Manual On Hydrography

[Mohamed Hashem]

توقفنا فى المقالة الثانية عند فقرة كيف يمكن توليد الموجة الصوتية فى الماء
لتوليد الموجات فوق الصوتية فى الماء سنحتاج لجسم يتحرك بشكل ترددى Oscillatory Motion وبسرعة شديدة أو بمعنى أدق يتذبذب بتردد عالى حتى يحدث تخلخلات وتضاغطات فى الماء مكونه للموجة الصوتية ولكن على شكل نبضات تماما كما يحدث فى القلب البشرى فهو يقوم بالانقباض لضخ الدم فى الشرايين فى النبضة رقم 1ثم يتوقف لجزء من الثانية ليعاود الانقباض مرة أخرى محدثا النبضة رقم 2 وهكذا نفس الشئ يحدث هنا فنحن - لقياس العمق - نحتاج إلى توليد موجه صوتية ثم الانتظار فترة زمنية قصيرة حتى نترك لها الفرصة لقطع رحلتها لقاع البحر ثم العودة فنطلق النبضة الثانية وهكذا ... وسنستعمل التيار الكهربى كأحد صور الطاقة لتحريك ذلك الجسم وهو ما يطلق عليه المذبذب


للأسف النبضة الصوتية التى نتحدث عنها ليست بتلك البساطة فهناك الكثير من التعريفات الأخرى كالنبضات المتضائلةpulse damped والعادية un- damped pulse والفقد فى طاقة النبضة attenuation loss والامتصاص الذى تتعرض له absorption من خلال الوسط والقوانين التى تحكم الحركة فيما يسمى SONAR equation (بالمناسبة سونار اختصار للجملة SOund NAvigation & Ranging وتعريبها الملاحة باستخدام الصوت) وستنغمس حتى أذنيك فى المعادلات الرياضية ولكن إذا أردت المزيد ادخل جوجل Googleوأكتب sonar OR speed of sound in water وستجد المزيد

المذبذبات Transducer

فى البداية كانت تصنع المذبذبات – والكلام هنا للدكتور رفعت رشاد – من رقائق من حلقات النيكل ترص على شكل حزم مترابطة ويمر بشكل عمودى عليها ملف من سلك نحاسى معزول فإذا مر تيار كهربى كبير مع فرق جهد متوسط فيتولد مجال مغناطيسى فتهتز الرقائق اهتزازات ميكانيكية فتتولد الموجات الصوتية وكلما كثرت حلقات النيكل كلما زادت شدة الذبذبة المتولدة : انتهى كلام دكتور رفعت.
أما المذبذبات الحديثة فتستعمل ما يسمى بالـ piezoelectric effect وهى ظاهرة تم اكتشافها عام 1880- بالصدفة - فى معدن الكوارتز الذى يوجد فى الطبيعة ... هذه الظاهرة مؤداها أنك إذا عرضت أحد أوجه كريستاله من الكوارتز لتيار كهربى فإنها تتذبذب من تلقاء نفسها وبالعكس أى أنها إذا تعرضت لاهتزازات سريعة متذبذبة فإنها تنتج تيار كهربى ضعيف !!! ومن التطبيقات الأخرى لتلك الظاهرة الميكرفون الذى تضعه أمام فمك وتتكلم فتنتقل ذبذبات صوتك لترتطم بالكريستاله لتتذبذب بنفس التردد فتنتج تيار كهربى متغير الشدة يسير عبر الأسلاك النحاسية معبرا عن ذبذبات صوتك !!
وقد استطاع العلماء الألمان تصنيع مادة لها نفس خصائص الكوارتز الطبيعى تتكون من خليط من السيراميك والزركونيوم (فلز نادر) والرصاص وغيرها .

