Allveeakustika onakustika haru, mis uuribhelilainetega seotud nähtusivees. Seejuures uuritakseheliallikaid,helilainete levimist, lainete omavahelist vastasmõju,peegeldumist jamurdumist veekihtidel ning vee piirikihtidel (näiteks vee ja õhu piirikiht, vee ja merepõhja piirikiht). Peamiselt käsitletakse allveeakustikas helinähtusiveekogudes ja enamasti looduslikes veekogudes naguookeanid,mered,järved jajõed. Allveeakustika rakenduslikuma taustaga allharusid nimetatakse mõnikord kahüdroakustikaks.
Helilaineid kasutatakse peamiselt[1]
Tinglikult võib allveeakustika alguseks pidada aastat1826. Sel aastal mõõtsid teadaolevalt esmakordselthelikiirustGenfi järves prantsuse matemaatikCharles Sturm ja šveitsi füüsikDaniel Colladon. Nende mõõteseadmestik koosnes paadilt vette lastudkellast ja sellest 13–14 km kaugusel vee alla ulatuvastkuuldetorust. Kellalöömise aja fikseerimiseks kasutati põlevast pulbrist tekkinud välgatust. Helikiiruseks 8 °C vees määrati c = 1435 m/s, mis on väga lähedane sarnastes oludes tänapäevaste seadmetega mõõdetuga c = 1439 m/s.[2][3]
Allveeakustika ajalugu oli oma algusaastatel seotud suuresti selle peamise rakenduse –sonarite valdkonna arenguga. Sonar on meetod, milles enamasti allveekeskkonnas kasutatakseheli levimistnavigatsiooniks,kommunikatsiooniks või veealuste/veepealsete objektide (laevade) leidmiseks/tuvastamiseks. Esimesteks allveeakustika rakendusteks peetakse navigeerimise abivahenditeks mõeldud veealuseidkellasidAmeerika Ühendriikidestuletornide juures. Veealused kellad olid odavamad ja töökindlamad, kui seni kasutusel olnud udupasunad ja -viled.[4] Veealuste kellade kasutamine levis ka Läänemere idarannikule ning teadaolevalt paigaldati neid 1910. aastalHiiu madalal paiknenudNekmansgrunditulelaevale ning tänaseVentspilsi läheduses oleveOviši majaka juurde.[5] Lisaks hakati 20. sajandi algusesmerevägedes üha enamallveelaevu kasutama. Allveelaevadega seonduvalt tekkis ka vajaduse allveeakustika alaste uuringute jaoks. Laienenud allveelaevade kasutusele võtmist kinnitab kaNoblessneri laevatehase loomine 1913. aastal Emanuel Nobeli ja Gustav Lessneri poolt Tallinnas. Asutatud tööstusettevõtte põhitegevuseks oliBars-tüüpi allveelaevade tootmineVenemaa keiserliku mereväe tarbeks.[6]
1913. aastal leiutati kellahelistamise asemel kasutamiseksReginald Fessendeni poolt elektrotehniline seade (Fessendeni ostsillaator), mis võimaldas edastadamorsekoodis sõnumeid isegi ligi 50 km kaugusele.[7] Esimesed kajaloodide patendid võtsid pärastTitanicu uppumist 1912Lewis Fry Richardson ja 1914 Fessendenjäämägede kaugtuvastamiseks. Esimesed kajalokatsioonil põhinevad veesügavuse mõõtmised viis läbi 1916 prantsuse uurimisrühmPaul Langevini juhtimisel.Esimese maailmasõja ajal olid Ameerika laevadel jaallveelaevadel kasutusel kuulamisseadmed, mida nimetati SC torudeks. Need kujutasid endast põhimõtteliselt mehaaniliselt suunatavat vette ulatuvate kummiotsadegastetoskoopi.[8]
Üheks esimeseks oluliseks allveeakustika alaseksteadusartikliks peetakse Saksamaa füüsikuHugo Lichte 1919. aastal ilmunud artiklit.[9] Antud artiklis esitas Lichte enne sõda tehtud mõõtmistele põhinevaid tähelepanekuid veetemperatuuri,soolsuse jasügavuse mõjudesthelikiirusele vees. Lisaks jõudis ta arusaamisele, et heli levib veesrefraktsiooni tõttu talvekuudel kaugemale, kui suvel. Sellised uuringud tõid omakorda kaasa sonarite tehnoloogia arenemise. Tehnoloogia arengu näiteks enne teist maailmasõda võib tuuahüdroakustiliste seadmete võimekuseEesti merejõududeKalev-klassi allveelaevadel. VastavaltArto Ollile[10] olidKalev jaLembit varustatudAtlas Werke AG 500 W veealuse akustilise saatjaga, mille tööulatus oli 5–7 meremiili,hüdrofonidega (ümbrushelide kuulamiseks ja sihtmärkide positsioneerimiseks) tööulatusega 2–2,5 meremiili jakajaloodiga, mis võimaldas mõõta veesügavusi vahemikes 0–100 m ja 0–500 m.
