Zakres radioakustyczny
Pomiar radioakustyczny , czasami zapisywany jako „ zakres radioakustyczny ”, a czasami w skrócie RAR , był metodą określania dokładnej lokalizacji statku na morzu poprzez detonację ładunku wybuchowego pod wodą w pobliżu statku, wykrywając przybycie podwodnych fal dźwiękowych do odległych miejsc oraz przesyłanie drogą radiową czasu nadejścia fal dźwiękowych do odległych stacji statku, co umożliwia załodze statku wykorzystanie multilateracji rzeczywistego zasięgu w celu określenia pozycji statku. Opracowany przez United States Coast and Geodetic Survey w latach 1923 i 1924 do stosowania w dokładnym ustalaniu pozycji statków badawczych podczas pomiarów hydrograficznych , była to pierwsza w historii ludzkości technika nawigacyjna inna niż zliczanie zliczeniowe , która nie wymagała wizualnej obserwacji punktu orientacyjnego, znaku, światła lub ciała niebieskiego , oraz pierwszy niewizualny sposób zapewniania precyzyjnych pozycji. Po raz pierwszy wprowadzono do użytku operacyjnego w 1924 r., radioakustyczny pomiar odległości pozostał w użyciu do 1944 r., kiedy to podczas II wojny światowej opracowano nowe techniki radionawigacyjne sprawiło, że stało się to przestarzałe.
Technika
Aby ustalić swoją pozycję za pomocą pomiaru radioakustycznego, załoga statku najpierw ustaliła temperaturę i zasolenie wody morskiej w pobliżu statku, aby określić dokładną prędkość dźwięku w wodzie. Następnie załoga zrzuciła małą TNT z rufy statku. Eksplodował na głębokości około 30 metrów, a chronograf znajdujący się na statku automatycznie rejestrował czas, kiedy na statku usłyszano eksplozję. Dźwięk rozchodził się po eksplozji na zewnątrz, docierając ostatecznie do hydrofonów w znanych lokalizacjach – na stacjach brzegowych, na zakotwiczonych statkach stacyjnych lub zacumowanych boje – w pewnej odległości od statku. Każdy hydrofon był podłączony do nadajnika radiowego, który automatycznie wysyłał sygnał wskazujący czas wykrycia dźwięku przez hydrofon. Na odpowiednich odległościach – zazwyczaj mniejszych niż 200 mil morskich (370 km) – każdy z tych sygnałów radiowych docierał do statku zasadniczo w tej samej chwili, w której każdy z odległych hydrofonów wykrył dźwięk eksplozji. Chronograf statku automatycznie rejestrował czas dotarcia każdego sygnału radiowego na statek. Odejmując czas eksplozji od chwili odebrania sygnału radiowego, załoga statku mogła określić czas, w jakim fala dźwiękowa przemieszcza się od miejsca eksplozji do każdego odległego hydrofonu, a znając prędkość dźwięku w otoczeniu, wodzie morskiej, mógłby pomnożyć czas przemieszczania się dźwięku przez prędkość dźwięku w wodzie morskiej, aby określić odległość między eksplozją a hydrofonem. Dzięki określeniu odległości do co najmniej dwóch oddalonych hydrofonów w znanych lokalizacjach załoga statku mogła skorzystać Multilateracja prawdziwego zasięgu w celu ustalenia pozycji statku.
Na głębokich wodach, takich jak te, które przeważały na Pacyfiku wzdłuż zachodniego wybrzeża Stanów Zjednoczonych , Coast and Geodetic Survey mogło polegać na stacjach brzegowych w celu zapewnienia zasięgu radioakustycznego, ponieważ głęboka woda umożliwiała przedostawanie się dźwięku do wybrzeża. Wzdłuż wschodniego wybrzeża Stanów Zjednoczonych , gdzie przeważały płytsze wody, dźwięk miał większe trudności z dotarciem do wybrzeża, a służba Coast and Geodetic Survey w większym stopniu polegała na zakotwiczonych statkach stacyjnych, a później zacumowanych bojach, w celu wspomagania pomiaru radioakustycznego.
Chronografy rejestrowały czas z dokładnością do setnych części sekundy, a załoga statku, korzystając z odległości radioakustycznej, mogła określić odległość swojego statku od odległych stacji hydrofonowych z dokładnością do 50 stóp (15 metrów), co umożliwiło jej wykreślenie pozycji statku z dużą dokładnością czas. Ponieważ fale dźwiękowe przemieszczają się od miejsca eksplozji do odległych hydrofonów z prędkością około 0,8 mili morskiej na sekundę (1,5 km/s), statki czasami korzystają z radia akustycznego w odległości ponad 200 mil morskich (370 kilometrów) między statkiem a stacją hydrofonów i odległości od 75 do 100 mil morskich (139 do 185 km) były powszechne.
