Sonar và máy dò cá "nhìn" xuống nước bằng tiếng vang: thiết bị phát một xung âm xuống nước, đo thời gian tiếng dội về từ đáy, đàn cá hay vật thể, rồi nhân với tốc độ âm trong nước (khoảng 1.500 m/s) và chia đôi để ra khoảng cách. Nước gần như chặn ánh sáng và sóng vô tuyến sau vài chục mét, nhưng lại truyền âm thanh rất tốt, nên dưới biển, âm thanh là "đôi mắt" tốt nhất con người có.
Vì sao dưới nước phải dùng âm thanh
Trên mặt đất, ta nhìn bằng ánh sáng và liên lạc bằng sóng vô tuyến. Dưới nước, cả hai đều kém. Ánh sáng mặt trời yếu dần rất nhanh; ở vùng biển trong nhất, xuống vài trăm mét đã gần như tối hẳn, còn ở cửa sông nước đục, vài mét đã mờ mịt. Sóng vô tuyến bị nước biển mặn hấp thụ gần như ngay lập tức.
Âm thanh thì ngược lại. Nước truyền âm nhanh gấp khoảng bốn lần không khí và ít làm âm yếu đi, nhất là âm trầm. Một tiếng động dưới biển có thể đi xa hàng chục, thậm chí hàng trăm km. Cá heo và cá voi đã tận dụng điều đó từ hàng triệu năm; con người học theo muộn hơn nhiều, bắt đầu từ đầu thế kỷ 20.
Từ thảm hoạ Titanic đến máy đo sâu
- Năm 1912, tàu Titanic đâm vào núi băng và chìm ở Bắc Đại Tây Dương. Sau thảm hoạ, nhiều nhà phát minh tìm cách phát hiện núi băng trong sương mù và đêm tối bằng âm thanh.
- Năm 1914, kỹ sư Reginald Fessenden thử nghiệm một máy phát âm dưới nước kiểu điện từ, và theo các ghi chép thường được dẫn, đã nhận được tiếng vang dội lại từ một núi băng cách vài km.
- Những năm 1910, nhà vật lý Pháp Paul Langevin cùng cộng sự dùng tinh thể thạch anh có tính áp điện để phát và thu sóng siêu âm dưới nước, đặt nền cho các đầu dò sonar hiện đại.
- Những năm 1920, máy đo sâu bằng tiếng vang bắt đầu được lắp trên tàu, thay cho cách thả dây dọi có buộc quả nặng xuống đáy vốn rất chậm.
- Nửa sau thế kỷ 20, máy dò cá cỡ nhỏ trở nên phổ biến với tàu cá và cả người câu cá giải trí.
Chữ "sonar" là viết tắt tiếng Anh của sound navigation and ranging, nghĩa là dẫn đường và đo khoảng cách bằng âm thanh.
Đo độ sâu: phép tính chỉ cần một dòng
Bộ phận chính của máy dò cá là đầu dò gắn dưới đáy tàu. Bên trong có tinh thể áp điện: khi được cấp xung điện, nó rung và phát ra một tiếng "píp" rất ngắn, thường ở tần số siêu âm, tai người không nghe được. Xung âm đi xuống, chạm đáy, dội lại. Lúc này chính tinh thể ấy chuyển sang "nghe", biến tiếng vang thành tín hiệu điện.
Máy đo thời gian từ lúc phát tới lúc nhận rồi tính:
Độ sâu = tốc độ âm trong nước × thời gian đi và về : 2
Ví dụ, tiếng vang về sau 0,04 giây: 1.500 × 0,04 : 2 = 30 m. Chia đôi vì âm phải đi xuống rồi đi lên. Máy lặp lại việc này nhiều lần mỗi giây và vẽ thành một dải hình chạy liên tục trên màn hình, như một lát cắt dưới thân tàu.
Tốc độ âm trong nước không cố định: nước ấm, mặn và sâu thì âm đi nhanh hơn một chút. Máy đo chính xác dùng cho đo đạc biển phải hiệu chỉnh theo nhiệt độ và độ mặn; máy dò cá thông thường dùng giá trị trung bình, sai số nhỏ đủ dùng.
Máy dò cá thấy cá bằng cách nào
Thịt cá có độ đặc gần giống nước, nên phần lớn âm thanh đi xuyên qua thân cá mà ít dội lại. Thứ làm con cá "hiện hình" trên máy là bong bóng cá: túi khí trong bụng nhiều loài cá. Ranh giới giữa nước và không khí phản xạ âm cực mạnh, nên bong bóng cá dội tiếng vang rõ, cá càng to bong bóng càng lớn, tiếng vang càng mạnh.
Vì sao cá hiện thành hình vòng cung
Chùm âm của đầu dò toả xuống như hình nón. Khi tàu chạy qua một con cá, lúc đầu cá nằm ở mép nón, xa đầu dò hơn; lúc tàu ở ngay trên, cá gần nhất; rồi lại xa dần. Máy vẽ khoảng cách thay đổi ấy thành một đường cong hình vòm. Người đi biển lâu năm đọc được nhiều điều từ hình vòm này: dày hay mảnh, dài hay ngắn, cá đi đơn lẻ hay thành đàn.
