טכנולוגיה: שיטה חדשה להסוואה והולוגרפיה אקוסטית  

מהו סונאר?
סונאר היא טכנולוגיה הפועלת באמצעות גלי קול, המשמשת בין היתר לניווט בים ולגילוי של צוללות ואוניות. המילה סונאר מורכבת מראשי תיבות באנגלית של Sound Navigation And Ranging (ניווט והתמצאות באמצעות קול).

הסונאר הינו מכשיר שמשדר גלי קול ומפענח על פי דפוסי ההחזרה שלהם את תוואי פני קרקעית הים או מאתר כלי שיט שנמצאים על פני המים או מתחתיהם. הסונאר מבוסס על מנגנונים פיזיולוגיים של בעלי חיים דוגמת העטלף והדולפין, שאצלם משמש הסונאר הטבעי כאמצעי ניווט והערכת טווחים.

כדי להתמצא, העטלף פולט קול גם בטווח התדרים שבני אדם יכולים לשמוע, וגם בטווח העל-קולי (אולטרסאונד) שנמצא מעבר ליכולת השמיעה האנושית. גלי הקול האלה מוחזרים מגופים במרחב, ועל פי אופי הגל שחוזר אליו העטלף מרכיב בראשו תמונת התמצאות מרחבית. לאחר זיהוי טרף פוטנציאלי, העטלף מתביית עליו על ידי שליחת גלים על-קוליים ממוקדים.

במסגרת זו ראוי לציין שאפקט דופלר הוא מרכיב דומיננטי באותה טכניקת ההתמצאות של עטלפים. אפקט דופלר הוא למעשה שינוי בתדר הגלים המוחזרים מגופים נעים. אם הגל מוחזר מגוף שמתקרב אלינו, התדר שלו יעלה והוא יישמע גבוה יותר, ואם הוא מוחזר מגוף מתרחק התדר שלו יירד. בדיוק כמו שצליל הסירנה של אמבולנס משתנה ברגע שהוא חולף על פנינו ומתחיל להתרחק. באותו רציונל, תנועת הטרף של העטלפים משנה מעט את תדר הצליל שחוזר מהם, ואוזניהם הרגישות מצליחות לזהות את השינויים ולהשתמש במידע הזה כדי להעריך את מהירות המטרה וכיוונה, וכך ללמוד על אופיה.

לווייתנים ודולפינים גם הם משתמשים בעיקרון דומה. הם מאתרים טורפים, מזון והתמצאות במרחב על ידי השמעת קולות והאזנה להדים המוחזרים מהם.

מהו מנגנון ״ההסוואה״?
לצורך ההדגמה שידרו החוקרים גלי קול לעבר העצם שרצו להסתיר - טבעת שטוחה בקוטר 12 ס"מ. הצוות מדד ראשית כיצד נראה גל הקול החוזר כשהוא פוגע בעצם ללא התערבות. לאחר מכן הפעילו את מנגנון ״ההסוואה״, המורכב מטבעת של 20 רמקולים קטנים סביב העצם המוסתר ומטבעת חיצונית של כ-230 מיקרופונים.

יכולת ההסוואה הזו מבוססת על תופעה פיזיקלית בשם התאבכות: כאשר שני גלים מאותו סוג נפגשים בנקודה מסוימת במרחב, עוצמת הגל בנקודת המפגש שווה לסכום העוצמות של שני הגלים שיצרו אותו. כך יכול גל אחד להגביר גל אחר או לחלופין לבטל אותו כשהם נפגשים. אותו מנגנון בדיוק משמש לביטול רעשים באוזניות.

כשגל הקול שנשלח לעבר העצם הגיע אל אותה טבעת המיקרופונים שמקיפה אותו, המידע נשלח למעבד שמחשב את תכונות גל הקול המדויק שצריך להפיק כדי שהגל החדש שייווצר מהתאבכות שני הגלים יתנהג כאילו העצם כלל אינו קיים.

מהו מנגנון ״ההולוגרפיה״?
באותה הדרך הודגם גם שניתן ליצור את המצב ההפוך, כלומר להשמיע קול שידמה פגיעה של גל קול בעצם שלא באמת קיים – תופעה בשם ״הולוגרפיה״. לשם כך החוקרים הוציאו את הטבעת ששימשה כחפץ הנעלם ושלחו גל קול לעבר המיקרופונים והרמקולים. לאחר מכן באמצעות מעבד חושב גל הקול הנדרש להוציא מהרמקולים בכדי שההתאבכות בין גל הקול המקורי לגל שפולטים הרמקולים תדמה למעשה את נוכחותה של טבעת בקוטר של 12 ס"מ.

בדרך זו הדגימו החוקרים הסתרת עצם דו-ממדי מפני חיפוש באמצעות גלי קול. הפיתוח הבא של המערכת הוא להסתיר גם גופים תלת-ממדיים לרבות מתחת לפני המים. הפיתוח המיוחד יכול לעזור למחקר התנהגותם של גלי קול בסביבות שונות, ויכול לשמש ליישומים צבאיים שונים דוגמת העלמה אקוסטית של כלי טייס או כלי שייט או הדמייה אקוסטית של כלי טייס או כלי שייט, חיפוש מנהרות, מחקרים גיאולוגיים ועוד