Sonar

Tàu khu trục của Pháp F70 type La Motte-Picquet với các sonar độ sâu thay đổi (Variable Depth Sonar, VDS) loại DUBV43 hoặc DUBV43C

Hình ảnh sonar của xác tàu ngầm T-297 của Hải quân Liên Xô, trước đây là tàu Virsaitis của Latvia, ở vùng biển Estonia, đắm cách đảo Keri 20 km.

Sonar (viết tắt từ tiếng Anh: sound navigation and ranging hoặc sonic navigation and ranging) là một kỹ thuật sử dụng sự lan truyền âm thanh (thường là dưới nước) để tìm đường di chuyển (tức đạo hàng ), liên lạc hoặc phát hiện các đối tượng khác ở trên mặt, trong lòng nước hoặc dưới đáy nước, như các cá, tàu bè, vật thể trôi nổi hoặc chìm trong bùn cát đáy, v.v.

Trong một số tác phẩm văn học tiếng Việt còn dịch là sóng âm phản xạ. Tên dịch này bỏ lọt loại sonar chỉ nghe mà không chịu phát ra sóng để phản xạ.

Sonar có thể sử dụng như một phương tiện định vị bằng âm thanh. Việc định vị âm trong không khí đã được sử dụng trước khi có radar. Sonar có thể sử dụng trong không khí cho di chuyển của robot.

Có hai loại sonar:

• Sonar chủ động thì tự phát xung sóng và nghe tiếng vọng lại. Loại này thường được trang bị trên các tàu khu trục, tàu quét mìn, tàu corvette, tàu phóng lôi,...của quân sự (dùng chống tàu ngầm, quét. rà phá thủy lôi) và trên các tàu đánh cá, tàu cứu hộ,... của dân sự
• Sonar bị động (hay sonar thụ động) thì chỉ nghe âm thanh do tàu bè hay nguồn âm khác phát ra. Loại sonar này có tầm hoạt động kém hơn so với sonar chủ động và được trang bị trên tàu ngầm.

Tần số âm thanh sử dụng trong sonar rất rộng, từ hạ âm (infrasonic), âm thanh thường (sonic) đến siêu âm (ultrasonic). Hầu hết Sonar chủ động dùng siêu âm.

Hình ảnh sonar của tàu Mikhail Lermontov đang yên nghỉ ở đáy biển

Sonar chủ động

Nguyên lý làm việc của sonar chủ động

Sonar chủ động dùng đầu phát (Transmitter) phát xung sóng, thường được gọi là một "ping", và nghe tiếng vọng lại ở đầu thu (Receiver). Có nhiều cách bố trí hình học các đầu phát và thu, cho ra cách thức định vị đối tượng khác nhau:

• Nếu phát và thu ở cùng một chỗ, hoạt động của nó là đơn tĩnh (monostatic).
• Nếu phát và thu tách biệt, hoạt động của nó là song tĩnh (bistatic).
• Nếu có nhiều đầu phát (hoặc nhiều đầu thu) ở vị trí tách biệt, hoạt động của nó là đa tĩnh (multistatic).

Hầu hết sonar là đơn tĩnh. Các phao âm thanh (Sonobuoy) có thể được vận hành đa tĩnh.

Xung âm thanh phát ra có thể được bộ phận tạo tia (beamformer) tập trung sóng thành một chùm mạnh. Đôi khi xung âm thanh có thể được tạo ra bằng các phương tiện khác, ví dụ: (1) sử dụng chất nổ, (2) súng hơi (Airgun) hoặc (3) nguồn âm thanh plasma.

Khi thu được tín hiệu phản xạ, sẽ tính được khoảng cách đến đối tượng dựa theo tốc độ truyền âm thanh trong nước, giá trị thô là 1500 m/s. Để có độ chính xác khoảng cách cao hơn, phải đo giá trị đó trong môi trường cụ thể, hoặc tính ra theo quan hệ tốc độ với độ mặn và nhiệt độ.

Nếu các đối tượng ở xa, tín hiệu phản xạ nhỏ, thì người ta dùng kỹ thuật đa tia và đa tần. Xử lý tín hiệu thu (Digital processing) dựa theo khuôn mẫu của tín hiệu phát ra, và so sánh kết quả của các lần phát, sẽ cho ra giá trị tin cậy.

Khi phát xung đơn tần hoặc biến đổi tần trong dải hẹp, thì bằng hiệu ứng Doppler sẽ tính được tốc độ dịch chuyển xuyên tâm của đối tượng.

Khi bố trí nhiều đầu thu và xử lý tín hiệu đồng thời, sẽ định vị được đối tượng. Cách thức bố trí đầu thu xác định vùng định vị tin cậy.

