su altı akustik haberleşme sistemi simülasyonu

94 Pages·2012·2.12 MB·Turkish

T.C.

KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
Mühendislik Fakültesi

Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü

SU ALTI AKUSTİK HABERLEŞME
SİSTEMİ SİMÜLASYONU

210315 Mehmet BOYALI
210357 İbrahim ÖNDER
210392 Erhan K. AKYAZI

Danışman
Yrd. Doç. Dr. Salim KAHVECİ

Haziran 2012

TRABZON

1
T.C.
KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
Mühendislik Fakültesi

Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü

SU ALTI AKUSTİK HABERLEŞME
SİSTEMİ SİMÜLASYONU

210315 Mehmet BOYALI
210357 İbrahim ÖNDER
210392 Erhan K. AKYAZI

Danışman
Yrd. Doç. Dr. Salim KAHVECİ

Haziran 2012

TRABZON

2
i
LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU

210315 Mehmet BOYALI, 210357 İbrahim ÖNDER ve 210392 Erhan Kemal
AKYAZI tarafından YRD.DOÇ.DR. Salim KAHVECİ yönetiminde hazırlanan
“SU ALTI AKUSTİK HABERLEŞME SİSTEMİ SİMÜLASYONU ”
başlıklı lisans bitirme projesi tarafımızdan incelenmiş, kapsamı ve niteliği açısından bir
Lisans Bitirme Projesi olarak kabul edilmiştir.

Danışman : YRD.DOÇ.DR Salim KAHVECİ

Jüri Üyesi 1 :

Jüri Üyesi 2 :

Bölum Başkanı : PROF.DR. İsmail H. ALTAŞ

ii
3
ÖNSÖZ

Bu Projenin ilk taslaklarının hazırlanmasında emeği geçenlere, projenin son halini
almasında yol gösterici olan kıymetli hocamız Sayın Salim KAHVECİ‘ye şükranlarımızı
sunmak istiyoruz. Ayrıca bu çalışmayı destekleyen Karadeniz Teknik Üniversitesi
Rektörlüğü’ne Mühendislik Fakültesi Dekanlığına ve Elektrik-Elektronik Mühendisliği
Bölüm Başkanlığına içten teşekkürlerimi sunarız.
Her şeyden öte, eğitimimiz süresince bize her konuda tam destek veren ailelerimize
ve bize hayatlarıyla örnek olan tüm hocalarımıza saygı ve sevgilerimizi sunarız.

Haziran, 2012
Erhan Kemal AKYAZI
İbrahim ÖNDER
Mehmet BOYALI

i4ii
İÇİNDEKİLER

ii
Lisans bitirme projesi onay formu
Önsöz i i i v
iv
İçindekiler i v v i i
Özet v i x

1. Giriş 1

1. 1. Su altı akustiği ve tarihi 1

1. 2. Sualtı Haberleşmesindeki Etkili Temel Parametreler 6

1.3 Bir Haberleşme Sisteminin Bileşenleri 7
1.3.1. Ara bileşenler 7
1.3.1.1. Haber (Bilgi) Kaynağı (information source) 7
1.3.1.2. Giriş dönüştürücüsü (input transducer) 8
1.3.1.3. Çıkış dönüştürücüsü (output transducer) 8
1.3.2. Temel bileşenler 8
1.3.2.1. Verici (transmitter) 8
1.3.2.2. Haberleşme kanalı (communication channel) 8
1.3.2.3. Sualtı akustik kanallar (Underwater acoustic channels) 8
1.4. Su Altı Akustiğinde Kullanılan Kaynaklar ve Alıcılar 9

1.4.1. Sonar Sistemleri 10
1.4.1.1. Sonar Nedir? 10
1.4.1.2. Sonar Dom Sistemi 10
1.4.1.3. Sonar Domu Tasarımı 11
1.4.2. Sualtı Kablosuz Sensör Ağları 12
2.Sualtı Akustik Haberleşmede Tanımlamalar ve Denklemler 13

2.1. Ses Basıncı 1 3

2.2. Dalga şiddeti 1 3

2.3. Desibel olarak ses şiddeti 1 4

2.4. Sualtı Akustik Haberleşme Ağına Giriş 1 4

2.5. Sualtı Veri İletim Kanalı Karakteristikleri 1 7

2.5.1. Akustik Sinyal Seviyesi 17
2.5.2. Sinyal Zayıflaması 19
2.5.2.1. Yayılma Kaybı 19
2.5.2.2. Emilim Kaybı 19
2.5.3. Yol Kaybı 20
2.5.3.1. Akustik Yol Kaybı 21
2.5.4. Çok yolluluk 21
2.5.4.1. Sualtı Çoklu yol Karakteristikleri 25
2.5.5. Doppler Etkisi 28
2.5.6 Ses Hızını Etkileyen Parametreler 28
2.5.6.1. Sıcaklık 29
2.5.6.2. Tuzluluk 30
2.5.6.3. Basınç 30
2.5.6.4. Yoğunluk 31
2.5.7 Transmisyon (İletim) Kayıpları 31
2.5.8. Gürültü 32