Tần số cao và tần số thấp
| Tần số thấp (khoảng vài chục kHz) | Tần số cao (khoảng vài trăm kHz) | |
|---|---|---|
| Đi sâu | Xuống sâu hơn, ít bị nước làm yếu | Yếu nhanh, hợp vùng nước nông |
| Chùm âm | Thường rộng, quét được vùng lớn | Thường hẹp, nhìn chi tiết |
| Chi tiết | Kém hơn, hai con cá gần nhau dễ dính làm một | Tách rõ từng con, thấy rõ đáy |
Nhiều máy dò cá phát hai tần số cùng lúc để kết hợp ưu điểm của cả hai.
Sonar quét ngang, quét đa tia và bản đồ đáy biển
Không chỉ nhìn thẳng xuống, sonar còn có nhiều kiểu khác:
- Sonar quét ngang: đầu dò xoay quanh, phát âm ra mọi phía để tìm đàn cá ở xa quanh tàu. Ở nước ta, nhiều tàu lưới vây xa bờ ở các tỉnh ven biển miền Trung dùng loại máy này để tìm đàn cá ngừ, cá nục trước khi thả lưới.
- Sonar quét sườn: kéo theo sau tàu, phát chùm âm hẹp sang hai bên, vẽ hình đáy biển chi tiết như ảnh chụp đen trắng. Loại này hay dùng để tìm xác tàu đắm, khảo sát đường ống, khảo cổ dưới nước.
- Sonar đa tia: phát hàng trăm chùm âm cùng lúc thành hình rẻ quạt, đo độ sâu của cả một dải đáy biển rộng mỗi lượt tàu đi qua. Phần lớn bản đồ địa hình đáy đại dương chi tiết hiện nay được vẽ theo cách này, và vẫn còn nhiều vùng đáy biển chưa được đo chi tiết.
Cùng nguyên lý tiếng vang, máy siêu âm trong bệnh viện dùng tần số cao hơn nhiều để "nhìn" vào bên trong cơ thể, còn dơi và cá heo dùng tiếng lách cách để định vị con mồi. Đó là những câu chuyện của các bài khác; ở đây chỉ cần thấy rằng con người đã đi theo đúng con đường mà tự nhiên mở sẵn.
Âm thanh dưới biển và các loài sinh vật
Máy dò cá phát xung yếu, tần số cao, phạm vi hẹp. Nhưng biển ngày nay ngày càng ồn: tiếng chân vịt tàu thuyền, tiếng khảo sát địa chất, tiếng công trình ngoài khơi. Các nhà khoa học lo ngại tiếng ồn dưới nước có thể làm cá voi, cá heo khó nghe tiếng gọi của đồng loại hay khó định vị con mồi. Một số quốc gia đã có hướng dẫn giảm tiếng ồn khi làm công trình biển, như tạm dừng khi phát hiện thú biển ở gần. Với người đi biển thường, ý thức đơn giản nhất là không thả thiết bị phát tiếng mạnh xuống nước khi thấy cá heo, rùa biển quanh tàu.
Góc nhìn hôm nay: thử nguyên lý tiếng vang trên cạn
Có thể cảm nhận nguyên lý sonar mà không cần ra biển:
- Trong một ống cống bê tông khô hoặc trước một bức tường lớn ở sân trống, vỗ tay một tiếng rồi lắng nghe tiếng dội. Đứng xa tường hơn, tiếng dội về chậm hơn. Ước lượng: âm trong không khí đi khoảng 343 m/s, đứng cách tường 50 m thì tiếng dội về sau khoảng 0,3 giây.
- Với học sinh, có thể dùng mô-đun cảm biến khoảng cách siêu âm loại rẻ trong bộ học lập trình điện tử: nó phát xung siêu âm và đo thời gian dội về, đúng như một chiếc sonar mini trong không khí.
Muốn đọc thêm, có thể tìm tài liệu phổ thông về hải dương học, các trang giới thiệu bản đồ đáy biển toàn cầu của các viện hải dương, hoặc hỏi kinh nghiệm đọc máy dò từ những người đi biển lâu năm ở các cảng cá miền Trung.
Câu hỏi thường gặp
Sonar là gì?
Sonar là kỹ thuật dùng âm thanh để phát hiện vật thể và đo khoảng cách dưới nước. Thiết bị phát xung âm, nghe tiếng vang dội về, rồi tính khoảng cách từ thời gian đi và về của âm thanh.
Máy dò cá hoạt động như thế nào?
Đầu dò dưới đáy tàu phát những xung siêu âm ngắn xuống nước và thu tiếng vang. Đáy biển và bong bóng khí trong bụng cá dội âm mạnh, nên hiện lên trên màn hình theo độ sâu.
Cách tính độ sâu bằng sóng âm?
Lấy tốc độ âm trong nước, khoảng 1.500 m/s, nhân với thời gian từ lúc phát tới lúc nghe tiếng vang, rồi chia đôi vì âm đi xuống và đi lên. Ví dụ tiếng vang về sau 0,1 giây thì độ sâu khoảng 75 m.
Vì sao cá hiện thành hình vòng cung trên máy dò?
Chùm âm toả xuống hình nón. Khi tàu đi qua, con cá lúc đầu ở mép nón nên xa hơn, ở giữa thì gần nhất, rồi lại xa dần; máy vẽ khoảng cách thay đổi ấy thành hình vòm.
Máy dò cá có làm hại cá không?
Máy dò cá thông thường phát xung yếu, tần số cao, phạm vi hẹp nên được xem là ít ảnh hưởng. Mối lo lớn hơn của các nhà khoa học là tiếng ồn mạnh và kéo dài dưới biển từ tàu lớn và công trình ngoài khơi đối với cá voi, cá heo.
