Manual On Hydrography

[Mohamed Hashem]

بسم الله الرحمن الرحيم

كما وعدناكم أمس سنستكمل قراءة مانيوال الهيدروغرافيا المنشور بواسطة المنظمة العالمية ، وسنتجاوز الفصل الثانى الذى يتحدث عن عملية تحديد الموقع Positioning والمواضيع المرتبطة به مثل The Earth: Ellipsoid, Datum, Coordinate system, Projection GPS & DGPS وذلك لأن تلك المواضيع ستجدونها فى أقسام أخرى من هذا المنتدى وإن كنت أنوى العودة لهما لاحقاً لتعم الفائدة


لقد وعدناكم بالدخول إلى فصل قياس الأعماق Depth Determination بالموجات الصوتية ولكن ... جس الأعماق من الأعمال المتكررة دوماً للمساحين البحريين والتى تتطلب وجود خلفية علمية عن موضوعات أخرى فمثلاً يجب أن يكون المساح على دراية بـ : طبيعة إنتشار الموجات فوق الصوتية فى الماء ، الخصائص الفيزيائية لمياه البحار والمحيطات ، أجهزة قياس حركة درفلة السفن motion sensors الخ ولهذا أرى أن نتعرض للمعلومات التى بدونها سيكون الحديث عن جس الأعماق مبهما وقد راعيت التبسيط قدر الإمكان وأعدك أنها لن تتجاوز مستوى فيزياء المرحلة الثانوية .. !! \

مقدمة:

من الطرق اليدوية – أى التى لا تعتمد على أجهزة إلكترونية - والتى كانت تستخدم قديما فى قياس الأعماق : حبل الإسكنديل (سلك من الصلب رفيع ومدرج بالأمتار وفى نهايته ثقل من الرصاص) و قامة الجس (تشبه قامه الميزان ولكنها بطول 2 متر فقط تستخدم لجس المناطق الضحلة )

وقد بدأ استخدام الـ Single beam echo sounder ( جهاز جس الأعماق بالصدى) منذ العام 1900 وقد أستخدم فى البداية للأغراض الحربية ومنذ الخمسنيات بدأ ظهور أجهزة الجس من النوع Multi beam echo sounder ( جهاز جس الأعماق بالصدى متعدد الأشعة )


طبيعة الصوت وشكل انتشار الموجات الصوتية Acoustic waves فى الماء ( هذا بتصرف من الكاتب):


الصوت لا يتولد إلا نتيجة حركة فمثلا الصوت البشرى ينتج من اهتزاز الأحبال الصوتية Any vibrating object generates the acoustic wave
إذن الصوت عبارة عن أحد صور الطاقة المتحولة فى الطبيعة وهو ينتقل فى أي وسط مادى (غازات – سوائل – مواد صلبة كالحديد )
ينتقل الصوت خلال الأثير من خلال تحرك طاقة الموجه الصوتية فى شكل مجموعة من التضاغطات والتخلخلات ، يشبه ذلك إلى حد كبير عندما تمسك بطرف حبل طويل ( 10 أمتار مثلا) ويقف زميلك ممسكا بالطرف الأخر ثم تقوم أنت بهز الحبل فى شكل حركة فجائية لأعلى ثم لأسفل بسرعة ينتج من ذلك موجه فى الحبل تنتقل من جهتك إلى جهة زميلك حتى يشعر زميلك بتلك الهزة وهو على بعد عشرة أمتار لاحظ أن الطاقة التى ولدتها أنت فى الحبل هى التى انتقلت خلال جزئيات الحبل بينما لم تنتقل تلك الجزئيات نفسها فعليا .... هذا هو الذى يحدث بالضبط فى طاقة الموجه الصوتية أثناء انتشارها خلال جزئيات الماده ... ولأن انتشار الصوت يعتمد على جزئيات المادة وجد العلماء أن أن سرعة انتشار الموجات الصوتية فى المواد الصلبة أعلى منها فى السوائل أعلى منها فى الهواء على عكس المتوقع ...!! بمعنى آخر سرعة الصوت فى الماء أعلى من سرعته فى الهواء أى أن: سرعة انتشار الموجات الصوتية تعتمد على نوع الوسط أو بمعنى أدق تعتمد على كثافة الوسط وكلما زادت كثافة الوسط كلما قلت المسافات البينية بين جزيئاته كلما كان ساعد ذلك بالتبعية على انتشار الموجات الصوتية بصورة أسرع وتبعاً لذلك الصوت لا ينتقل فى الفراغ..!!

