Công nghệ Sonar là gì ?
Công nghệ Sonar, viết tắt của SOund NAvigation and Ranging (Điều hướng và Định vị bằng Âm thanh), là một công nghệ sử dụng sóng âm để phát hiện, định vị và xác định khoảng cách đến các vật thể dưới nước, điều hướng, đo khoảng cách, giao tiếp hoặc phát hiện các vật thể dưới nước hoặc trên bề mặt nước.
Hệ thống sonar hoạt động theo nguyên lý tương tự như hệ thống định vị siêu âm của dơi hoặc cá heo trong tự nhiên. Khi sóng âm được phát ra gặp một vật thể, chúng sẽ phản xạ trở lại nguồn phát. Bằng cách đo thời gian từ lúc phát sóng đến lúc nhận được sóng phản hồi và phân tích các đặc tính của sóng này, hệ thống có thể xác định được khoảng cách, hướng, kích thước và thậm chí là tính chất vật lý của vật thể.
Việc sử dụng kỹ thuật này được ghi nhận đầu tiên vào năm 1490 bởi Leonardo da Vinci , người đã sử dụng một đoạn ống được đưa vào nước để phát hiện tàu thuyền bằng tai. Ở thời điểm năm 1918 công nghệ SONAR thụ động ngày càng được phát triển khi được áp dụng trong quân sự ở thế chiến thứ I để chống lại những mối đe dọa từ tàu ngầm của địch.
Và thuật ngữ “SONAR” (Sound Navigation and Ranging) chính thức được đặt ra bởi Hải quân Mỹ vào năm 1940, tương tự như “RADAR” cho sóng radio.
Để nói về lịch sử phát triển của công nghệ SONAR, chúng sẽ quay về cuối thế kỷ 19, chuông dưới nước được sử dụng như một thiết bị hỗ trợ ngọn hải đăng hay tàu đèn để cảnh báo về những nguy hiểm trên biển. Chính thảm họa tàu Titanic năm 1912 nổi tiếng cả thế giới đã thúc đẩy đã thúc đẩy việc phát triển công nghệ SONAR để thế giới không còn phải chứng kiến những thảm kịch như con tàu Titanic.
Một tháng sau sự kiện chìm tàu Titanic, bằng sáng chế đầu tiên trên thế giới cho thiết bị bị đo khoảng cách dưới nước bằng tiếng bằng tiếng vang đã được nộp tại Văn phòng sáng chế Anh bởi nhà khí tượng học người Anh Lewis Fry Richardson.
Sau thảm họa Titanic năm 1912, kỹ sư Reginald Fessenden đã nhanh chóng bắt tay vào phát triển công nghệ sử dụng sóng âm dưới nước để phát hiện vật cản, nhằm tăng cường an toàn cho tàu thuyền. Chỉ trong vòng hai tháng sau sự kiện này, ông đã áp dụng bộ dao động cơ điện (electromechanical oscillator) để phát ra sóng âm với tần số cố định, rất phù hợp cho việc dò tìm vật thể dưới nước. Năm 1913, Fessenden thử nghiệm thiết bị của mình trên biển và thành công trong việc phát hiện tảng băng từ khoảng cách 2,5 dặm (khoảng 4 km) cũng như đo được độ sâu đại dương chính xác bằng cách so sánh với dây neo tàu.
Thiết bị này sau đó được gọi là bộ dao động Fessenden, đóng vai trò tiền thân quan trọng của công nghệ sonar hiện đại. Nhờ phát minh này, việc di chuyển trên biển trở nên an toàn hơn đáng kể và Fessenden được trao tặng Huy chương Danh dự của Viện Kỹ sư Radio vào năm 1921.
Vào thời đầu công nghệ SONAR chưa được đặt cái tên này mà thay vào đó công nghệ này được gọi là ASDIC. ASDIC là tên gọi ban đầu của công nghệ sonar do Anh phát triển vào cuối Thế chiến I, với mục đích chính là phát hiện tàu ngầm bằng cách sử dụng sóng âm dưới nước.
Về bản chất, ASDIC hoạt động như một hệ thống phát và thu sóng âm có hướng, phát ra sóng âm rồi nhận lại tín hiệu phản xạ từ vật thể chìm, từ đó tính toán khoảng cách và phương hướng của mục tiêu. ASDIC được coi là phiên bản đầu tiên và là nền tảng cho công nghệ sonar hiện đại, và thuật ngữ “sonar” sau này được Mỹ sử dụng rộng rãi hơn. Trong Thế chiến II, ASDIC được trang bị trên nhiều tàu chiến của Hải quân Anh để dò tìm tàu ngầm đối phương, đồng thời được phát triển thêm các tính năng tích hợp với hệ thống vũ khí.
Sau thế chiến, công nghệ sonar trải qua nhiều chuyển đổi quan trọng nhằm nâng cao hiệu quả và khả năng phát hiện tàu ngầm cũng như các vật thể dưới nước. Ban đầu, sonar phát triển từ hệ thống ASDIC chủ động dùng sóng âm để dò tìm tàu ngầm, tích hợp với các thiết bị điện tử để khuếch đại và xử lý tín hiệu, giúp cải thiện độ chính xác và phạm vi phát hiện.
