SU ALTI AKUSTİK HABERLEŞME SİSTEMİ...
Transcript of SU ALTI AKUSTİK HABERLEŞME SİSTEMİ...
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
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
i
3
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
4
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
iii
5
İÇİNDEKİLER
Lisans bitirme projesi onay formu
Önsöz v
İçindekiler
vii
Özet
vi 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
13
2.2. Dalga şiddeti
13
2.3. Desibel olarak ses şiddeti
14
2.4. Sualtı Akustik Haberleşme Ağına Giriş
14
2.5. Sualtı Veri İletim Kanalı Karakteristikleri
17
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
iv
iii
ii
iv iv
6
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
36
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 48
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
v
7
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.
vi
1
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,
2
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
3
yüksekliğinin ölçütüdür. Bir ses dalgasının dalga boyu (1) denklemindeki gibi, sesin
frekansı ve yayılma hızı (c) cinsinden ifade edilebilir[2].
(m) )(
)/(
Hzf
smc (1)
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.
4
Son yıllarda sualtı akustik iletişimi mühendislik ve araştırma alanı olarak hızla
büyümektedir. Sualtı akustik iletişim teknolojileri,
Deniz-aşırı petrol sanayisinde uzaktan kontrol, çevresel sistemlerde kirlilik
gözlemleme, okyanus-altı istasyonlarda kaydedilen bilimsel verilerin toplanması
İnsansız sualtı araçları
Dalgıçlar arasındaki konuşma iletişimi
Cisim algılama-kurtarma için okyanus tabanının haritasının çıkarılması gibi
uygulamalar için büyük bir önem arz etmektedir.
Akustik ortam gürültüsü karidesler, balıklar, gemiler ve çeşitli memeliler tarafından
meydana gelir. Liman yakınlarında ortam gürültüsüne ek olarak insan kaynaklı gürültüler
de eklenir. Tüm bu bozucu etkilere karşın sayısal sinyallerin iletilmesi için verimli ve
yüksek doğruluklu su altı akustik haberleşme sistemlerinin tasarlanması mümkündür.
Işık ve radyo dalgaları su içinde yayılım yaparken, çok çabuk zayıflarlar ve
sönümlemeye uğrarlar, fakat ses dalgaları yayılımı için su ideal bir ortamdır. Deniz
bilimciler, bir düşman denizaltısının konumunu saptamak için ilk hidroforun denize
indirilmesinden bu yana geçen süre içersinde, su altı akustiği konusunda sürekli
araştırmalar ve uygulamalar yapmaktadırlar. Bu süreç sonucunda dalgaların su içindeki
yayılışı günümüz deniz bilim çalışmalarında yararlanılan en önemli araçlardan biri halini
almıştır.
5
c) Bitirme projesi takip formu
Karadeniz Teknik Üniversitesi
Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü
Grup Öğrencinin Adı, Soyadı ve numarası:
210315 Mehmet BOYALI
210357 İbrahim ÖNDER
210392 Erhan K. AKYAZI
Çalışmanın Başlığı: Su Altı Akustik Haberleşme ve Simülasyonu
Danışmanın Unvanı, Adı ve Soyadı: Yrd. Doç. Dr. Salim KAHVECİ
TAKİP ÇİZELGESİ
Tablo1. Bitirme Proje sorumlusu akademisyen danışman ile yapılan görüşme sıklığı ve
projenin genel durumu
Tarih Bitirme Çalışmasının durumu Danışman İmzası
09.02.2012 Tasarım kısmı tamamlanan bitirme
projesinin çalışma planının oluşturulması.
18.02.2012 Ortam parametrelerinin ve sınır
değerlerinin belirlenip değerlendirilmesi.
27.02.2012 Ortam parametrelerinin sınır değerlerinin
değişim aralığının araştırılıp belirlenmesi.
05.03.2012 Denklemlerimizin ilgili derleyici ortam
(matlab) ile simülasyonların
oluşturulması.
14.03.2012 Derleyici ortamda elde edilen
simülasyonların yorumları ve simülasyon
çalışmalarının devamı.
23.03.2012 Verici – alıcı arasındaki ilişki güç ve
frekans aralıklarının belirlenmesi
01.04.2012 Simülasyon çalışmaların devamı ve elde
edilen sonuçların irdelenmesi .
10.04.2012 Çözüm önerileri tasarımı ve simülasyon
çalışmalarının devamı
19.04.2012 Elde edilen sonuçlar ve araştırılan teorik
ve pratik bilgilerinin kıyaslanması ve
yorumlanması.
SU ALTI AKUSTİK HABERLEŞME
SİSTEMİ SİMÜLASYONU
TAKİP ÇİZELGESİ
6
29.04.2012 İncelenen değerler de istenmeyen
durumlar için çözüm önerileri oluşturuldu
geçerliliği daha yüksek çözümler üzerine
çalışıldı.
05.05.2012 Sınır değerleri üzerinde değişimler ve
performans analizleri.
10.05.2012 Simülasyon sonuçlarının ve yapılan
incelemelerin word ortamına export
edilmesi.
17.05.2012 Gerekli yazım kılavuzuna uygun word
dökümanın yazılımı ve simülasyonların
devamı
23.05.2012 Tezin gerekli kısımlarının oluşturulması
ve yazılımının devamı
24.05.2012 Word ortamına aktarılan ve kuralına
uygun bir şekilde yazılan tezin genel
kontrolü, incelenmesi ve son ekleme
çıkarmaların yapılması
25.05.2012 Tezin online olarak bölüme teslimi
1.2. Sualtı Haberleşmesindeki Etkili Temel Parametreler
* Sıcaklık
* Tuzluluk
* Basınç
* Yoğunluk
* Derinlik
* Sınırlarla etkileşme (su yüzeyi ve dip tabiatı)
* Hacimsel etkileşimler ( su içerisindeki maddeler, baloncuklar vb.)
* Verici ve alıcıların konumları
* Ses kayıt ve mesafe tespiti (Sofar)
* Hareketlilik(Mobilite)
7
1.3. Bir Haberleşme Sisteminin Bileşenleri
Şekil 3. Bir haberleşme sisteminin blok şeması.
1.3.1. Ara Bileşenler
1.3.1.1. Haber (Bilgi) Kaynağı (information source)
Çeşitli bilgi kaynakları var olduğu için giriş mesajı farklı özelliklerde ortaya çıkabilir.
Bilgi kaynağı tarafından üretilen bilgiler;
(a) Konuşma, ses, resim, müzik ve görüntü gibi zamanın sürekli bir değişimi olan analog
bilgiler olabilirler.
(b) Bilgisayarların birbiri ile bilgi aktarımında kullanılan “0” ve “1”’ler gibi ayrık
örneklerden oluşan ikili kod halindeki diziler, grafik semboller, mikroişlemci işlem kodları
gibi sayısal bilgiler olabilirler.
8
1.3.1.2. Giriş dönüştürücüsü (input transducer)
Bilgi kaynağı tarafından üretilen giriş mesajının iletime uygun olması için, bir
dönüştürücü yardımıyla elektriksel işaretlere (elektriksel akım veya gerilim değişmelerine)
dönüştürülmesi gerekir. Bu amaç için enerji dönüştürücülerinden faydalanılır. Örneğin; bir
mikrofon yardımı ile ses ve akustik dalgalar, video kamerası ile de görüntüler elektriksel
işaretlere dönüştürülürler.
1.3.1.3. Çıkış dönüştürücüsü (output transducer)
Alıcı tarafta elde edilen elektriksel işaretlerin kullanıcılar açısından bir anlamının
olabilmesi için uygun bilgi biçimlerine dönüştürülmesi gerekir. Aynen giriş
dönüştürücüsünde olduğu gibi bu amaç için de enerji dönüştürücülerinden faydalanılır. Bu
elektriksel işaretler, örneğin, hoparlör yardımıyla ses veya konuşmaya, foto-elektrik tüpler
yardımıyla da görüntüye dönüştürülürler.
1.3.2. Temel bileşenler
Herhangi bir haberleşme sistemi, verici (transmitter), haberleşme kanalı
(communication channel) ve alıcı (receiver) olmak üzere üç ana kısımdan oluşur. Bu
kısımların her biri işaret iletiminde önemli bir rol oynar.
1.3.2.1. Verici (transmitter)
Verici, haberleşme kanalının özelliklerine uyan bir işaret üretmek amacıyla giriş
işaretini işler ve iletim için uygun bir biçime dönüştürür. Giriş işaretinin iletime uygun hale
getirilmesi (iletim kolaylığı, kanal gürültüsünün azaltılması ve çoğullama) modülasyon ile
sağlanır. Sonuç olarak, analog işaretler bir haberleşme kanalı üzerinden taşıyıcı
modülasyonu yoluyla doğrudan doğruya gönderilirler.
1.3.2.2. Haberleşme kanalı (communication channel)
Birçok haberleşme kanalı mevcuttur ancak bu projede gerekli olanı su altı haberleşme
kanalı olduğundan biz bu konu üzerinde duracağız.
1.3.2.3. Sualtı akustik kanallar (Underwater acoustic channels)
Son zamanlarda deniz altı araştırmalarında gözlenen sürekli artış, deniz altından
sensörler vasıtasıyla elde edilen verilerin işlenmesini gerekli hale getirmiştir. Bu amaçla,
bilginin uydu yardımıyla veri toplama merkezine aktarılması mümkün kılınmıştır.
9
Elektromanyetik dalgalar, son derece alçak frekanslar hariç, deniz altında uzun mesafelere
yayınım yapamazlar. Ancak, bunun gibi alçak frekanslardaki işaretlerin iletimi, büyük ve
güçlü vericilerin kullanımı gerektirdiğinden dolayı zor ve pahalı bir işlemdir. Su içerisinde
elektromanyetik dalgaların zayıflaması, deri kalınlığı (skin depth) adı verilen bir ölçüt ile
ifade edilebilir. Diğer taraftan, akustik işaretler onlarca hatta yüzlerce kilometre mesafelere
yayınım yapabilirler.
Bozucu etki olarak gürültü, etkisini deniz altı işaret haberleşmesinde de gösterir.
Buradaki gürültü, insan tabanlı akustik gürültü, midye, balık ve buna benzer deniz
varlıklarının sebep olduğu gürültüler olarak ifade edilebilir.
Sualtı akustik kanalları çevresel özelliklerden ve iletim ortamının doğasından
kaynaklanan zamana bağlı ve çevre ile ilgisinden kaynaklı değişkenlikler gösterirler. Su
altı ortamında ki akustik kanallarda ses sinyal yayılım hızı yaklaşık 1,5 x 10³ m/sn kadardır
ve bu da ışık hızı veya radyo yayılım hızı olarak biline C (3 x 108 m/sn) den yüz bin kat
daha azdır. Sualtı akustik kanallarının bant genişliği sınırlıdır ve önemli ölçüde iletim
menziline ve frekansa bağlıdır. İletim menzili arttıkça kanalın bant genişliği azalmaktadır.
Emilim sebebiyle çoğu akustik sistem 30 Kaz’ın altında işlem yapar. Kendine has
özelliklerinin yanı sıra, su altı akustik kanalları performansları ve karakterleri açısından
birçok faktörden etkilendiğini söylemek mümkündür. Tüm iletişim sistemlerinde olduğu
gibi hata oranlarına ve gecikme değişimlerine sebep olan, gürültü(noise), yol kaybı(path
loss), çok yollu yayılım(multipath propogasyon) ve Doppler etkisi bu faktörlerden
bazılarıdır. Ayrıca akustik bağlar ses dalgasının yönüne göre dikey ve yatay olarak kabaca
sınıflandırılırlar. Bu iki sınıfın yayılım karakterleri deniz/okyanus ortamının sıcaklık,
tuzluluk, yoğunluk gibi fiziksel ve kimyasal özelliklerinden kaynaklanan farklılıklar
göstermektedir[4, 5, 6, 7]. Akustik bir kanalın özelliklerinden bazıları ise, yayılım
gecikmelerinin ve gecikme varyanslarının yüksek olması, sınırlı bant genişliği ve hata
oranının da yüksek seviyelerde olması olarak kısaca belirtilebilir.
1.4. Su Altı Akustiğinde Kullanılan Kaynaklar ve Alıcılar
Akustik dalgaların su içinde yayımlanıp algılanması ancak yardımcı bir cihazla
mümkün olur. Bir transdüser herhangi bir enerjiyi ses enerjisine (kaynak veya projektör),
ya da ses enerjisini çoğunlukla elektrik olmak üzere herhangi bir enerjiye çevirir (alıcı) [3].
10
Enerjinin iki formunu birbirine dönüştürme performansı; malzemenin piezoelektriklik
ve magnetostriksiyon diye adlandırılan özellikleriyle ilgilidir. Basınç altında yüzeyleri
arasında elektrik yükü kazanan; kuvars, amonyum, dihidrojen, fosfat-ADP, rochelle tuzu
gibi bazı kristaller, voltaj verildiğinde gerilime uğrarlar. Bu tip malzemeler
piezoelektriktir. Elektrostriktif malzemeler de aynı karakterdedirler, fakat bunlar
polikristalleşmiş seramiklerdir ve yüksek bir elektrostatik alanda en uygun şekilde polarize
edilmeleri gerekir. Bunlara örnek olarak ise; baryum titanat ve zirkonat titanat verilebilir.
Magnetostriktif bir malzeme gerilime uğradığında çevresindeki manyetik alanı değiştirir ve
polarize edildiklerinde frekans ikileşmesi olayı ortadan kalkacağından dolayı
performansları artar[3].
1.4.1. Sonar Sistemleri
1.4.1.1. Sonar Nedir?
Sonar; transdüser (alıcı ve verici özellikte) sensör grubu, sürücü elektronik birimler ve
çeşitli kullanıcı ara yüzlerinden oluşan bir elektromekanik aygıttır. Basitçe, sürücü
elektronik birimlerden transdüser’e iletilen elektriksel vuruş (impulse) yine transdüser
marifetiyle ses dalgasına dönüştürülür. Bu aşamada elektrik enerjisi bir çeşit mekanik
enerji olan akustik enerjiye dönüşür. Oluşan ses dalgası suya iletilir. Bu ses dalgası su
altında bulunan herhangi bir cisme çarptığında bir kısım dalga bu cisim üzerinden kaynağa
geri yansır. Kaynağa yansıyan bu enerji transdüser vasıtasıyla tekrar elektriksel sinyale
dönüştürülür. Bu sinyal, sürücü elektronik birimlerin bir parçası olan amplifikatör
yardımıyla yükseltilerek kullanıcı ara yüzüne iletilir. Bu sayede kullanıcı su altında
bulunan cisim ve bu cismin platforma göre konumu hakkında bilgi edinir. Modern sonarlar
akustik enerjiyi su altında bulunan mayın vb. tehditlerle diğer cisimlerin belirlenmesi,
sınıflandırılması, sualtı topografisinin çıkarılması, seyir ve sualtı iletişiminin sağlaması
maksatlarıyla kullanılırlar.
1.4.1.2. Sonar-Dom Sistemi
Sonar dom sistemleri, genel kullanım olarak deniz platformlarının üst kısımlarına monte
edilen bir tarsımdır. Bağlı bulunduğu ya da monte edildiği noktadan su yüzeyinin alt
noktalarında mevcut olan genel olarak hassasiyeti yüksek ve narin bir yapısı bulunan
sonar sensör gruplarını bulunduğu ortamdan genellikle deniz ortamından kaynaklanan her
türlü koşulda oluşan tüm mekanik darbelere (deniz hareketleri, doğal koşullar ve canlı
11
etkilerine bağlı sualtında ki cisimlerle çarpma etkisinin oluşumu, platformun aşınması, vb.
durumlarda meydana gelen ağır mekanik etkiler), denizin tuzlu suyundan kaynaklı korozif
etkilerine ve birçok kullanım durumunda karşılaşılan sonar platformunun kendiliğinden ve
su altındaki hareketinden kaynaklı istenmeyen su altı ortam gürültülerine karşı koruyucu
dayanıklılıkta, genel olarak çoğu kullanımlarda hidrodinamik geometri ve akustik
dalgaların geçirgenliğine sahip bir su altı yapısıdır. Sonar sensör grupları ile birlikte sonar
dom ikisi sonar sistemlerin sensör denilen kısmını oluştururlar.
1.4.1.3. Sonar Domu Tasarımı
Sonar domun tasarımı, sonar akustik performansı ve mekanik mukavemet arasındaki
bir optimizasyon problemidir. Bu problemin ana parametreleri; sonarın çalışma frekansı,
çıkış gücü, uygulamaya özgü mukavemet isterleri, dom geometrisi, sonar sensör
gruplarının yapısı ve dom içindeki yerleşimleri, dış kaynaklı gürültüler (platform,
platformun su içindeki hareketi, ortam gürültüsü kaynaklı vb.), dom içinde istenmeyen
akustik yansımalar, malzeme seçimi, mukavim yapının tasarımı ve üretim teknolojisi gibi
çok çeşitli, çok yönlü ve bağlantılı unsurlardır. Bu parametrelerin çokluğu ve karmaşık
ilişkileri özellikle yüksek çalışma frekanslarına sahip sonar uygulamalarında (mayın
avlama sonar sistemlerinde olduğu gibi) kullanılan sonar domların tasarım ve üretiminde
büyük teknik ve mühendislik güçlükleri beraberinde getirmektedir(şekil 4). Bu sebeple
sonar domu tasarımı ve üretimi çok yönlü bilgi birikimi ve tecrübe gerektirmektedir.
Şekil 4. Bir sonar sisteminin kullanım çevresi ve cihazların ana algılayıcıyla iletişim
bağlantıları
12
1.4.2. Sualtı Kablosuz Sensör Ağları
Son dönemde gerek bilimsel ve askeri, gerekse ticari açıdan denizleri ve okyanusları
gözlemleme konusu artan bir ilgi görmektedir. Bu tarz gözlemler açısından uygunluğu en
yüksek araç dağıtılmış su altı kablosuz sensör sistemleridir denilebilir. Bu sistemler
bütününe ise Su altı Kablosuz Sensör Ağları adı verilir[4,5].
Deniz & Okyanus dibine yerleştirilen sensörler, sismik hareketleri gözlemleme, deniz
suyu kirliliğini ölçme, sualtı madenlerini araştırma, sualtı ve su üstündeki cihaz ve araçları
izleme gibi uygulamalarda kullanılmaktadır. Bu uygulamaları olanaklı kılmak için
cihazların temel olarak su altı ortamında haberleşmeleri gereklidir. Dağıtılmış ve
ölçülendirilebilinen kablosuz sensör ağlarının su altına 2D ya da 3D (iki yada 3 boyutlu)
şekilde kurulması ile her bir sensörün yerel olarak bulunduğu su altı ortamında ki çevresel
olayları algılayıp gözlemlemesi mümkün hale gelmektedir. Bu koşullar altında genel
olarak sensörler mevcut bir platforma sabitlenerek su altına ortamına konumlandırılırlar.
Fakat okyanus ortamı değişken ve hareketli bir ortamdır. Dolayısıyla hareketli ve dinamik
bir gözlem sisteminin kullanımı daha uygun olacaktır. Hareketli sensörlerden oluşmuş
kendi kendine organize olabilen bir su altı ağı, izleme, zamanlama, algılama, gözlemleme,
su altı kontrolü ve hataya dayanıklılık gibi uygulama durumları için çok daha iyi bir destek
sağlamaktadır denilebilir. Şekil 5 de bir mikro sensör mimarısi verilmiştir.
Şekil 5. Mikrosensör düğümünün sistem mimarisi.
13
2. Sualtı Akustik Haberleşmede Tanımlamalar ve Denklemler
2.1. Ses Basıncı
Önceden bahsedildiği gibi; sıvı içinde parçacık hareketi yayılım yönüne paralel ve ileri-
geri şekilde olmaktadır ve sıvı sıkıştırılabilir bir yapıda olduğu için, bu ileri-geri hareket
basınçta bir değişime neden olur. Basınçtaki bu değişim, basınca duyarlı hidrofonlar
sayesinde fark edilebilir. Düzlemsel bir ses dalgasının oluşturduğu basınçta (p), anlık
yoğunluk sıvı parçacıklarının hareketiyle (u) ve sıvı yoğunluğu (ρ) alakalıdır ve dalganın
yayılım hızıyla (c) aralarındaki ilişki (2) numaralı denklemde gösterilmiştir.
p = ρcu (2)
“ρc ” orantı katsayısı; sıvının spesifik akustik direnci olarak adlandırılır ve deniz suyu için
ρc =1.5×105 g /(cm2 )(s) (3)
hava için ise
ρc = 42g /(cm2 )(s) (4)
olarak ifade edilir.
Bazı durumlarda, hız ve basınç arasındaki orantı katsayısı karmaşıktır ve ses dalgalarını
içeren ortamın özel akustik empedansı olarak adlandırılır. Bu Akustik Ohm Kanunu’dur;
yani tanecik hızı (u), elektrik akımının akustik eşdeğeri ve basınç (p) ise elektrik voltunun
eşdeğeri olarak düşünülebilir [2].
