﺮﻛﺎﻧﺲ ﻣﻨﺎﺳـﺐ ﺟﻬـﺖ ﺭﺍﻩﺍﻧـﺪﺍﺯﻱ ﺑـﻪ ﺳﻨـﺴﻮﺭ ﺍﻋﻤـﺎﻝ ﺷﻮﺩ؛ ﻋﻨﺼﺮ ﭘﻴﺰﻭ ﺍﻟﻜﺘﺮﻳﻚ ﻗﻄﺒﻴﺪﻩ ﺷﺪﻩ، ﻭ ﺑﻪ ﺻﻮﺭﺕ ﻣﻜـﺎﻧﻴﻜﻲ ﻣﺘﻨﺎﺳـﺐ ﺑـﺎ ﻭﻟﺘـﺎﮊ ﺍﻋﻤـﺎﻟﻲ ﺍﺯ ﺣﺎﻟﺖ ﺍﻭﻟﻴﻪ ﺧﺎﺭﺝ ﺷﺪﻩ ﻭ ﻳﻚ ﻣﻴﺪﺍﻥ ﺻﻮﺗﻲ ﺗﻮﻟﻴﺪ ﻣﻲﻛﻨﺪ. و عکس همین روند در دریافت امواج رخ‌ می‌دهد.

پراب اندازه گیری سرعت صوت

ترانسدویسر

9- سرعت سنج
جهت ناوبری صحیح شناور علاوه بر نیاز به سنجش عمق به سنج دقیق سرعت نیز نیازمندیم. وسیله‌ای که از آن برای سنجش سرعت استفاده می‌شود سرعت‌سنج یا Speed log نام دارد. جهت دستیابی به اندازه متغییر سرعت سه روش مهم وجود دارند که آنها را بررسی می‌کنیم.

الف) سنجش سرعت به کمک بررسی تغییرات فشار آب
زمانی که یک میله استوانه‌ای را درون آب فرو می‌کنیم با توجه به فشار استاتیک موجود آب وارد استوانه شده و در ارتفاعی برابر با ارتفاع بیرون استوانه قرار می‌گیرد. در صورتی که استوانه را درون آب حرکت دههیم یک فشار دینامیک نیز ایجاد می‌شود و در نتیجه این امر سطح آب درون استوانه نیز تغییر پیدا می‌کند. با استفاده از این اصل ساده می‌توانیم یک سرعت‌سنج دریایی بسازیم.
همانطور که در شکل زیر پیداست آب به یک پرده دیافراگم حساس فشار وارد می کند. جهت دستیابی به اندازه خالص فشار دینامیک لازم است فشار استاتیک را حذف کنیم به همین جهت ورودی دیگری در سمت دوم دیافراگم قرار دارد که تنها فشار استاتیک را دریافت می‌کند و سبب می‌شود فشار استاتیک سمت دیگر دیافراگم حذف گردد. با اندازه گیری فشار دینامیک و مقایسه آن با یک منبع داده می‌توان سرعت را با دقت مناسبی محاسبه کرد.

ب) سنجش سرعت به کمک اثر القا مغناطیسی
این روش یک روش پرطرفدار و معمول جهت سنجش سرعت شناورها است. در این روش از یکی اصول الکترومغناطیسی کشف‌شده توسط میشل فاردی استفاده می‌شود. بر اساس این اصل در هرجسم که دارای سرعت نسبتی درون یک میدان مغناطیسی (میدان ثابت-جسم متحرک، جسم ثابت- میدان متحرک، هردومتحرک با سرعت‌های متفاوت) باشد، مقداری جریان الکتریکی القا می‌شود. این همان اصلی است که در ژنراتورها از آن برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می‌شود.

در سرعت‌سنج‌های مغناطیسی یک میدان مغناطیسی ثابت توسط سلونوئید نصب شده در بدنه یا رها‌شده در آب تولید می‌شود. با حرکت کشتی، آب درون این میدان به جریان می‌افتد، هرچه سرعت بیشتر باشد میزان جریان بیشتر شده و خطوط مغناطیسی با سرعت بیشتری توسط جریان آب قطع می‌شوند که این امر سبب تولید یک جریان الکتریکی می شود. با اندازه گیری این جریان توسط دو الکترود کوچک و مقایسه آن با منبع داده می‌توان سرعت شناور را بدست آورد.

پ) سنجش سرعت به کمک اثر داپلر
اوایل قرن نوزدهم میلادی کریستین داپلر متوجه تغیرات رنگ یک ستاره در موقعیت‌های مختلف شد و همین امر این دانشمند هوشمند را به کشف اثری مهم به نام اثر داپلر رهنمون ساخت. کشفی که تا به امروز در بسیاری از ضمینه‌های مخابراتی و الکترونیکی مورد استفاده قرار گرفته است. بر اساس قانون داپلر در دید یک ناظر ثابت اموج تولیدشونده توسط یک جسم در حال حرکت هنگام نزدیک شدن به ناظر منبسط و هنگام دور شدن از آن منقبض می‌شود. این اثر را بارها و بارها در خیابان‌ها وقتی یک اتومبیل آژیرکشان از کنار شما عبور می‌کند مشاهده کرده یا شاید به تغییر صوت یک جت در حال پرواز قبل از و بعد از عبور آن از نزدیکی خود توجه کرده‌اید.

