لنز صوتی جدید برای رفع اعوجاج سونار پهپادهای زیرآبی ساخته شد

اقیانوس همچنان یکی از ناشناخته‌ترین بخش‌های سیاره زمین است. اگرچه داده‌های ماهواره‌ای تصویری کلی از سراسر بستر اقیانوس ارائه می‌کنند، جزئیات واقعی تنها با نقشه‌برداری مستقیم و فناوری‌هایی مانند سونار چندپرتویی آشکار می‌شود. بر اساس داده‌های NOAA، تا آوریل ۲۰۲۶ تنها ۲۸.۷ درصد از بستر جهانی اقیانوس با فناوری‌های مدرن با وضوح بالا نقشه‌برداری شده است.



در این میان، وسایل نقلیه و پهپادهای زیرآبی خودران می‌توانند سونار را به کف اقیانوس نزدیک‌تر کنند و اطلاعات دقیق‌تری در اختیار پژوهشگران قرار دهند. اما یک مشکل غیرمنتظره وجود دارد: همان پوشش منحنی و صافی که از تجهیزات پهپاد محافظت می‌کند و حرکت آن را در آب روان‌تر می‌سازد، می‌تواند امواج صوتی سونار را منحرف و تصویر نهایی را مخدوش کند.

مشکل از کجا ناشی می‌شود؟

سونار با ارسال امواج صوتی و دریافت پژواک آنها از اجسام و بستر دریا کار می‌کند. هرچه پرتو صوتی متمرکزتر باشد، امکان تشخیص دقیق‌تر اشیای موجود در مسیر نیز افزایش می‌یابد. اما وقتی این امواج از یک گنبد منحنی عبور می‌کنند، جبهه موج تغییر شکل می‌دهد و بخشی از انرژی صوتی در جهات ناخواسته پخش می‌شود.



پژوهشگران برای حل این مشکل به جای افزودن سامانه‌های الکترونیکی پیچیده و الگوریتم‌های سنگین پردازشی، سراغ یک راه‌حل کاملاً فیزیکی رفته‌اند: لنز آکوستیک.

لنزی از سیلیکون و تنگستن

این گروه پژوهشی یک لنز گرادیان ضریب شکست یا Gradient-Index ساخته است که از حلقه‌های متحدالمرکز سیلیکونی تشکیل می‌شود. در ساخت این حلقه‌ها از مقادیر متفاوتی از ذرات تنگستن استفاده شده است. تغییر ترکیب ماده باعث تغییر سرعت انتشار صوت در بخش‌های مختلف لنز می‌شود و در نتیجه، شکل موج صوتی به‌صورت کنترل‌شده تغییر می‌کند.



محققان ابتدا میزان انحرافی را که گنبد محافظ پهپاد ایجاد می‌کند محاسبه کردند و سپس لنز را به‌گونه‌ای طراحی کردند که این اعوجاج را در جهت مخالف اصلاح کند. به این ترتیب، امواج پیش از ورود به آب و رسیدن به هدف، شکل مناسب‌تری پیدا می‌کنند.



مزیت مهم این روش آن است که اصلاح موج در خود ساختار فیزیکی لنز انجام می‌شود و به مجموعه‌ای بزرگ از تجهیزات الکترونیکی یا پردازش‌های سنگین رایانه‌ای نیاز ندارد. این موضوع برای پهپادهای زیرآبی که ظرفیت باتری و فضای داخلی محدودی دارند، اهمیت زیادی دارد.

نتایج آزمایش چه بود؟

نتایج آزمایشگاهی نشان داد این لنز توانست عرض پرتو سونار را از بیش از ۶۵ درجه به محدوده‌ای بین ۱۶ تا ۳۰ درجه کاهش دهد؛ یعنی انرژی صوتی در محدوده بسیار متمرکزتری قرار گرفت.



پژوهشگران سپس نمونه ساخته‌شده را در محیط واقعی آزمایش کردند. آنها در رودخانه جیولونگ، یک کره پلاستیکی توخالی را در عمق حدود ۱.۸ متری قرار دادند و یک پهپاد زیرآبی را برای شناسایی آن به کار گرفتند. در آزمایش بدون لنز، پژواک‌های ناشی از محیط و مرزهای اطراف، تشخیص هدف را دشوار می‌کرد. پس از نصب لنز، شدت این پژواک‌های مزاحم حدود ۱۱.۹۸ دسی‌بل کاهش یافت و کره پلاستیکی در داده‌های سونار قابل تشخیص شد.

چرا این فناوری اهمیت دارد؟

بهبود سونار می‌تواند دامنه کاربرد پهپادهای زیرآبی خودران را در نقشه‌برداری، باستان‌شناسی دریایی، بررسی زیستگاه‌ها و مطالعه ساختارهای زمین‌شناختی افزایش دهد. این اهمیت زمانی بیشتر مشخص می‌شود که بدانیم بیش از ۱۰۰ هزار کوه دریایی با ارتفاع دست‌کم هزار متر در اقیانوس‌های جهان برآورد شده است و کمتر از یک‌دهم درصد آنها تاکنون به‌طور واقعی کاوش شده‌اند.



کوه‌های دریایی تنها عوارض زمین‌شناختی نیستند؛ جریان‌های آب پیرامون آنها می‌تواند مواد مغذی را متمرکز کند و این مناطق به زیستگاه گونه‌های مختلف تبدیل شوند. NOAA نیز کوه‌های دریایی را در بسیاری از موارد «واحه‌های زیستی» توصیف می‌کند.



این فناوری همچنین می‌تواند به کاهش وابستگی پهپادهای کوچک به تجهیزات پردازشی پرمصرف کمک کند. تیم پژوهشی اکنون قصد دارد عملکرد لنز را پس از آزمایش در آب شور مصنوعی، در آب واقعی دریا بررسی کند تا مشخص شود این ساختار در شرایط پیچیده‌تر اقیانوس نیز می‌تواند همان میزان اصلاح صوتی را ایجاد کند یا خیر.



به گزارش EurekAlert، این پژوهش در مجله International Journal of Extreme Manufacturing منتشر شده و لنز جدید را راهکاری فیزیکی برای اصلاح اعوجاج صوتی ناشی از گنبد محافظ وسایل نقلیه زیرآبی معرفی می‌کند.