כמה שאלות על

מדידה סונארית של מרחק

 

מכשיר המדידה המקובל למדידת מרחק בין שני עצמים הוא סרגל. כדי למדוד מניחים את הסרגל כך ששני העצמים נמצאים לצידו. מכשיר הסונאר מודד את המרחק בינו לבין עצם אחר גם מרחוק, מבלי שיהיה סרגל ביניהם. ברור כי מדובר בעקרון פעולה אחר. על איזו תופעה פיזיקלית מתבסס המכשיר.

מדידת המרחק הסונארית מסתמכת על תופעת ההד. הד מתקבל כאשר הקול שאנו משמיעים פוגע בגוף כלשהו ומוחזר אל אוזנינו. מידת ההשהיה של ההד תלוּיה, כמובן, במרחק הגורם המחזיר מאתנו. זמן ההשהיה הוא, אפוא, מדד למרחק.

 

ההשהיה של ההד מלמדת על כך שמעבר הקול מצריך זמן. הקול מתנהג כמו גוף שנע במהירות מסוּימת. האם הקול הוא גוף? מה זה בעצם קול? איך הוא מתקדם?

הקול איננו גוף. כאשר אנו משמיעים קול אנו גורמים לאוויר שבקרבתנו להתנודד. תנודה זו עוברת, כבמרוץ שליחים, דרך האוויר. בהגיע התנודה סמוך לאוזן השומע, מרעיד האוויר המתנודד שם את עור התוף. המידע על תנודת עור התוף מועבר למוח באמצעות מערכת העצבים ומעובד שם. חשוב להבין כי האוויר אינו מתקדם עם הקול, אלא התנודה בלבד.

 

האם יש ללמוד מכך שהאוויר הוא תנאי הכרחי להעברת הקול? האם עולה מכאן שעל הירח, מקום שם אין אטמוספירה, לא ישמע קול?

אכן כך. אם אין חומר שיתנודד בין המדבר לשומע, אין מי שיישא איתו את הקול.

 

האם האוויר הוא החומר היחיד שדרכו עשׂוּי הקול לעבור?

לא. הקול עובר דרך חומרים רבים. המים הם דוגמה ידועה. מדידת מרחק לצוללות בים נעשה בשיטה הסונארית (באמצעות מדידת הזמן מרגע שיגור האות הקולי ועד חזרתו כהד מן הצוללת). דוגמה ידועה אחרת היא כדור הארץ. כאשר מתרחשת רעידת אדמה אנו חשים בה במקומות שונים על פני הארץ, מפני שתנודת האדמה עוברת דרך הכדור הארץ באופן דומה למעבר הקול עובר באוויר.

למרות מה שנאמר כאן, אין מכשיר הסונאר שלנו מיועד לעבודה במים. האות שהוא מפיק אינו חזק מספיק. לעומת זה המכשיר יינזק אם ישימו אותו בנוזל.

 

מה מהירותו של הקול באוויר?

מהירותו של הקול באוויר בטמפרטורה של 20 מעלות היא 344 מטרים לשניה. כך, למשל, הקול שמשודר ממכשיר הסונאר ופוגש בגוף שנמצא במרחק מטר אחד ממנו, חוזר אל הסונאר (לאחר תנועה של שני מטרים), כעבור 2/344 = 0.006 שניה.

מהירות הקול תלוּיה בטמפרטורה, ולכן חשוב שהמחשב יהיה מעודכן במהירות הקול הנכונה.

 

האם מכשיר הסונאר מודד זמן או מרחק?

מכשיר הסונאר מודד את הזמן מרגע שידור האות ועד קליטת האות המוחזר. על ידי הכפלה במהירות הקול מתקבל המרחק. פעולה זו נעשית אוטומטית על ידי המחשב.

 

האם נשמע באוזנינו את הקול שהמכשיר משדר?