2.2. Dalga şiddeti
Yayılım yapan bir ses dalgası; tanecik hareketlerindeki kinetik enerji ve esnek
maddedeki stresin oluşturduğu potansiyel enerjinin birleşmesinden dolayı, mekanik enerji
taşır. Ses dalgası yayılım yaptığı için, saniyede belli miktarda enerji, birim alanda yayılım
yönüne doğru akar. Saniyede birim miktardan geçen bu enerji miktarı “dalga şiddeti”
olarak tanımlanır. Eğer bu alan rastgele bir rotaya alınırsa, elektromanyetik yayılımdaki
hedef vektörüne benzer bir vektörel uzunluk haline gelir. Düzlemsel bir dalgada anlık
şiddet, anlık akustik basınçla ilişkilidir ve;
(5)
denklemiyle ifade edilir. Bir zaman aralığındaki ortalama p2 hesaplandığı zaman, o zaman
aralığındaki ortalama şiddet;
14
(6)
olarak gösterilir ve burada (¯) ortalama zamanı ifade eder. Eğer basınç birimi olarak
dyne/cm2 ve ρ ile c içinde birim olarak g/cm
3 ve cm/s kullanılırsa o zaman I, ergs/cm
2
biriminde olur. 1 watt 107 ergs/s’ye eşit olduğu için watt/cm
2 cinsinden akustik enerji
şiddeti;
(7)
olarak ifade edilir [2].
2.3. Desibel olarak ses şiddeti
Su altı akustiğinde çok sık kullanılan desibel (dB) birimi iki ses düzeyinin oranının 10
tabanında logaritmik ifadesidir. Ses ölçümünde logaritmik bir ifadenin kullanılması
sayesinde çok geniş bir frekans aralığında yayılan ses dalgalarının sayısal aralığı azalmakta
ve hesaplamalarda çarpma yerine toplama yapma gibi bazı kolaylıklar sağlanmaktadır. İki
ses şiddeti I1 ve I2, I1/I2 oranına sahip iseler bu desibel olarak 10log(I1/I2) dB olarak ifade
edilir. Bu yüzden kesin şiddetler bir referans şiddet kullanılarak ifade edilir. Şu anda kabul
edilen referans şiddet, 10-6
pascal (≡N/m2) veya bir mikropascal (μPa)’lık bir rms basınca
sahip düzlemsel dalganın şiddetidir. Bu nedenle, 1 μPa referans ses basıncı seviyesi olarak
alınırsa, ses şiddetleri arasındaki oran bir milyon olan düzlemsel bir dalganın ses seviyesi
10 log (106) ≡ 60 dB olur. 1 μPa referans alınarak, ses basınç (P) oranları desibel cinsinden
8 numaralı formüldeki gibi ifade edilir.
P (dB/basınç birimi) = 20 log(P1/P2) (8)
Bir düzlemsel dalganın ortalama ses şiddeti (I), p rms basıncı, ρ ortam yoğunluğu ve ses
hızı (c) arasındaki ilişki 9 numaralı formülde gösterilmiştir.
I=p2/ρc (9)
Deniz suyunda ρc, 1.5×106 kg/(m2s)’dir ve bu yüzden 1μPa’lık rms basınca sahip bir
düzlemsel dalganın ses şiddeti 0.67×10-18
W/m2 olacaktır [27].
2.4. Su Altı Akustik Haberleşme Ağına Giriş
Su altı veri iletişim bağlantısı ve ağ ortamı karasal atmosterde RF veri iletişim kanalına
göre önemli ölçüde farklı kanal sunar. Şekil 6 tek bir verici-alıcı çifti kullanarak veri
iletimi sağlayan tipik bir sualtı ortamını göstermektedir.
15
Basit bir veri iletim düzeni içeren bir projektör (verici) ve hidrofon(alıcı) şematik
gösterimi Şekil 7’de sunulmuştur. Projektör toplanan sensörlü ve navigasyonel veriyi alır
ve veri kaynağında paketler halinde biçimlendirir ve bu taşıyıcı frekans ile modüle
edildikten sonradır. Modülasyonlu sinyal, alıcıda sinyal alımı için yeterli bir seviyeye
yükseltilmiştir. Pil enerjisinin, hatasız iletim ve koruma arasında bir değiş-tokuş olarak;
optimum bir düzeyi vardır. Ona verilen elektrik enerjisine olan oranı olarak yayılan
projektörün akustik gücü, elektrik akustik dönüşüm bloğu tarafından teslim edilen blok ve
projektörün ηtx verimliliğidir. Alıcı üzerinde, hidrofon duyarlılığı, dB/V ile hesaplanan
hidrofon elektrik enerjisine isabet eden ses basıncına dönüştürülür. Sinyal algılaması, ayrıt
edilebilir bir sinyali belirlemek için girişin büyütme ve şekillendirmesini içerir. Burada
gürültü gücünü anlamak için algılama eşiğine varılması gerekmektedir ve ortalama sinyal
gücüne oranı (SNR) olarak değerlendirilir. Taşıyıcı frekansı demodülasyon için verilenden
sonra, araç yanında veri depolamadan biri ya da kontrol ve navigasyon gereksinimlerini
araç içine koymak için kullanıma hazır iletilen verilerden önce varılması gerekmektedir.
Sualtı veri iletişim bağlantıları esas iletişim kanalının kısıtlamaları nedeniyle genellikle
düşük veri hızlarını destekler. Ana kısıtlamalar; yüksek yayılma gecikmeleri, düşük etkili
SNR ve düşük bant genişliğidir. Bu kısıtlamaların etkileri kısa mesafe bağlantılarını ve
uzun iletim mesafelerini kapsayacak şekilde multi-hop iletişim tekniklerinin kullanımıyla
azaltılabilir.
Şekil 6 : Sualtı akustik çevre
16
mesafe(m)
Otonom Sualtı Araçları (AUV,Autonomous Underwater Vehicles) sürüsü ağı için,
yukarıdaki teknikleri kullanmak etkili bir sualtı ağ tasarımı için çok önemli olabilir.
Birçok düğüm sürüsü ağı geliştirmek için, bir Orta Erişim Kontrol (MAC, Medium Access
Control) protokolü kullanarak nokta bağlantısı için tüm noktaları yönetmek gereklidir. Bir
ağ sürüsü iletim kanalı, bir çoklu erişim iletişim sisteminde serbest girişim modunda veri
iletimi için düzenli bir şekilde pek çok alıcı-vericiler tarafından paylaşılır. Şekil 6, N AUV
ile iki iletişim bağlantı noktasını işaret etmek için bir nokta göstermektedir.
Veri iletimini kontrol etmek için farklı AUV’lerden bilgi iletimini kontrol edebilen
etkili bir MAC protokolü tasarlamak gerekir. Bir ağ kümesi içinde MAC protokolünün
tasarımı eğer bir multi-hop iletişim tekniği kullanılır ise daha karmaşık olabilir. Multi-hop
iletişim tekniği, yüksek güçlü verici ve alıcı devrelerine gerek kalmadan uzun mesafe
iletim desteği olacak kadar iyi bir ağ tasarımı ölçeklenmesine izin verebilir. Örneğin, bir
multi-hop iletişim tekniği kullanarak eğer şekil 8’de AUV3 AUV7 için paket iletimi
istiyorsa o zaman paketlerinin iletimi için iletişim yollarının potansiyel bir numarasını
kullanabilir.
Şekil 7 : Projector(verici) ve Hydrophone(alıcı) Blok Şeması
Bilgi
kaynağ
ı
Modülasyon Güç
yükselteci
Taşıyıcı
sinyali
Elektrik/
Akustik
dönüştürme
Akustik/
Elektrik
dönüştürüme
Sinyal
yükseltici
Demodülasy
on
Bilgi
depolama
Taşıyıcı
sinyal
17
AUV7 den AUV3’e gelen olası yolların bazıları: AUV3-AUV2-AUV1-AUV4-AUV7
veya AUV3-AUV6-AUV9-AUV8-AUV7’dır.Bir ağda yol seçimi yönlendirme protokolleri
tarafından kontrol edilir. Optimum yönlendirme protokolleri genellikle bir dizi faktöre
dayalı iletim yolları seçer. Ancak, kablosuz ağda optimum bir yol seçmek için kullanılan
ana faktör bir bağlantı kalitesini gösteren SNR’dir. Benzer şekilde, MAC protokolü
optimum bir paket erişim tekniği geliştirmek için iletim kanalı durum bilgisini
kullanacaktır. Etkili bir protokol tasarımı için sualtı kanalları karakteristiklerinin
özelliklerini anlamak gerekir. Protokol tasarım konuları geçmeden önce sonraki
bölümlerde kısa aralıklı sualtı kanal karakteristiklerini değerlendirelim.
Şekil1 8 : 2D AUV sürü topolojisi
2.5. Sualtı Veri İletim Kanalı Karakteristikleri
Bu bölümde projektörden hidrofona akustik sinyal yayılmasını etkileyecek olan
okyanus kanal parametreleri üzerinde durulacaktır. Kısa menzilli bir bağlantı için veri
iletimi karakteristiklerini türetmek ve sunmak için kullanılan iyi kurulmuş sualtı modelleri
vardır.
2.5.1. Akustik Sinyal Seviyesi
Projektör kaynak seviyesi, SLprojektör genellikle akustik merkezine 1m referans mesafede
ses basıncı seviyesi cinsinden tanımlanır. Bu referans mesafesinde kaynak yoğunluğu
18
I =
(W/m2) (10)
şeklindedir ve dB olarak 1 µPa’da ölçülür, ancak “1 µPa basınç şiddeti nedeniyle
yoğunluğu” anlamına gelir. Bir çok yönlü projektör yüzey alanı küredir (4πr2= 12.6).
Böylece;
SLprojektör = 10log(
) (dB) (11)
olur. Ptx projektör ve referans dalga tarafından tüketilen toplam akustik güç yoğunluğuna
sahip:
Iref =
(W/m2) (12)
Burada Paref referans basınç seviyesi 1 μPa, ρ yoğunluk ( deniz suyunda ρ = 1025 kg/m3
civarında) ve c sesin hızı (deniz suyu için ortalama c = 1500 m / s)’dır [8,9].
Bir çok yönlü projektör için 1m’de bir verici akustik sinyal seviyesi ;
SLprojektor(P) = 170.8 + 10logPtx (dB) (13)
şeklinde yazılabilir.
Eğer projektör yönlü ise, o zaman projektör yönelticilik indeksi
DItx = 10log( Idir/Iomni) (14)
‘dir. Burada Iomni eğer dairesel yayılıyorsa yoğunluğu ve Idir kiriş deseni ekseni boyunca
yoğunluğudur. Yönelticilik[10] kaynak düzeyini 20dB artırabilir. Verici akustik sinyal
seviyesi için daha genel denklem:
SLprojektör(P, η, DI) = 170.8 + 10logPtx + 10logηtx + DItx (dB) (15)
şeklinde yazılabilir.
Burada projektör verimliliği ηtx Şekli 7’de görüldüğü gibi elektriksel akustik dönüşümü
ile ilişkili kayıpları dikkate alır. Böylece projektörden yayılan gerçek SL azalır. Bu
verimlilik bant genişliğine bağımlıdır ve ayarlanmış projektör için 0,2 ile 0,7 arasında
değişebilir[10].
19
2.5.2. Sinyal Zayıflaması
Okyanusta ses yayılımı, deniz suyunun fiziksel ve kimyasal özelliklerinden ve kanalı
kendi geometrisinden etkilenir. Akustik bir sinyal su altında yayma ve emme nedeniyle
zayıflama eğilimindedir. Buna ek olarak, kanal geometrisine bağlı olarak hidrofonda çoklu
sönümleme deneyimleri yaşanabilir. Yol kaybı projektörden hidrofona sinyal yoğunluğu
kaybının bir ölçüsüdür. Doğru bir yol kaybı modelini anlamak ve kurmak için sinyal-
gürültü oranı (SNR) hesaplamaları kritik öneme sahiptir.
2.5.2.1. Yayılma Kaybı
Yayılma kaybı geometrik olarak kaynaktan dışarı yayılanı kapsadığı genişleyen ses
sinyali alanına bağlıdır.
PLyayılma (r)= k× 10log(r) (dB) (16)
Burada r metre olarak mesafe ve k yayılma faktörüdür. Sinyal iletiminin oluşturduğu ortam
sınırsız olduğunda, yayılma küresel ise yayılma faktörü k=2 ortam sınırlı olduğunda
yayılım silindirik ve yayılma faktörü k=1 olarak alınır. Urick[9] okyanusta küresel
yayılmasının nadir bir olay olduğunu ileri sürdü ama kısa aralıklarda var olabildiğini kabul
etmektedir.
AUV kümesi işlemleri olarak meydana gelebilecek daha yüksek bir zayıflama değeri
anlamına gelen kısa menzilli küresel yayılma dikkate alınması gerekecektir ki bu
muhtemeldir. Yayılma kaybı mesafe ile logaritmik bir ilişkiye sahiptir. Bu kısa
mesafelerde yayılma kaybı orantılı olarak emilim terimi (doğrusal bir ilişki yelpazesi ile
olduğu) ile karşılaştırıldığında daha büyük bir rol oynar.
2.5.2.2. Emilim Kaybı
Emme enerji kaybı temsili bir akustik sinyal tarafından üretilen dalga olarak ortaya
çıkan viskoz sürtünme ve iyonik rahatlama nedeniyle ısı şeklinde dışarıya doğru yayılır ve
bu kayıp aşağıdaki gibi mesafeye göre lineer olarak değişir:
PLemme(r, f) = 10log{(α( f ))×r} (dB) (17)
Burada r kilometre olarak mesafe ve α emme katsayısıdır.
Daha spesifik olarak deniz suyunda ses emilimi üç baskın etkiden kaynaklanır; bunlar,
viskozite(kesme ve hacim), borik asit ve magnezyum sülfat (MgSO4) moleküllerin iyonik
20
gevşemesi ve gevşeme zamanıdır. Viskozite etkisi 100kHz’den yüksek frekanslarda
anlamlıdır. Magnezyumun iyonik rahatlama etkileri ise 10kHz ‘den 100kHz frekans
aralığında ve borik asit birkaç kHz düşük frekanslarda etkilemez. Genel olarak, emme
katsayısı α ; artan frekans ile birlikte artar, derinlik arttıkça azalır ve denizde oldukça
yüksektir.
Son yarım yüzyıl boyunca emilim kayıpları ölçümleri hesap frekansı, tuzluluk, sıcaklık,
pH, derinlik ve ses hızını dikkate alan birkaç ampirik formüllere yol açmıştır. Thorp’un
ifadesi[11], denklem (18), 60’lı yıllarda yaptığı ilk araştırmalara göre ve metrik birime
dönüştürüldüğünden beri popüler bir versiyonudur. 100Hz-1MHz frekansları için
geçerlidir ve %35 ppt tuzluluk, pH 8 ve 4 sıcaklık ile deniz suyuna dayalı ve derinliği
0 m (atmosferik basınç) varsayılır ama Thorp tarafından belirtilmemiştir.
(dB/km) (18)
Fisher&Simmons[12] ve diğerleri (Francois&Garrison[13]) o zamandan bu yana α’nın
diğer varyasyonlarını önermişlerdir. Özellikle, Fisher&Simmons[12] 70’li yılların
sonlarında emilimde borik asitin gevşemesiyle ilgili etkisini buldular ve emme katsayısı α
dB/km cinsinden; frekans, basınç(derinlik) ve sıcaklık ile değişir bir form
sağlamıştır.(tuzluluk% 35 ppt ve asitlik pH değeri 8 ve 100 Hz - 1 MHz için de geçerli)
[12,14], denklem (19)’de verilmiştir.
(dB/km) (19)
Burada d metre olarak derinlik ve t sıcaklıktır. 'A' katsayıları sıcaklığın etkilerini
temsil eder, 'P' katsayıları okyanus derinliği (basınç) ve f1, f2 borik asit ve (MgSO4)
moleküllerinin gevşeme frekanslarını temsil eder. Bu terimler, Fisher&Simmons[12] ve
daha yakın zamanda sunulan Sehgal ve Domingo[14,15] tarafından geliştirildi.
2.5.3. Yol Kaybı
Toplam yol kaybı hem yayılım hem de emilim kayıplarının birleşik bir katkısıdır.
Urick[9], emme artı yayılma verimlerinin formülünü uzun menzilli gözlemlerle maktıklı
bir şekilde belirlemiştir.
(20)
21
2.5.3.1. Akustik Yol Kaybı
Kanalın zayıflaması, çalışmanın sıklığına ve verici ile alıcı arasındaki mesafeye
bağlıdır. Sinyal gücündeki zayıflama yol kaybı olarak adlandırılır, kanallar arası uzaklık ve
frekans arasındaki ilişkiyi veren bağıntılar aşağıdaki gibidir:
(21)
Burada; d, alıcı ve verici arasındaki mesafe (km),f ise çalışma frekansı (kHz)’dır.
(22)
Burada;
10.klogd = yayılma kaybı,
d.10logα(f)= emme(absorbe) kaybı,
k = yayılma faktörü,
k = 2 ise küresel yayılma,
=1 ise silindirik yayılma,
=1.5 ise pratikteki yayılma,
şeklinde tanımlanır.
2.5.4. Çokyolluluk
Okyanustaki çokyollu iletim oluşumu iki etki tarafından şekillenmektedir. Bunlardan
birincisi diğer nesnelerden, dipte ve yüzeyde oluşan ses yansımaları, ikincisi ise sesin
sudaki kırılma indisidir. İkinci faktör ses hızının ortama göre değişkenliğinin bir
sonucudur. Şekil 9 bu iki mekanizmayı tanımlamaktadır.
22
Şekil 9. Sığ ve derin sulardaki çok yollu iletim oluşumu. (Aşağıda, ilgili okyanus kesiti
ve derinliğin fonksiyonu olarak ses hızı verilmiştir.)
Ses hızı konuma ve derinliğe göre değişkenlik gösteren sıcaklığa, tuzluluğa, basınca
bağlıdır ve sesin izlediği yol Snell yasasına uygun olarak daima iletim hızının düşük
olduğu bölgeye doğru bükülür. Yüzeye yakın bölgelerde ses hızı gibi sıcaklık ve basınç da
sabit olarak kabul edilir. Sıcak iklimlerde basınç artışı ses hızının üzerindeki etkileri
dengelemek için yeterli değilken , derinliğin artmaya başlamasıyla sıcaklık düşer. Böylece
ses hızı thermoklin denilen bölgede azalır. Belli bir derinlikten sonra, sıcaklık 4 0
C gibi
sabit bir değere ulaştıktan sonra ses hızı derinlik ve basınç artar. Bir kaynaktan ışın demeti
oluştuğu zaman, her bir ışın demeti az da olsa birbirinden farklı yollar izleyecektir ve
belirli bir mesafeye yerleştirilen alıcıda birden çok sinyal gözlenecektir. Yüksek hızdaki bir
ışının çok daha uzun bir mesafe kat edebileceği dikkate alınırsa, bu sebepten güçlü olan
ışınım ilk olarak alıcıya ulaşır. Bu fenomen minimum faz kanal yanıtı olarak sonuçlanır.
Akustik bir kanalın impuls yanıtlaması, belirli bir sayıdaki ışınımların dikkate değer
yayılma yollarının gücü ve gecikmesi, kanal geometrisi ve kanalın yansıma ve kırılma
özelliklerinden etkilenmektedir. Açık konuşmak gerekirse çok sayıda sinyal yansıması
mevcuttur, fakat ışınımlar birden çok yansımaya maruz kalmış ve belirli sayıdaki ışınım
yolundan saparak çok fazla enerji kaybetmiş olabilir.
23
Kanal modelini bir perspektife oturtmak için pth yayılma yolunun uzunluğunu lp olarak
tanımlayalım ve ilk gelen sinyalle alakalı olarak p = 0 olarak kabul edelim. Sığ sularda ses
hızı sabit bir c olarak alınabilir, yol uzunlukları düzlem geometri kullanılarak
hesaplanabilir ve yol gecikmeleri /p pl c olarak elde edilebilir.
Dipteki yansıma katsayıları tabanın tipine ( yumuşak , sert ) ve ışının geliş açısına
bağlıyken , yüzeyin yansıma katsayısı ideal şartlar altında -1 ‘ e eşittir. Pth iletim yolu
boyunca eşlenik yansıma katsayısı p ile ve bu yola ilişkin kayıpları da A ( lp , f ) ile
tanımlarsak pth yolunun mevcut yanıt frekansı ,
( )( , )
p
p
p
fA l f
H
(23)
şeklinde ifade edilir. Bunun sonucu olarak akustik kanalın her bir yolu, toplam impuls
yanıtlamasına katkıda bulunur ve alçak geçiren(low-pass filtre) gibi davranır.
( )( ) p p
p
th t h (24)
Burada hp (t) , Hp(f)’ in ters fourier dönüşümüdür. Şekil 10, yayılma faktörü k = 1.5
ve her bir dip yansımasına ilişkin 3dB’lik kayıp ile 1 km uzunluğunda, 15 m derinliğinde
dibe yakın bölgede bulunan kanalın işletim sisteminin çokyol(multipath) özelliklerini
göstermektedir.
24
Şekil 10. Kanal cevap fonksiyonları
İlk yedi iletim yolu için sonuçlar gösterilmektedir. Tüm dönüşüm fonksiyonları ve
önemli olan yanıtlar aşağıdayken, en üst satırında ise bireysel her bir yolun dönüşüm
fonksiyonları Hp(f) ve yanıtlar hp (t) bulunmaktadır. Toplam multipath yayılma, sığ su
deneylerinde genellikle gözlemlenen yaklaşık olarak bir milisaniye gibi bir değere sahip en
uzun yol gecikmesi ile şekillenmiştir. Bireysel yolların dağılması toplam multipath
yayılımdan daha azdır ve kanal cutoff’un altındaki uygun maksimum frekans değeri için
bu sistemde göz ardı edilebilir. Günümüzde kullanılan çoğu sistem için bu durum
geçerlidir yinede dönüştürücü teknolojisindeki gelişmeler ve daha yüksek bant
genişliklerinin kullanıma uygun hale gelmesiyle bu etki oldukça önemsiz hale gelebilir.