Historia rozwoju
Prekursory
Pomiary radioakustyczne wywodzą się z rosnącego zrozumienia akustyki podwodnej i jej praktycznego zastosowania na początku XX wieku i rozwijały się równolegle z badaniem echa . Pierwszy krok miał miejsce na początku XX wieku, kiedy firma Submarine Signal Company wynalazł podwodne urządzenie sygnalizacyjne i hydrofon, który mógłby służyć jako odbiornik podwodnych dźwięków generowanych przez dzwony. Załoga statku wyposażonego w hydrofon odbiorczy może wykreślić odległość swojego statku od mechanizmu dzwonka podwodnego i wykreślić przecinające się linie z dwóch lub więcej dzwonów, aby określić położenie statku. Dzwony instalowano na latarniach morskich , na pokładach statków latarniowych i na bojach wzdłuż wybrzeży Ameryki Północnej i Europy. , a hydrofony odbiorcze montowano na pokładach setek statków. Było to pierwsze w historii praktyczne zastosowanie akustyki w środowisku oceanicznym.
Zatonięcie RMS nad Titanic w 1912 r. w wyniku zderzenia z górą lodową skłoniło kanadyjskiego wynalazcę Reginalda Fessendena (1866–1932) do rozpoczęcia prac podwodnym systemem transmisji i odbioru dźwięku na duże odległości, który mógłby wykrywać zagrożenia na drodze statku. Doprowadziło to do wynalezienia oscylatora Fessendena , przetwornika elektroakustycznego, który do 1914 roku miał sprawdzoną zdolność do przesyłania i odbierania dźwięku w odległości 31 mil morskich (57 km; 36 mil) przez Zatokę Massachusetts oraz wykryć górę lodową przed statkiem w odległości 2 mil morskich (3,7 km; 2,3 mil) poprzez odbicie od niej dźwięku i wykrycie echa, a także okazjonalną zdolność do wykrycia odbicia dźwięku od dna oceanu. Dalszy impuls do opracowania praktycznych zastosowań akustyki podwodnej nadała I wojna światowa , która skłoniła Królewską Marynarkę Wojenną , Marynarkę Wojenną Stanów Zjednoczonych i Korpus Artylerii Wybrzeża Armii Stanów Zjednoczonych do eksperymentowania z dźwiękiem jako sposobem wykrywania zanurzonych łodzi podwodnych . W powojennych eksperymentach Sekcja Pomiaru Dźwięku Podwodnego Korpusu Artylerii Nadbrzeżnej przeprowadziła eksperymenty na płytkiej wodzie w Vineyard Sound niedaleko Massachusetts , podczas których zdetonowała pod wodą ładunki wybuchowe na końcach ustalonych linii podstawowych i zmierzył czas, jaki był potrzebny, zanim dźwięk dotarł do hydrofonów na drugim końcu linii bazowych, aby ustalić bardzo dokładne pomiary prędkości dźwięku w wodzie. W 1923 roku firma Submarine Signal Company udoskonaliła swoje podwodne urządzenia sygnalizacyjne, wyposażając je w nadajniki radiowe, które wysyłały sygnały zarówno w celu identyfikacji konkretnego urządzenia, jak i wskazania zbliżającym się statkom, że wygeneruje ono sygnał akustyczny w określonym odstępie czasu po wysłaniu. sygnał radiowy, umożliwiający statkom identyfikację określonej pomocy nawigacyjnej się zbliżali, oraz do wykorzystania jednokierunkowego zasięgu, który pozwolił ich załogom określić kierunek i odległość od pomocy nawigacyjnej.
Mikołaj Heck
Zdając sobie sprawę z potencjału zastosowań akustyki w pomiarach hydrograficznych i nawigacji , szczególnie wzdłuż zachodniego wybrzeża Stanów Zjednoczonych, gdzie mgła często utrudniała dokładne ustalenie pozycji statków, Ernest Lester Jones (1876–1929), ówczesny dyrektor wybrzeża Stanów Zjednoczonych i Geodetic Survey , w porozumieniu z oficerami United States Coast i Geodetic Survey Corps , postanowiły zbadać zastosowanie akustyki zarówno w ustalaniu głębokości, jak i nawigacji. Nicholas H. Heck (1882–1953), oficer Korpusu Służb Wybrzeża i Geodezji, w latach 1917–1919 służył w Siłach Rezerwy Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych podczas I wojny światowej , podczas której badał wykorzystanie akustyki podwodnej w walce z okrętami podwodnymi . Był oczywistym wyborem na przywódcę nowego przedsięwzięcia.
