סונאר

עקרון הפעולה של סונאר

סונאר (באנגלית: Sonar, ראשי תיבות של Sound Navigation And Ranging) הוא מכשיר לניווט ולגילוי צוללות ואוניות הפועל באמצעות גלי קול. קיימים שני סוגי סונאר: אקטיבי ופסיבי.

היסטוריה

יעודו המקורי של הסונאר היה איתור קרחונים, דרישה שחשיבותה הובהרה בעקבות טביעת הטיטאניק. במלחמת העולם הראשונה גבר העניין בסונאר עקב הצורך באיתור צוללות. בשנת 1915 המציא הפיזיקאי הצרפתי פול לנז'בן את ההתקן הראשון המבוסס על סונאר, ועבודתו השפיעה על תכנוני הסונאר העתידיים. מתקנים ראשונים אלה היו התקני האזנה פסיביים. ב-1917–1918 נבנו באנגליה ובארצות הברית מתקני הסונאר האקטיביים הראשונים, וייצורם הסדרתי החל בשנות ה-20 של המאה ה-20.

הסונאר הומצא בבריטניה בשנים שלפני מלחמת העולם השנייה וחולל שינוי בכל תורת הלחימה. הבריטים העריכו שזהו סוף עידן הצוללות, אך עם פרוץ המלחמה התברר שגם עם הסונאר, עדיין קשה לגלות צוללות. גם לסונארים המתקדמים ביותר של ימינו יש מגבלות.

סונאר מסוגל ליצור קשר להעברת מידע עם מכשירים נוספים המותקנים בספינה תוך שימוש בתקן NMEA.

סונאר אקטיבי

סונאר אקטיבי יוצר גל קול קצר (פולס) המכונה "פינג". לאחר שהפולס עוזב את המתקן מאזינים להחזרות של גל הקול. על ידי מדידת הזמן שלוקח לקול לחזור ניתן להעריך את מרחק החפץ שהחזיר אותו (אונייה, קרקעית הים או עצמים אחרים), בהנחה שמהירות ההתקדמות של גל הקול במים היא ידועה. ניתן גם לחשב את כיוונו של העצם המחזיר ביחס למתקן על ידי האזנה במקביל מכמה הידרופונים (מיקרופונים תת-ימיים) שהפרשי המרחקים ביניהם ידועים במדויק, ומדידת ההפרשים בזמני ההגעה של הגל המוחזר.

הפולס המשודר יכול להיות בתדירות קבועה או משתנה. אם תדירות הפולס המשודר משתנה עם הזמן ניתן לשדר פולס ארוך יותר מבלי לפגוע בהפרדת המרחק (רזולוציה). שידור ארוך יותר מאפשר לפלג את האנרגיה לאורך זמן מבלי להדרש להספק שיא גבוה, מה שמאפשר לתכנן משדר פשוט יותר.

סונאר קטן ושימושי יכול להראות כפנס כיס עמיד למים. מכוונים את ראש המכשיר לתוך המים, לוחצים על כפתור ההפעלה ומקבלים על צג את קריאת הטווח. סוג אחר של מכשירים נועד לגילוי דגים, והוא מראה על הצג את קרקעית הים ומיקום של להקות דגים (שמחזירות את גל הקול באופן מסוים).

ישנם מכשירי סונאר אקטיבי רבים לשימושים לא-צבאיים שביצועיהם מתקרבים לביצועי המערכות הצבאיות הרגישות ביותר, והם מסוגלים להציג מפה תלת־ממדית של האזור הסמוך לסירה, אך מכשירים אלה אינם מיועדים לפעולה חשאית (שנדרשת בעיקר בצוללות).

סונאר אקטיבי משמש גם למדידת מרחק במים בין שני טרנספונדרים (משיבים). טרנספונדר הוא מתקן שיכול לקלוט ולשדר גלי קול (פינגים). כשהוא קולט פינג מסוים הוא מייצר פינג משל עצמו שמזהה אותו. כדי למדוד מרחק, משדר טרנספונדר אחד פינג ומודד את הזמן שלוקח לפינג התשובה (של הטרנספונדר השני) להגיע אליו. זמן זה הוא בקירוב כפול מזמן המעבר של הקול במים. לאחר שמכפילים את זמן המעבר במהירות הקול במים מתקבל המרחק בין שני כלי השיט. על ידי שימוש במספר טרנספונדרים (למשל אחד בכל קצה של כל אחד מכלי שיט) ניתן לחשב במדויק את המיקומים היחסיים של כלי השיט במרחב ולא רק את המרחק הממוצע ביניהם.