Yaklaşımlar sonucundaki genel model sinyalin doluluk oranına bağlı olabilir.
25
2.5.4.1. Sualtı Çokluyol Karakteristikleri
Çok yollu sinyaller, genel olarak, akustik enerji kaybını temsil eder, ancak iletişim
sistemleri için alınan sinyalin hata oranını önemli ölçüde arttırabilen alıcılarda zararlı
olabilen Inter Symbol İnterference (ISI) olarak da bilinir. Çok yollu sinyaller bu bölümde
açıklanan çeşitli mekanizmalar aracılığıyla sualtını oluşturmaktadır. Böylece alıcıda alınan
çoklu sinyaller yayılım yollarının farklı uzunluğuna bağlı olarak farklı zamanlarda orijinal
sinyalin birçok bileşenlerine sahip olacaktır. Yayılmadaki gecikmeler önceden ve gelecekte
varan sinyal bileşenlerinin örtüşmesine ve bu da sembol bozulmasına veya bit hataları
nedeniyle kayba sebep olacaktır. Bu da ISI oluşturabilir. Sesin yayılma hızı akustik bir
kanalda çok yavaş olduğundan bu yayılma gecikmesi önem arz etmektedir.
Çok yollu sinyalleri oluşturmaktan sorumlu iki önemli mekanizma vardır: Bunlar; ses
sinyallerinin yansımaları ve saçılmayı ifade eden yankılaşım ve akustik sinyallere engel
olan sıcaklık meyilli kanallar oluşturan denizlerdeki benzersiz ses hızı yapısının sonucu
olan ışın bükülmesidir. Çok yollu sinyal oluşumu iletimin gerçekleştiği kanalların
geometrisi, verici ve alıcının konumu ve en önemlisi meydana geldiği derinlik etkenleriyle
belirlenir. Alıcı ve verici dibe veya yüzeye konumlandırılırsa derin sularda yankılaşım
meydana gelmesine rağmen bükülmenin hükmü olacaktır, sığ sularda ise çok yol
yankılaşıma göre üstündür[8,9,15,16].
Su altında yankılanma oluşturan çeşitli fiziksel etkiler vardır:
Deniz tabanı veya deniz yüzeyindeki sınır yansımalarından kaynaklanan çok yollu
yayılımı şekil 6’da gördünüz.
Su asıllı nesnelerin, iletilen sinyal yolunda bulunan deniz hayvanların, bitkilerin ve
kabarcıkların, yansıması nedeniyle oluşan çok yollu yayılma.
Deniz yüzeyi(dalgalar) ya da deniz tabanı pürüzlülüğü veya yüzey emilimi,
özellikle malzemeye bağlı olarak deniz dibi nedeniyle yüzey saçılması.
Sinyal yolu askıya alınmış reaktif kapalı nesneler nedeniyle hacmi saçılma.
Işın bükülmesi, verici ve alıcıları yerleşimlerine bağlı olarak derin sularda çeşitli
yayılım yol kaybı mekanizmalarına neden olur. Düşük sinyal hızlı bölgele için akustik
sinyal yayılması Snell yasasına göre bükülür. Şekil 11 konum ve mevsim ile oluşan
varyasyonlara rağmen, tipik bir okyanus ses hızı profilini gösterir. Profil derinliğe bağlı,
yüzey tabakalarındaki sıcaklık ve daha büyük derinliklerdeki basınç tarafından etkilenmiş
olan ses hızıdır.
Çeşitli yol kaybı mekanizmaları[15];
26
Yüzey tabakası pozitif bir sıcaklık gradyanına(eğimine) sahip olduğunda, yüzey
kanalı, Şekil 12(a)’daki gibi olur; akustik sinyaller yüzeye doğru eğilip, sonra
yüzey katmanının içine doğru geri yansıyabilir.
Derin ses kanalı, bazen SOFAR (sound fixing and ranging) olarak, akustik
yayılımın ses hızı seviyesinin üzerinde ve altında oluştuğu yerde, ses ışınları
sürekli minimum hız derinliğine doğru eğilmesi olarak bilinir. Şekil 12(a)’da
gösterildiği gibi.
Şekil 11. Tipik ses hızı profili
Yakınsama bölgesi, derin su alanlarında vericinin yüzeye oldukça yakın
konumlandırıldığı zaman basınçtaki artıştan dolayı ses ışınları tekrar yüzeye
zorlanıncaya kadar sıcaklıktaki azalmanın sonucu olarak dibe doru yönelir.
Şekil 12(b) de gösterildiği gibi.
Güvenilir akustik yol, verici çok derin sularda ve alıcı sığ sularda bulunduğunda
oluşur. Alt veya üst yüzey yansımalarından genellikle etkilenmez olduğu gibi
güvenilir olarak nitelendirilir. Şekil 12(b)’de gösterildiği gibi.
Gölge sonları özel bir durum olarak kabul edilir ve bu bölgeler herhangi bir sinyal
yayılmasında iptal olur. Bu, gölge sonlarında bir hidrofon herhangi bir sinyal
almayabilir anlamına gelir.
Bu nedenle kullanılmakta olan kanal geometrisi önemli yayılma yolları ve onların göreceli
güçleri ve gecikmelerinin sayısı için önemli bir tespittir. Gölge sonları dışında sinyalsiz
veya çok yollu sinyal bileşenleri hidrofona ulaşabilir, hidrofon doğrudan bir sinyali ve çok
yolu yansıyan, saçılmış veya bükülmüş sinyallerin değişken kombinasyonlarını alabilir.
27
Sinyalin bu çoklu bileşenleri ISI ve sembol tespiti hataları yaratabilen çeşitli yol
uzunlukları nedeniyle geciken birden çok sinyal bileşenidir.
(a)Yüzey kalan ve derin ses kanalı (b) Yakınsama Bölgesi ve güvenilir akustik yol
Şekil 12. Işın eğilme yol kaybı mekanizmaları.
AUV kümesi operasyonlarında kullanılacak çok kısa menzilli kanallar için, hidrofonda
beklenenden daha az çokyol sinyali üretilmesi çok-yol mesafe derinlik oranından da
etkilenecektir[17,18].
Şimdiye kadarki çoğu tartışma deterministik yayılma yolu modellerin çeşitli yansıtıcı ve
ışın bükme yolu seçeneklerinin geliştirilmesinde zamanla değişmeyen akustik kanal çok-
yol üzerine odaklanmıştır. Aksine radyo kanallarında, su altı kanalları içindeki bu rastgele
süreçlerin istatistiksel karakteristiği erken gelişim aşamalarında vardır. Deneysel sonuçlar
göstermiş ki, güne bağlı olarak iletişim bağlantısının yeri ve derinliği, çokluyol sonuçları
saniyeler sırasında kötü durumdaki tutarlılığı burada tartışılan deterministik modellerden
birini takip edebilir[19]. Bir sualtı iletişim kanalında zaman değişkenliğinin başka bir
kaynak alıcı ve verici arasındaki göreceli hareket olduğu zaman oluşur aşağıdaki alt
bölümde kısaca ele alınacağı gibi.
28
2.5.5. Doppler Etkisi
AUV’ lerin birbirlerine göreceli hareketi alınan sinyalde Doppler bozulmasının olası iki
çeşidine neden olacaktır, araçların birbirlerine doğru ve birbirlerinden uzaklaşma hareketi
ile frekansta ortaya çıkan kayma Dopler Kayması ve Doppler Yayılma veya Doppler
spektrumunda frekans dağılımının zamanla değişen doğası olan zaman domeninde çift
tutarlılık etki alanıdır[20].
Alınan sinyalin doppler kayması( ;
(Hz) (25)
olarak tanımlanır. Burada orijinal sinyal frekansı ve ∆v hareketli araçlar arasındaki
göreceli hızıdır. Bir örnek olarak, birbirine göre 1 m/s (2 düğüm) orta derecede yavaş hızla
hareket eden araçlar olsaydı ve fc = 40kHz the Δf ≈ 27Hz olurdu. Doppler yayılma veya
yukarıda bahsedilen tutarlılık zaman ölçümleri, 1 sn kadar uzun olabilir. Doppler kaydırma
ve yayılma kanal kestirim algoritmaları olarak tasarlanmış olması gereken kanal içindeki
zaman değişkenliğini izlemek için değişen komplikasyonlara yol açmaktadır ve açık
iletişim protokolleri içinde senkronizasyon yaklaşımı gecikmektedir. Keşif için küme
işlemleri araçlar arasındaki minimum bağıl hız farkı olduğu yerde sert topoloji gerektirir,
bu bağlamda doppler efektlerinin etkisi biraz azalacak ve böylece daha fazla dikkate
alınmayacaktır.
2.5.6. Ses Hızını Etkileyen Parametreler
Ses hızı suyun içinde havadakinin yaklaşık 5 katı hızıyla hareket eder ve çok uzak
mesafelere ulaşabilir, bu yüzden su altında bilgi taşımak için ses sinyalleri kullanılır.
Normal okyanus şartlarında ses hızı 1450 m/s ile 1550 m/s arasında değişir. Okyanus;
yukarıda deniz yüzeyi, aşağıda ise deniz tabanıyla sınırlı olan bir akustik dalga kılavuzudur
ve bu bölgede yayılım yapan ses dalgalarının hızının değişiminde rol oynayan dört ana
etken vardır; sıcaklık, derinlik, tuzluluk ve basınç. Ses hızı bahse konu bu değerlerdeki
yükselmelerle birlikte artar; ancak yükselim hızı oranları farklıdır ve en az rolü tuzluluk
artışı oynar. Örneğin 10°C sıcaklık yükselmesi 40 m/s, 1000 m derinlik artışı 16 m/s ve
tuzlulukta %1 artış 1.5 m/s hızda artışa sebep olur ve aralarındaki bağlantı basit bir şekilde
(26) numaralı denklemde gösterilmiştir.
C = 1449.2 + 4.6T − 0.055T 2 + 0.00029T
3 + (1.34 − 0.01T)(S − 35) + 0.0160Z (26)
29
Burada C hız m/s, T sıcaklık Celsius, S tuzluluk ve Z derinlik m olarak alınır[28]. Çoğu
durum için bu formül geçerli olurken, farklı koşullar için farklı
formüller de kullanılmaktadır. Basınç; yani derinlik değerlerinde gözlenen artış ise, akustik
yayılım hızının artmasına neden olur ve basıncın tek başına oluşturacağı ses hızı değişimi
su yüzeyi ile 3000 metre arasında yaklaşık 50 m/s kadardır [27]. Sudaki ses hızını
etkileyen parametreler aşağıda anlatılmıştır.
2.5.6.1. Sıcaklık
Sıcaklıktaki değişim, ses hızını diğer faktörlere göre 5 kat daha fazla etkilediği için, ses
hızı değişiminde bahsedilmesi gereken en önemli etkendir. Sıcaklık, moleküllerin sahip
olduğu kinetik enerjinin bir ölçüsüdür. Deniz suyu sıcaklık ölçümlerinde, sıvıların
sıkışması ve genleşmesiyle oluşan potansiyel enerjinin hesaba katılması gerekir [2].
Isı; suda, toprakta olduğundan daha derinlere inebilir çünkü suyun özgül ısısı
toprağınkinden çok fazladır, bu yüzden denizler, ısının dengelenmesinde önemli rol
oynarlar.
Güneşten gelen enerjinin büyük kısmı ilk 10 metre içerisinde emilmektedir, bu oran
berrak okyanus sularında %83 iken, bulanık sularda %99’u bulmaktadır. Bu sebeple, diğer
çevre faktörleri dışlanırsa, ısınma olayı ilk 10 metre içerisinde gerçekleşir. Bazı özel
durumlar dışında, deniz suyu sıcaklığı derinlikle azalır. Sıcak yüzey suları ile dipteki soğuk
su arasındaki ısı alışverişi, rüzgarın yüzey sularını karıştırması ve akıntılar sonucunda
meydana gelir.
Deniz suyunun ısınmasında rol oynayan diğer etkenler ise, güneş radyasyonları, yer iç
ısısının okyanus tabanından konveksiyonla alınması, kimyasal ve biyolojik olaylar sonucu
oluşan ısı, kinetik enerjinin ısı enerjisine dönüşümü ve suyun buharının yoğunlaşmasından
oluşan ısı olarak sıralanabilir. Buharlaşma ve atmosfere bağlı ısı konveksiyonları ile deniz
yüzeyinden yansıma gibi etkenler ise, deniz suyunda ısı kaybına yol açan faktörlerdir.
Ses hızını en çok etkileyen etken olan sıcaklıktan bahsederken, termoklin tanımını
anlamak gerekir. Termoklin; su kolonunda ani sıcaklık değişiminin meydana geldiği
seviyedir ve bu seviyedeki değişim yüzünden ses hızında da buna bağlı olarak ani
değişiklikler meydana gelir. Şekil 13’de tuzluluk oranındaki değişikliğin fazla olmadığı bir
bölgede, ses hızının sıcaklığa bağlı olarak değişimi ve termoklin tabakası görülmektedir.
30
Şekil 13. Marmara, Karadeniz çıkışında yaz mevsimini göre termoklin tabakası ve
sıcaklığa bağlı olarak beklenen ses hızı değişimi
2.5.6.2. Tuzluluk
Deniz suyunun önemli özelliklerinden biri de tuzluluktur. Derin sularda derinlikle çok
az değişir ve yatay değişimleri de ihmal edilebilecek kadar küçüktür. Fakat kıyısal
bölgelerde, özellikle fiyort ve buz sahalarında, tuzluluk etkisi önemlidir.
Deniz suyunun birçok fiziksel özelliği tuzluluğa bağlı olarak değişir. Deniz suyu
yoğunluğu, elektrik iletkenliği, viskozitesi, genleşme katsayısı, osmotik basıncı ve sesin
yayılma hızı, tuzluluğun artmasıyla birlikte artarken, spesifik (özgül) ısısı, buhar basıncı,
ısı iletkenliği ve genleşme katsayısı gibi özellikler azalır.
Tuzluluğu azaltan ve arttıran bazı faktörler vardır ve bu faktörlerden en önemlileri
buharlaşma ve yağıştır. Buharlaşma tuzluluğu arttırırken, yağışla birlikte tuzluluk düşer ve
bu iki zıt etkenin tuzlulukla olan ilişkisi için (27) numaralı denklem kullanılır. Bu
denklemde; E, buharlaşma ve P ise yağış yüksekliklerini mm cinsinden göstermektedir [2].
S (binde olarak) = 34.6 + 0.0175 (E-P) (27)
2.5.6.3. Basınç
Sıcaklık ve tuzlulukla birlikte, denizdeki ses hızına etki eden etkenlerden biri de
basınçtır. Sıvılarda moleküllerin ağırlığı nedeniyle, yüzeye dik olarak etki eden bir basınç
oluşur ve bu basınca “Hidrostatik Basınç” adı verilir ve denizlerde derinliğe bağlı olarak 1
metrede yaklaşık olarak 1 desibar kadar artmaktadır. Desibar (0.1 bar); basıncı ifade eden
en pratik birim olup, bir metre yüksekliğindeki deniz suyunun cm2’lik bir yüzeye yaptığı
basınca eşdeğerdir.
31
2.5.6.4. Yoğunluk
Yoğunluk (özgül kütle); bir cismin kütlesinin birim hacmine oranı olarak
tanımlanmıştır. Deniz suyunun yoğunluğu genelde, yaklaşık 1.026 gr/cm3 olarak alınır ve
sıcaklığın azalması veya tuzluluk ve derinliğin artmasıyla yükselir. Bu ifadeden de
anlaşılacağı gibi yoğunluk dağılımına etki eden faktörler, bu 3 etkende değişikliğe sebep
olan özelliklerdir. Sıcaklık ses hızında olduğu gibi, yoğunluk üzerinde de en çok etkisi olan
parametredir. Ayrıca yoğunluk, deniz suyunun kimyasal yapısıyla da alakalıdır.
2.5.7. Transmisyon (İletim) Kayıpları
Okyanusta ilerleyen bir akustik sinyal, ışın yollarının değişik yolları izlemesi nedeniyle
bozulmaya uğrar ve çeşitli kayıp mekanizmaları yüzünden zayıflar. Sinyal gücündeki bu
değişim, su altı akustiğinde iletim kaybı (transmission loss) olarak ifade edilir. İletim kaybı
(TL), (28) numaralı formülde görüldüğü gibi herhangi bir ölçüm noktasındaki akustik
enerji şiddetinin (I(r,z)), kaynaktan 1m uzaklıktaki akustik enerji şiddetine (Io) desibel
cinsinden olan oranıdır.
(dB ref. 1m) (28)
İletim kaybı, geometrik yayılmadan dolayı meydana gelen kaybın ve zayıflama
yüzünden olan kaybın toplamı olarak ifade edilebilir. Yayılımdan meydana gelen kayıp
basit bir şekilde, sinyalin kaynaktan uzağa doğru yayılım yaptığı sırada ölçülen kayıp
olarak tanımlanabilir ve Şekil 14’de iki farklı geometride yayılım kuralları gösterilmiştir.
Şekil 14. Geometrik Yayılım Kanunları ve yayılım durumları
Burada Şekil 14.a’da sınırsız homojen bir ortamda nokta kaynaklı bir yayılım
gösterilmektedir. Bu basit durumda, kaynaktan yayılan güç, kaynağı çevreleyen bir kürenin
32
yüzeyine eşit şekilde dağıtılır. Eğer ortamı kayıpsız bir ortam olarak farz edersek, akustik
ses şiddeti kürenin yüzeyine ters orantılı olacaktır.
I ∝1/(4πR2 ) (30)
(28) numaralı formülden küresel yayılım için iletim kaybını
TL = 20log(r) (dB ref. 1m) (31)
olarak buluruz ve burada r metre cinsinden yatay uzaklıktır. Eğer sinyalin yayıldığı ortam,
Şekil 14.b’de gösterildiği gibi düzlemsel tepe ve alt sınırlarına sahip ise bu durumda; yatay
uzaklıkta akustik ses şiddetindeki değişim, R yarıçaplı ve D derinlikli bir silindirin
yüzeyiyle ters orantılı olacaktır.
I ∝1/(2πRD) (32)
Böylece silindirik yayılımda iletim kaybını (33) numaralı formülle gösterebiliriz.
TL =10logr (dB ref. 1m) (33)
100 km uzunluktaki bir dalga kılavuzunda, küresel yayılım yapan bir sinyali örnek olarak
ele alırsak; toplam iletim kaybı (zayıflama hesaba katılmadan) 60 dB + 20 dB =80 dB
olacaktır. Bu 100km’de meydana gelmesi beklenen minimum kayıp miktarıdır. Ses
dalgalarının deniz suyunda yayılım yaparken zayıflaması, meydana gelecek olan yansıma
ve saçılım etkileri yüzünden, toplam iletim kaybı pratikte daha fazla olacaktır [27].
2.5.8. Gürültü
Sualtı gürültüsüne katkı yapan üç önemli madde vardır: Ortam veya okyanus arka plan
gürültüsü; aracın kendi gürültüsü; karides yakalamak, buz çatlaması ve yağmur gibi
biyolojik sesler de dahil olmak üzere sürekli olmayan gürültü. Doğru bir gürültü modeli
hidrofondaki SNR’yi değerlendirmek için kritiktir bu yüzden bit hata oranı (BER) protokol
performansını değerlendirmek için saptanabilir olmalıdır.
2.5.8.1. Ortam Gürültüsü
Urick Okyanusta ortam gürültüsü iyi tanımlanmıştır[9]. Gauss olarak temsil edilebilir
ve sürekli bir güç spektrum yoğunluğu (PSD) vardır. Bu her frekans spektrumlarının farklı
bölümlerinde hâkim bir etkiye sahip dört bileşenden (aşağıda belirtilen) oluşur.
Türbülans gürültüsü sadece çok düşük frekans bölgelerini etkiler f <10Hz
(34)
33
Nakliye gürültüsü 10-100Hz bölgesine hakimdir ve düşükten yükseğe sırasıyla
aktiviteler için 0 dan 1’e mesafe değerlerinin s nakliye aktivite faktörü ile
tanımlanmıştır:
(35)
Rüzgar ve yağmur nedeniyle oluşan dalga ve yüzey hareketi 100Hz-100kHz orta
frekans bölgelerinde önemli bir faktördür. Rüzgâr hızı w m/s olarak verilir:
(36)
Termal gürültü 100kHz üzerinde hakim olur:
(37)
Rüzgâr hızı w, m/s (1 m/s yaklaşık 2 deniz milidir.) ve f, kHz olarak verilir. Ortam
gürültü gücü, aynı zamanda yüzeyden mesafesi olarak derinlik artışı ile azalır ve bu
nedenle nakliye ve rüzgâr gürültüsü daha hafif olur. Ortam gürültüsünün, daha sığ sularda
derin sulardan 9dB yüksek olduğu görülmüştür[21]. Küme işlemleri, diğer sualtı ağ
işlemlerinin yanı sıra, kümedeki diğer araçların gürültüsü nedeniyle operasyonlarına ortam
gürültüsüne ek bir düzey eklenir nispeten yakın çalışma olacak AUV’ler dâhil olmak
üzere, iletişim düğümleri için bu durum söz konusudur. Kendinden gürültü sonraki
bölümde ele alınacağı gibi beklenti şudur, “nakliye gürültüsü” bileşeni ile ilgili bu ek
“ortam gürültüsü” genellikle 10kHz üstündeki frekansları kullanan akustik haberleşme
üzerinde sınırlı bir etkiye sahiptir olacaktır.