Esimesed tsiviilotstarbelised laevadele mõeldud kajaloodid tulid Ameerika Ühendriikides ja Suurbritannias müügile1925. Enneteist maailmasõda tegi allveeakustika suuri samme.1930. aastate alguses selgitasMarcel Minnaert õhumullide mõju allveehelide levile. Minnaert tegi kindlaks monopoolse heliallikana toimiva õhumullivabavõnkesageduse vees.[11] Meredes helilevi modelleerimisel mõisteti laialdasemalt helikiiruste (vee temperatuuri ja soolsuse) stratifikatsiooni suurt mõju helilainete murdumisele. Esimesedbatütermograafid vee temperatuuristratifikatsiooni mõõtmiseks ehitati seejuures alles1930. aastate lõpus. Nende vajalikkust allveeakustika jaoks illustreerib fakt, et teise maailmasõja alguseks olid kõikUSA mereväeallveetõrjelaevad nendega varustatud.[12]
USA oliteise maailmasõja alguseks arendanud peamiselt kõrgsageduslikkeaktiivsonareid. Saksamaa kasutas aga hea võimekusegahüdrofonide võredel põhinevaidpassiivseid sonareid. Sonarite võimekuse ennustamiseks vajalikud süsteemsed ümbrushelide uuringud ookeanides said alguse1940. aastatel. Erilise põhjalikkusega uuriti sagedusriba 20–50 000 HzVern Knudseni juhitud uurimisrühma poolt. Sõjaaegseid uuringuid kokkuvõtvaidlogaritmilises skaalas olevaid kõveraid hakati hiljem nimetama Knudseni kõverateks.[13]
Üks esimesi teadaolevaid allveehelide mõõtmisiSoome lahes toimus varjatud jälgimise eesmärgil teise maailmasõja ajal. Sakslastel oliPorkkala saarestikus,Suursaarel jaVaindlool allveehelide kuulamiseks kohandatudAtlas-Werke AG (Unterwasserschall-Gruppenhorchanlagen für Kustenhorchstationen) toodetud GHC allveehelide seire süsteem[14]. Antud süsteem koosnes kahest üksteisest 3–6 km kaugusel kümnest ringjalt võres paiknevast hüdrofonist, mis olid paigutatud mere põhja 8–12 km kaugusele kaldast[15].
.JPG)
Pärast teist maailmasõda leidis allveeakustika taas rakendusi väljaspool militaarvaldkonda. Akustiline merepõhja kujutamine sai1960. aastatel võimalikukskülgvaatesonarite ja1970. aastatellehviksonarite esiletulekuga. Kajaloodide rakendused laienesidkalandussekalaparvede lokaliseerimisekskalaloodide kujul. Lisaks arendatimeregeoloogia jaoks akustilisi profileerijaidmerepõhja setete ja merealuspõhja uuringuteks. Veealuseid akustilisi sideühendus- ja positsioneerimissüsteeme kasutatakse tänapäeval mitmesuguste rakenduste tarbeks laialdaselt. AkustilisedDoppleri nihkel põhinevadhoovuste profileerijad olidfüüsikalises okeanograafias laialt levinud mõõteriistaks juba 1980. aastate lõpust[1].