Ngoài tác dụng dò tìm, thì sonar còn dùng cho trao đổi thông tin dưới nước. Thông tin được mã hóa theo cách thức nào đó, và được gửi vào nước.

Sonar thụ động

Sonar thụ động lắng nghe mà không phát tín hiệu. Nó thường được sử dụng trong quân sự, mặc dù nó cũng được sử dụng trong các ứng dụng khoa học, ví dụ để phát hiện cá trong nghiên cứu biển hoặc đánh cá, các vụ nổ mìn ở đảo, để nghe các vụ rung chấn hay phun trào đáy biển. Theo nghĩa rộng Sonar thụ động bao gồm các kỹ thuật phân tích liên quan đến âm thanh phát ra từ xa nhằm tới xác định vị trí và bản chất nguồn phát.

Trong quân sự, hàng loạt đầu thu được bố trí để nghe tín hiệu. Các tín hiệu được xử lý theo Lý thuyết phát hiện tín hiệu để lọc ra tín hiệu quan tâm.

Transponder

Transponder hay máy tiếp sóng hay máy phát đáp, loại dùng trong môi trường nước, là loại sonar chủ động phục vụ chuyển tiếp thông tin cũng như cho định vị .

Khi nhận được tín hiệu thì tùy theo cài đặt mà Transponder sẽ thực hiện ngay hoặc có trễ, phát xung chuyển tiếp nguyên mã hoặc phát mã của riêng nó.

Ứng dụng quân sự

Ứng dụng quân sự chiếm phần lớn ứng dụng của sonar. Các máy đo hồi âm được Hải quân Mỹ phát triển năm 1919.

Sonar chủ động được ứng dụng trong các nhiệm vụ:

• Tìm kiếm cứu nạn các phương tiện bị chìm, đắm như tàu, thuyền, máy bay...
• Dò quét mìn, phát hiện thủy lôi
• Tác chiến chống ngầm
• Bảo vệ các căn cứ

Sonar thụ động là phương tiện thu thập thông tin. Các tín hiệu được xử lý theo Lý thuyết phát hiện tín hiệu để lọc ra tín hiệu quan tâm. Có hai dạng xử lý chính:

• Khi quét tương quan tín hiệu giữa các điểm thu, sẽ phát hiện được tín hiệu xuất hiện trong một nhóm. Sự lệch pha tín hiệu giữa các đầu thu cho biết hướng và khoảng cách đến nguồn phát.
• Nhận dạng theo mẫu trong cơ sở dữ liệu âm thanh thì có thể truy tìm ra kiểu nguồn phát. Ví dụ quét tương quan với tín hiệu âm thanh 50 Hz và các hài của tần này, sẽ có thể tìm ra tàu ngầm dùng điện 50 Hz mà không khử rung tốt, và là chỉ báo “không phải tàu của Mỹ” vốn dùng điện 60 Hz. Dàn máy tính mạnh và cơ sở dữ liệu âm thanh đầy đủ, có đủ mẫu các âm thanh tiếng rung khi tàu chạy của từng kiểu tàu, tiếng phóng ngư lôi, tiếng nổ của từng kiểu vũ khí,... đảm bảo cho việc thu thập thông tin tình báo tốt.

Màn hiện của một sonar dò tìm cá trên cabin

Ứng dụng dân sự

Dò tìm cá

Dò tìm cá sử dụng sonar công suất đủ nhỏ, quét vào khu vực dò tìm. Những con cá đủ lớn có thể cho ra phản xạ nhận thấy được. Đàn cá lớn có thể hiện ra thành đám vật thể có nhiễu do sự bơi lội và làm xáo động nước, dẫn đến xáo động sự lan truyền và phản xạ sóng âm. Ngày nay các phần mềm nhận dạng được ứng dụng để đánh giá sự có mặt và độ lớn của đàn cá trong chùm ảnh quét được.

Ngoài ra, những công ty như eSonar, Raymarine UK, Marport Canada, Wesmar, Furuno, Krupp, and Simrad,... đã chế ra nhiều sonar và dụng cụ âm thanh phục vụ nghề cá biển sâu. Những thiết bị này được gắn vào lưới, thu nhận thông tin và đổi thành dạng số, truyền về máy điều hành trên tàu.

Đo sâu hồi âm

Đo sâu hồi âm (Echo sounding) là một loại sonar nhỏ gọn dùng cho xác định độ sâu nước, bằng cách phát xung siêu âm vào nước và thu nhận tín hiệu phản xạ từ đáy nước, từ đó xác định ra độ sâu. Chúng còn có tên là máy đo sải nước (fathometer).