بین میزان انبساط و انقباض امواج تولیدی توسط جسم متحرک و سرعت آن یک رابطه‌ی ریاضی وجود دارد که به کمک آن به راحتی می‌توان سرعت جسم را محاسبه کرد.
در شناورها به کمک ارسال و دریافت امواج صوتی توسط یک یا چند ترانسدویسر و تجزیه تحلیل امواج پژواک شده از کف دریا بر اساس قانون داپلر می‌توان سرعت شناور را محاسبه کرد. سرعت‌سنج های داپلری مدرن امروزی قادرند سرعت شناور را با دقت 0.1 درصد محاسبه نمایند.

10- شناورهای بدون سرنشین زیرسطحی
سنسورهای مستقر در شناورهای سطحی دارای یک محدودیت اساسی هستند که عملکرد آنها را به شدت تحت تاثیر قرار می‌دهد این محدودیت چیزی نیست جز مکان استقرار آنها! یک سنسور نصب شده در شناور ممکن است تحت تاثیر نویزهای تولیدی شناور قرار بگیرد یا اینکه امواج تولیدی آن تحت تاثیر برخی پارامترهای متغیر آب شکسته شوند و بدین ترتیب در یک کانال خاص محدود شوند. این امر سبب می‌شود شناور در برابر زیردریایی‌ها یا مین‌ها آسیب‌پذیر باشد. به عنوان مثال همانطور که می‌دانیم فشار آب، دمای آن یا میزان غلظت مواد معدنی آن در عمق‌های مختلف تغییر می‌کند و این امر سبب می‌شود انتشار امواج صوتی در آب با تغییر سرعت، تغییر طول موج و نهایتا شکست‌های متعدد روبرو شود. ممکن است امواج تولیدی سوییت سوناری هرگز به گیرنده بازنگردند و یک نقطه کور ایجاد شود یا بازگردند و اطلاعاتی فریبنده در اختیار سیستم قرار دهند. این همان اشتباهی است که چشم انسان در برابر اشیا زیر آب مرتکب می‌شود. به شکل‌ زیر دقت کنید:

یک روش برای غلبه بر این محدودیت استفاده از سنسورهای یدک شونده توسط شناور است اما این روش نیز همانند آنچه گفتیم دارای محدودیت فیزیکی است، اما روش دیگری که به ذهن می‌رسد پروبال دادن به سنسورهاست!‌
شناورهای بدون سرنشین زیرسطحی، UUV یا Unmanned underwater vehicles در واقع پاسخی بیرونی به این کنش ذهنی هستند! این شناورها در واقع روبات‌هایی هستند مشابه زیردریایی‌ها که بدون استقرار عامل انسانی در آنها اقدام به انجام ماموریت‌های زیرسطحی می‌کنند. با توجه به نحوه کنترل و هدایت این روبات‌ها را می‌توان در دو دسته‌ی اصلی قرار داد:
الف) شناورهای زیرسطحی کنترل از راه دور ROV یا Remotely operated underwater vehicles
ب) شناورهای زیرسطحی خودکار AUV یا Autonomous underwater vehicles

از این نوع روبات ها امروزه در نیروی دریایی کشورهای مختلف مانند نروژ، آمریکا، استرالیا، عربستان سعودی و... جهت انجام ماموریت‌های ضدزیردریایی، خنثی‌سازی مین، مراقبت و جمع‌آوری اطلاعات زیرسطحی، تصویربرداری از کف دریا و... استفاده می‌شود.
به عنوان مثال روبات زیرسطحی ضدمین Remus  قادر است مین‌های مستقر در منطقه‌ای به وسعت یک مایل مربع را تنها در شانزده دقیقه کشف کند، این در حالی است که یک تیم غواصی برای انجام چنین کاری به زمانی معادل بیست و یک روز نیاز خواهد داشت!
البته این روبات‌ها دارای برخی محدودیت های خاص نیز هستند. تغذیه روبات‌های غیرمتصل به شناور با محدودیت روبرو است، ارتباط غیرسیمی با آنها با برخی محدودیت‌ها از جمله آنچه در ابتدای بحث مطرح کردیم مواجح است، قدرت تصمیم گیری برای روبات‌ها وجود ندارد به عنوان مثال یک روبات نمی‌تواند در مورد هدف قرار دادن یک کشتی تدارکاتی تصمیم بگیرد چرا که ممکن است کشتی پر از خدمه باشد و هدف قرار دادن آن یک فاجعه انسانی به بار بیاورد اما ربات قادر به برآورد چنین ضایعاتی و دخیل کردن آن در الگورتیم تصمیم گیری خود نیست.
در تصاویر زیر برخی شناورهای بدون سرنشین زیرسطحی را مشاهده می کنید:

11- VDR جعبه سیاه شناورها
شناورها نیز ممکن است همانند هواپیماها دچار سانحه شوند. در این صورت کشف علت بروز سانحه برای یک شناور غول‌پیکر در حال گشت زنی در آبهای دور آنهم بدون وجود یک مخزن اطلاعاتی بسیار دشوار و حتی غیرممکن خواهد بود. VDR یا Voyage Data Recorder یک کپسول اطلاعاتی است که آخرین اطلاعات مربوط به شناور مانند تاریخ و زمان Fail برخی تجهیزات، موقعیت جغرافیایی، سرعت، جهت حرکت، صحبت‌های رد و بدل شونده در سکوی فرماندهی، صحبت‌های رد و بدل شونده روی خطوط ارتباطی، عمق، سرعت باد، وضعیت موتور، وضعیت سکان و... در آن ثبت می‌شود.
در تصاویر زیر می‌توان تعدادی از انواع مدل‌های این کپسول‌های اطلاعاتی را مشاهده می‌کنید.

منبع:میلیتاری