Schepen gebruiken sonar om de zeebodem te onderzoeken. Het schip zendt hierbij onder het wateroppervlak geluidspulsen richting de bodem uit en ontvangt de echo van de zeebodem. Zie figuur 1.
a) Welke variabele moet gemeten worden om de diepte van de zeebodem te kunnen bepalen?
A Afstand
B Dichtheid
C Geluidssnelheid
D Tijd
D
De echo op de zeebodem ontstaat omdat zeewater en zeebodem verschillende materialen zijn met ieder hun eigen typische geluidssnelheid. Bij zo’n overgang wordt een deel van het geluid doorgelaten en een deel wordt teruggekaatst. Dit is vergelijkbaar met hoe licht zich gedraagt bij stofovergangen.
De sonar van een schip is altijd onder de waterlijn is ingebouwd.
b) Leg uit waarom dat noodzakelijk is.
Als de zender van de sonar boven de waterlijn zou zijn ingebouwd, zouden er twee extra materiaalovergangen zijn, van lucht naar water en omgekeerd.
Soms is het handiger en sneller om de zeebodem vanuit de lucht in beeld te brengen. Tot voor kort was dat met sonar niet mogelijk. Een onderzoeker van de Stanford University heeft in 2021 een methode bedacht waarmee dat misschien wel mogelijk is: de hybride sonar. Vanuit een drone wordt een laserstraal op het wateroppervlak ‘geschoten’. Op de plek waar de laserstraal het water raakt, warmt dat water lokaal sterk op en zet uit. Hierbij ontstaan ultrasone geluidsgolven die zich door het water voortplanten en weerkaatsten op de zeebodem. Een deel van de gereflecteerde ultrasone golven gaat door het water weer de lucht in. Een zeer gevoelige geluidssensor vlak naast de laser ontvangt vervolgens de ultrasone echo.
In een laboratoriumtest hing de drone 10 cm boven het wateroppervlak van een 25 cm diep aquarium bij kamertemperatuur.
c) Bereken de tijd die het signaal nodig heeft om van drone naar aquariumbodem en weer terug te reizen.
De eerste 10,0 cm wordt afgelegd als EM-straling, dus met de snelheid van het licht. Deze tijd is verwaarloosbaar.
Heen en weer onder water geldt dat het signaal met de geluidsnelheid in water gaat:
$t_w=\frac{s}{v}=\frac{0,50}{1,484\cdot 10^3}=3,4\cdot 10^{-4}~\mathrm{s}$
En boven water die in lucht:
$t_1=\frac{s}{v}=\frac{0,10}{0,343\cdot 10^3}=2,9\cdot 10^{-4}~\mathrm{s}$
In totaal is het signaal $t=3,4\cdot 10^{-4}+2,9\cdot 10^{-4}=6,3\cdot 10^{-4}~\mathrm{s}$ onderweg.
Bij een gewone sonar moet de ontvanger uitgezet worden als de zender zendt, om te voorkomen dat de ontvanger de echo en het directe signaal tegelijk ontvangt. De zender zendt daarom korte pulsen in plaats van een constant signaal.
d) Leg uit of de hybride sonar wel constant kan zenden en ontvangen.
De hybride sonar zendt EM-golven en ontvangt ultrasone geluidsgolven. Qua signaal kan de zender dus constant zenden. De ontvanger moet wel weten op welk moment het oorspronkelijke signaal van de echo is uitgezonden. Om daar onderscheid in te maken moet er wel een tijd langer dan de reistijd ingelast worden tussen de uit te zenden pulsen.