5iv
2.5.8.1. Ortam Gürültüsü 32
2.5.8.2. Kendinden Gürültü 33

2.5.8.3. Sürekli Olmayan Gürültü Kaynakları 34
2.5.8.4. Zayıflama ve Gürültü 35

2.6. Kısa Menzilli Kanal Modelleme 3 6

2.6.1.Frekans Bağımlı Bileşen Olarak SNR 36

2.6.2. Kanal Bant Genişliği 36
2.6.3. Kanal Kapasitesi 37

2.6.4. Kısa Mesafede Sualtı Akustik Haberleşmede BER 37
2.6.5. Sistem Sabitleri ve İletişim Ağı Tasarımı Üstündeki Etkileri 38

3.Yapılan Çalışmalar 40

3.1. Su altında frekansa bağlı dalga boyunun değişimi 40

3.2.Akustik sinyal seviyesi ve kaynak yoğunluğu değişimleri 41
3.3 Akustik sinyal seviyesinin verimlilik ve güce bağlı değişimi 44

3.4. Emme Katsayısı ve Buna Bağlı Emilim Kaybı 48
3.4.1. Emme Katsayısı 4 8

3.4.2 Emilim Kaybı 49

3.5.Frekans, Derinlik ve Sıcaklığa Bağlı Emme Katsayısının ve Yol

Kaybının Değişimleri 52

3.5.1.Frekans, Derinlik ve Sıcaklığa Bağlı Emme Katsayısının Değişimi 54

3.5.2.Frekans, Derinlik ve Sıcaklığa Bağlı Yol Kaybının
(PathLoss)Değişimi 55

3.6 Araç Hızlarına ve Taşıyıcı(Kaynak) Frekansına Bağlı Doppler Frekansı 57

3.7. Ses Hızı(Sound Wave Speed)nın belirli parametrelere bağlı değişimi 58

3.7.1.Derinlik ve Sıcaklık Bağlı Olarak Ses Hızı(Sound Wave Speed) 58

3.7.2. Derinlik, Sıcaklık ve Tuzluluğa Bağlı Olarak Ses Hızı(Sound

Wave Speed) 59

3.8.Alıcı Sinyal Seviyesi’nin verici gücüne ve mesafeye bağlı değişimi 61
3.9. Gürültü Değişiminin İncelenmesi 64
3.10. İşaret Gürültü Oranının Frekansa ve Mesafeye Bağlı Değişimleri 66
4. Sonuç 69
5.Kaynaklar 74
6.Ekler 77
Özgeçmiş 87

v6
ÖZET

Su altı akustik haberleşme sistemi simülasyonu başlığı altında yaptığımız bu
bitirme çalışması, su altı akustik haberleşme alanında gerek teorik gerekse uygulama
olarak kapsamlı bir içeriğe sahip, bize ve bizden sonra bu konuda çalışma yapacak kişi ve
kurumlara faydalı olabilecek çok yönlü bir kaynak oluşturma amacı ile yapılmıştır.
Yapılan araştırmalar sonucu yerli ve yabancı kaynaklardan yararlanılarak su altı
akustik haberleşme sistemlerine ilişkin çoğu parametreyi ve denklemi kapsayan teorik ön
bilgi ortaya konduktan sonra, bunların görselleştirilmesi amacı hedeflendiğinden bir
derleyici vasıtası ile karakteristikleri oluşturulmuştur. Bu karakteristikler oluşturulurken
tek parametreye bağlı kalınmayıp pek çok açıdan incelemeler yapılmıştır. Ayrıca, bazı
değerlendirmeler yapıldıktan sonra karakteristikler yorumlanarak görsel olan bilginin
gerçeğe(pratiğe) dönüşümü gerçekleştirilmiştir.
Kapsamlı ve görsel(grafiksel) olması açısından su altı akustik haberleşme ile
uğraşan ve uğraşacak olan kişiler, bu bitirme çalışmasında ortaya konan karakteristikler,
değerlendirmeler ve yorumlardan oldukça faydalı bilgilere ulaşabilecektir.

v7i
1.GİRİŞ
Bu bitirme projesinde su altı haberleşme sistemine ilişkin sistemin tanımı,
haberleşmeyi etkileyen parametreler su altı ortamının davranışları gibi teorik analizler
ortaya koyduktan sonra simülasyon ortamında bu parametrelere ilişkin benzetim çalışması
yapılacak ve bu çalışmalar değerlendirilerek yorumlar ve çözümlemeler sunulacaktır.
1.1. Su altı akustiği ve tarihi
Su altı ortamında sesin, görünür ışık veya elektromanyetik enerjiye göre daha uzağa
gidebildiği önceden beri bilinmekteydi. Su altı akustiğiyle ilgili ilk ölçümler 1827 yılında
İsviçreli fizikçi Daniel Colloden ve Fransız matematikçi Charles Sturm’un, su altında ses
hızını ölçmek amacıyla, İsviçre’de Geneva Gölü’nde bu iki isim tarafından yapılmıştır
(Şekil 1) [1]. Bir ışık ve su altı çanı arasındaki zaman aralığını kabaca ölçerek yapılan bu
deneme, günümüzün kabul edilen değerlerine oldukça yakındı.