Trong Chiến tranh Lạnh, các nước như Liên Xô và Mỹ tiếp tục phát triển sonar chủ động và thụ động với độ nhạy cao hơn, đồng thời nghiên cứu các công nghệ mới như hệ thống phát hiện bức xạ và thay đổi đặc tính nước biển để theo dõi tàu ngầm mà không cần bật sonar chủ động, nhằm tránh bị phát hiện.
Sonar Chủ Động (Active Sonar)
Sonar chủ động là hệ thống phát xung sóng âm (thường gọi là “ping”) ra môi trường nước và thu lại tín hiệu phản xạ từ các vật thể dưới nước như tàu ngầm, mìn, hay đáy biển để xác định vị trí, khoảng cách và hình dạng của chúng. Hệ thống gồm một đầu phát (transmitter) phát sóng âm và một đầu thu (receiver) nhận tín hiệu vọng lại
Nguyên lý hoạt động của sonar chủ động dựa trên việc phát sóng siêu âm, sóng này truyền qua nước, va chạm vào vật thể và phản xạ trở lại. Thời gian giữa phát sóng và nhận tín hiệu phản hồi được dùng để tính khoảng cách đến vật thể. Ngoài ra, phân tích đặc tính tín hiệu phản xạ giúp xác định loại vật thể và môi trường xung quanh.
Bộ tạo chùm tia thường được sử dụng để tập trung công suất âm thanh vào một chùm tia, có thể được quét để bao phủ các góc tìm kiếm cần thiết. Nhìn chung, các bộ chuyển đổi điện âm thuộc loại Tonpilz và thiết kế của chúng có thể được tối ưu hóa để đạt hiệu suất tối đa trên băng thông rộng nhất, nhằm tối ưu hóa hiệu suất của toàn bộ hệ thống. Đôi khi, xung âm thanh có thể được tạo ra bằng các phương pháp khác, ví dụ như sử dụng chất nổ, súng hơi hoặc nguồn âm thanh plasma.
Trong tình huống chiến đấu, xung chủ động có thể bị đối phương phát hiện và sẽ tiết lộ vị trí của tàu ngầm ở khoảng cách gấp đôi khoảng cách tối đa mà tàu ngầm có thể tự phát hiện và cung cấp manh mối về danh tính của tàu ngầm dựa trên đặc điểm của tín hiệu ping phát ra. Vì những lý do này, sonar chủ động không thường xuyên được sử dụng trên tàu ngầm quân sự.
Sonar chủ động được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như:
- Tìm kiếm cứu nạn các phương tiện bị chìm như tàu, thuyền, máy bay
- Dò quét và rà phá thủy lôi, mìn dưới nước
- Tác chiến chống tàu ngầm trong quân sự
- Bảo vệ căn cứ hải quân và các vùng biển chiến lược
- Hỗ trợ đánh cá, khảo sát địa hình đáy biển, và nghiên cứu khoa học
So với sonar thụ động (chỉ nghe âm thanh phát ra từ các nguồn khác), sonar chủ động có phạm vi phát hiện rộng hơn và khả năng định vị chính xác hơn, nhưng cũng dễ bị phát hiện do việc phát sóng âm ra môi trường. Có thể nói đối với con người hoạt động ở đại dương thì sonar chủ động như một chiếc đèn pin soi rọi trong đêm tối.
Âm thanh mô phỏng tiếng Ping của hệ thống Sonar chủ động
Ưu điểm lơn nhất của Sonar chủ động là có thể dễ dàng phát hiện vật thể hoặc động vật dưới nước ngay cả khi chúng không tạo ra âm thanh. Cũng như rất hiệu quả trong các hoạt động thăm dò khoảng cách và vẽ bản đồ đại dương.
Nhưng đi song song với ưu điểm nhưng Sonar chủ động cũng mang đến những nhược điểm khó có thể khác phục được. Nhược điểm lớn nhất có thể nhắc đến là sự ảnh hưởng đến sinh vật biển. Sóng âm mạnh từ sonar chủ động có thể gây hại cho con người và các loài sinh vật biển, đặc biệt là các loài nhạy cảm như cá voi và cá heo, làm chúng mất phương hướng, căng thẳng hoặc bị thương thậm chí là chết.
Hơn thế trong ứng dụng quân sự việc phát đi sóng âm Sonar chủ động để phát hiện kẻ địch đồng thời cũng rất dễ bị sonar thụ động của đối phương phát hiện. Điều này là một rủi ro lớn trong các hoạt động quân sự, nơi mà việc duy trì sự bí mật là yếu tố sống còn.
Chính vì thế tùy vào ứng dụng mà có thể lựa chọn Sonar chủ động hay Sonar bị động cũng có thể để cả hai luân phiên. Vậy những ưu điểm và nhược điểm Sonar bị động là gì? Và những ứng dụng nào thích hợp với Sonar bị động
Sonar Bị Động (Passive Sonar)
Sonar bị động chỉ lắng nghe các âm thanh tự nhiên hoặc do các nguồn khác tạo ra mà không phát ra sóng âm nào. Loại này khó bị phát hiện hơn nhưng khả năng xác định chính xác vị trí hạn chế hơn so với sonar chủ động. Sonar bị động, hoạt động như một “tai” lớn dưới nước, thu thập và phân tích âm thanh để phát hiện và định vị đối tượng.