لذا توصف أحيانا بأنها موجات تضاغطيه
والمثال الأشهر فى أغلب المراجع الذى يُذكر عند الحديث عن الموجات الصوتية ما يحدثه إلقاء حجر صغير على سطح الماء الساكن لبحيرة مثلا

كل موجه صوتيه لها ما يسمى بالتردد أو الـ frequency وهو عبارة عن عدد الاهتزازات أو الذبذبات التى تحدثها الموجه الصوتية فى الثانية الواحدة هذه الذبذبات تقدر بالهرتز Hertz
وجد العلماء أيضا أن الأذن البشرية تستطيع سماع الأصوات التى لها تردد من 20 هرتز إلى 20 كيلو هرتز فقط ما زاد عن 20 كيلو هرتز نسميه الموجات فوق الصوتية Ultra sonic (وهى مجال دراستنا) وما قل عن ذلك نسميه الموجات تحت الصوتية

we can hear only the sound with the frequency in the range 20 Hz- 20 kHz. The sound with the higher frequencies (ultrasound) and lower frequencies (infrasound) can be detected by special devices

من الآن فصاعدا سنذكرها اختصارا بالموجات الصوتية
من المعروف أيضا أن الموجات الصوتية تنتشر فى الأثير فى جميع الاتجاهات ولكن من الممكن لك أن تركز طاقتها فى اتجاه معين لضمان وصولها لمسافات أبعد أو لتصل لنفس المسافة بطاقة أكبر وأنت تفعل ذلك عندما تضم راحة كفيك الاثنين على هيئة بوق وتضعهما حول فمك وتصيح لتنادى زميل بعيد عنك هذا ما يحدث تماما عندما نطلق تلك الموجات فى الماء لنقيس بها العمق ولكن لا تتعجل مازال أمامنا الكثير لنتعلمه
ومن التطبيقات المشهورة جدا للموجات فوق الصوتية Ultrasonic فى الحياة العادية ما يستخدمه الأطباء للكشف عن الأعضاء الداخلية للإنسان (كالكشف عن الأجنة وعن الأورام الداخلية) ومن تطبيقاتها فى الصناعة استخدام تلك الموجات لقياس سمك الحديد فى المنشآت التى لا يمكن الوصول إليها كقياس سمك حديد بدن السفن مثلا كما يمكن استخدامها بنفس أسلوب الكشف عن الأجنة للكشف عن اللحامات الداخلية لمنشآت لا يمكن تحريكها كمنصات البترول البحرية

الموجه ومصطلحاتها :

الصوت ينتقل فى موجات وأي موجه (صوتية ، موجه راديو الخ ) لها نفس الخصائص الفيزيائية الآتية
الطول الموجى (الرمز λ) wavelength ويلفظ لاندا وهو المسافة التى تقطعها الموجه بين قمتين متاليتين ويقاس بالمتر
التردد (الرمز f ) frequency وهو عدد الذبذبات التى تحدث للموجه فى الثانية الواحدة ويقاس يالهرتز والعلاقة بينهما عكسية كلما زاد الطول الموجى قل التردد وبالعكس
سرعة الموجه الصوتية (الرمز v ) velocity وهى المسافة بالمتر التى تقطعها موجه واحده كاملة فى الثانية الواحدة

والعلاقة بين الثلاث متغيرات السابقة كالتالى
λ = v/f
السعة (والرمز Pa ) وهى حجم التغير الحاصل فى الموجه (شدة الموجة) وفى الصوت يعبر عنه بمستوى ضغط الصوت sound pressure level ويقاس بالديسيبل ورمزه dB
وهناك صورتان للموجه :
الموجات المستعرضة: وفيها تكون اتجاه انتشار الموجة عمودى على اتجاه حركة الجزئيات الناقلة للموجه كما شرحنا فى حركة الحبل السابق

Transverse Wave – A traveling wave in which the particles of the disturbed medium move perpendicularly to the wave velocity. An example is the wave pulse on a stretched rope that occurs when the rope is moved quickly up and down.

الموجات الطولية: وفيها يكون اتجاه انتشار الموجه فى نفس اتجاه حركة جزئيات المادة المتحركة

Longitudinal Wave – A traveling wave in which the particles of the medium undergo displacement parallel to the direction of the wave motion. Sound waves are longitudinal waves.

ويجب ملاحظة أن الموجة المتولدة من إلقاء حجر صغير فى البحيرة هى خليط من النوعين
وعندما ينتقل الصوت فى الهواء أو الماء فإن موجاته تأخذ شكل الثانى الطولية لأن وسط الموائع (غاز - سوائل) ضعيف جدا لنقل الموجات المستعرضة والتى لا تظهر إلا فى الأوساط الصلبة .. حتى الآن لم نخرج عن موضوعنا فالاوساط المائعة هى مياه البحار والأوساط الصلبة هى قاع البحر أيا كان نوعه
يقول الدكتور رفعت رشاد فى كتابه الاقمار الصناعية والملاحة الإلكترونية "أجهزة الجس بالصدى لا تقيس العمق مباشرة ولكنها تقيس الوقت المستغرق لنبضة صوتية تقوم بإرسالها بين لحظة الإرسال ولحظة الاستقبال بعد انعكاسها وعودتها من قاع البحر ويتم بعد ذلك تحويل فرق الوقت إلى عمق بمعرقة سرعة انتشار الموجات الصوتية فى الماء والتى يفترض أنها ثابتة فى المنطقة التى يتم فيها حساب العمق"
والآن كيف يمكن توليد الموجات فوق الصوتية ؟
نعتذر عن الإطالة وللحديث بقية
شكرا لمتابعتكم