ניתוח של נתוני סונאר אקטיבי

נתוני סונאר אקטיבי נאספים על ידי מדידה של הקול המוחזר זמן קצר לאחר שידור ה"פינג". מתוך הזמן שחולף משידור ה"פינג" ועד חזרת ההד אפשר לחשב את המרחק לקרקעית הים או לעצמים אחרים שיש להם חתימה אקוסטית. ניתוח מורכב יותר מאפשר לגלות מידע נוסף:

• כשממפים את קרקעית הים, גלי הקול המוחזרים ממנה פוגעים בפני הים, מוחזרים מהם לכיוון הקרקעית ומוחזרים ממנה פעם נוספת. מתוך החזרה משנית זו ניתן ללמוד על הקושי האקוסטי של הקרקעית.
• פני השטח של הקרקעית משפיעים על השונות של זמן ההחזרה. במקרה של קרקעית חלקה גלי הקול עושים כולם את אותה הדרך בקירוב, מה שמתבטא כשיא מובהק בנתונים. בקרקעית סלעית ולא אחידה יהיו גלי קול שעוברים כמה החזרות באזור הקרקעית לפני שהם חוזרים לגלאי, ואז השיא בנתונים הוא חד פחות.

סונאר ובעלי חיים ימיים

שימוש בסונר אצל דולפינים

מספר בעלי חיים ימיים, כגון לווייתנים ודולפינים, משתמשים בשיטות דומות לסונאר אקטיבי. הם משמיעים קולות ומאזינים להדים המוחזרים אליהם כדי להתמצא במרחב ולאתר טורפים ומזון. יש החוששים שמשדרי סונאר אקטיבי עלולים לבלבל חיות אלה ולגרום להם ללכת לאיבוד ולא למצוא בני זוג ומזון. מחקרים (ראה קישורים) מראים שסונאר צבאי עלול לגרום ללווייתנים מסוימים סימפטומים דומים למחלות צלילה שבעקבותיהם נפגמת יכולת הניווט שלהם והם עולים על חוף הים מבלי יכולת לחזור אל המים.

משדרי סונאר אקטיבי בהספקים גבוהים יכולים להרוג בעלי חיים ימיים. בניסוי שערך הצי האמריקאי בבהאמה ב-2000 הופעל משדר בתדרים 3–7 קילוהרץ בעוצמה של 230 דציבל. התוצאה הייתה סחיפה לחוף של שישה עשר לווייתנים, מתוכם שבעה נמצאו מתים. לעומת זאת, משדרים בהספקים נמוכים יכולים למנוע התנגשויות של ספינות ביונקים ימיים. על פי השערות רבות, הסונאר משבש את מערכת הניווט של בעלי החיים ובכך גורם לעלייתם של יונקים ימיים אל החוף.

סונאר פאסיבי

בסונאר פסיבי אין משדרים פולס יזום אלא מאזינים לקולות שפולטים העצמים, למשל מנוע של ספינה או צוללת. במערכת כזו נדרשת רגישות מיקרופונים גבוהה כי האות הנקלט חלש יחסית.

משוואות הסונאר

סונאר אקטיבי

מאחר שהפרמטרים האקוסטיים נמדדים ב-dB (ראו: פרמטרים אקוסטיים), משוואות הסונאר המבטאות את סף גילוי המטרה הן הפרש בין רכיבי האות לבין רכיבי הרעש.

עבור סונאר אקטיבי המשוואות מתחלקות למשוואת סונאר מוגבל רעש ומשוואת סונאר מוגבל הדהודים:

1. סונאר מוגבל רעש:
   
   
   $\underbrace {\text{SL − 2TL + TS}} _{\text{Sound}}{\text{ - }}\underbrace {\text{(NL − DI)}} _{\text{Noise}}{\text{= DT}}\quad (15)$
   
   
   
2. סונאר מוגבל הדהודים:
   
   
   $\underbrace {\text{SL − 2TL + TS}} _{\text{Sound}}{\text{ - }}\underbrace {\text{RL}} _{\text{Noise}}{\text{= DT}}\quad (16)$

כאשר, $SL$ היא רמת המקור, $TL$ הם הפסדי המעבר המוכפלים ב-2 עקב תנועת גל הקול הלוך וחזור (שידור וקליטה), $TS$ הוא חוזק המטרה, $NL$ היא רמת הרעש, $DI$ הוא אינדקס הכיווניות, $DT$ הוא סף הגילוי ו - $RL$ היא רמת ההדהודים.

ניתן לכתוב משוואות אלו בצורה אחרת:

1. סונאר מוגבל רעש:
   
   
   ${\text{FOM =}}{\frac {\text{SL + TS − (NL − DI) - DT}}{2}}\quad (17)$
   
   
   
2. סונאר מוגבל הדהודים:
   
   
   ${\text{FOM =}}{\frac {\text{SL + TS − RL - DT}}{2}}\quad (18)$

כאשר $FOM$ היא ספרת הערך המוגדרת ככמות המאפיינת רמת ביצועי סונאר על פי הפרמטרים האקוסטיים הניתנים למדידה מדויקת.