Do stycznia 1923 roku Coast and Geodetic Survey podjęło decyzję o zainstalowaniu dalmierza dźwiękowego Hayes – wczesnej echosondy – na pokładzie statku badawczego USC&GS Guide , który Coast and Geodetic Survey planował wprowadzić do swojej floty jeszcze w tym samym roku; Skuteczne działanie dalmierza dźwiękowego wymagałoby dokładnego zrozumienia prędkości dźwięku w wodzie. Kiedy Heck skontaktował się z EA Stephensonem z Korpusu Artylerii Wybrzeża Armii Stanów Zjednoczonych, aby poinformować go o tym planie i zadać dalsze pytania na temat eksperymentów Vineyard Sound, Stephenson zasugerował, że system hydrofonów wykrywających dźwięki podwodnych eksplozji mógłby umożliwić statkom Coast and Geodetic Survey naprawianie swoje stanowisko podczas przeprowadzania ankiet. Heck zgodził się, ale uważał, że istniejące pomoce nawigacyjne nie spełnią potrzeb Służby Wybrzeża i Geodezji w zakresie natychmiastowości i dokładności ustalania pozycji. Przewidział ulepszenie systemu podwodnych generatorów szumu i dołączonych nadajników radiowych firmy Submarine Signal Company, a także innych wcześniejszych koncepcji, poprzez stworzenie czegoś, co stało się znane jako metoda określania odległości radioakustycznej. Podobnie jak echosonda, metoda ta wymagała dokładnego obliczenia prędkości dźwięku w wodzie.
Heck nadzorował testy w siedzibie Coast and Geodetic Survey w Waszyngtonie , które wykazały, że rejestracja czasu eksplozji na statku może zostać przeprowadzona wystarczająco dokładnie, aby jego koncepcja zadziałała. Współpracował z doktorem EA Eckhardtem, fizykiem i M. Keiserem, inżynierem elektrykiem z Krajowego Biura Normalizacyjnego , aby opracować system hydrofonowy, który mógłby automatycznie wysyłać sygnał radiowy po wykryciu dźwięku podwodnej eksplozji. Kiedy w 1923 roku Coast and Geodetic Survey zamówiło Guide , Heck umieścił ją przy ul Nowy Londyn , Connecticut . Pod jego kierownictwem Guide zarówno przetestowała zdolność swojej nowej echosondy do dokładnego sondowania głębokości, jak i przeprowadziła eksperymenty radioakustyczne we współpracy z Korpusem Artylerii Wybrzeża Armii Stanów Zjednoczonych. Pomimo wielu trudności testy echosondy i zasięgu radioakustycznego zakończyły się sukcesem w listopadzie 1923 roku.
Rejs Przewodnika
.jpg)
Pod koniec listopada 1923 roku z Heckiem na pokładzie Guide rozpoczął podróż z Nowego Londynu przez Portoryko i Kanał Panamski do San Diego w Kalifornii , gdzie w przyszłości miał stacjonować, a jej trasa miała obejmować różnorodne głębin oceanu, aby móc dalej testować echosondę. Guide przeszedł do historii podczas rejsu, stając się pierwszym statkiem do badań wybrzeża i geodezji, który wykorzystał echosondę do pomiaru i rejestracji głębokości morza w punktach na swoim kursie; mierzyła także temperaturę wody i pobierała próbki wody, dzięki czemu Instytut Badań Biologicznych Scripps (obecnie Scripps Institution of Oceanography ) w La Jolla w Kalifornii może mierzyć poziom zasolenia . Porównała także sondowanie echosondą z sondą wykonywaną za pomocą ołowianych przewodów i odkryła, że użycie jednej prędkości dźwięku w wodzie, jak to było wcześniej praktykowane przez osoby przeprowadzające eksperymenty z echosondą, dało wyniki akustycznego określania głębokości, które nie odpowiadały znalezionym głębokościom. przez linie prowadzące. Zanim dotarła do San Diego w grudniu 1923 roku, zgromadziła wiele danych przydatnych do badania ruchu fal dźwiękowych w wodzie i pomiaru ich prędkości w zmiennych warunkach zasolenia, gęstość i temperatura, informacje niezbędne zarówno do określania głębokości, jak i określania odległości radioakustycznych.