Şekil 1. Geneva Gölü, 1827 yılında yapılan ilk ses hızı ölçümü[1]
1900’lü yıllarda ise, fener gemileri, bir su altı çanı ve güvertede bulunan bir sis
düdüğünün birleşiminden oluşan bir uzaklık ölçme sistemi kullanılmaktaydı. Bu sistem
sayesinde yaklaşan gemilerdeki mürettebat iki sesi de duyabiliyordu. Su altından gelen ses,
1
gemi gövdesine monte edilen bir hidrofona ulaşıyordu ve iki sesin farkını ölçerek fener
gemisine olan tahmini uzaklıklarını ölçebilmekteydiler.
İlk sonar sistemleri, Birinci Dünya Savaşı sırasında Amerikan, İngiliz ve Fransızlar
tarafından denizaltıları ve buz dağlarını bulmak amacıyla geliştirildi. O zamanlarda
sonarlara “ASDIC” (AntiSubmarine Detection Investigation Committee) adı veriliyordu.
İkinci Dünya Savaşı esnasında ise su altı akustiği hızlı bir gelişme gösterdi ve bu dönemde
düşman denizaltılarının su yüzeyindeki gemiler tarafından tespit edilmesi oldukça kolay bir
hale geldi. Çünkü çok daha güçlü ve daha iyi oluşturulmuş ses işaretlerini suya
gönderebilmekteydiler. Sinyal, denizaltının gövdesinden yansıyarak geri gelmekte ve
uzaklığı hakkında bilgi vermekteydi.
Günümüzde; derinlik ölçme, deniz tabanının morfolojisinin çıkartılması, sismik
stratigrafi, petrol ve doğal gaz araştırmaları, kabuk özellikleri ve kalınlığının belirlenmesi,
mühendislik ve akustik uygulamalar, balık stoklarının bulunması gibi birçok çalışmada
akustik yöntemler kullanılmaktadır.

a) Sesin özellikleri ve tanımlar
Ses, esnek bir ortamın moleküllerinin düzenli hareketinden oluşur. Malzeme elastik
olduğu için, malzeme parçacıklarının hareketi; hareket bir ses kaynağından çıktıktan sonra
komşu parçacıklarla bağlantı kurmasıyla meydana gelir. Bir ses dalgası bu sebeple
kaynaktan dışa doğru ses hızına eşdeğer bir hızla yayılım yapar ve bu yayılımın
gerçekleşebilmesi için mutlaka katı, sıvı veya gaz gibi bir ortamın olması şarttır. Sıvı
içerisinde parçacık hareketi yayılma doğrultusuna paralel ve ileri geri şekilde olur. Bu
yüzden ses dalgaları boyuna dalgalardır.[2]
Boyuna dalgalar ise enine dalgalarda olduğu gibi zaman veya uzaklığa göre basınç
değişimi çizilerek somutlaştırılabilir ve bu şekilde oluşan sinüs dalgasındaki tepeler
sıkışma fazını, çukurlar ise seyrelme fazını gösterir. Art arda gelen iki dalganın peak
noktaları yanı tepe kısımları (veya minimum noktaları /çukurları) arasında kalan uzaklık
“dalga boyu” olarak tanımalanır ve simgesel olarak ‘’λ’’ ile gösterilir. Sıkışma ve
seyrelmeden meydana gelen tam bir dalga hareketi bir “devir” olarak adlandırılır. Dalga
generatörünün birim zaman süresince ürettiği dalgaların sayısına ise “dalganın frekansı”
adı verilir. Frekans 1/s veya Hz olarak ifade edilir ve f ile gösterilir. Ses dalgasının
ortalama basınç seviyesinden yaptığı sapma “genlik” olarak ifade edilir ve sesin
2
yüksekliğinin ölçütüdür. Bir ses dalgasının dalga boyu (1) denklemindeki gibi, sesin
frekansı ve yayılma hızı (c) cinsinden ifade edilebilir[2].
c(m/s)
 (m) (1)
f(Hz)
b) Önemi
Altmış yılın üstünde bir süredir okyanus araştırma çalışmaları düzenli bir şekilde artış
göstermektedir. Bu çalışmalarda su altındaki alıcıların topladığı bilgilerin sağlıklı bir
şekilde suyun yüzeyine iletilmesi gerekmektedir. Bu noktada, bilgilerin uydular
aracılığıyla bilgi toplama merkezine gönderilmesi mümkündür.
Akustik dalgalarda suyun yüzlerce kilometre altında sinyal üretmek mümkündür. Su altı
akustik kanal, sinyalin yüzeyden ve deniz dibinden yansımadan dolayı çok yollu bir kanal
gibi karakterize edilir.
Çünkü dalga hareketleri, sinyal parçalarının farklı yayılma ve aynı zamanda
gecikmelere sahip olmalarına, bunun sonucunda da sinyal kayıplarına yol açar.

Şekil 2.Verici & Alıcı ilişkisi ve çevre yapısı.
3