Khác với sonar chủ động, sonar bị động không sử dụng tiếng “ping” của riêng mình. Nguyên lý hoạt động của sonar bị động dựa trên việc sử dụng nhiều anten thu âm được bố trí quanh tàu (ví dụ như 360 anten quanh mũi tàu ngầm) để thu thập âm thanh từ mọi hướng. Tín hiệu thu được sau đó được xử lý và phân tích để xác định vị trí, loại hình, hướng đi và tốc độ của các mục tiêu dựa vào đặc điểm âm thanh như tiếng chân vịt, động cơ hoặc các âm thanh phát sinh khác.
So với Sonar chủ động, Sonar bị động có ưu điểm là không phát tín hiệu ra ngoài nên khó bị phát hiện, rất phù hợp cho hoạt động bí mật của tàu ngầm trong quân sự. Tuy nhiên, Sonar bị động thường có phạm vi hoạt động và khả năng xác định khoảng cách kém hơn Sonar chủ động, do chỉ dựa vào âm thanh tự phát của mục tiêu mà không có tín hiệu phản hồi chủ động
Hệ thống Sonar thụ động có cơ sở dữ liệu âm thanh lớn, nhưng người vận hành Sonar thường phân loại tín hiệu theo cách thủ công. Hệ thống máy tính thường sử dụng các cơ sở dữ liệu này để xác định loại tàu, hành động (ví dụ: tốc độ của tàu, loại vũ khí được phóng và biện pháp đối phó hiệu quả nhất), và thậm chí cả các tàu cụ thể.
Không giống như sonar chủ động, sonar thụ động chỉ liên quan đến sự lan truyền một chiều. Do cách xử lý tín hiệu khác nhau, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu tối thiểu có thể phát hiện được sẽ khác nhau. Phương trình xác định hiệu suất của sonar thụ động là:
SL − PL = NL − AG + DT
Trong đó:
- SL là mức nguồn
- PL là suy hao lan truyền
- NL là mức nhiễu
- AG là độ lợi mảng
- DT là ngưỡng phát hiện.
Hệ số công trạng của sonar thụ động là
FOM = SL + AG − (NL + DT).
Sonar bị động được sử dụng chủ yếu trong quân sự để giám sát và dò tìm tàu ngầm, tàu đối phương mà không bị lộ vị trí. Ngoài ra, nó cũng được ứng dụng trong nghiên cứu khoa học biển để theo dõi các sinh vật biển hoặc các hiện tượng tự nhiên dưới nước thông qua âm thanh phát ra.
Mặc dù công nghệ sonar mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc sử dụng sonar chủ động có thể tạo ra tiếng ồn dưới nước ảnh hưởng đến sinh vật biển, đặc biệt là các loài sử dụng âm thanh để giao tiếp và định hướng như cá voi, cá heo. Điều này đã thúc đẩy việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ sonar thân thiện với môi trường hơn.
Công nghệ sonar tiếp tục phát triển với những ứng dụng ngày càng đa dạng, từ khám phá đại dương, bảo vệ an ninh hàng hải đến hỗ trợ các hoạt động kinh tế biển. Tuy nhiên, việc cân bằng giữa lợi ích công nghệ và bảo vệ môi trường biển vẫn là một thách thức quan trọng cần được giải quyết.
Mua máy đo độ ồn ở đâu
Lidinco là nhà phân phối chính hãng các dòng sản phẩm thiết bị phân tích âm thanh, máy đo độ ồn, máy đo cường độ âm thanh, đo độ rung của Norsonic và các hãng lớn khác. Các dòng sản phẩm đo âm thanh, máy đo tiếng ồn này được sử dụng rộng rãi trong các xưởng sản xuất, trong các công ty phân tích tiếng ồn lớn trên thế giới.
Là một đơn vị được biết đến với nhiều năm kinh nghiệm trong việc cung cấp thiết bị, máy đo, ứng dụng và cả giải pháp hoàn chỉnh cho việc đo lường tiếng ồn. Lidinco hân hạnh mang đến cho bạn những sản phẩm chính hãng phù hợp với yêu cầu sử dụng, được tư vấn chính xác bởi đội ngũ kỹ sư giàu kinh nghiệm của chúng tôi
Thông tin liên hệ mua hàng
CÔNG TY TNHH ĐẦU TƯ PHÁT TRIỂN CUỘC SỐNG
– Trụ sở chính: 487 Cộng Hòa, Phường 15, Quận Tân Bình, TPHCM, Việt Nam
– Điện thoại: 028 3977 8269 / 028 3601 6797
– VP Bắc Ninh: 184 Đường Bình Than, Phường Võ Cường, TP. Bắc Ninh
– Điện thoại: 0222 7300 180
– Email: sales@lidinco.com