2.5.8.2. Kendinden Gürültü
Kendinden gürültü sinyalleri almak için bir platform olarak aracın kendisi tarafından
oluşturulan gürültü olarak tanımlanır. Bu gürültü, mekanik yapısı ile veya üzerinden geçen
su yoluyla AUV üzerine monte edilen hidrofona ulaşabilir. Kendinden gürültü türbülanslı
akışların derecesi, dönüştürücünün montajı ve yönelticilik özelliklerine bağımlı olarak
değişir[22]. Kendinden Gürültü de denizaltında İkinci Dünya Savaşı sırasında Urick[9]
tarafından yapılan çalışmalardan sunulan bir eşdeğer izotropik gürültü spektrumu olarak
görülebilir. Genel olarak, ortam gürültüsünde olduğu gibi, frekans artışları ile kendinden
gürültü düzeylerinde azalma vardır ancak kendinden gürültü gemilerin yavaş seyahat
34
ederken veya sabitken gürültü spektrumları azalması ile hızdan önemli ölçüde
etkilenir[9,23,24].
Kinsler[23] düşük frekanslarda (<1kHz) ve düşük hızlarda makine gürültüsünün hakim
olduğunu ve çok yavaş hızlarda kendinden gürültünün ortam gürültüsünden genellikle daha
az önemli olduğunu belirtiyor. Oysa yüksek frekanslarda (10kHz) pervane ve akış
gürültüsü hakim olmaya başlar ve hız şiddetle arttığı anda hidrofon da hidrodinamik
gürültü artar ve makine gürültüsü daha önemli hale gelir. Bu, hava kabarcıklarının altında
veya pervane bıçak ucundaki sürüklenme nedeniyledir. Daha yüksek hızlarda, kendinden
gürültü, ortam gürültüsünden çok daha önemli olabilir ve sınırlayıcı bir faktör haline
gelebilir.
Farklı boyut ve türdeki araçların kendinden gürültüsü, araçların tasarımları ve küçük
güncel yayınlanan değerleri olduğu gibi, çeşitlidir. Her araç kendi hız ve çalışma koşulları
ile kendinden gürültü içinde büyük değişimler üretir[24]. Kendinden gürültü motor tipi
seçimi, yapılandırma, montaj ve motor sürücüleri ile kontrol edilebilir.
2.5.8.3. Sürekli Olmayan Gürültü Kaynakları
Sürekli olmayan gürültü kaynakları AUV ‘ lerin yerlerinde veya işletim sürülerine
yakın meydana geldiği zamanlarda çok önemli olabilir. Araştırmalara göre iki önemli
nokta vardır: Deniz bio-akustik alanlarında ve yağmur damlaları tarafından oluşturulan
yağmur ve su kabarcıklarının etkisidir.
Sualtı bio-akustik gürültüsüne büyük katkı sağlayanlar;
Yumuşakçalar – Eklem bacaklı kabuklular– burada en önemlileri 500Hz ve 20kHz
arasında geniş spektrumlu bir gürültü üreten karides yakalamadır.
Balık – Balon balığı 10 - 50 Hz
Deniz memelilerinden - balinalar- yunuslar 20 - 120Hz içerir.
Yağmur, rüzgârdan farklı gürültü spektrumu oluşturur ve sabit bir gürültü kaynağı
olmadığından ayrı ayrı ele alınması gerekir. Urick[9], sağnak yağmur spektrumunun 5 ila
10 kHz bölümü içinde neredeyse 30dB arttığı, sabit yağmurda 10 dB veya 2 den 6’ya deniz
durumuna göre artan gürültü örneklerini gösterdi. Eckart[24] -17 ile 9dB arasında 100Hz’
den 10kHz’ e yüzeyde yağmurun ortalama etkilerini sundu. Sürekli olmayan gürültü
kaynaklarına yapılan bu katkılar düşük frekanslı mesafelerinden 20kHz’e kadar ağır
basmaktadır. Bu durumda, iletişim veri sinyallerinin çalışma frekanslarında etkileşimi
düşük olarak kabul edilir.
35
2.5.8.4. Zayıflama ve Gürültü
Akustik kanalların ayırt edici özelliği yol kaybının sinyal frekansına bağlı olmasıdır.
Buradaki bağımlılık dolaylı olarak emilimle orantılı denilebilir. Emilim kaybına ek olarak
da sinyalin mesafe kaybı mevcuttur. Bu kayıpların toplamı toplam kaybı bize verir.
( , ) ( / ) ( ) rl lkrA l f l l a f (38)
f sinyal frekansı, l iletim mesafesi, lr referans mesafesi, k yol kaybı üssü genel olarak
değeri 1 ile 2 arasında (silindirik ve küresel yayılıma göre). Akustik kanal gürültü, ortam
gürültüsü ve siteye özgü gürültülerin bütününden oluşur. Ortam gürültüsü olarak, sessiz ve
derin deniz arka planda sürekli olarak mevcuttur.
Siteye özgü gürültü ise aksine belirli yerlerde ve belirli durumlarda oluşur. Örnek olarak
kutuplarda buzların çatlaması, sıcak sularda karides yakalanması verilebilir. Ortam
gürültüsü dalgalar, yağmur, türbülans gibi kaynaklardan meydana gelir. Ortam gürültüsü
genellikle gauss olarak düşünülür ve beyaz değildir. Ortam gürültüsünün tersine siteye
özgü sesler gauss değildirler.
Frekansın artmasıyla gürültü spektrumu frekans ile bozunur,sinyalin bant genişliği
üstünden değişen bir sinyal gürültü oranı (SNR) elde edilir. Dar bir bant genişliği ∆f
mesafesi kadar taşınmış bazı f frekansları etrafında tanımlanıyorsa, SNR bu bant olarak
ifade edilebilir.
( , ) ( ) / ( , ) ( )lSNR l f S f A l f N f (39)
S1(f) iletilen sinyalin spektral güç yoğunluğu. Bu denklemden de anlaşılacağı gibi dar
bant SNR frekansın bir fonksiyonu olarak karşımıza çıkmaktadır. Akustik bant genişliği
iletim mesafesi ile bağlantılıdır. Özellikle bant genişliği ve güç ile SNR bağlantılıdır
denilebilir. SNR hedefleri akustik yol kayıpları ve ortam gürültüsüne bağlı olarak
değişmektedir. Bant genişliği uzun mesafelerde sınırlıdır örneğin 100 km için yaklaşık
1kHz kullanılabilir. Kısa mesafelerde bant genişliği beklendiği gibi ama sonuçta enerjini
ortama aktarılma koşullarıyla ile sınırlı olacaktır. Bant genişliğinin sınırlı olması verimli
bant genişliği modülasyonlarının gerekli olduğu anlamına gelmektedir. Bir diğer önemli
nokta ise, akustik bant genişliğinin merkez frekansı fc istek üzerine sık olmasıdır. Bu
durum, dar bant üzerinde varsayım yapma olasılığını engeller ve sinyal işleme yöntemleri
için önemli sonuçlar taşır diyebiliriz.
36
Sonuç olarak, kullanılabilir akustik bant genişliği en temel olarka mesafeye bağlıdır.
Yüksek bit hızında mesafe artımı atlamaları arttırarak aktarımı zayıflatır dolayısıyla
kaynak ve hedef arasındaki toplam mesafenin kısa olmasıyla güçlü bir aktarım yapılması
sağlanır. Uzak mesafeli sistemlerde ise çok atlamalı iletişim sağlanır. Çok atlamalı
sistemler düşük toplam güç tüketimi sağlarlar.
2.6. Kısa Menzilli Kanal Modelleme
Sualtı akustik kanalın tam kapasite kullanılmasının sağladığı avantajlar son derece
önemlidir. Kısa menzilli veri aktarım işlemleri için mevcut uzun mesafeli sualtı akustik
iletim üzerinden elde edilebilir bir takım faydalar vardır. Bu veri iletişim protokolü
tasarımı ve geliştirme açısından daha da incelenecek. Özellikle, çeşitli alanlarda ve çeşitli
kanal şartları altında en uygun sinyal frekansı ve bant genişliği bulma, hidrofonda mümkün
olan en iyi Sinyal-gürültü oranı (SNR) kullanma esasına göre değerlendirilecektir. Çeşitli
olası modülasyon şemaları için kanal kapasitesi ve BER soruşturma da analiz edilecektir.
2.6.1. Frekans Bağımlı Bileşen Olarak SNR
Alıcıda gözlenen Dar bant Sinyal-Gürültü Oranı (SNR), çoklu-yol veya doppler
kayıpları olmadığını varsayarak aşağıda;
ö
(40)
olarak verilmiştir[24]. Burada, B alıcı bant genişliği ve Sinyal Seviyesi (SL), PathLoss ve
Gürültü koşulları önceden geliştirilmişti.
2.6.2. Kanal Bant Genişliği
Farklı mesafelerde sabit verici gücü ve projektör verimliliği varsayarak maksimum
SNR sağlayan optimum sinyal frekansı var olduğu tespit edildikten sonra, farklı mesafeler
için bu koşullar ile ilişkili bir kanal bant genişliği olduğu ortadadır. Bu bant genişliğini
belirlemek için 3dB civarında buluşsal bir optimum frekans kullanılır. Bant genişliği
merkez frekansı olarak seçilen optimum sinyal frekansının fo(r) ±3dB çevresindeki frekans
aralıklarına göre hesaplanır[24].
37
Bu nedenle, fmin(r);
PathLoss(r, d, t, fo(r))N( fo(r)) − PathLoss(r, d, t, f ))N( f ) ≥ 3dB
doğru olduğundaki frekanstır. Benzer şekilde fmax(r);
PathLoss(r, d, t, f ))N( f ) − PathLoss(r, d, t, fo(r))N( fo(r)) ≥ 3dB
doğru olduğundaki frekanstır. Buradan sistem bant genişliği B(r,d,t),
B(r, d, t) = fmax(r) – fmin(r) (41)
olarak belirlenir.
2.6.3. Kanal Kapasitesi
Sualtı veri iletişim kanalının daha gerçekçi bir performans değerlendirmesi için, ilgili
mesafeler için maksimum elde erişilebilir bit-hata oranı C Shannon-Hartley ifadesi
kullanılarak denklem (42) ile tespit edilebilir. Bu kanal kapasitesi hesaplamalarında, tüm
iletilen güç Ptx ve Yol Kayıp Modelleri(PathLoss) ile ilgili kayıpları hariç hidrofona
transfer olduğu varsayılır.
Shannon-Hartley ifadesi denklem (40) ile tanımlanan Sinyal-gürültü oranı SNR(r) ile
aşağıdaki gibi tanımlanır:
C=Blog2(1+SNR(r)) (42)
Burada C bps olarak kanal kapasitesi ve B Hz olarak kanal bant genişliğidir.
2.6.4. Kısa Mesafede Sualtı Akustik Haberleşmede BER
Önceki bölümde belirtilen maksimum kanal kapasite değerine ulaşmak için su altı
akustik haberleşmede önemli bir konu da budur. Sualtı akustik kanal, hızlı zaman
varyasyonları ile oluşan ciddi bayılmalar(fading) ile hidrofonda ISI ve bit hataları
nedeniyle karmaşık dinamiklere yol açar ve önemsenecek düzeyde çoklu-yol etkisi ortaya
koyar. Bit hata oranı BER, bu nedenle veri iletim bağlantı performansında bir önlem teşkil
eder. Sualtı sistemlerinde FSK (Frekans Kaydırmalı Anahtarlama) ve PSK (Faz
Kaydırmalı Anahtarlama) kullanımı ile ilgili birkaç on yıldır araştırmacıların sembol
modülasyon yaklaşımları yoğundur. Bir yaklaşım, hızla değişen çok yola bazı esneklikler
sağlayan güçlü hata düzeltme kodlaması FSK sinyalizasyonu ile atlamalı basit düşük
oranda tutarsız modülasyon frekansı kullanıyor. Alternatif olarak, daha yüksek oranda
tutarlı bir yöntem olan Doppler toleranslı çok kanallı uyarlanır ekolayzır içeren QPSK
38
sinyalizasyon metodunun kullanımı, bu özellik sayesinde önem kazanmıştır[25]. FSK ve
QPSK modülasyon teknikleri için iyi bilinen BER formülleri, Denklem 40’da bulunabilen
SNR ile Bit başına düşen gürültü enerjisinden yola çıkılarak düzenlenmiştir.
(43)
Rb bps olarak veri hızı ve Bc kanal bant genişliğidir. Denklem 44 ve 45 ile sırasıyla
BPSK/QPSK ve FSK için kodlamasız BER verilmiştir:
(44)
(45)
2.6.5. Sistem Sabitleri ve İletişim Ağı Tasarımı Üstündeki Etkileri
Akustik yayılmaların dayattığı temel sınırlamaların yanı sıra, akustik modemin
çalışmasını etkileyebilecek sistem kısıtlamaları da mevcuttur. Bu kısıtlamalardan en
belirgini akustik dönüştürücülerin kanal tarafından önerilen mevcut bant genişliğini
kısıtlamasından ziyade kendi sahip olduğu bant genişliğini kısıtlamasıdır. Sistem
kısıtlamaları sadece fiziksel bağlantıları değil tüm katmanlardaki iletişim mimarisini de
etkiler.
Akustik bir sistemde, iletim için gerekli olan enerji yanıt almak için gerekli olan
enerjiden oldukça fazladır. İletim gücü uzaklığa bağlıdır ve tipik değerleri yaklaşık olarak
watt civarındadır. Buna karşılık iletişimde uyku modunda uygun düğüm noktasını çözmek
için en fazla 1mW’ a ihtiyaç olabilir.
Sualtı araçları pille çalışır dolayısıyla bu konularda sadece güç değil enerji tüketimi de
önemlidir.
Şu anda sualtı iletişimde, iletişim ağının kapasitesine bağlı olarak mümkün
uygulamaların nasıl geliştirileceği belli değildir ve bu konu hala araştırma konusudur. Hem
ad hem de hoc altyapı tabanlı iletişim ağları için akustik yayılma tasarım ilkeleri radyo
39
ağları için kullanılan ilkelerden oldukça farkı olabilir. Çünkü bu iletişim sistemleri ucuz ve
tek kullanımlık olmayıp, çevre koşullarına göre de ne küçük nede uygulanabilir değillerdir.
40
3. YAPILAN ÇALIŞMALAR
3.1. Su Altında Frekansa Bağlı Dalga Boyunun Değişimi
Su altında ses hızının (c), 1500m/s olduğu düşünülerek dalga boyu incelendi.
Bu değişim denklem (1)’den yararlanılarak şekil 15’deki gibi elde edilmiştir.
Şekil 15.Dalga boyunun frekansa bağlı değişimi.
Bu grafikten de görüldüğü üzere frekans arttıkça dalga boyu azalmaktadır ve bu azalışın
en hızlı olduğu aralık 100-500 Hz aralığıdır. Buradan sonra azalma miktarı düşüş
göstermektedir.
İlgili matlab komutları aşağıdaki gibi olur.
f=100:1:10000; %Frekans değişimi[Hz]
c=1500; %Su altı ses hızı[m/s]
dalgaboyu=c./f; %Denklem (1)
plot(f,dalgaboyu);
xlabel('Frekans[Hz]'); ylabel('Dalga Boyu[m]');
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100000
5
10
15
Frekans[Hz]
Dalg
a B
oyu[m
]
41
3.2. Akustik Sinyal Seviyesi ve Kaynak Yoğunluğu Değişimleri
Referans mesafesi 1m alınarak denklem (10)’a göre kaynak yoğunluğu, denklem (11)’e
göre ise buna bağlı akustik sinyal seviyesi değişimleri incelendi. Bu değişimler şekil 16 ve
şekil 17’de görülmektedir.
Şekil 16. 1 m referans mesafesine göre Kaynak Güç Yoğunluğu.
Referans mesafesinin sabit olması sebebiyle alan da sabit olmaktadır. Buna bağlı olarak
da verici gücü ile kaynak güç yoğunluğu arasında Şekil 16’da görüldüğü gibi lineer bir
ilişki ortaya çıkmaktadır.
İlgili matlab komutları ise;
r=1; %referans mesafesi [m]
Ptx=0.001:0.01:50; %Verici gücü [W]
Alan=4*pi*r^2; %[m^2]
I=Ptx/Alan; %Kaynak Güç Yoğunluğu [W/m^2]
plot(Ptx,I);
xlabel('Verici Gücü [W]'); ylabel('Kaynak Güç yoğunluğu [W/m^2]')
şeklindedir.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Verici Gücü [W]
Kaynak G
üç y
oğunlu
ğu [
W/m
2]
42
Şekil 17. Verici gücüne bağlı Akustik Sinyal Seviyesi’nin değişimi.
Akustik sinyal seviyesi referans mesafesindeki güç yoğunluğu değerine göre verici
gücündeki değişimden kaynaklı olarak yukarıdaki gibi bir karakteristik oluşturmaktadır.
Burada gözlemlendiği gibi 1mW-5W aralığından düşük bir akustik sinyal seviyesinden
yüksek bir akustik sinyal seviyesine sıçrama olurken (yaklaşık olarak 35dB ) bu değerden
sonra verici gücünü arttırmanın akustik sinyal sevisinde çok fazla bir iyileştirme
oluşturmadığı görülmektedir. Buna bağlı olarak diyebiliriz ki ortalama 5-10 W arası bir
verici gücü, akustik sinyal seviyesi bakımından oldukça ideal bir değer aralığıdır.
Grafiğe ilişkin komutlar aşağıdaki gibidir.
Ptx=0.001:0.01:50; %Verici gücü Ptx [W]
Paref=1*10^-6; %Referans basınç seviyesi [pascal]
p=1025; % Deniz suyu için yoğunluk [kg/m^3]
c=1500; % Deniz suyunda ses hızı[m/s]
Iref=Paref^2/(p*c); %Referans basınç da kaynak güç yoğunluğu
SLprojektor=10.*log10(Ptx./(12.6*Iref)) %Akustik sinyal seviyesi [dB]
plot(Ptx,SLprojektor);
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50140
145
150
155
160
165
170
175
180
185
190
Verici gücü Ptx [W]
Akustik s
inyal seviy
esi [d
B]
43
Denklem (11)’de yapılan analize alternatif olarak, sunduğumuz denklemlerden denklem
(13) verilebilir.
Denklem (13) ele alacak olursak, burada akustik sinyal seviyesi sadece verici gücüne
bağlı olarak verilmiştir. Bu denklemi incelersek:
Şekil 18. Verici gücüne bağlı Akustik Sinyal Seviyesi’nin değişimi.
Elde edilen sonuçlar karşılaştırıldığında birebir uyuşma söz konusu olmasa da çok
büyük bir farklılık söz konusu değildir. Şekil 18’de de görüldüğü üzere 5-10 w aralığı
akustik sinyal seviyesi için ideal bir aralık konumunu korumaktadır. Sonuç olarak iki
denklem kıyas edildiğinde birbiriyle örtüşen sonuçlar teşkil etmektedir. Uygulama
açısından iki denklemde kullanılabilir sonuçlar oluşturur.
Bu grafiğe ilişkin matlab komutları;
Ptx=0.001:0.01:50; % Verici Gücü [W]
SLprojektor=170.8+10*log(Ptx); %Verici Akustik Sinyal Seviyesi [dB]
plot(Ptx,SLprojektor);
xlabel('Verici Gücü [W]'); ylabel('Verici Akustik Sinyal Seviyesi [dB]');
şeklindedir.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50100
120
140
160
180
200
220
Verici Gücü [W]
Verici A
kustik S
inyal S
eviy
esi [d
B]
44
3.3. Akustik Sinyal Seviyesinin Verimlilik ve Güce Bağlı Değişimi
Bu kısımda daha önce ele alınan akustik sinyal seviyesinin projektör verimliliği ve
gücüne bağlı olarak parametresel değişimleri ele alındı. İki parametreye bağlı denklem(15)
baz alınarak oluşturulan akustik sinyal seviyesi değişimi şu şekildedir.
Şekil 19. Verici gücüne ve projektör verimliliğine bağlı Akustik Sinyal Seviyesi değişimi.
Akustik sinyal seviyesi değişimi ele alındığında verici gücünün 0-10 W değişim aralığı
en iyi seviye verimliliğinin yakalandığı kısımdır. Daha sonraki artışlarda ise verimliliğin
ilk duruma göre daha düşük olduğu gözlemlenmektedir. Daha önceki simülasyon
sonuçlarında 5-10 W lık bir güç seviyesinin yeterli olduğu görülmekteydi bant genişliğine
bağlı olarak verimliliği de göz önüne aldığımızda bu aralığın korunduğunu net olarak
görebilmekteyiz. Bunun yanında akustik sinyal seviyesi, ηtx göz önüne alındığında daha iyi
bir sonuç alındığı söylenebilir. Yani denklem (11,13)’e göre ηtx dahil olduğunda denklem
(15)’in verdiği sonuçlar daha yüksek bir akustik sinyal seviyesine çıkıldığını
göstermektedir. Denklem (15) ile elde edilen akustik sinyal seviyesi diğer denklemlere
göre aynı güçlerde daha iyi (yaklaşık 6-8 dB) bir sonuç vermektedir.