Samas tingiskülma sõja puhkemine merevägedes allveeakustika alase uurimistöö jätkumise, kuna mõlemad osapooled soovisid saavutadaallveesõjas vastase üle otsustavat tehnoloogilist ülekaalu. Antud põhjustel ehitati1950. aastate lõpus kaNSV Liidu mereväe pooltHara lahteSuurpea mereväebaas laevadefüüsikaliste väljade uurimiseks. Antud baasis oli ka pealvee- ja allveelaevadelt kiirguva ja peegelduva heli mõõtmiseks kolm merepõhja paigutatud mõõteplatvormi, millel igaühel asetses viis hüdrofoni kooseelvõimenditega, veealuste kaablitega ja kaldal paiknevate seadmetega. Mõõtesüsteemi kutsuti nimega Altair ja see koostati Teadusuuringute Keskinstituudis Morfizpribor (Morfizpribor Central Research Institute).[16]
Inimtekkeliste allveehelide võimalikest halbadestkeskkonnamõjudest saadi USA-s teadlikuks 1970. aastate lõpus, pärast esimesinafta- ja gaasipuurtornide põhjustatud helidest tulenevate arktilistemereimetajate häiringu reaktsioonide uurimisi[17]. Madalsageduslike aktiivsonarite mõju mereimetajatele on uuritud alates1990. aastate keskpaigast, kui esimesi suurearvulisivaalade kaldale kinnijäämisi hakati seostama militaarsonarite kasutamisega.
Veealuseidheliallikaid jagatakse analoogselt maapealsetehelimaastike korral kolme rühma:
Erinevate heliallikate tekitatud helide kogu võib kuulata siin:[1].
Inimtekkelisteks heliallikateks on kõik objektid, mis inimtegevustega seotult vee alla helisid edastavad. Inimtekkelisi allveehelid võib tinglikult jagada tahtlikeks ja mittetahtlikeks helideks. Mittetahtlike puhul tekib helid inimtegevuste kõrvaltulemina ja tahtlike helide korral on heli tekitamine oluline ja/või vältimatu osa tegevusest. Tahtlike hulka kuuluvad näiteks lõhkamised, merepõhjaseismilised uuringud, sonarid jaakustilised peletajad. Tahtmatult tekkinud helisid tekitavad näiteks laevad ja merelised tööstuslikud tegevused nagunafta puurimine,vaiade rammimine jameretuuleparkide töötamine. Lisaks antud jaotusele on levinud ka jaotus helide kestvuse ja intensiivsuse alusel. Eristatakse impulss- ja pidevheliallikaid, kus impulssheliallikad on lühikese ajalise kestvusega, kuid suure intensiivsusega. Impulssheliallikateks on näiteks lõhkamised, seismilised uuringud ja vaiade rammimine ehitustöödel meres. Pidevmüra allikateks on näiteks tiheda liiklusegalaevateed, meretuulepargid ja merepõhjasüvendustööd[18].
Veepinnal või selle läheduses olevad eluta looduse heliallikatest peamised ontuuletekkelised jasademetega seotud. Seejuures neist laialdasem on tuuletekkeline veepinnalainetus. Väga madalatel sagedustel 0,1–5 Hz peetakse helitekitajaks pinnalainete omavahelist mittelineaarne vastasmõju.[19] Sagedustest alates 5 Hz tekitab heli lainetuse tekitatavturbulents, murduva laine langemine veepinnale ja veealuste õhumullide laienemine/implosioon/ostsilleerumine.[1] Seejuures on tuuletekkeliste allveehelide intensiivsus otseses sõltuvusestuule kiirusest. Sademed naguvihm,rahe jalumi tekitavad samuti allveehelisid. Sademetest tekib heli kokkupõrkest veepinnaga ja veealuste õhumullideomavõnkumistest/implosioonist. Kogu veesamba ulatuses on alates 100 000 Hz oluliseks heli tekitajaks vees olevate vabadelaengukandjate korrapäratu liikumine, mille tekitatud heli nimetataksesoojusmüraks. Allveehelisid tekitavad ka näiteks veealusedvulkaanid,seismiline aktiivsus,settetransport merepõhjas jamaalihked. Külmemas kliimas on oluliseks helitekitajaks veekogudejääkate. Jää tekkega, liikumisega ja sulamisega on seotud palju erinevaid helisid. Samuti tekitab lainetus jää-äärel kindlaid iseloomulikke helisid.