Piezoelectric Effect; appearance of an electrical potential across some faces of a crystal when it is under pressure, and of distortion when an electrical field is applied. Pierre Curie and his brother Jacques discovered the effect in 1880. It is explained by the displacement of ions, causing the electric polarization of the crystal’s structural units. When an electrical field is applied, the ions are displaced by electrostatic forces, resulting in the mechanical deformation of the whole crystal. Piezoelectric crystals are used in such devices as the transducer, record-playing pickup elements, and the microphone.
This effect occurs naturally in quartz crystals, but can be induced in other materials, such as specially formulated ceramics consisting mainly of Lead, Zirconium, and Titanium (PZT).

انظر الصورة التالية



سرعة الصوت فى الماء

تبلغ سرعة انتشار الصوت فى الهواء حوالى 343 متر/ثانية إذا كان الهواء جافاً ودرجة حرارته 20 درجة مئوية ، بينما تبلغ سرعة انتشار الموجات الصوتية acoustic waves فى الماء حوالى 1500 متر/ثانية ونقول حوالى لأن سرعة الصوت فى الماء تتأثر بثلاثة عوامل: درجة حرارة الماء temperature الملوحة Salinity العمق Depth أو الضغط
أولا الحرارة حرارة المياه السطحية دائما أعلى من الطبقة السفلية حيث تتعرض تلك الطبقة لنفاذ أشعة الشمس خلاله والتى ترفع درجة حرارتها نسبيا وتختلف سمك تلك الطبقة السطحية تبعا لموقعها الجغرافى وبشكل عام تقل درجة الحرارة بالاتجاه لأسفل أى بزيادة العمق وفى الأعماق الكبيرة تصبح الحرارة ثابتة إلى حد كبير عند درجة 4 درجة مئوية وتقول الأبحاث أن ارتفاع درجة الحرارة بمقدار درجة واحدة مئوية يسبب زيادة سرعة الصوت بمقدار 3 متر/ثانية وفى ضوء شرحنا السابق لكيفية انتشار الصوت فى الماء هل تستطيع تعليل السبب ؟ السبب هو زيادة درجة الماء تؤدى إلى تمدد ضئيل لجزئيات الماء مما يؤدى إلى أن يصبح الوسط المائع – وهو الماء – أكثر مرونة elasticity مما يقلل من كمية الطاقة المهدورة للموجة
العمق أو الضغط: الضغط يؤثر أيضا على سرعة الصوت ويقصد به الضغط الذى يحدثه وزن عمود الماء وهذا يعنى اننا يمكن أن نستخدم العمق للتعبير عن الضغط ومن الأبحاث أيضا نجد أنه كلما زاد الضغط 10 ضغط جوى (تساوى 100 متر عمق) زادت سرعة الصوت فى الماء بمقدار1.7 متر/ثانية أى أنها علاقة طردية: كلما زاد العمق زادت سرعة انتشار الصوت فى الماء
الملوحة: وهى تقاس بكمية الأملاح المذابة مقدرة بالجرام فى وحدة الحجوم من ماء البحر مقدرة بالليترات ويرمز لها بـ ppt أو جزء فى الألف والمتوسط العام للملوحة فى البحار والمحيطات حوالى 35 جزء فى الألف والملوحة تتغير تبعا لعوامل كثيرة أهمها كميه الماء العذب المنصرف من مصبات الأنهار وخصوصا فى البحار شبه المغلقة و عملية تجمد الماء فى القطبين (كتل الجليد المتجمد تحتوى على الماء العذب) وتأثير عملية البخر بفعل أشعة الشمس فى المناطق المدارية على طبقة المياه السطحية وأيضا وجد العلماء أنه كلما زادت الملوحة بمقدار جزء واحد فى الألف كلما زادت سرعة الصوت فى الماء بمقدار 1.3 متر/ثانية (علاقة طردية أيضا) هل تستطيع تعليل السبب ؟ حاول ..!!
وتلك العوامل الثلاثة من الأهمية بمكان فى قياس العمق بالصوت لأن المساح حين يقيس العمق (مسافة) يستخدم قانون المسافة = السرعة × الزمن ولما كان قياس الزمن ممكنا ودقيقا فكيف يفترض ثبات سرعة الصوت فى منطقة المسح وهو يعلم أنها متغير حسب العمق والحرارة والملوحة معنى ذلك أن القراءات سيكون بعضها خاطئ إن لم يستخدم السرعة الحقيقة للصوت والتى تتغير دوما فكيف نستطيع معرفة ذلك ؟ باستخدام جهاز يسمى CTD (conductivity, temperature & Depth detector) هذا الجهاز به ترمومتر حساس لقياس درجة حرارة الماء وبه خلية كهربية تقيس موصلية ماء البحر للتيار الكهربي ومنها يتم استنتاج درجة الملوحة وأخيرا بها مقياس للعمق وهكذا يعطيك هذا الجهاز الثلاث متغيرات فى خطوة واحدة .... يستخدم المساح تلك القيم الثلاثة للتعويض فى معادلة حساب سرعة انتشار الصوت فى الماء كالاتى
انظر المعادلة