45
Şekil 20. Band genişliğine bağlı projektör verimliliğine göre Akustik Sinyal Seviyesi
değişimi
Burada denklem (15)’in ışığında ηtx değişimine göre akustik sinyal seviyesi değişimi
incelendi. Açık olarak görülmektedir ki bant genişliğine bağlı projektör verimliliği arttıkça
akustik sinyal seviyesinde bir iyileşme söz konusudur. ηtx değişimi 0.2 değerinden 0.7
değerine kadar çıktığında sinyal seviyesinde net bir iyileşme söz konusudur(6-7 dB civarı).
Bu sonuçlar eşliğinde ηtx ile akustik sinyal seviyesi arasında yaklaşık lineer bir ilişki var
denilebilir.
Şekil 19,20 ile ilgili matlab kodu şu şekildedir;
DItx=16.8; %Dıtx[dB]
Ptx=0.001:0.1:50; %Ptx[W]
ntx=0.2:0.01:0.7; %Band genişliğine bağımlı verici verimliliği
[Ptx,ntx]=meshgrid(Ptx,ntx);
46
SLprj=170.8+10*log10(Ptx)+10*log10(ntx)+DItx; %Akustik sinyal seviyesidir
birimi ise [db] dir.
mesh(Ptx,ntx,SLprj);
xlabel('ptx projektör gücü[W]')
ylabel('ntx BG bağımlı verici verimliliği')
zlabel('SLprj akustik sinyal seviyesi[dB]');
şeklinde oluşturulmuştur.
Yönelticilik indeksi(DItx), frekansa bağlı olarak değişim göstermektedir. Şekil 21’ de
f=10, 12.5, 15, 17.5, 20 kHz frekans değerlerindeki yönelticilik indekslerine bağlı verici
akustik sinyal seviyesinin verici gücü ile değişimleri oluşturulmuştur.
Şekil 21. Verici Gücü ve Yönelticilik İndeksine Verici Akustik Sinyal Seviyesi.
Görüldüğü üzere yönelticilik indeksinin belli değerleri için verici gücündeki değişime
bağlı olarak akustik sinyal seviyesi yukarıdaki gibi bir değişim sergilemektedir. Daha
öncede incelediğimiz üzere güce bağlı akustik sinyal seviyesi karakteristiği formu
korunmakla birlikte DItx değişimine göre akustik sinyal seviyesinde değişimler söz
konusudur. DItx artışı olduğunda sinyal seviyelerinde iyileşmeler ortaya çıkarmaktadır.
Yani DItx artışı akustik sinyal seviyesinde artışı sağlamaktadır. 10 W güç seviyesinde bu
durum net olarak görülebilmektedir. Şekil 21’de görüldüğü gibi aldığımız en düşük ve en
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50150
160
170
180
190
200
210
Ptx Verici Gücü [W]
SLprj-V
erici A
kustik S
inyal S
eviy
esi [d
B]
DItx=13.6
DItx=15.2
DItx=16.8
DItx=18
DItx=19.2
47
yüksek (13,6-19,2aralığı ) DItx seviyesi arasında yaklaşık olarak 9-10 dB’lik bir iyileşme
farkı oluşmuştur. Buna bağlı olarak DItx akustik sinyal seviyesinin önemli olduğu her
noktada oldukça etkin bir parametre konumuna sahip olmaktadır.
Şekil 21 ile ilgili matlab komutları aşağıdaki gibi olmalıdır.
%Verici akustik sinyal seviyesi için daha genel denklem
%DItx yönelticilik indeksi,frekansa bağlı olarak farklı değerler almaktadır.
DItx1=13.6; %DItx[db] %f=10kHz;
DItx2=15.2; %DItx[db] %f=12.5kHz
DItx3=16.8; %DItx[db] %f=15kHz
DItx4=18; %DItx[db] %f=17.5kHz
DItx5=19.2; %DItx[db] %f=20kHz
Ptx=0.001:0.1:50; %Ptx[W]
ntx=0.5; %Band genişliğine bağımlı verici verimliliği
SLprj1=170.8+10*log10(Ptx)+10*log10(ntx)+DItx1;%Akustiksinyal seviyesi[dB]
SLprj2=170.8+10*log10(Ptx)+10*log10(ntx)+DItx2;%Akustiksinyal seviyesi[dB]
SLprj3=170.8+10*log10(Ptx)+10*log10(ntx)+DItx3; Akustiksinyal seviyesi[dB]
SLprj4=170.8+10*log10(Ptx)+10*log10(ntx)+DItx4; Akustiksinyal seviyesi[dB]
SLprj5=170.8+10*log10(Ptx)+10*log10(ntx)+DItx5; Akustiksinyal seviyesi[dB]
plot(Ptx,SLprj1,Ptx,SLprj2,'r',Ptx,SLprj3,'g',Ptx,SLprj4,'m',Ptx,SLprj5,'k');
şeklinde oluşturulmuştur.
48
3.4. Emme Katsayısı ve Buna Bağlı Emilim Kaybı
3.4.1. Emme Katsayısı
Emme katsayısının tuzluluk 35 ppt, sıcaklık 4 ˚C, pH 8 ve derinlik 0 m(atmosterik
basınç) alındığında frekansa bağlı olarak değişimi denklem (17)’den faydalanılarak
incelenmiştir bu değişim şekil 22’de ki gibi elde edilmiştir.
Şekil 22 . Frekansa bağlı emme katsayısının değişimi.
Emme katsayısı ile frekans arasında denklem (18)’de verildiği gibi genel olarak karesel
bir ilişki söz konusudur. Uygulamada emme katsayısının düşük olması tercihimizdir.
Ancak belli frekans bantlarının altında sağlıklı bir haberleşme kanalı sağlanamadığından
bu katsayının düşük olabildiği ve haberleşmenin sağlandığı frekans aralıklarını tercih
etmekteyiz. Bu katsayının artması emilim kaybını arttırmaktadır dolayısıyla emilim
kaybının artması istenmeyen bir durum teşkil etmektedir. Şekil 22 üzerinde görüldüğü
üzere 100- 400 kHz lik bant bölgesinde emme katsayısı artışı düşük seviyede kalmakta
iken daha sonraki frekans artışlarında ise emme katsayısı daha hızlı bir artış
göstermektedir. Şekil 22 ve denklem (18)’e göre 400 kHz’lik bir bant aralığı daha iyi bir
emme katsayısı sağlamaktadır.
Emme katsayısına ilişkin matlab komutları ise aşağıdaki gibidir.
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000
50
100
150
200
250
300
350
frekans [kHz]
em
me k
ats
ayıs
ı af[
dB
/km
]
49
f=0.1:.5:1000; %Frekans aralığı [kHz]
r=0.001:1:2000; %Mesafe [m]
af=((0.11.*(f.^2))/(1+(f.^2)))+((44.*(f.^2))/(4100+(f.^2)))+(2.75.*0.0001.*(f.^2))
+0.0033 %af[dB/km] frekansa baglı emme katsayısıdır.Burada
tuzluluk 35 ppt, sıcaklık 4 C, pH 8 ve derinlik 0 m(atmosterik basınç) alınmıştır.
3.4.2 Emilim Kaybı
Denklem (17)’de görüldüğü üzere Emilim kaybı mesafeye, emme katsayısına ve dolaylı
olarak frekansa bağlı bir değişime sahiptir. Şekil 23’de ise denklem(17)’den faydalanılarak
emilim kaybının emme katsayısına mesafeye bağlı olarak değişimi incelenmiştir. Burada
emme katsayısının değişimi ise frekansa bağlı olarak şekil 22’de verildiği gibidir.
Şekil 23. Emilim kaybının emme katsayısı ve mesafeye göre değişimi
Şekil 23 üzerinden görülmektedir ki belli bir mesafeye kadar(0-200m arası) emilim
kaybı oldukça yüksek bir artış göstermektedir. Daha sonraki mesafe artışlarında ise emilim
kaybındaki artış daha düşük seviyede kalmıştır. Emilim kaybı su altı akustik haberleşme
sistemlerinde etkin bir konuma sahiptir. Buna bağlı olarak kaybın düşük olması
istenmektedir. Mesafe artışları emilim kaybını arttırmakta ancak 200m den sonraki artış
miktarı daha düşük seviyelerdedir. Buna bağlı olarak eğer 200 m üzerinde bir mesafe söz
konusuysa mesafenin etkisinin daha düşük olduğu söylenebilir.
50
Daha önceki kısımda söylediğimiz gibi frekans artışı emme katsayısını arttırmakta ve
buna bağlı olarak şekil 23’de gözüktüğü gibi emilim kaybın da bir artış ortaya çıkmaktadır.
Yanı emme katsayısı frekansın artmasıyla bir artış göstermektedir. Ancak mesafenin etkisi
frekanstan daha fazla bir emilimin kaybına sebep olmaktadır. Yanı emilim kaybında en
önemli etken mesafedir. Daha sonra ise frekansın etkisi söz konusudur.
Emilim kaybına ilişkin matlab komutları ise;
%Emme katsayısı ve buna bağlı yol kaybı değişimlerinin çizimi
f=0.1:.5:1000; %Frekans aralığı [kHz]
r=0.001:1:2000; %Mesafe [m]
af=((0.11.*(f.^2))/(1+(f.^2)))+((44.*(f.^2))/(4100+(f.^2)))+(2.75.*0.0001.*(f.^2))
+0.0033;
%af[dB/km] frekansa baglı emme katsayısıdır
%Burada tuzluluk 35 ppt, sıcaklık 4 C, pH 8 ve derinlik 0 m(atmosterik basınç)
alınmıştır
plot(f,af);figure(1); %Emme katsayısının frekansa göre değişimi
xlabel('frekans [kHz]');
ylabel('emme katsayısı af[dB/km]');
[af,r]=meshgrid(r,af);
figure(2);
PLemme=10.*log10((af).*r); %Emme kaybı[dB]
mesh(af,r,PLemme); %Emme kaybının
xlabel('Mesafe r[m]');
ylabel('Emme katsayısı af[dB/km]');
zlabel('Emme Eaybı(dB)');
şeklindedir.
Emilim kaybının belli frekanslarda mesafeye göre değişimi ise şekil 24’de verildiği
gibidir.
Emme katsayısının frekansa bağlı olmasından kaynaklı emme kaybı da dolaylı yoldan
frekansa bağlı olduğunu daha önceki kısımlarda belirtmiştik.
51
Şekil 24. Belli frekanslarda mesafeye bağlı olarak emme kaybının değişimi.
Burada belli frekans değerlerine göre (f1=40kHz, f2=80kHz, f3=120kHz,
f4=160kHz)mesafe bağlı olarak emme kaybını incelediğimizde sonucun diğer sonuçlarla
örtüştüğü görülmektedir. Bu ölçümün sebebi ise frekans değişiminin direkt olarak emme
kaybına etkisini göstermektir. Frekans dolaylı da olsa emme kaybı üzerinde önemli bir
yere sahiptir. Sistemlerin sağlık haberleşme sağlayabilmesi için bu kaybın düşük olması
tercih edilir. Daha önceki kısımlarda belirtildiği gibi 200m den sonraki menzillerde menzil
200m’nin altındaki kadar etkili olmamaktadır. Ancak seçilen frekans bölgesi genel olarak
emme katsayısı üzerindeki etkisini korumaktadır. Buna bağlı olarak tekrar yenilemek
gerekirse frekans ile emme katsayısı arasındaki ilişkiden dolayı frekans seçimi çok önemli
bir etken teşkil eder.
Şekil 24’e ilişkin matlab komutları ise;
%Emme katsayısı ve buna bağlı yol kaybı değişimlerinin çizimi
f1=40;f2=80;f3=120;f4=160; % [kHz]
r=0.001:1:2000; % adım adım r değişimi
af1=((0.11.*(f1.^2))/(1+(f1.^2)))+((44.*(f1.^2))/(4100+(f1.^2)))+(2.75.*0.0001.*(f1.^2))
+0.0033;
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-20
-10
0
10
20
30
40
50
menzil [m]
Em
me K
aybı[
dB
]
f1=40kHz
f2=80kHz
f3=120kHz
f4=160kHz
52
af2=((0.11.*(f2.^2))/(1+(f2.^2)))+((44.*(f2.^2))/(4100+(f2.^2)))+(2.75.*0.0001.*(f2.^2))
+0.0033;
af3=((0.11.*(f3.^2))/(1+(f3.^2)))+((44.*(f3.^2))/(4100+(f3.^2)))+(2.75.*0.0001.*(f3.^2))
+0.0033;
af4=((0.11.*(f4.^2))/(1+(f4.^2)))+((44.*(f4.^2))/(4100+(f4.^2)))+(2.75.*0.0001.*(f4.^2))
+0.0033;
%af[dB/km] frekansa baglı emme katsayısıdır
%Burada tuzluluk 35 ppt, sıcaklık 4 C, pH 8 ve derinlik 0 m(atmosterik basınç)
alınmıştır
PLemme1=10.*log10((af1).*r); %Emme kaybı[dB]
PLemme2=10.*log10((af2).*r); %Emme kaybı[dB]
PLemme3=10.*log10((af3).*r); %Emme kaybı[dB]
PLemme4=10.*log10((af4).*r); %Emme kaybı[dB]
plot(r,PLemme1,'b',r,PLemme2,'r',r,PLemme3,'g',r,PLemme4,'k');
xlabel('menzil [m]');
ylabel('Emme Kaybı[dB]');
şeklindedir.
3.5. Frekans, Derinlik ve Sıcaklığa Bağlı Emme Katsayısının ve Yol Kaybının
Değişimleri
Emme katsayısı ve yol kaybı temel olarak frekans, derinlik ve sıcaklığa bağlı bir
değişim karakteristiğine sahiptir. Bağlı bulundukları bu değişkenler ve ilişkileri ise aşağıda
verilen denklem dizilerinde irdelenmiştir.
(46)
(47)
(48)
(49)
(50)
53
(51)
(52)
(53)
Burada görülen A1, A2, A3, , , , , değişkenlerine ilişkin açıklamalar
denklem(19) verildiğinde yapılmıştır.
Fisher&Simmons[12]’den yararlanılarak denklem(19) için yukarıdaki denklemler göz
önüne alınarak incelemeler yapıldığında nereden kaynaklandığı belirlenemeyen bir eksiklik
sebebiyle olması gereken karakteristikler oluşturulamamıştır.
Yapılan araştırmalar sonucunda bu karakteristikler için daha sonra geliştirilmiş olan
AINSLIE & McCOLM modelinin daha uygun ve beklenen sonuçlar verdiği görülmüştür.
Emme katsayısı ve yol kaybı denklemlerine ilişkin karakteristikler bu modelden
yararlanılarak elde edilmiştir.
AINSLIE & McCOLM modeline göre emme katsayısı aşağıdaki denklemlerle
tanımlanmaktadır[31].
(54)
(55)
(56)
Burada f1,f2 borik asit ve (MgSO4) moleküllerinin gevşeme frekanslarını temsil eder. S
tuzluluk, pH suyun asitliği, T sıcaklık(˚C), D metre olarak suyun derinliğidir.
54
3.5.1. Frekans, Derinlik ve Sıcaklığa Bağlı Emme Katsayısının Değişimi
Şekil 25 tuzluluğun(S) 35ppt, sırasıyla T=4˚C ve T=27˚C değerleri sabit alınarak
derinliğin D=0, 10, 30, 100m’lik değerleri için denklem(56)’dan faydalanılarak kaynak
frekansı üzerinden emme katsayısı değişimini göstermektedir.
Şekil 25. Emme katsayısının frekansa bağlı değişimi.
Tuzluluk sabit alınarak (35ppt) kaynak frekansına bağlı değişim gösteren emme
katsayısının ayrıca derinliğe göre de nasıl bir değişim gösterdiğini yukarıda görülmektedir.
Frekans, derinlik, sıcaklık parametrelerine göre emme katsayısı üzerinde büyük değişim
farkları oluşmaktadır. Emme katsayısı üzerinde en etkili parametre daha öncede
belirttiğimiz gibi frekans olmaktadır bunun yanı sıra derinliğin de emme katsayısı üzerinde
oldukça etkili bir parametre olduğu da şekil 25’den açıkça anlaşılmaktadır. Yukarıdaki
karakteristiklerde derinlik olarak 0, 10, 30, 100m’lik değerler için bakıldığında derinliğin
artmasına bağlı hızlı bir şekilde emme katsayısının düştüğü gözlemlenmektedir. Sonuç
olarak 50 m ve üzeri değerlerde emme katsayısının etkinliğinin önemli ölçüde azaldığı
açıkça görülmektedir. Sıcaklığın etkisi ise derinlik ve frekansa nazaran daha düşüktür.
Şekil 25’deki T=4˚C ve T=27˚C için denklem(56)’dan faydalanılarak elde edilen
karakteristiklere bakıldığında düşük sıcaklık bölgesinde belli bir frekans bandında (0-
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
5
10
15
20
25
30
Frekans [kHz]
Em
me K
ats
ayıs
ı �
(f,d
,t)
[dB
/km
]
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
5
10
15
20
25
30
35
40
Frekans [kHz]
Em
me K
ats
ayıs
ı �
(f,d
,t)
[dB
/km
]
D=0m,T=4C
D=10m,T=4C
D=30m,T=4C
D=100m,T=4C
D=0m,T=27C
D=10m,T=27C
D=30m,T=27C
D=100m,T=27C
55
60kHz) emme katsayısı daha büyük çıkmaktadır. Ancak frekans bu bandın üstüne çıkan
değerlerde düşük sıcaklık için emme katsayısı aksine daha düşük değerler almaktadır. Bu
durumda yüksek sıcaklık değerlerine sahip olan sularda 60kHz ve altında bir frekans bandı
içerisinde haberleşme yapılması karakteristiğe göre daha uygun düşmektedir. Düşük
sıcaklıklı bölgelerde ise frekans bandının etkinliği azalmaktadır yüksek frekans değerlerine
daha uygun bir haberleşme ortamı oluşmaktadır.
Şekil 25’e ilişkin ilgili matlab komutları projenin ekler kısmında ayrıntılı olarak
sunulmuştur.
3.5.2.Frekans, Derinlik ve Sıcaklığa Bağlı Yol Kaybının (PathLoss)Değişimi
Yol kaybı da emme katsayısı gibi frekans, derinlik ve sıcaklığa bağlı bir değişim
karakteristiğine sahiptir. Denklem (20) den faydalanılarak elde ettiğimiz şekil 26 da ki
karakteristikler ise bu parametre bağlı olarak yol kaybının değişimini göstermektedir.
Şekil 26. Mesafeye bağlı, belli derinliklerde ki Yol Kaybı. (PathLoss)(S=35ppt)
Yol kaybı (PathLoss) mesafe arttığında karakteristikten anlaşıldığı üzere artış
göstermektedir. Elde edilen karakteristikler sırasıyla T=4˚C ve T=27˚C altında ve S=35ppt
sabit alınarak mesafeye ve bunun yanında belirli derinlik değerlerin değerlerine göre elde
edilmiştir. T=4˚C de alınan ölçümler 0 m lik derinlik için incelendiğinde yol kaybının daha
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Mesafe[m]
Path
Loss(r
,f,d
,t)[
dB
],
f=80[k
Hz],
T=
4C
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Mesafe[m]
Path
Loss(r
,f,d
,t)[
dB
], f
=80[k
Hz]
D=0m, T=27C
D=10m, T=27C
D=30m, T=27C
D=100m, T=27C
56
düşük olduğunu söyleyebiliriz. Ancak aradaki fark oldukça azdır. Bu sıcaklık değerinde
derinlik artışlarında yol kaybı için denklem (20) ve karakteristik üzerinden pek bir şey
söylemek mümkün olmamakta. Yol kaybı üzerinde derinlik artışı daha önceki kısımlardan
ve yapılan uygulama sonuçlarından da bilindiği üzere sıcaklığa bağlı olarak değişim
karakteristiğinde küçük oynamalar olsa da genel olarak T=4˚C ve T=27˚C deki gibi düşüş
göstermesi beklenmektedir. T=27˚C içinse yol kaybı 40 m ve üstündeki derinliklerde belli
bir değerde yaklaşık olarak aynı sonuçları vermektedir. Yol kaybı düşük mesafelerde
büyük artışlar göstermektedir. Yaklaşık 0-50 m aralığında hızlı bir değişim daha sonraki
mesafe artışlarında ise daha yavaş bir değişim söz konusudur. Uygulamada genel olarak
50m’nin üstünde bir mesafe söz konusu olduğu için bu mesafeden sonraki yol kayıplarında
mesafeye göre düşük seviyelerde kalmaktadır. Yanı mesafe 50m den fazla ve derinlik 40m
den daha derin olduğu bir ortam söz konusuysa yol kaybı bu değerlerin üstünde yavaş ve
kararlı bir değişim göstermektedir. Yol kaybını ve emilim kaybını göz önüne aldığımızda
düşük frekanslarda 200 m ve üzeri bir haberleşme mesafesinde 40 m den az olmayan
derinliklerde iyi bir akustik kanal elde edebilmekteyiz. Burada 200m üstünde kayıplar
üzerindeki değişimler daha düşük olmakta ve ortam derinleştikçe kayıplar azalmaktadır.
Şekil 27’de ise tuzluluk (S)=17 ppt alınarak aynı koşullar altında yol kaybı
incelenmiştir.