Po przybyciu do Kalifornii pracownicy Heck and Guide w porozumieniu z Instytucją Scripps opracowali formuły umożliwiające dokładne echosondę głębokości we wszystkich wodach z wyjątkiem najpłytszych i zainstalowali hydrofony w La Jolla i Oceanside w Kalifornii, aby umożliwić eksperymenty z odległością radioakustyczną. Pod kierunkiem Hecka Guide przeprowadził następnie eksperymenty u wybrzeży Kalifornii w pierwszych miesiącach 1924 roku, które wykazały, że przy użyciu nowych formuł możliwe jest dokładne badanie echosondowe. Eksperymenty z odległością radioakustyczną, pomimo początkowych trudności, wykazały, że metoda ta jest również praktyczna, chociaż trudności w doprowadzeniu do detonacji części ładunków wybuchowych utrudniały część programu eksperymentalnego. W kwietniu 1924 roku Coast and Geodetic Survey stwierdziło, że zarówno echosonda, jak i pomiary radioakustyczne są zasadniczo prawidłowe i nie pozostały żadne podstawowe problemy do rozwiązania, a jedyne, co pozostało konieczne, to dalszy rozwój i udoskonalanie obu technik w trakcie ich operacyjnego użytkowania. Heck przekazał dalszy rozwój echosondy i radioakustyki w zakresie Dowódca Guide , komandor Robert Luce, i wrócił do swoich obowiązków w Waszyngtonie
Późniejszy rozwój
Działający na Pacyfiku u wybrzeży Oregonu w 1924 roku Guide stał się pierwszym statkiem, który operacyjnie zastosował pomiar radioakustyczny. W tym samym roku u wybrzeży Oregonu z powodzeniem zastosował tę technikę w odległości 206 mil morskich (382 km) pomiędzy eksplozją na odległość a odległymi hydrofonami wykrywającymi jej dźwięk, uzyskując w ten sposób pierwsze zaobserwowane wskazanie warstwy dźwiękowej oceanu, które później nazwano kanał utrwalania i ustalania dźwięku (SOFAR) . lub głęboki kanał dźwiękowy (DSC). W 1928 roku francuscy badacze rozszerzyli ten zasięg, zdetonując 30-kilogramowy (66-funtowy) materiał wybuchowy na Morzu Śródziemnym między Algierem we francuskiej Algierii a Tulonem we Francji i wykrywając dźwięk w odległości 400 mil morskich (740 kilometrów).
Początkowo Heck i inni zaangażowani w rozwój pomiaru radioakustycznego uważali, że technika ta okaże się najmniej skuteczna na wybrzeżu północno- zachodniego Pacyfiku , gdzie założyli, że odgłosy działania fal wzdłuż wybrzeża oraz trudności w ustawianiu stacji brzegowych i kabli ograniczyłoby skuteczność pomiarów radioakustycznych; dla kontrastu uważali, że warunki na wschodnim wybrzeżu Stanów Zjednoczonych nie będą stanowić żadnego wyzwania. W rzeczywistości było odwrotnie: między innymi stosunkowo płytka woda wzdłuż wschodniego wybrzeża Stanów Zjednoczonych tłumiła odgłosy dalekich eksplozji i mielizn . często w ogóle uniemożliwiały dotarcie dźwięku do brzegu. Aby przezwyciężyć te trudności, Coast and Geodetic Survey zakotwiczyło statki daleko od brzegu, wzdłuż wschodniego wybrzeża Stanów Zjednoczonych, aby służyły jako stacje hydrofonowe. W 1931 r. Coast and Geodetic Survey zaproponowało wymianę załogowych statków stacyjnych na „radiowe boje”, a w lipcu 1936 r. zaczęto wprowadzać je do służby. Boje o masie 700 funtów (317,5 kg) – wyposażone w podziemne hydrofony, baterie i nadajniki radiowe, które automatycznie wysyłają sygnał radiowy, gdy ich hydrofony wykryją dźwięk dalekiej eksplozji – mogą zostać rozmieszczone lub odzyskane przez statki Coast and Geodetic Survey w pięć minut. Użycie boi rozprzestrzeniło się również na zachodnie wybrzeże Stanów Zjednoczonych, ponieważ były tańsze w konfiguracji i obsłudze niż stacja brzegowa.