* هذه المعادلة تم تبسيطها بواسطة العالم مدوين Medwin عام 1975 وهى صحيحة حتى عمق ألف متر فقط

خصائص انتشار الصوت فى الماء
عندما ينتشر الصوت فى الماء – كما سبق توضيحه – تفقد الموجه الصوتية جزء من طاقتها acoustic energy وذلك راجع لأن عملية نقل التضاغطات عبر جزئيات الماء لا تتم بصورة كاملة is not 100% efficient بعض من طاقة الموجة يتحول إلى حرارة متبددة (صورة أخرى من تحول الطاقة ) هذا الفقد فى الطاقة يسمى التضاؤل attenuation
من المفيد جدا استخدام الموجات الصوتية فى الماء ( لقياس العمق وللاستشعار عن بعد كأجهزة كشف العوائق بالسونار فى الغواصات ) حيث أنها تتميز بقدرتها على قطع مئات الكيلومترات فى الماء بدون فقد يذكر فى طاقتها ، على عكس الضوء و موجات الراديو (الموجات الكهرومغناطيسية ) والتى تفقد تقريبا كل طاقتها بعد أمتار قليلة فى الماء
يتوقف مستوى التضاؤل فى طاقة الموجة الصوتية على التردد فالموجة ذات التردد العالى تفقد طاقتها بسرعة بينما الموجات ذات التردد المنخفض تستطيع الوصول لقاع المحيط السحيق على أعماق وصلت لأحد عشر ألف متر فى خندف مارياناس

"The deepest point in the ocean is generally believed to be in the Marianas Trench in the Western Pacific Ocean at approximately 36,160 feet (11,021 m), according to the Rand McNally Atlas (1977(
عندما تصطدم النبضة الصوتية بقاع البحر (صخرى أو رملى الخ) فان الجزء الأول منها ينكسر fraction ويكمل انتشاره فى الوسط الجديد بينما الجزء الثانى من النبضة ينعكس reflected وتكون زاوية الانعكاس مساوية لزاوية السقوط حسب قانون سنيل والجزء الثالث والباقى من طاقة النبضة يحدث له تشتت scattered وهو انعكاس نتيجة أن قاع البحر ليس مستوى ولا أملس ولا متجانس لذا لا ينطبق عليه قانون سنيل والسؤال هنا كم تكون كميه الطاقة فى كل جزء من الأجزاء الثلاث السابقة ؟ هذا يعتمد على نوع القاع وعلى زاوية سقوط النبضة الأصلية
النبضة المرتدة من القاع تسمى echo أو صدى وهى تحتفظ بنفس خصائص الموجة الأم من حيث التردد وهذه هى مجال دراستنا التى سنتعامل معها عند الحديث عن أجهزة الـ echo sounder
انظر الصورة رقم 3 المرفقة

سنكتفى بهذا القدر فى الحديث عن الصوت ولنبدأ بدراسة النظرية العلمية لعمل وتركيب أجهزة الجس بالصدى Single beam Echo sounder
وللحديث بقية ... تابعونا
آسف للإطالة .. وأشكركم على متابعتكم