TL; DR: utilizamos frecuencias altas porque significan que las matrices más pequeñas y las matrices son caras.
Primero expondré algunas suposiciones, son bastante obvias, pero, deben exponerse:
- Estamos discutiendo la sonda activa (aunque estos mismos principios se aplican también a la sonda pasiva)
- Definimos un mejor sonar como uno que detecta en el rango más largo y puede clasificar bien
- Típico en el sonar activo, por ejemplo, la caza de minas, la clasificación es una función de resolución; más explícitamente, una resolución más alta implica una mayor probabilidad de clasificación
- No nos importa la cobertura de nuestro sonar: si alguien está escuchando con un sistema de intercepción, no nos importa
Contrariamente a algunas de las respuestas anteriores, la atenuación del sonido aumenta con la frecuencia, hasta un primer orden en realidad con [matemáticas] f ^ 2 [/ matemáticas] (consulte La velocidad y la atenuación del sonido 2.4.1 para una excelente discusión sobre esto), entonces, para el mejor rango nos gustaría la frecuencia más baja. ¿Por qué entonces los sonares más activos son ultrasónicos?
Esto se reduce a una cuestión de resolución. En ‘los viejos tiempos’, un sonar podría consistir en un solo transmisor omnidireccional y, tal vez, un receptor dipolo. El receptor tiene cierta direccionalidad para que podamos determinar de qué dirección proviene un eco. Para mirar en diferentes direcciones, rotaríamos físicamente el receptor, generalmente de lado a lado, cada ping y lentamente construiremos una imagen del mundo que nos rodea. Al igual que un plato de radar giratorio. Desafortunadamente, el sonido es mucho más lento que la radio: en el agua de mar usamos 1500m / s como regla general. Entonces, si quisiéramos que nuestro sonar viera 1500m, entonces el sonido tiene que viajar 1500m y regresar 1500m, tomando 2 segundos para el viaje de ida y vuelta. Supongamos que queremos ver en intervalos de 5 grados, lo que implica que cada barrido tomaría 144 segundos más cada vez que permitimos 72 pings y la supresión asociada para asegurarnos de que no solo estamos mirando nuestra propia transmisión. Pueden pasar muchas cosas en 2 minutos y medio si navegas por un campo de minas.
Para intentar acelerar este proceso, inventamos el concepto del formador de haces en forma de fase. En esto transmitimos una vez y tenemos muchos receptores, dispuestos en un patrón conocido que escucha simultáneamente. Al aplicar retrasos de tiempo o fase adecuados a las señales recibidas y sumarlas, podemos construir lo que es esencialmente una serie de patrones de interferencia individuales para mirar en diferentes direcciones en el mismo diente simultáneamente.
Resulta que el ancho de estos artefactos de interferencia es una función de la separación de los receptores, cuanto más amplia es la separación, más estrecho es el ‘haz’, pero, crucialmente, la longitud no se define en términos de longitud física, sino en relación con la longitud de onda de El sonido transmitido.
Utilizamos un cálculo de ‘reverso de la envolvente’ para una matriz plana para calcular el ancho del haz, [math] \ theta [/ math], en términos de longitud de onda, [math] \ lambda [/ math] y la longitud de la matriz ‘real’, [matemáticas] d [/ matemáticas] de:
[matemáticas] \ theta = \ frac {50 \ lambda} {d} [/ matemáticas]
Normalmente es bastante preciso.
Entonces, ¿qué significa esto en la práctica? Digamos que queremos un ancho de haz de 1 °, para una frecuencia baja agradable de 1kHz que se propague por un largo camino (y, por lo tanto, no es necesario que sea muy alto), usamos la expresión estándar [math] c = f \ lambda [/ math ] y aproximadamente [matemática] c [/ matemática] a 1500 para obtener una longitud de onda de 1,5 m. Al volver a conectarlo a nuestra expresión anterior, se obtiene una longitud de matriz requerida, [math] d [/ math], de (50 * 1.5) / 1 = 75m. Oh querido. Esa es una gran variedad y en sonar, gran variedad = mucho dinero.
Intentemos nuevamente con un sistema de 20kHz, esta vez tenemos una matriz de 3.75m, aún bastante grande pero más manejable. Sin embargo, la compensación es que la absorción en el agua de mar a 20kHz es 2.2dB / km versus 0.06 para 1kHz, por lo que para nuestro sistema nocional de 1500m, solo factorizando la absorción diferencial, necesitamos transmitir a (6.6–0.18) = 6.42dB ( o un factor de 2, ya que la potencia se expresa como 20 log) más alto solo para obtener el mismo rendimiento. Si tuviéramos que subir a 100 kHz con una longitud de matriz asociada de 0,75 m, queda como un ejercicio para que el lector determine cuánta potencia de transmisión más necesitaríamos (te daré una pista: es mucho …).
Entonces, en resumen, usamos frecuencias más altas porque la apertura de la matriz requerida para obtener una buena resolución angular es menor, y las matrices son caras, pero como con todo lo relacionado con el sonar, la habilidad es equilibrar los diversos factores para obtener el mejor rendimiento. ‘.
¡Espero que esto ayude, o sea, al menos, interesante!