Şekil 27. Mesafeye bağlı, belli derinliklerde ki Yol Kaybı. (PathLoss)(S=17ppt)
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
Mesaf[m]
Path
Loss(r
,f,d
,t)[
dB
],
f=80[k
Hz],
T=
4C
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
Mesaf[m]
Path
Loss(r
,f,d
,t)[
dB
],
f=80[k
Hz],
T=
27C
D=0m, T=27C
D=10m, T=27C
D=30m, T=27C
D=100m, T=27C
57
Tuzluluğun azalması durumunda (ortalama tuzluluk 35-38ppt) yol kaybının da azaldığı
Şekil 25-26 kıyaslandığında net olarak görülmektedir. Tuzluluk oranın yüksek olduğu
noktalarda kayıplarda düşük bölgelere göre artmaktadır. S=17’de, S=35 göre yaklaşık
olarak 4-5 dB lik bir iyileşme söz konusudur.
Şekil 26 ve şekil 27’ye ilişkin ilgili matlab komutları projenin ekler kısmında ayrıntılı
olarak sunulmuştur.
3.6.Araç Hızlarına ve Taşıyıcı(Kaynak) Frekansına Bağlı Doppler Frekansı
Denklem(25)’den yararlanılarak şekil 28’de haraketli araçlar arasındaki göreceli hıza ve
aynı zamanda taşıyıcı frekansının değişimine bağlı doppler frekans karakteristiği
oluşturulmuş
Şekil 28.Doppler frekansının hareketli araçlar arasındaki göreceli hıza bağlı değişimi.
Şekil 28’de görülüyor ki araçların arasındaki bağıl hız arttıkça doppler frekansı da
doğrusal bir değişim göstermektedir. Yani doppler frekansı bağıl hızın artışıyla büyümekte,
azalmasıyla da küçülmektedir. Taşıyıcı frekansının değişimi açısından inceleyecek olursak;
fc=40, 80, 120, 160 [kHz] değerleri için karakteristikte gözlenen durum doppler frekansının
fc frekansı büyüdükçe arttığıdır.
Şekil 28’e ilişkin ilgili matlab komutları projenin ekler kısmında ayrıntılı olarak
sunulmuştur.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
2
4
6
8
10
12
Hareketli Araçlar Arasındaki Göreceli Hızı, Dv [m/s]
Alınan S
inyalin
Dopple
r K
aym
ası,
Df
[kH
z]
fc=40kHz
fc=80kHz
fc=120kHz
fc=160kHz
58
3.7. Ses Hızı(Sound Wave Speed)nın belirli parametrelere bağlı değişimi
Akustik haberleşme kanallarında ses üzerinden bir haberleşme oluştuğu için ses ile ilgili
birçok değişim ve en önemlisi ses hızı önemli bir konuma sahiptir.
3.7.1. Derinlik ve Sıcaklık Bağlı Olarak Ses Hızı(Sound Wave Speed)
Ses hızı bir çok ortam parametresinden etkilendiğini söylemek mümkündür. Ancak
temel olarak derinlik, sıcaklık ve tuzluluk gibi 3 temel parametre ses hızı üzerinde oldukça
etkili olmaktadır sabit tuzluluk altında sıcaklığa ve derinliğe bağlı ses hızı değişimi şekil
29’da görüldüğü gibidir.
Şekil 29. Derinlik, sıcaklık ve tuzluluğa bağlı olarak ses hızı.
Ses hızı birçok ortam parametresine bağlı olarak değişim göstermektedir.
Denklem(26)’dan faydalanılarak ses hızı değişimini derinlik, sıcaklık ve tuzluluğa göre
modellediğimizde ses hızı değişimi şekil 29’da gözlemlendiği gibidir. Derinlik göz önüne
alınırsa ses hızı ve derinlik arasında yaklaşık lineer bir ilişki ve doğru orantı olduğunu
söylemek mümkündür. Şekil 29’da elde edilen sonuçlara göre sabit tuzluluk altında
(S=35ppt) ses hızı derinlik arttıkça derinlikle doğru orantılı olarak artmaktadır. Sayısal
olarak söylemek gerekirse 0 - 1000 metrelik bir değişimde ses hızı yaklaşık olarak 20m/s
59
’lik bir artış oluşmaktadır. Bu durumda ikisi arasında %2’lik bir ilişki olduğunu
söyleyebiliriz.
Sıcaklığın ses hızı üzerinde ki etkisi ise derinlikle benzer bir ilişkidir. İkisi arasında
lineer ve doğru orantılı bir ilişki olduğunu söylemek mümkündür, ancak sıcaklık ses hızı
üzerinde derinliğe göre çok daha etkili olmaktadır. Bu yüzden sıcak akustik ortamlarda ses
hızı daha yüksek seviyelere olaşmaktadır. Sıcaklıktaki yaklaşık olarak 0˚C-20˚C lik bir
değişim aralığında ise ses hızında yaklaşık 70m/s ‘lik bir artış oluşmaktadır. Sıcaklığın
yaklaşık olarak 3.5 katı oranında ses hızında bir iyileşme olmaktadır.
Sonuç olarak ses hızı sıcaklık ve derinliğin artmasıyla meydana gelen artış miktarıyla
doğru orantılı olarak artmaktadır. Ses hızının artması bu sistemlerde haberleşmenin ses ile
olmasından dolayı oldukça iyi sonuçlar veren bir durumdur. Verimli bir kanal modellemesi
için iyi bir ses hızı gündeme gelmektedir. Denklem (26)’dan ve buna bağlı elde ettiğimiz
sonuçlara göre ses hızı açısından derinlik ve sıcaklık istenen iki parametre olarak
değerlendirebilir. Ses hızı üzerindeki etkisine bakıldığında sıcaklık ve derinlik seçimi
yapılırken ses hızı üzerindeki etkileri göz önüne alarak doğru bir seçim yapılması
gerekmektedir.
Şekil 29’a ilişkin ilgili matlab komutları projenin ekler kısmında ayrıntılı olarak
sunulmuştur.
3.7.2. Derinlik, Sıcaklık ve Tuzluluğa Bağlı Olarak Ses Hızı(Sound Wave Speed)
Aşağıda verilen şekil 30’da ise farklı tuzluluk değerleri altında belirlediğimiz iki farklı
sıcaklık değerlerine göre ses hızının derinliğe göre değişimi görülmektedir. Bu inceleme
tuzluluğun ses hızı üzerine nasıl bir etki oluşturduğunu göstermektedir. Bunun yanı sıra
sıcaklık ve derinliğin de nasıl bir etki oluşturulduğu göz önene alınmıştır.
60
Şekil 30. Belirli tuzluluk ve sıcaklık değerlerinde derinliğe bağlı ses hızı.
İlk durumda T=4˚C ikinci durumda ise T=27˚C elde ettiğimiz sonuçlarda tuzluluk
S=17, 38, 35 (bin kg suda bulunan tuz miktarları) burada S=17 Karadeniz, S=38 Akdeniz
için verilen değerlerdir, S=35 ise genel olarak alınan ortalama tuzluluk değeridir.
Önce ki kısımlarda da söylediği gibi sıcaklık artışı ses hızında lineer olarak bir artış
oluşturmaktadır şekil 30’da elde edilen sonuçlarda bunu tekrar doğrulamaktadır. Burada ilk
durum ve ikinci durum arasında 23 ˚C ’lik bir sıcaklık artışı vardır, bu artışa karşılık ise ses
hızında 70-80 m/s ’lik bir iyileşme görülmektedir.
Derinlik artışı ise aynı şekilde ses hızı üzerinde doğru orantılı lineer bir artış
oluşturmaktadır. Bu iki parametre (derinlik ve sıcaklık) önceki kısımda ki gibi burada ses
hızı üzerinde pozitif bir etki oluşturmaktadır.
Tuzluk ise şekil 30’da görüldüğü gibi net olarak ses hızını etkilemektedir. Tuzluluk da
diğer iki parametre gibi ses hızı üzerinde olumlu bir etki oluşturmaktadır. Tuzluluk artışı
ses hızında ciddi olarak iyileşme etkileri oluşturur. Ses hızı baz alındığında derin, tuzlu ve
sıcak ortamlarda iyi bir ses hızına erişilebilineceğini şekil 29, şekil 30 ve denklem(26)
eşliğinde söylemek mümkündür.
Şekil 30’a ilişkin ilgili matlab komutları projenin ekler kısmında ayrıntılı olarak
sunulmuştur.
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10001440
1450
1460
1470
1480
1490
Derinlik, Z [m]
Ses H
ızı,
C [
m/s
]
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10001515
1520
1525
1530
1535
1540
1545
1550
1555
1560
Derinlik, Z [m]
Ses H
ızı,
C [
m/s
]
S=17,T=4C
S=38,T=4C
S=35,T=4C
S=17,T=27C
S=38,T=27C
S=35,T=27C
61
3.8.Alıcı Sinyal Seviyesi’nin Verici Gücüne ve Mesafeye Bağlı Değişimi
Alıcıdaki sinyal seviyesi (Prx), verici gücüne ve yol kaybına bağlı olarak denklem
(57)’deki gibi tanımlanır.
[dB] (57)
Burada PathLoss yol kaybı başlığı altında denklem (20)’de daha önce verilmişti. Emme
katsayısı ise denklem (57)’ye göre hesaplanmaktadır. Bu eşitlik üç parametreye bağlı
olarak ele alınabilir. Birincisi frekans sabit alınarak(burada f=80kHz) verici gücüne bağlı
belli mesafelerde alıcıdaki sinyal seviyesidir. Bu değişim, silindirik yayılım(k=1) için şekil
31’de verildiği gibi olmaktadır. İkinci ise verici gücü ve frekans sabit alınarak mesafeye
bağlı alıcıdaki sinyal seviyesidir. Bu durumda oluşan karakteristik ise şekil 32’de verildiği
gibi olmaktadır. Son olarak incelenecek olan nokta ise frekansın alıcıdaki sinyal
seviyesinde yarattığı etkidir ve bu durumda vericideki güç ve mesafe için sabit değerler
belirlenerek değişimleri şekil 33’de olduğu gibi elde edilmektedir.
Şekil 31. Farklı mesafelerdeki verici gücüne bağlı Alıcı Sinyal Seviyesi.
Alıcıda ki sinyal seviyesi haberleşme açısından oldukça önemlidir. Karasal
haberleşmede ortalama olarak -100dBm’lik bir alıcı eşik seviyesi bulunmaktadır. Su altı
haberleşmesinde saplıklı bir haberleşme oluşabilmesi için alıcı sinyal seviyesi önem arz
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
Verici Gücü [W]
Alıcı
Sin
yal S
eviy
esi [d
B],
f=
80kH
z
r=100m
r=250m
r=500m
r=1000m
62
etmektedir. Şekil 31’de elde edilen sonuçlar ışığında bazı seçim ve değişimlere bağlı alıcı
sinyal seviyesi karakteristiği görülmektedir. Bu karakteristik incelendiğinde direkt olarak
her haberleşme sisteminde olduğu gibi verici gücü dikkat çekmektedir. Verici gücü alıcı
sinyal seviyesini yukarı değerlere taşımanın en kolay yolu olarak gözükebilir ancak su altı
sitemleri genel olarak beslemelerini karasal sistemler gibi herhangi bir hat üzerinden değil
batarya üzerinde almaktadır çoğunlukla buda gücü sınırlamaktadır. Bunun yanı sıra su altı
ekolojik yaşamı da güç sınırlaması konusunda bir etken oluşturmaktadır. Verici gücü 0-5
W arası değerlerde alıcı sinyal seviyesinde en yüksek verimin olduğu aralık oluşmaktadır
daha sonraki güç artışları ise bu durum kadar verimli sonuçlar vermemektedir.
Verici gücünün yanı sıra mesafe de alıcı sinyal seviyesine etki eden bir diğer önemli
faktör olarak görülmektedir. Zayıflamalar ve ortam karakteristiği mesafeye göre büyük
değişimler göstermekte ve değişimlere bağlı alıcı sinyal seviyesi de değişim
göstermektedir. İdeal bir su altı akustik haberleşme kanalı olarak düşündüğümüzde sadece
mesafe etkisi önemini korumaktadır. Şekil 31 üzerinde de görüldüğü üzere mesafe arttıkça
alıcı sinyal seviyesinde düşmelere oluşmaktadır. Mesafeye bağlı olarak ters orantılı bir
değişim söz konusudur. Mesafe ve alıcı sinyal seviyesindeki ilişki ideal bir akustik kanal
açısından yaklaşık lineer kabul edilebilir.
Şekil 32. Farklı verici güçlerinde mesafeye bağlı Alıcı Sinyal Seviyesi.
Şekil 31 üzerinde bahsettiğimiz gibi alıcı sinyal seviyesi verici gücü ile doğru orantılı
mesafe ile ters orantılı bir değişim karakteristiği sergilemektedir. Bu açıdan bakıldığında
karasal sistemler gibi bir karakteristiği olduğunu söylemek mümkündür. 50-100 den
sonraki mesafe artışlarında lineere yakın bir ilişki oluşmaktadır. Verici güç seviyelerinin
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
Mesafe [m]
Alıcı
Sin
yal S
eviy
esi [d
B],
f=
80kH
z
Ptx=1mW
Ptx=10mW
Ptx=100mW
Ptx=1W
63
küçülmesi de alıcı sinyal seviyesini direkt aşağıya çekmektedir. Bu açıdan haberleşme
mesafesi ve vericide ki güç seviyesi iy bir seçim ve analiz gerektirir.
Şekil 33. Alıcı Sinyal Seviyesi’nin frekansa bağlı değişimi.
Frekansı bağlı olarak alıcı sinyal seviyesini incelersek dışarıdan bakıldığında pek fazla
bir ilişki kurulmasa da frekans da alıcı sinyal seviyesi üzerinde etkili olmaktadır. Frekansın
etkisinin en temel nedeni ise önceki kısımlarda verdiğimiz emilim ve yol kayıpları
görülebilir. Frekans artışı emilim kaybını arttırmakta idi bu artışa bağlı olarak yüksek
frekanslara çıkıldıkça alıcı sinyal seviyesinde bir düşüş görülebilmektedir. Emilim
kaybında ki artış ise direkt değil emme katsayınsın frekansa göre artmasından kaynaklı
olarak gelmektedir. Buradan görüldüğü üzere su altı haberleşme ortamında bir
parametrenin birçok etkisini olduğunu söylemek mümkündür. Alıcı sinyal seviyesi, frekans
karakteristiğine bakıldığında frekansın alıcı sinyal seviyesine düşük olduğu bölgelerde pek
fazla etki etmediği görülmektedir. Şekil 33’deki karakteristiğe göre 10 kHz civarı bir bant
kullanılırsa alıcı sinyal seviyesinde frekans etkileri minimum düzeyde tutulabilinir.
Frekans dışında aynı karakteristik üzerinden verici gücünü de irdelersek şekil 31 ve şekil
32’de ki karakteristik üzerinden gözlemlendiği gibi frekans karakteristiği üzerinde verici
gücü etkisi aynıdır. Yanı güç arttıkça alıcı sinyal seviyesi bu artışa bağlı olarak bir artış
göstermektedir.
Karakteristik üzerinden bakıldığında durum bu şekilde olsa da alıcı verici ve kanal
karakteristikleri ve ortam şartlarında bu durumlar değişim gösterebilmektedir. Örneğin
düşük frekanslarda daha iyi bir karakteristik çıksa da haberleşme için minimum olarak
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-70
-60
-50
-40
-30
Frekans [kHz]
Alıcı
Sin
yal S
eviy
esi [d
B],
Ptx
=1W
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
Frekans [kHz]
Alıcı
Sin
yal S
eviy
esi [d
B],
r =
500m
r=100m
r=250m
r=500m
r=1000m
Ptx=1mW
Ptx=10mW
Ptx=100mW
Ptx=1W
64
görülen frekans seviyesinin altına düşülemez bunun yanı sıra ortam şartları ve kaynak
sorunlarından kaynaklı güç seviyeleri belli seviyelerde sınırlanmaktadır.
Şekil 31, şekil 32 ve şekil 33’e ilişkin ilgili matlab komutları projenin ekler kısmında
ayrıntılı olarak sunulmuştur.
3.9. Gürültü Değişiminin İncelenmesi
Gürültü konusu daha önce verilen denklem (34, 35, 36, 37) eşitliklerinden
faydalanılarak ele alındığınırsa bu ifadeler sonucunda toplam gürültü ise ambians(ortam)
gürültüsü olarak tanımlanır ve denklem (58)’deki gibi ifade edilir.
[dB] (58)
Burada bütün gürültü ifadeleri dB cinsinden alınmıştır. Sonuç olarak frekansa bağlı gürültü
değişimi incelendiğinde, her bir gürültü ayrı ayrı şekil 34’de ve Ambians Gürültüsü şekil
35’de olduğu gibi bir karakteristiğe sahip olmaktadır. (Rüzgâr hızı ve nakliye aktivite
faktörü sıfır kabul edilmiştir.)
Şekil 34. Gürültü çeşitlerinin ayrı ayrı frekansa bağlı değişimleri.
Akustik ortamlarda karasal ortamlar gibi birçok gürültü etmeni bulunmaktadır.
Haberleşme konusunda sistem karakteristiği ve haberleşme seviyesinde her zaman gürültü
etkin bir konuma sahiptir. Başarı oranı sinyal gücünün gürültüye oranına bağlı olarak
100
101
102
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
Frekans [kHz]
Gürü
ltü Ç
eşid
i [d
B]
Nturb
Nship,s=0
Nwind,w=0
Nth
65
değişim göstermektedir. Gürültü seviyesi arttıkça haberleşme ortamı kötüleşmekte iletişim
kalitesi düşmektedir. Bundan kaynaklı olarak gürültü analizi oldukça önemlidir. Bu önem
tüm haberleşme sistemi ve ortamları için geçerlidir. Frekans artışından en çok etkilenen
gürültü karakteristiği olarak şekil 34 baz alınarak Nship gürültü gücü olduğu söylenebilir,
ardından ise Nwind , Nth frekans en az etkilenen ise Nturb olduğunu söyleyebilir. Nth
gürültüsü dışındaki diğer gürültü gücü seviyeleri frekans ile ters orantılı bir karakteristik
sergilemektedir, Nth ise frekans ile doğru orantılı bir karakteristiğe sahiptir. Sistemler teker
teker gürültülerine göre değil sahip oldukları toplam gürültü seviyesine göre incelenir bu
noktada genel karakteristik üzerinden yorumlarsak frekans artışı gürültü açısından olumlu
bir etki yaratmaktadır denilebilir.
Şekil 35. Ambians gürültüsünün frekansa bağlı değişimi.
Ambians gürültüsüne baktığımız da ise şekil 34’de yorumladığımız üzere sistemlerin
toplam gürültü karakteristiği gürültü analizinde daha ön planda tutulmaktadır. Bu
karakteristik üzerinden rahatça söylenebilir ki frekans artışı gürültü karakteristiği açısında
sistem performansına pozitif bir etki oluşturmaktadır. Ancak önceki kısımda da değinidiği
üzere frekans artışı emilim kaybına ve alıcı sinyal seviyesinde düşmeye neden olmaktadır.
Bu özellikler göz önüne alındığında frekans bölgesi seçimi oldukça önemli bir etken haline
gelmektedir. Gerek görülen bu karakteristikler gerekse sistem performansı açısından
frekans seçimi noktası bu ortam veya diğer ortamlarda gerçekleşen hemen hemen tüm
kablosuz haberleşme sahalarında önemli bir yere sahip olmaktadır. Frekans seçimi
istenilen değere göre bir diğerinde taviz verme koşulunu veya ortak bir ideal kriteri
100
101
102
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
Frekans [kHz]
Am
bia
ns G
ürü
ltüsü [
dB
]
66
gözetme üzerine yapılabilmektedir. Tüm haberleşme sahalarında belli yayın bantları
bulunmaktadır bu bantlar kullanılış amacı ve imkânına göre değerlendirilip uygun frekans
seçimi yapılması gerekliliği oluşturulur.
Şekil 34 ve şekil 35’e ilişkin ilgili matlab komutları projenin ekler kısmında ayrıntılı
olarak sunulmuştur.
3.10. İşaret Gürültü Oranının Frekansa ve Mesafeye Bağlı Değişimleri
İşaret gürültü oranı frekansa, yol kaybına, bant genişliğine, gürültüye ve mesafeye bağlı
olarak değişen haberleşme için oldukça önemli bir parametredir. Sıcaklık, tuzluluk,
derinlik, pH ve diğer otam koşulları sabit alındığında ortaya çıkan ifadesi frekansa ve
mesafeye bağlı olarak denklem (59)’daki gibi olur. Bu durumda mesafe sabit alınarak
frekansa bağlı değişimi şekil 36’daki gibi; frekans sabit alınarak mesafeye bağlı değişimi
ise şekil 37’deki gibi olur.( s=0,w=0,B=100kHz, S=35,D=0,T=4,pH=8 alınmıştır.)
[dB] (59)
Şekil 36. İşaret gürültü oranının frekansa bağlı değişimi(r=500m).