על מנת לקבוע האם יש גילוי של המטרה משווים את ספרת הערך ל- הפסדי המעבר (TL - Transmission Losses) המשתנים עבור כל נקודה במרחב הימי:

• עבור $FOM<TL$ - אין גילוי.
• עבור $FOM=TL$ - זהו סף הגילוי.
• עבור $FOM>TL$ - יש גילוי.

סונאר פאסיבי

בדומה לסונאר אקטיבי, גם משוואת הסונאר הפאסיבי המבטאת את סף גילוי המטרה היא הפרש בין רכיבי האות לבין רכיבי הרעש וזאת עקב העובדה שהפרמטרים האקוסטיים נמדדים ב-dB (ראה: פרמטרים אקוסטיים).

משוואת הסונאר הפאסיבי מוגדרת בצורה הבאה:

$\underbrace {\text{SL − TL}} _{\text{Sound}}{\text{ - }}\underbrace {\text{(NL − DI)}} _{\text{Noise}}{\text{= DT}}\quad (19)$

כאשר, $SL$ היא רמת המקור המוגדרת על ידי רמת הרעש הקורן מהמטרה, $TL$ הם הפסדי המעבר עקב תנועת גל הקול הלוך מהמטרה (קליטה בלבד), $NL$ היא רמת הרעש, $DI$ הוא אינדקס הכיווניות ו - $DT$ הוא סף הגילוי.

כמו כן, בדומה למשוואות הסונאר אקטיבי, ניתן לכתוב את משוואת הסונאר הפאסיבי בצורה אחרת:

${\text{FOM = SL − (NL − DI) - DT}}\quad (20)$

כאשר $FOM$ היא ספרת הערך המוגדרת ככמות המאפיינת רמת ביצועי סונאר על פי הפרמטרים האקוסטיים הניתנים למדידה מדויקת.

על מנת לקבוע האם יש גילוי של המטרה משווים את ספרת הערך ל- הפסדי המעבר (TL - Transmission Losses) המשתנים עבור כל נקודה במרחב הימי:

• עבור $FOM<TL$ - אין גילוי.
• עבור $FOM=TL$ - זהו סף הגילוי.
• עבור $FOM>TL$ - יש גילוי.

שימושים צבאיים בסונאר

הסונאר שימושי מרוש לצורכי צבא, כגון ניווט ימי, גילוי כלי שיט ובעיקר גילוי צוללות.

1. סונאר המותקן על קרקעית הים ומופעל מתחנת חוף – בדרך כלל פאסיבי.
2. סונאר בצוללת – בדרך כלל פסיבי אף כי קיימות גם צוללות שבהם מותקן סונאר אקטיבי.
3. סונאר קוער – על ספינות מלחמה, בדרך כלל יעיל רק במוד אקטיבי עקב רעשי השטח.
4. סונאר נגרר – בדרך כלל פאסיבי, קיים גם בספינות וגם בצוללות. נחשב ליעיל ביותר עקב גודלו והאפשרות להרחיקו ממקור הרעש (הכלי הגורר).
5. סונאר טובל – סונאר שמורד מספינה או ממסוק לעומק מסוים ומחזיר נתונים פאסיביים או אקטיביים על ידי כבל או על ידי גלי רדיו במצב בו הוא בצורת מצוף. חלק מהמצופים הם חד-פעמיים וחלקם האחר נאסף ונעשה בו שימוש חוזר.

מקורות וקריאה נוספת

• שר, סונאר ואסדיק, 'חיל הים' חוברת ו' דצמבר 1948, עמ' 32.

קישורים חיצוניים

• שר, סונאר ואסדיק, חיל הים ו' כסלו תש"ט, עמ' 32.
• בוב פורת, סונר טבול, 'מערכות ים ' 78 מאי 1966, עמ' 5.
• אהרן שפירא, עקרונות הגילוי התת-מימי, "מערכות ים", 101, דצמבר 1970, עמ' 20.
• ג'ולי פלטרר, גילוי תת-ימי, 'בין גלים' יולי 1975 עמ' 8.
• אבי אליהו, ‏גאווה ישראלית: הפיתוח שלא משאיר סיכוי לקומנדו הימי של חמאס, באתר ‏מאקו‏, 27 באוגוסט 2014
• סונאר, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• ברית אלמוג, סונאר חדש בצוללות חיל הים, "בין גלים", מאי 2017, עמ' 10.
• ה' בירגר, "סונאר – הבלש האקוסטי התת־ימי". "על המשמר", שנה ה', מס' 997, 13 בנובמבר 1946, עמ' 3. העתקה באתר "שפת הים" – ים וספנות בעיתוני ההשכלה, התחייה והיישוב.