Thông thường các đầu phát-thu được gắn cạnh tàu thuyền sao cho khi gặp sóng nước thì không lộ ra, phát sóng từ gần mặt nước. Tín hiệu từ đầu thu được theo dõi liên tục, hiện trên màn hình trượt hoặc in băng ghi giấy nhiệt, ở dạng một đường ghi có mã hóa cường độ tín hiệu theo thang độ xám. Băng ghi như vậy hiện ra hình ảnh mặt cắt hồi âm dọc hành trình. Trong trường hợp thuận lợi có thể hiện ra được những ranh giới hay dị vật trong lớp bùn đáy.

Các máy đo sâu hồi âm cỡ nhỏ phục vụ dò tìm luồng lạch cho các loại tàu thuyền. Các máy đo sâu hồi âm kỹ thuật thì phục vụ đo độ sâu và xác định trạng thái đáy nước như bùn, cát, đá, hay thực vật đáy che phủ.

Ứng dụng khoa học

Lược đồ đo Side scan sonar. Bên dưới là băng ghi hiện ra các đối tượng có trong môi trường ở vị trí tương đối tương ứng

Sonar quét sườn

Sonar quét sườn (Side Scan Sonar), còn gọi là Sonar ảnh sườn (Side imaging sonar), là Sonar phân loại đáy (Bottom classification sonar), là Đo quét sườn, sử dụng ít nhất hai kênh phát-thu siêu âm đặt bên sườn đầu đo dạng con cá (Towfish) kéo theo tàu ở gần sát đáy. Đầu đo có cánh định hướng để nó nằm ngang. Kết quả phản xạ siêu âm sườn được ghi lên giấy ghi nhiệt, cho ra hai hình ảnh hồi âm sườn nhìn từ sát đáy của hành trình đo.

Sonar quét sườn được coi là một phương pháp địa vật lý, sử dụng trong nghiên cứu địa chất biển, và là thành phần không thể thiếu của tàu nghiên cứu biển.

Các cuộc dò tìm vật thể bị chìm ở biển như tàu Titanic, máy bay rơi,... được thực hiện với sự tham gia của Sonar quét sườn.

Lập bản đồ địa hình vùng nước

Trong việc lập Bản đồ địa hình trên vùng biển hoặc vùng nước nói chung, sonar phục vụ đo độ sâu (Bathymetry) và xác định trạng thái đáy nước, như là đá cứng, dị vật, cát, bùn hay thảm thực vật. Độ sâu được tính chuyển sang độ cao đáy, còn thông tin trạng thái đáy thì được ghi chú hoặc đánh dấu bằng các ký hiệu thích hợp, để biểu diễn trên bản đồ hoặc hải đồ.

Phục vụ cho công việc trên là các máy đo hồi âm kỹ thuật. Máy sử dụng đa tia đa tần. Một số máy có cách thức hoạt động gần như dạng Sonar quét sườn, nhưng có góc quét hẹp hơn để định vị các đối tượng chính xác hơn.

Những máy này làm việc ở hai tần số: tần số thấp 24 hoặc 33 kHz, và tần số cao cỡ 200 kHz. Xung được phát đồng thời, và sự khác nhau về tần số đủ lớn để mạch xử lý tín hiệu tách được chúng với nhau. Tần số 200 kHz dùng cho nghiên cứu chi tiết, phân giải cao đến độ sâu 100 m. Tần số thấp dùng cho độ sâu lớn hơn, trong nghiên cứu biển sâu và đại dương, nhằm tránh sự hấp thụ của nước đối với dao động tần cao trên khoảng cách lớn.

Khi có nhu cầu nghiên cứu chi tiết đáy biển, đặc biệt là vùng có địa hình đáy phức tạp, thì các Sonar quét sườn được sử dụng.

Tác động của sonar đối với sinh vật biển

Cá voi Humpback

Các nghiên cứu chỉ ra rằng sóng âm thanh của sonar chủ động phát ra có cường độ tập trung cao, nên tác động đến các sinh vật biển. Biểu hiện rõ nhất là tác động lên họ cá voi, cá heo, là sinh vật dùng biosonar siêu âm để định vị, liên lạc với nhau, và để làm tê liệt con mồi. Sonar của con người làm chúng rối loạn, nhiều khi dẫn đến lạc đường mà chết.

Khi vấp phải sóng của sonar một số loài cá bị loạn hành vi hoặc bị choáng, giống như vấp phải biosonar của cá heo.

Xem thêm

• Sonars and the marine environment Lưu trữ 2008-09-10 tại Wayback Machine by Norwegian Defence Research Establishment (FFI)
• Single Beam Sonars Lưu trữ 2010-06-03 tại Wayback Machine
• Radar thụ động (Passive radar)

Liên kết ngoài

• Sonar Tutorial for Robots