Allveehelisid tekitavad oma elutegevuse käigus ka erinevadveeloomad. Nende hulgas on niimereimetajaid,kalu kui kaselgrootuid. Helisid kasutavad veeloomad omavahelises suhtluses, aga ka saagi leidmiseks ja püüdmiseks. Kõige paremini teatakse oma veealuste laulude poolest erinevaidvaalalisi. Üheks merede kõige valjemaks loomaks on aga peamiselt soojades meredes elavadnaksurkrevettlased.Läänemeres teevad vee all helisidpringlid,loivalised (hallhüljes,randal javiigerhüljes) ja mitut liiki kalad (näitekstursk,heeringas jaräim)[20].
Vees levivad helilained pea viis korda kiiremini, kui õhus.Kuivas õhus temperatuuril 20 °C onhelikiirus ligikaudu 343 m/s ehk 1235 km/h. Samas on magevees helikiirus 1atm rõhu korral ligikaudu 1450 m/s ehk 5220 km/h. Eesti päritolu teadlastest onAnts Tõnis Piip uurinud helikiirusi ja sellega seotud "helikanaleid" ookeanides.[21][22]
Magevees (tihedus 1000 kg/m) jamerevees (tihedus 1030 kg/m) onhelikiiruse ligikaudsed väärtused atmosfääri rõhu tingimustel vastavalt 1450 m/s ja 1500 m/s. Helikiirus vees suureneb rõhu, temperatuuri ja soolsuse kasvamisega. Destilleeritud vees on maksimaalne helikiirus temperatuuril 74 °C. Temperatuuri suurenedes hakkab sellest temperatuurist alates helikiirus vähenema. Antud maksimaalse helikiiruse temperatuuri väärtus tõuseb rõhu kasvamisega.
Meredes ja ookeanides on helikiiruse arvutamiseks kasutusel lihtsustatudempiirilised valemid. Ühe sellistest laialt levinud valemitest on välja pakkunud Wayne D. Wilson[23] ja see annab helikiiruse leidmiseks järgmise valemi:
,
kus
See empiiriline valem annab õigete temperatuuride, soolsuste ja sügavuste korral helikiiruse tulemuse, mis erineb 96 protsendil kordadest tegelikust väärtusest vähem kui 0,6 m/s.
Helilainete levimist vees mõjutavad erinevad tegurid. Helilevi suuna määrab helikiiruste muutlikkus vees. Veekogudes on levinud, et vertikaalsihis erinevad helikiirused omavahel oluliselt rohkem, kui horisontaalsihis ehk veekogudes esineb helikiiruste osasstratifikatsioon. Teatud levinud helikiiruste stratifikatsioonid toovad esile helilevis just veekeskkonnale tüüpilisi iseärasusi. Üks sellistest iseärasustest on näiteks teatud tingimustel väikesteedastamise kadudegahelilainejuhtide ehk helikanalite tekkimine meredes ja ookeanides. Selline lainejuht tekib näitekstermokliini ja sügavusega suureneva rõhu koostoimel. Termokliini tõttu on helikiirus kõrgeima temperatuuri tõttu suurim veepinnale lähemates kihtides. Seejärel helikiirus sügavusega väheneb vee temperatuuri languse tõttu. Samas helikiirus suureneb koos sügavusega rõhu suurenemise tõttu. Viimase kahe koosmõjul leidub veesambas helikiiruse sügavussõltuvuse miinimum, kus tekibki väikese edastamise kaoga helilainejuht. Helikanali lihtsustatud analoog optikast on valguse leviminetäieliku sisepeegelduse korral.
Allveehelilevi nagu helilevi üldiselt kirjeldabhelilainevõrrand koos vastavate rajatingimustega. Samas on veealuse helilevi hõlpsamaks kirjeldamiseks välja pakutud erinevaid mudeleid. Kõige enam levinud on seejuures kiirte teooria, normaalmoodide lahendid ja lainevõrrandi paraboolse võrrandi lihtsustus. Kiirte teoorial on analoogia valguskiirte kasutamisel valguse levimise kirjeldamiseks optikas. Kiirte teooria võimaldab suhteliselt täpselt kirjeldada kõrgsageduslike helilainete levi, kuid selle täpsus langeb madalsageduslike helilainete korral.