לא, משתי סיבות: הסיבה האחת - האות הקולי הוא קצר במיוחד, הרבה מתחת לכך שהאוזן תבחין בו. הסיבה השניה - התנודות שהמכשיר משדר מרעידות את האוויר בקצב מהיר בהרבה מזה שאוזן האדם מסוגלת לקלוט.

 

המכשיר אמור גם להשמיע את הקול וגם לקלוט אותו. איך הוא עושה זאת?

המכשיר הוא אכן משדר ומקלט כאחד ("פה" ו"אוזן" כאחד).

 

כאשר אנו מדברים אנו שומעים מיד את הקול שלנו ואחר כך את ההד. כיצד מבטיחים שהמקלט יקלוט רק את ההד?

כדי למנוע את קליטת האות המקורי איננו אוספים נתונים מן המכשיר במשך זמן מסוּים (אלפיות שניה בודדות) בעקבות השידור.

 

אם אנו חוסמים את איסוף הנתונים במשך זמן מסוּים אנו עלולים לחסום גם אותות מוחזרים ממרחקים קטנים?

זה נכון, אך פשוט אין ברירה. במכשיר שלנו יש הוראה שלא לסמוך על המחשב כאשר הוא מדווח על מרחקים קטנים מ- 40 ס"מ. המכשיר עלול לתת במקרה כזה תוצאות שגוּיוֹת. מסיבה זו ראוי לתכנן את המדידות כך שמכשיר המדידה יעמוד במרחק גדול מ- 40 ס"מ מן הנקודה הקרובה ביותר שאליה מגיע הגוף במהלך תנועתו.

 

מה יתרונו של הסונאר על הסרגל הישן והטוב?

הסונאר מאפשר לנו לעקוב אחרי גוף בתנועה. לדוגמה: אם גוף חולף על פני מטר במשך שניה אחת, נוכל לתעד את מקומו חמישים פעם במשך אותה שניה. דבר כזה אי אפשר לעשות באמצעות סרגל. יתר על כן, התוצאות מועברות ישירות למחשב ומוצגות באמצעים שונים: גרף שמתאר את התנועה בזמן אמיתי, טבלה שאליה מתנקזים המספרים הרבים לצורך עיבוד מאוחר יותר, ועוד.

 

כמה מדידות מרחק אפשר לעשות באמצעות מכשיר הסונאר בשניה אחת?

אין בעיה בקצב של 50 מדידות בשניה, וזה יהיה קצב מקובל אצלנו. קצבים מהירים בהרבה עלולים להיות בעייתיים, מפני שהסונאר אמור להמתין לקליטת האות המוחזר, ורק אחר כך לחזור ולשדר.

 

הקול אינו מסוגל לחדור ביעילות דרך גופים מוצקים ונוזליים וגם לא בריק. האם לא עדיף להשתמש באור במקום קול?

הבעיה עם האור היא מהירותו העצומה. הפרשי הזמן בין שידור לקליטה קטנים מאוד, ומצריכים טכניקת מדידה מסובכת בהרבה מזו שבמכשיר הסונאר.

 

על מה כדאי להקפיד כאשר מנסים למדוד באמצעות מכשיר הסונאר?

המדידה מבוססת על החזרה מן הגוף הראשון שאותו האות הקוֹלי פוגש בדרכו. חשוב שהגוף הראשון הזה יהיה אכן הגוף שאחריו אנו מבקשים לעקוב לכל אורך הניסוי. כדאי לפנות מן האזור גופים אחרים (כולל תלמידים).

חשוב להקפיד שמרחק הגוף מן הסונאר יעלה על 40 ס"מ.

ראוי לשים לב שהסונאר אינו מבחין בכיווּן המדוּיק שבו הגוף נמצא. המכשיר מודד מרחק ולא כיווּן, ולכן רצוי לעקוב אחרי תנועה בקו ישר במקביל לציר הראשי של אות הסונאר.

ראוי לבדוק אם הסונאר מודד בדיוק, ואינו מוּזן בטעות במהירות קול שאינה תואמת את הטמפרטורה במעבדה.

 

 

נכתב ע"י זאב קרקובר