Belli koşullar sabit alınmak kaidesi ile elde edile şekil 36’da ki karakteristik frekans
seçimine göre SNR oranının değişimini içermektedir. SNR haberleşme kalitesinde etkili
olan en temel öğelerden biri olarak görülmektedir. Haberleşme sistemleri üzerinde belli
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-140
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
Frekans [kHz]
SN
R [
dB
]
67
SNR bölgeleri oluşturularak bu sayede istenilen haberleşme kalitesi belirlenmektedir. Bu
ölçüte bağlı, bulunulan koşul ve ortam değerlendirilerek sistemdeki SNR oranını üst
seviyeler tutmak gereklidir. SNR seviyeleri birçok koşula göre değişim göstermektedir
denklem(59)’a bakıldığında da bunu gözlemlemek mümkündür. Şekil 36’dan da takip
edilirse SNR karakteristiği frekans artışına bağlı olarak bir iyileşme göstermektedir. Bu
noktada frekans artışı ile iyi bir SNR oranı yakalanabilineceğini söylemek mümkündür.
Düşük seviyelerden başlayarak 30 kHz seviyesine kadar verimli bir SNR karakteristiği
elde edilmektedir. Diğer frekans bölgelerinde frekans artışına bağlı bu verim daha düşük
seviyelere çekilmektedir. SNR kriteri su altı akustik haberleşme ortamında ve diğer bir
ortamlarda önemli bir konuma sahiptir, işte bundan kaynaklı olarak seçimi SNR seviyesi
dolayısıyla frekans ve diğer ortam koşulları göz önüne alınarak çalışmaların yapılması
gerekir.
Şekil 37. İşaret gürültü oranının mesafeye bağlı değişimi(f=80 kHz).
Bu kısımda ise yukarıda sabit bir uzaklığa bağlı frekans üzerinden elde ettiğimiz
karakteristik Şekil 36’ya göre bu kez sabit bir ortalama frekans altında mesafeye göre bir
SNR karakteristiği oluşturulmaya çalışılmıştır. Daha öncede söylendiği gibi bir çok etmene
bağlı olarak değişen bu SNR oranı mesafe ye göre de kayda değer bir değişim
karakteristiğine sahiptir. Beklendiği üzere kısa mesafelerde sadece SNR değil birçok
ölçütte iyi performans karakteristikleri yakalanmaktadır. SNR de mesafe ile ters orantılı bir
ilişkiye sahiptir. Kısa mesafelerden başlayarak artış gösteren bir mesafe göre
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500-20
-10
0
10
20
30
40
Mesafe [m]
SN
R [
dB
]
68
değerlendirildiğinde ilk kısımda etki düşük sonra hızlı bir SNR kötüleşmesi daha sonra ise
mesafeye bağlı lineere yakın bir SNR düşüşü oluşmaktadır. Bu değişimler ise koşullar ve
belli değişkenler sabit alındığında gerçeğe yakın bir ideal ortam oluşturduğunda geçerlidir.
Bunun dışındaki durumda ise karakteristik üzerinde değişmeler olsa da çok fazla bir sapma
olmayacağını söylemek mümkündür, bu durum frekans karakteristiği için de geçerliliğini
korumaktadır. SNR oranı şekil 37 baz alınarak yorumlandığında 100 m ve üzeri mesafe
artışlarında mesafeye bağlı olarak sabit eğimliye yakın neredeyse lineer bir kötüleşme
gösterir. Alıcı verici konumu ve arasındaki uzaklık her zaman göz önünde bulundurularak
su altı akustik sistemlerin performans analizi yapılması gerektiğini bu sayede net olarak
söyleyebilmekteyiz. Çalışma yapılan su altı ortamlarında her değişim ve her parametre
dikkate alınamayacak olsa da belirli değerlerden ödün verilemez. Bu değerler sistem
performansı üzeride direkt etkileri olan önem sırası yüksek değerlerdir.
Şekil 36 ve şekil 37’ye ilişkin ilgili matlab komutları projenin ekler kısmında ayrıntılı
olarak sunulmuştur.
69
4.SONUÇ
Su altı akustik haberleşme sistemi simülasyonu başlığı altında yaptığımız bu çalışma, 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.
Üç tarafı denizlerle çevrili olan ülkemizde bu özelliğine rağmen bu alanda az sayıda
çalışma olması ve su altı akustik haberleşme sistemlerin geliştirilme ihtiyacı olduğu
kanaatiyle böyle bir çalışma oluşturulmuştur.
Yapılan bu çalışmada içerik olarak, su altı ortamında gerçekleşen akustik haberleşme
karakteristikleri üzerinde ortamdan kaynaklı oluşabilecek etkiler ön planda tutulmuştur.
Çalışma ilkesi karasal RF haberleşmesi gibi olan ancak haberleşmenin ses üzerinden
gerçekleştiği bu sistemlerde RF kullanılmamasının en temel nedeni, su altı ortamındaki
yalıtkanlık sabitinin hava ortamına nazaran yüksek olmasından kaynaklı RF’in çok hızlı bir
şekilde zayıflayarak haberleşme ortamına uygun olmamasıdır. Ses dalgaları(akustik wave)
ise su altı ortamında RF gibi hızlı bir zayıflama oluşturmadığından bu sistemler üzerinde
haberleşme kanalında ses dalgaları kullanılmaktadır. Su altı haberleşme kanallarında
akustik dalgaların kullanılmasının temel nedeni olarak zayıflama karakteristiği verilebilir.
Ancak akustik dalgalarda su altı haberleşme kanallarındaki birçok etkenden kaynaklı
değişim gösteren bir karakteristiğe sahiplerdir. Temel olarak üzerinde durulan ise bu
karakteristiğin bağlı olduğu etkisel parametrelerdir.
Yukarıda bahsedildiği üzere akustik dalgalar üzerinden yapılan su altı haberleşmeler de
akustik dalganın karakteristiği ön planda tutulmaktadır. Yapılan incelemelerde bu değişime
paralel olarak ele alınmıştır.
Günümüzde su altı dünyası gerek ülkemiz gerekse dünya açısından birçok soru
işaretleri ve bilinmezler içermektedir. Dünyanın yaklaşık olarak 2/3 ü su ile kaplı
olduğundan kaynaklı su altı haberleşmesi alanında yapılan çalışmalar her geçen gün hız
kazanmaktadır. Yaklaşık olarak 2 asır öncesinden günümüze kadar süren bu çalışmalar ele
alındığında belli dönemlerde durağanlaşsa da artık oldukça önemli bir konuma sahip
olduğunu görmekteyiz. Dünya açısından bakıldığında su altı haberleşmesi artık önemli bi
konuma sahiptir. Ülkemiz açısından bakıldığında bu konuda çalışmalar yeni yeni hız
kazanmaktadır. Bu çalışmanın yapılma sebeplerinden birisi olarak da bu konu üzerindeki
çalışmaların ülkemiz açısından az olması gösterilebilinir.
70
Akademik manada veya diğer manada bu alanda yapılan birçok çalışma göz önüne
alındığında lisans düzeyinde bu konuda yapılabilecek en iyi çalışmalardan birisini
oluşturma düşüncesiyle başlanan bu projede birçok kaynak ve çalışma referans alınarak
üzerine yeni çözüm önerileri ve elde edilen sonuçlar eşliğinde ideal su altı haberleşme
kanalının nasıl olması gerektiği ön planda olmak üzere akustik haberleşmenin su altındaki
performansı, performans kriterleri ve bu kriterlere bağlı nasıl bir haberleşme karakteristiği
gösterdiğini belirlemektir.
İçerik ve girişte belirtildiği üzere su altı akustik haberleşme sistemlerini kapsayan bu
araştırma genel olarak yapılanın dışında, tek bir nokta üzerinde değil birçok etkinin
incelendiği her koşulun ele alınmaya çalışıldığı bir çalışma olması hedeflenmiştir. Büyük
oranda bu hedef doğrultusunda beklenilen ve tasarlanan plana göre yapılan bu çalışma
genel olarak bu amaca uygun olarak planladığı gibi sürdürülmüştür.
Projenin teorik kısmına paralel olarak gerçeklenilen pratiksel uygulamalar ise tezin
yapılan çalışmalar kısmında detaylı olarak verilmeye çalışılmıştır. Su altı akustik
haberleşme sistemlerinde, meydana gelebilecek ortama bağlı veya bağlı olmayan tüm
değişimlere karşı incelenilen ve çözüm önerilerinin sunulduğu bu çalışma da oluşan
dezavantajları ve sistemi olumsuz etkileyen koşulları dikkate alarak daha iyi bir
haberleşme karakteristiği ortaya çıkartılmak istenmiştir. Bu konuda gerek ilgili referans
kaynaklardan ve gerekse sahip olunan bilgi ışığın da amaca uygun olarak çalışmalar
yapılmıştır. Genel olarak değerlendirildiğinde ulaşılan ve yayınlanan birçok araştırmaya
nazaran bu konudaki soru işaretlerini azaltıcı yönce bir çalışma oluşturulmuştur. Esas
itibariyle amacına uygun ve yapılan program doğrultusunda kalınmıştır.
Çok yönlü olarak yapılan bu araştırmalar ışığında dünyanın her yerindeki su altı
ortamının farklı olduğundan kaynaklı birçok koşula göre yorum yapılmaya çalışılmıştır.
Yapılan uygulamanın ışığında en etkin rol oynayan parametrelerin bazılarından
bahsedecek olursak bunlar, kaynak frekansı, derinlik, tuzluluk ve sıcaklık olarak verilebilir.
Kaynak frekans seçimi şekil 22, şekil 23, şekil 24, şekil 25 şekilleri üzerinden de
görüldüğü gibi emilim kaybında, emme katsayısında, yol kaybında ve genel olarak
meydana gelen kayıplar üzerinde etkin bir rol oynamaktadır. Bu etkin rolden kaynaklı
olarak sistemin çalışma verimliliğinin artması için kaynak frekansının çok dikkatli
seçilmesi ve bu frekans değerinin seçimi için ortam koşullarının da ön planda tutulması
gerekmektedir. Frekans aralığı seçimi yapılacak haberleşmenin sağlığı açısında elde edilen
sonuçlar ışığında etkin bir rol oynamaktadır denilebilir.
71
Kaynak frekansında sonra bir başka parametre olarak derinlik görülebilir. Şekil 29 ve
şekil30 ele alındığında derinliği etkileri görülmektedir. Ses hızı açısından bakıldığında
ortam derinliği istenilen bir etkendir. Derinlik arttıkça elde edilen sonuçlara bağlı olarka
ses hızında bir artış görülmektedir. Derinlik artışı ise sistemleri dayanıklılığı üzerinde
sorunlar çıkartabilmektedir. Bilindiği üzere su altında çok daha yüksek basınç seviyeleri
vardır. Derinlik artışı ile meydana gelen basınç artışı alıcı verici sistemleri üzerinden
fiziksel tahribat oluşturabilme riski taşıdığından kaynaklı olarak derinlik seçimi belli
seviyelerde sistemin sağlığı göz önünde bulundurularak yapılması gerekmektedir.
Tuzluluk seviyesi coğrafi koşul, iklim ve konuma göre değişim göstermektedir. Örneğin
Akdeniz de 38ppt (38/1000) iken Karadeniz de bu oran 17 ppt (17/1000) civarındadır. Bu
tarz değişimler göz önüne alınarak tüm işlem aşamalarında tuzluluk göz önüne alınmıştır.
Tuzluluk seviyesi açısından ses hızına bakarsak aynı derinlik gibi ses hızı üstünde olumlu
bir etkisi bulunmaktadır. Tuzluluk sistemde alınan tüm ölçümler açısından etkin bir
parametre konumundadır. Fazla etkisinin olmayacağı düşünülse de bunun aksine tuzluluk
seviyesi su altı ortamında haberleşme karakteristiğini direkt veya dolaylı yoldan
etkilemektedir. Çalışılan ortamın tuzluluk miktarı bilinerek çalışmalar o ortama uygun
olarak gerçekleştirilmelidir.
Frekans, derinlik, tuzluluk dan sonra ise sıcaklık da göz önüne alınmalıdır. Sıcaklık
kayıplar açısından pek istenen bir koşul olmasa da ses hızı, emme katsayısı ve dolaylı
olarak emilim kaybı açısında sıcak ortamlar daha iyi sonuçlar vermektedir. Oluşturulan
modellerde ortalama olarak uygulama sahasında oluşabilecek sıcaklıklar üzerine gerçek
değerler bazında bir çalışma yapılmıştır. Bu çalışmalarda sıcak koşullarda daha iyi bir
haberleşme performansının olduğunu söylemek mümkündür. Yol kayıpları açısında bu
durum iyi sonuçlar vermemektedir. Bu yüzden bir noktadan sağladığı iyileşmeler ve diğer
noktadan dezavantajları göz önüne alındığında bu parametre haberleşmenin yapıldığı
ortam açısında önem kazanmaktadır. Sıcaklık ölçüm alınacak su altı ortamının dahili bir
değeridir aynı tuzluluk gibi bu etmen dışarıdan tayin edilemediğinden kaynaklı olarak
alınan sonuçlar üzerinde bu ortama bağlı değerlerin alıcı verici arasındaki ilişkiye dahil
edilmesi ve bunlara bağlı olarak frekans seçiminin ve derinliğin alıcı verici konumunun iyi
bir şekilde seçilmesi gerekmektedir.
Yukarıda yer verilen bazı parametreler sadece görünen parametreler olarak
değerlendirilebilinirler bunların dışındaysa görünen ve görünmeyen olarak raslantısal
tamamen ortam kaynaklı bir veya uygulamadan koşullarından oluşan birçok
72
parametrelerinde mevcut oldu söylenilebilir. Önceki kısımlarda da belirtildiği üzere
projenin temel amacı oluşabilecek ve modellenebilecek tüm parametrelerin göz önüne
alınarak haberleşme kanalının modellemesinin yapılmasıdır.
Hava ara yüzünde gerçekleşen RF haberleşme ile kıyaslandığında akustik kanalların
modellenmesi ve yapısı biraz daha karmaşıktır. Günümüzde kullanılan bu iki haberleşme
türünün işleyiş sitemi yapısal olarak aynı ancak uygulama olarak farklıdır. Sualtı akustik
haberleşme gerek karakteristiği gerekse modellemesi açısından daha zor bir çalışma koşulu
teşkil etmektedir. Bu zorluğun getirdiği bir takım zorluklardan kaynaklı olarak bu alandaki
çalışmalar biraz daha zor ve zahmetli olarak değerlendirilebilinir. İki haberleşme ortamı
açısından temel fark su altı ortamlarında ses dalgaları kullanılır ve daha düşük frekanslarda
bir yayın yapılmaktadır. Hava ortamında ise yüksek frekanslı RF dalgaları
kullanılmaktadır.
Tüm bu koşulların yanında en önemli koşullardan biri olarak su altı doğal yaşamı da ön
plana çıkmaktadır. Bu konudaki çalışmalar doğal ortam ve su altı canlıların açısından
sorun oluşturmayacak ve oluşabilecek zarar olasılığı minimum düzeyde tutularak
gerçeklenmelidir. Bizi sadece haberleşme karakteristiği değil ekolojik sistemin etkileri de
bu sahada kısıtlamaktadır. Bu açıdan bu haberleşme sistemleri karasal sistemlere göre bir
daha fazla kısıtlamaların olduğu bir ortam olarak görülmektedir.
İhtiyaç duyulma noktasına gelindiğinde ise bu sistemlere neden ihtiyaç duyulduğunun
nedenleri çok fazla olmakla birlikte bazıları üzerine konuşulması gerekirse su altındaki su
akış hareketleri, denizlerde ki akıntıların yönlerinin tespiti, ekolojik sistemin değişimi,
balık göçlerinin ve yaşamlarının incelenmesi, deprem bölgelerinde oluşan su altı fay
hatlarının tespiti ve kontrolü gibi nedenler ön plandadır. Bu tarz alanların dışında ticari
olarak tekne sistemlerinde deniz araçlarında ve bu tarz sahalarda da kullanıldığını
söylemek mümkündür. Günümüzde bir nevi gereklilik olduğunu söylemek mümkündür.
En temel olarak ülkemizin zengin bir konuma sahip olmasına rağmen akademik olarak
eksik olduğumuzu düşündüğümüz için başlanılan bu konu üzerinde oluşturulan bu çalışma
yapılan araştırmalar ve çalışmaların sonucu olarak ortaya konulmuştur. Biz ve bizden sonra
bu konuda inceleme veya çalışma yapmak isteyen kişi veya kurumlara yardımcı olabilmek
adına ortaya koyulan çalışmada daha önceki çalışmaların üstüne çıkılarak olabildiğince
faydalı ve kapsamlı bir eser olması ön planda tutulmuştur. Bu alandaki çalışmalar her
geçen gün artmakta ve giderek önem kazandığı görülen su altı haberleşme sistemleri konu
ve içerik zenginliğine sahip daha önce üzerinde az çalışma olduğundan kaynaklı gelişime
73
açık bir saha olarak değerlendirilmesi mümkündür. Yapılan bu çalışma herkesin bildiği
haberleşme ortam ve koşullarından farklı bir ortamı tanıma ve modelleme yetisini
kazandırma adına etkin bir ortam olarak görülebilir. Her koşulu düşünerek ve bu koşullara
bağlı değişimleri öngörerek bu alanda çalışma yapmanın kişisel değerler, karar
mekanizması ve mantıksal olarak değerlendirilme açısından bu alanda ki çalışanlara her
adımda yeni bir şeyler katacağı söylenebilir. Gerek yapılan incelemeler gerek elde edilen
sonuçlar ışığında bu alanda ortaya koyabilecek birçok şeylerin olduğunu söylemek
mümkündür. Su altı haberleşmesi kişisel kazanımlar içeren ve üzerine çalışmaktan oldukça
zevk verebilecek bir çalışma sahası olarak görülebilir. Bu sahada ki çalışmaların her geçen
gün arttığını ve önem kazandığını göz önüne aldığımızda çalışılan ve çalışılması gereken
bir alan olarak değerlendirilebilir
…Mavi, her zaman bilinmezlikler içinde bir özgürlüğü saklar…
74
KAYNAKLAR
[1] W. Van Den Boss, Bitirme tezi, SEA Hamburg 2004.
[2] URICK, J. (1983): Principles of Underwater Sound, 3rd Edition, Mc. Graw
Hill, Inc. ISBN 0-07-066087-5.
[3] JENSEN, F.B., KUPERMAN, W.A., PORTER, M.B. ve SCHMIDT, H.
(1994): Computational Ocean Acoustics. American Institute of Physics. ISBN
1-56396209-8 NewYork.
[4] Partan, J., Kurose, J., and Levine, B. N. 2007. A survey of practical issues in
underwater networks. SIGMOBILE Mob. Comput. Commun. Rev. 11, 4 (Oct.
2007), 2333.
[5] J.H. Cui, J. Kong, M. Gerla, and S. Zhou. Challenges: Building Scalable and
Distributed Underwater Wireless Sensor Networks (UWSNs) for Aquatic
Applications. UCONN CSE Technical Report: UbiNetTR0502
(BECAT/CSETR055), January 2005.
[6] F. Akyildiz, D. Pompili, and T. Melodia. Underwater acoustic sensor networks:
Research challenges. Ad Hoc Networks (Elsevier), 3(3):257–279, March 2005.
[7] Jun Hong Cui; Jiejun Kong; Gerla, M.; Shengli Zhou, "The challenges of
building mobile underwater wireless networks for aquatic applications,"
Network, IEEE , vol.20, no.3, pp. 1218, MayJune 2006
[8] Coates, R. (1989)., Underwater Acoustic Systems, John Wiley and Sons.
[9] Urick, R., Principles of Underwater Sound for Engineers, McGraw-Hill,
(1967).
[10] Waite A.,Sonar for Practicing Engineers, third edn, Wiley. , (2005).
[11] Thorp, W. H., Deep-ocean sound attenuation in the sub- and low-kilocycle-per-
second region, Journal of the Acoustical Society of America 38(4): 648–654,
(1965).
[12] Fisher, F. & Simmons, V., Sound absorption in sea water, Journal of the
Acoustical Society of America 62(3), (1977).
[13] Francois, R. & Garrison, G. (1982). Sound absorption based on ocean
measurements: Part 1 and 2, Journal of the Acoustical Society of America
72(3,6): 896–907, 1879 – 1890.
75
[14] Sehgal, A., Tumar, I. & Schonwalder, J. (2009). Variability of available
capacity due to the effects of depth and temperature in the underwater acoustic
communication channel, IEEE OCEANS 2009, EUROPE, pp. 1–6.
[15] Domingo, M. (2008). Overview of channel models for underwater wireless
communication networks, Physical Communication pp. 163 – 182.
[16] Etter, P. (2003). Underwater Acoustic Modeling and SImulation, third edn,
Spon Press.
[17] Hajenko, T. & Benson, C. (2010). The high frequency underwater acoustic
channel, IEEE OCEANS 2010, Sydney, pp. 1 –3.
[18] Parrish, N., Roy, S., Fox, W. & Arabshahi, P. (2007). Rate-range for an fh-fsk
acoustic modem, Proceedings of the second workshop on Underwater
networks, WuWNet ’07, pp. 93–96.
[19] Stojanovic, M. (2006). On the relationship between capcity and distance in an
underwater acoustic communication channel, International Workshop on
Underwater Networks, WUWNet’06.
[20] Rappaport, T. (1996). Wireless Communications, Principles and Practice,
Prentice Hall.
[21] Caruthers, J. (1977). Fundamentals of Marine Acoustics, Elsevier Scientific
Publishing.
[22] Sullivan, E. & Taroudakis, M. (2008). Handbook of Signal Processing in
Acoustics Volume 2, RSpringer.