Zasięg radioakustyczny miał ograniczenia i wady. Lokalne cechy propagacji fal akustycznych w słupie wody mogły obniżyć ich dokładność, występowały problemy z konserwacją stacji hydrofonowych, a obsługa ładunków wybuchowych stwarzała poważne zagrożenie dla załogi i statków. chorąży Korpusu Geodezyjnego i Wybrzeża na pokładzie statku badawczego USC&GS Hydrographer włożył radioakustyczną bombę odległościową do pyska rekina i wypuścił rekina, tylko po to, by z przerażeniem patrzeć, jak podpłynął z powrotem do statku i eksplodował obok Hydrograf kadłub ; _ eksplozja wstrząsnęła statkiem. Na pokładzie Guide w 1927 r. niemal doszło do tragedii, gdy podoficer trzymający bombę zapalił jej lont, a następnie upadł, gdy statek się przechylił; zrzucił bombę, która stoczyła się do rynsztoka. Podoficer upadł ponownie, zanim w końcu dotarł do bomby i wyrzucił ją za burtę w samą porę; eksplodował obok statku tuż po uderzeniu w wodę. Wstrząs mózgu spowodował, że połowa załogi wybiegła spod pokładu, aby dowiedzieć się, co się stało.
Jeszcze w 1942 roku pomiary radioakustyczne pozostawały na tyle ważne dla Coast and Geodetic Survey, że poświęciły im nieco ponad 100 stron swojego Podręcznika hydrograficznego . Jednakże II wojna światowa , która szalała już od trzech lat, dała impuls do szybkiego rozwoju wyłącznie radiowych systemów nawigacji, pomagających bombowcom w odnajdywaniu celów w ciemności i przy złej pogodzie. Taka radionawigacja systemy były łatwiejsze w utrzymaniu niż stacje hydrofonowe i nie wymagały obsługi materiałów wybuchowych, a w miarę dojrzewania nowych systemów Służba Wybrzeża i Geodezji zaczęła je stosować w żegludze morskiej. Wydaje się, że po 1944 r. radioakustyczny pomiar odległości nie był używany, a do 1946 r. statki Coast and Geodetic Survey przeszły na nową SHORAN w celu ustalania swoich pozycji.
Dziedzictwo
Pierwsza w historii ludzkości niewizualna metoda precyzyjnej nawigacji i pierwsza, którą można było zastosować o każdej porze dnia i nocy oraz w każdych warunkach atmosferycznych, pomiar radioakustyczny był znaczącym krokiem naprzód w rozwoju nowoczesnych systemów nawigacji. Nicholas Heck zrewolucjonizował badania oceaniczne poprzez wykorzystanie radioelektronicznego pomiaru odległości do ustalania lokalizacji statków, co jest jednym z jego głównych wkładów w oceanografię . Jego prace związane z tą techniką pomogły również w opracowaniu tabel prędkości dźwięku pod wodą, umożliwiających ustalenie „rzeczywistych głębokości” do pięciu mil (8,0 km) za pomocą echosondy.
Pomiary radioakustyczne były wczesnym krokiem na drodze do nowoczesnych elektronicznych systemów nawigacji, oceanograficznych systemów telemetrycznych i rozwoju morskich badań sejsmicznych. Technika ta położyła również podwaliny pod rozwój sonarów zdolnych patrzeć przed siebie i na boki statków.
Radiowe boje sonoboje opracowane przez Coast and Geodetic Survey do wspomagania pomiaru radioakustycznego były przodkami sonoboji używanych obecnie przez statki i samoloty w działaniach przeciw okrętom podwodnym i w podwodnych badaniach akustycznych.
Zobacz też
- Echosonda – pomiar głębokości wody poprzez przesyłanie fal dźwiękowych do wody i ustalanie czasu powrotu
- Badania hydrograficzne - nauka o pomiarach i opisie cech wpływających na działalność morską
- Nicholas H. Heck – amerykański oficer USCGSC (1882–1953)
- United States Coast and Geodetic Survey – była agencja rządowa USA
Linki zewnętrzne
- Historia NOAA: początek prac akustycznych wybrzeża i badań geodezyjnych
- Historia NOAA: Narzędzia handlu: Zakres radioakustyczny
- NOAA 200.: Techniki badań hydrograficznych: Metody badań akustycznych: Pomiar radiowo-akustyczny
- Badanie wybrzeża NOAA: monumentalna historia
- Hydro International „System bez punktów stałych”
- EWOLUCJA SONOBUOY.pdf Holler, Roger A., „The Evolution of the Sonobuoy From World War II to The Cold War”, US Navy Journal of Underwater Acoustics , styczeń 2014 [ stały martwy link ]