Kõige madalamhelirõhutase, mida inimene sukeldudes võib tajuda, on ligikaudu 67 dB re 1 μPa, kõige tundlikum ollakse seejuuressagedusribas, mis jääb 1 kHz ümbrusse.[24] Nagu õhus, võivad ka vees kõrged helirõhutasemed olla sukeldujatele ohtlikud.[25] Vastavad allvee helitasemetega seotud eeskirjad on sukeldujatele esitatud NATO Allvee Uurimiskeskuse poolt projektis SOLMAR.[26] On täheldatud sukelduja pulsi ja hingamissageduse tõusu, kui ta on veekeskkonnas mille helirõhutase ületab 154 dB re 1 μPa sagedusribas 0,6–2,5 kHz. Ebameeldivustunde tekkimine madalamatel sagedustel sõltub helirõhutasemest ja sagedusribast.[27]
Kõige laialdasemalt kasutatakse vees helide mõõtmisekshüdrofoni. Hüdrofon võimaldab mõõtahelirõhku, millest arvututaksehelirõhutase. Võrreldes õhuga, kasutatakse vees mõõdetud akustiliste suuruste arvutamisel teisi kontrollväärtusi. Vees mõõdetud helirõhutaseme arvutamisel on kontrollväärtuseks 1 μPa. Seetõttu märgitakse seal, kus vees ja õhus mõõdetud helirõhutasemete eristamine on oluline täpsustuseks juurde ka kontrollväärtus näiteks dB re 1 μPa. Allvee helirõhu mõõtmistulemusi esitatakse enamasti sarnaselt õhuakustikaga järgmistes vormides:
Kuna helirõhutase vees erineb helirõhutasemest õhus kontrollväärtuste tõttu, siis on sama numbrilise helirõhutaseme väärtuse korralheliintensiivsus (mõeldudtasalaine helivõimsust ühikpindala kohta) õhus 202×3600 = 1 440 000 korda suurem kui vees. Teisiti öeldes heliintensiivsus õhus olema 61,6 dB suurem, kui samaväärne heliintensiivsus vees.
Lisaks helirõhule mõõdetakse vees ka akustiliste lainetega seotudosakeste (heliosakese) liikumist kirjeldavaid suuruseid (osakese siire,osakese kiirus,osakese kiirendus). Osakeste liikumist kirjeldavaid suurusi saab leida hüdrofonidega mõõdetud rõhuvälja mõõtmistest, aga ka seadmete abil, mis võimaldavad osakeste liikumist mõõta vahetult.[28] Mereloomade helitaju uuringud on tuvastanud, et helirõhu asemel või lisaks helirõhule tajuvad akustilise laine levimisel tekkivat osakeste liikumist ka veeloomad (näiteks kalad).[29]
Vees elavate loomade helitaju uurimisega tegelev teadusharu on allveebioakustika (underwater bioacoustics). Seejuures on teadaolevate helide suhtes tundlike liikide hulk pidevalt suurenenud. Uuritud onmereimetajate,kalade, mõnedevähilaadsete, sukelduvateveelindude (näitekskormoranid) jaselgrootute loomade helitaju.
Kaladel on helide tajumiseks kaks elundit: lisaks kõrvale kaküljejooneelund. Küljejoone abil on kalad võimelised tajuma veeosakese liikumist. Veeosakese liikumine annab helirõhu tajumisega võrreldes ka informatsiooni teiste kalade/loomade liikumisest ja paiknemisest vees.
Kalu jaotatakse helide tajumisvõime aluselkuulmisgeneralistideks jakuulmisspetsialistideks.
{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link){{raamatuviide}}:kontrolli kuupäeva väärtust:|aasta= (juhend){{netiviide}}:kontrolli kuupäeva väärtust:|Kasutatud= (juhend)CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link)[alaline kõdulink]