[23] Kinsler, L., Frey, A., Coppens, A. & Sanders, J. (1982). Fundementals of
Acoustics, John Wiley and Sons.
[24] Eckart, C. (1952). Principles of Underwater Sound, Research Analysis Group,
National Research Council, California University.
[25] Johnson, M., Preisig, J., Freitag, L.& Stojanovic, M. (1999). FSK and PSK
performance of the utility acoustic modem, IEEE OCEANS ’99 MTS. Riding
the Crest into the 21st Century, Vol. 3, pp. 1512 Vol. 3.
[26] James Preisig (2009). Underwater Acoustic Communication Channels:
Propagation Models and Statistical Characterization Milica Stojanovic,
Northeastern University , Woods Hole Oceanographic Institution.
[27] ALPAR, B. ve DOĞAN, E. (1994): Deniz ve Göllerde Derinlik Ölçme Sistem
ve Yöntemleri. İ.Ü. Deniz Bilimleri ve İşletmeciliği Enstitüsü yayını, 551.46
1998/3800, s.119
76
[28] CLAY, C.S., ve MEDWIN, H. (1977): Acoustical Oceanography, Wiley
Interscience, New York.
[29] Kerem KÖPRÜLÜ: Akdeniz – Karadeniz Su Altı Akustik Yayılım Model
Uygulamaları,2006.
[30] Cox, A.W. (1974). Sonar and Underwater Sound, Lexington Books. Domingo,
M. (2008). Overview of channel models for underwater wireless
communication networks, Physical Communication pp. 163 – 182.
[31] H. G. Urban, Handbook of Underwater Acoustic Engineering. STN ATLAS
Elektronik GmbH, November 2002.
77
T.C.
KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
Mühendislik Fakültesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü
SU ALTI AKUSTİK HABERLEŞME
SİSTEMİ SİMÜLASYONU
BİTİRME PROJESİ
EKLERİ
Haziran 2012
TRABZON
78
EK-1
SİMÜLASYONLARLA İLGİLİ MATLAB KOMUTLARI
a)Şekil 25, şekil26 ve şekil 27 ile ilgili matlab kodları.
clear all; close all;
S=35; %Tuzluluk[ppt]
D1=0; D2=10; D3=30; D4=100; %Derinlik[m]
T1=4; T2=27; %Sıcaklık[C]
pH=8;
f=80; %Frekans[kHz]
r=0:0.1:500; %Mesafe [m]
%f=0.1:0.1:100; Şekil 25 için burası aktik edilirken yukarıdaki sabit frekans iptal
edilecektir.
f1=0.78.*sqrt((S./35)).*exp(T1./26);
f2=42.*exp(T1./17);
f11=0.78.*sqrt((S./35)).*exp(T2./26);
f22=42.*exp(T2./17);
a1=0.106.*((f1.*(f.^2))./((f1.^2)+(f.^2))).*exp((pH-
8)./0.56)+0.52.*(1+(T1./43)).*(S./35).*((f2.*(f.^2))./((f2.^2)+(f.^2))).*exp(-
D1./6)+4.9.*0.0001.*(f.^2).*exp(-((T1./27)+(D1/17))); %Emme katsayısı
[dB/km]Denklem (56)
a2=0.106.*((f1.*(f.^2))./((f1.^2)+(f.^2))).*exp((pH-
8)./0.56)+0.52.*(1+(T1./43)).*(S./35).*((f2.*(f.^2))./((f2.^2)+(f.^2))).*exp(-
D2./6)+4.9.*0.0001.*(f.^2).*exp(-((T1./27)+(D2/17))); %Emme katsayısı
[dB/km]Denklem (56)
a3=0.106.*((f1.*(f.^2))./((f1.^2)+(f.^2))).*exp((pH-
8)./0.56)+0.52.*(1+(T1./43)).*(S./35).*((f2.*(f.^2))./((f2.^2)+(f.^2))).*exp(-
D3./6)+4.9.*0.0001.*(f.^2).*exp(-((T1./27)+(D3/17))); %Emme katsayısı
[dB/km]Denklem (56)
a4=0.106.*((f1.*(f.^2))./((f1.^2)+(f.^2))).*exp((pH-
8)./0.56)+0.52.*(1+(T1./43)).*(S./35).*((f2.*(f.^2))./((f2.^2)+(f.^2))).*exp(-
D4./6)+4.9.*0.0001.*(f.^2).*exp(-((T1./27)+(D4/17))); %Emme katsayısı
[dB/km]Denklem (56)
a11=0.106.*((f11.*(f.^2))./((f11.^2)+(f.^2))).*exp((pH-
8)./0.56)+0.52.*(1+(T2./43)).*(S./35).*((f22.*(f.^2))./((f22.^2)+(f.^2))).*exp(-
D1./6)+4.9.*0.0001.*(f.^2).*exp(-((T2./27)+(D1/17))); %Emme katsayısı
[dB/km]Denklem (56)
a22=0.106.*((f11.*(f.^2))./((f11.^2)+(f.^2))).*exp((pH-
8)./0.56)+0.52.*(1+(T2./43)).*(S./35).*((f22.*(f.^2))./((f22.^2)+(f.^2))).*exp(-
D2./6)+4.9.*0.0001.*(f.^2).*exp(-((T2./27)+(D2/17))); %Emme katsayısı
[dB/km]Denklem (56)
a33=0.106.*((f11.*(f.^2))./((f11.^2)+(f.^2))).*exp((pH-
8)./0.56)+0.52.*(1+(T2./43)).*(S./35).*((f22.*(f.^2))./((f22.^2)+(f.^2))).*exp(-
D3./6)+4.9.*0.0001.*(f.^2).*exp(-((T2./27)+(D3/17))); %Emme katsayısı
[dB/km]Denklem (56)
a44=0.106.*((f11.*(f.^2))./((f11.^2)+(f.^2))).*exp((pH-
8)./0.56)+0.52.*(1+(T2./43)).*(S./35).*((f22.*(f.^2))./((f22.^2)+(f.^2))).*exp(-
D4./6)+4.9.*0.0001.*(f.^2).*exp(-((T2./27)+(D4/17))); %Emme katsayısı
[dB/km]Denklem (56)
79
%subplot('2,1,1');plot(f,a1,'b',f,a2,'r',f,a3,'m',f,a4,'k'); Emme katsayısını frekansa bağlı
çizdirme(T=4C) şekil 25 için aktif edilir.
%subplot('2,1,2');plot(f,a11,'b',f,a22,'r',f,a33,'m',f,a44,'k'); Emme katsayısını frekansa bağlı
çizdirme(T=27C) şekil 25 için aktif edilir.
Ploss1=1*10*log10(r)+(a1*r*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB] ,Denklem (20)
Ploss2=1*10*log10(r)+(a2*r*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB] ,Denklem (20)
Ploss3=1*10*log10(r)+(a3*r*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB] ,Denklem (20)
Ploss4=1*10*log10(r)+(a4*r*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB] ,Denklem (20)
Ploss11=1*10*log10(r)+(a11*r*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB] ,Denklem (20)
Ploss22=1*10*log10(r)+(a22*r*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB] ,Denklem (20)
Ploss33=1*10*log10(r)+(a33*r*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB] ,Denklem (20)
Ploss44=1*10*log10(r)+(a44*r*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB] ,Denklem (20)
subplot('2,1,1');plot(r,Ploss1,'b',r,Ploss2,'r',r,Ploss3,'m',r,Ploss4,'k'); %Yol Kaybı[dB]
,Denklem (20) mesafeye bağlı çizimi(T=4C)
subplot('2,1,2');plot(r,Ploss11,'b',r,Ploss22,'r',r,Ploss33,'m',r,Ploss44,'k'); %Yol Kaybı[dB]
,Denklem (20) mesafeye bağlı çizimi(T=27C)
%Burada yol kaybı için S=17 yapılırsa şekil 27 için gereken kod yazılmış olur.
b)Şekil 29 ve şekil 30 ile ilgili matlab kodları.
clear all, close all;
%Bu denklemde C hız(m/s), T sıcaklık(Celsius), S tuzluluk ve Z derinlik(m) olarak alınır.
T1=4;T2=27; %Sıcaklık[C]
%T=0:.1:20
%Tuzluluk oranı Karadeniz'de:%1.7, Marmara'da:%2.2, Akdeniz'de:%3.8
S1=17;%KARADENİZ
S2=38;%AKDENİZ
S3=35;%ORTALAMA TUZLULUK
% Hint okyanusu derinliği en düşük okyanus 897 m ile sınır ölçüsü olarak alındı
Z=0:.1:1000; %Derinlik[m]
%[T,Z]=meshgrid(T,Z); Şekil 29 için aktif edilmeli.
%Ses hızı C[m/s] denklemleri aşağıda.(Denklem 26)
C1=1449.2+4.6.*T1-0.055.*T1.^2+0.00029.*T1.^3+(1.34-0.01.*T1).*(S1-35)+0.0160.*Z;
C2=1449.2+4.6.*T1-0.055.*T1.^2+0.00029.*T1.^3+(1.34-0.01.*T1).*(S2-35)+0.0160.*Z;
C3=1449.2+4.6.*T1-0.055.*T1.^2+0.00029.*T1.^3+(1.34-0.01.*T1).*(S3-35)+0.0160.*Z;
C11=1449.2+4.6.*T2-0.055.*T2.^2+0.00029.*T2.^3+(1.34-0.01.*T2).*(S1-
35)+0.0160.*Z;
C22=1449.2+4.6.*T2-0.055.*T2.^2+0.00029.*T2.^3+(1.34-0.01.*T2).*(S2-
35)+0.0160.*Z;
C33=1449.2+4.6.*T2-0.055.*T2.^2+0.00029.*T2.^3+(1.34-0.01.*T2).*(S3-
35)+0.0160.*Z;
figure(1);
%mesh(T,Z,C3); Sıcaklığa ve derinliğe bağlı ses hızı(3boyut).Şekil 29 için aktif edilmeli.
subplot('2,1,1');plot(Z,C1,'b',Z,C2,'r', Z,C3,'k'); %Ses hızı,denklem 26 nın derinliğe bağlı
çizimi
80
subplot('2,1,1');plot(Z,C11,'b',Z,C22,'r', Z,C33,'k'); %Ses hızı,denklem 26 nın derinliğe
bağlı çizimi
c)Şekil 31 ile ilgili matlab kodları.
clear all; close all;
Ptx=0.001:0.1:50;
S=35; %Tuzluluk[ppt]
D=0; %Derinlik[m]
T=4; %Sıcaklık[C]
pH=8;
f=80; %Frekans[kHz]
r1=100; %Mesafe [m]
r2=250; %Mesafe [m]
r3=500; %Mesafe [m]
r4=1000 %Mesafe [m]
f1=0.78.*sqrt((S./35)).*exp(T./26);
f2=42.*exp(T./17);
a=0.106.*((f1.*(f.^2))./((f1.^2)+(f.^2))).*exp((pH-
8)./0.56)+0.52.*(1+(T./43)).*(S./35).*((f2.*(f.^2))./((f2.^2)+(f.^2))).*exp(-
D./6)+4.9.*0.0001.*(f.^2).*exp(-((T./27)+(D/17))); %Emme katsayısı [dB/km]Denklem
(56)
Ploss1=1.*10.*log10(r1)+(a.*r1.*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB] ,Denklem (20)
Ploss2=1.*10.*log10(r2)+(a.*r2.*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB] ,Denklem (20)
Ploss3=1.*10.*log10(r3)+(a.*r3.*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB] ,Denklem (20)
Ploss4=1.*10.*log10(r4)+(a.*r4.*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB] ,Denklem (20)
Prx1=10.*log10(Ptx)-Ploss1; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (57)
Prx2=10.*log10(Ptx)-Ploss2; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (57)
Prx3=10.*log10(Ptx)-Ploss3; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (57)
Prx4=10.*log10(Ptx)-Ploss4; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (57)
plot(Ptx,Prx1,'b',Ptx,Prx2,'r',Ptx,Prx3,'g',Ptx,Prx4,'k');
d)Şekil 32 ile ilgili matlab kodları.
clear all; close all;
Ptx1=0.001; %Verici Gücü [W]
Ptx2=0.01; %Verici Gücü [W]
Ptx3=0.1; %Verici Gücü [W]
Ptx4=1; %Verici Gücü [W]
S=35; %Tuzluluk[ppt]
D=0; %Derinlik[m]
T=4; %Derinlik
pH=8;
f=80; %Frekans [kHz]
r=0:0.1:500; %Mesafe [m]
f1=0.78.*sqrt((S./35)).*exp(T./26);
f2=42.*exp(T./17);
81
a=0.106.*((f1.*(f.^2))./((f1.^2)+(f.^2))).*exp((pH-
8)./0.56)+0.52.*(1+(T./43)).*(S./35).*((f2.*(f.^2))./((f2.^2)+(f.^2))).*exp(-
D./6)+4.9.*0.0001.*(f.^2).*exp(-((T./27)+(D/17))); ;%Emme Katsayısı[dB/km], Denklem
(20)
Ploss=1.*10.*log10(r)+(a.*r.*(10^-3)); ; %Yol kaybı [dB], Denklem (20)
Prx1=10.*log10(Ptx1)-Ploss; ; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (57)
Prx2=10.*log10(Ptx2)-Ploss; ; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (57)
Prx3=10.*log10(Ptx3)-Ploss; ; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (57)
Prx4=10.*log10(Ptx4)-Ploss; ; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (57)
plot(r,Prx1,'b',r,Prx2,'r',r,Prx3,'g',r,Prx4,'k');
e)Şekil 33 ile ilgili matlab kodları.
clear all; close all;
Ptx1=0.001; %Verici gücü[W]
Ptx2=0.01; %Verici gücü[W]
Ptx3=0.1; %Verici gücü[W]
Ptx4=1 ; %Verici gücü[W]
S=35; %Tuzluluk[ppt]
D=0; %Derinlik[m]
T=4; %Derinlik
pH=8;
f=0.1:0.1:100; %Frekans[kHz]
r1=100; %Mesafe [m]
r2=250; %Mesafe [m]
r3=500; %Mesafe [m]
r4=1000; %Mesafe [m]
f1=0.78.*sqrt((S./35)).*exp(T./26);
f2=42.*exp(T./17);
a=0.106.*((f1.*(f.^2))./((f1.^2)+(f.^2))).*exp((pH-
8)./0.56)+0.52.*(1+(T./43)).*(S./35).*((f2.*(f.^2))./((f2.^2)+(f.^2))).*exp(-
D./6)+4.9.*0.0001.*(f.^2).*exp(-((T./27)+(D/17))); %Emme katsayısı [dB/km]Denklem
(56)
Ploss1=1.*10.*log10(r1)+(a.*r1.*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB], Denklem (20)
Ploss2=1.*10.*log10(r2)+(a.*r2.*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB], Denklem (20)
Ploss3=1.*10.*log10(r3)+(a.*r3.*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB], Denklem (20)
Ploss4=1.*10.*log10(r4)+(a.*r4.*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB] ,Denklem (20)
Prx1=10.*log10(Ptx3)-Ploss1; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (20)
Prx2=10.*log10(Ptx3)-Ploss2; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (20)
Prx3=10.*log10(Ptx3)-Ploss3; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (20)
Prx4=10.*log10(Ptx3)-Ploss4; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (20)
Prx11=10.*log10(Ptx1)-Ploss3; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (20)
Prx22=10.*log10(Ptx2)-Ploss3; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (20)
Prx33=10.*log10(Ptx3)-Ploss3; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (20)
Prx44=10.*log10(Ptx4)-Ploss3; %Alıcı S,nyal Seviyesi[dB], Denklem (20)
subplot('2,1,1');plot(f,Prx1,'b',f,Prx2,'r',f,Prx3,'g',f,Prx4,'k'); %Alıcı Sinyal Seviyesi
çizdirme
82
subplot('2,1,2');plot(f,Prx11,'b',f,Prx22,'r',f,Prx33,'g',f,Prx44,'k'); %Alıcı S,nyal Seviyesi
çizdirme
f)Şekil 34 ve şekil 35 ile ilgili matlab kodları.
f=10^0:10^0.1:10^2
s=0; %Nakliye Aktivite Faktörü
w=0 %rüzgar hızı
Nturb=17-30.*log10(f); %Türbülans Gürültüsü
Nship=40+20*(s-0.5)+26.*log10(f)-60.*log10(f+0.03); %Nakliye Gürültüsü
Nwind=50+7.5*(w^0.5)+20.*log10(f)-40.*log10(f+0.4); %Rüzgar Grültüsü
Nth=-15+20.*log10(f); % Termal Gürültü
figure(1);
semilogx(f,Nturb,'r',f,Nship,'b',f,Nwind,'g',f,Nth,'k'); %Denklem (34,35,36,37) logaritmik
çizimleri
Ntop=Nturb+Nship+Nwind+Nth; %Dnklem 58
figure(2);
semilogx(f,Ntop); %Dnklem 58 logaritmikçizimi
g)Şekil 36 ile ilgili matlab kodları.
clear all; close all;
Ptx=1;
r=500; %mesafa [m]
f=10^0:10^0.1:10^2; %Frekans [kHz]
B=100; %Bant genişliği [kHz]
s=0; %Nakliye Aktivite Faktörü
w=0 %rüzgar hızı
Nturb=17-30.*log10(f); %Türbülans Gürültüsü
Nship=40+20*(s-0.5)+26.*log10(f)-60.*log10(f+0.03); %Nakliye Gürültüsü
Nwind=50+7.5*(w^0.5)+20.*log10(f)-40.*log10(f+0.4); %Rüzgar Grültüsü
Nth=-15+20.*log10(f); % Termal Gürültü
S=35; %Tuzluluk[ppt]
D=0; %Derinlik[m]
T=4; %Derinlik
pH=8;
f1=0.78.*sqrt((S./35)).*exp(T./26);
f2=42.*exp(T./17);
a=0.106.*((f1.*(f.^2))./((f1.^2)+(f.^2))).*exp((pH-
8)./0.56)+0.52.*(1+(T./43)).*(S./35).*((f2.*(f.^2))./((f2.^2)+(f.^2))).*exp(-
D./6)+4.9.*0.0001.*(f.^2).*exp(-((T./27)+(D/17))); %Emme katsayısı [dB/km]Denklem
(56)
Ploss=1.*10.*log10(r)+(a.*r.*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB], Denklem (20)
SNR=10*log10(Ptx)-Ploss-Ntop-10*log10(B); %Denklem 59
plot(f,SNR); %Denklem 59 f ye bağlı çizimi
83
h)Şekil 36 ile ilgili matlab kodları.
clear all; close all;
Ptx=1;
r=0:0.1:500; %mesafa [m]
f=80 %Frekans [kHz]
B=100; %Bant genişliği [kHz]
s=0; %Nakliye Aktivite Faktörü
w=0 %rüzgar hızı
Nturb=17-30.*log10(f); %Türbülans Gürültüsü
Nship=40+20*(s-0.5)+26.*log10(f)-60.*log10(f+0.03); %Nakliye Gürültüsü
Nwind=50+7.5*(w^0.5)+20.*log10(f)-40.*log10(f+0.4); %Rüzgar Grültüsü
Nth=-15+20.*log10(f); % Termal Gürültü
S=35; %Tuzluluk[ppt]
D=0; %Derinlik[m]
T=4; %Derinlik
pH=8;
f1=0.78.*sqrt((S./35)).*exp(T./26);
f2=42.*exp(T./17);
a=0.106.*((f1.*(f.^2))./((f1.^2)+(f.^2))).*exp((pH-
8)./0.56)+0.52.*(1+(T./43)).*(S./35).*((f2.*(f.^2))./((f2.^2)+(f.^2))).*exp(-
D./6)+4.9.*0.0001.*(f.^2).*exp(-((T./27)+(D/17))); %Emme katsayısı [dB/km]Denklem
(56)
Ploss=1.*10.*log10(r)+(a.*r.*(10^-3)); %Yol Kaybı[dB], Denklem (20)
SNR=10*log10(Ptx)-Ploss-Ntop-10*log10(B); %Denklem 59
plot(r,SNR); %Denklem 59 r ye bağlı çizimi
84
BAŞLA
Tabanı
Gir
Taban
Denklemlerin
yazılması
Sınır
koşullarının
yazılması
İşlem
Sonuç
Gerçeğe
Yakınmı
Sonucun görsel
olarak elde
edilmesi
DUR
Hayır
Evet
EK-2
TÜM PROGRAMLAR İÇİN GENEL BİR PROGRAM AKIŞ DİYAGRAMI
85
EK -3
Standartlar ve Kısıtlar Formu
Karadeniz Teknik Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü
STANDARTLAR VE KISITLAR FORMU
1. Projenizin tasarım boyutu nedir? Açıklayınız.
Projemizde tasarım boyutu olarak su altı haberleşme kanallarında haberleşmeye etkileyen
parametresel denklemlerin teorik çalışmalarını ele almak ve uygulama olarak bu denklemlerin simülasyon
ortamında parametrelere bağlı olarak haberleşmeye etkilerini grafiksel olarak incelemek.
2. Projenizde bir mühendislik problemini kendiniz formüle edip, çözdünüz mü?
Mevcut problemlerden yola çıkarak gereken önermelerde bulunmaya çalıştık ancak tam anlamıyla
bir problemi formüle edip çözdüğümüzden bahsedemeyiz.
3. Önceki derslerde edindiğiniz hangi bilgi ve becerileri kullandınız?
Bölümümüzde gördüğümüz ve haberleşme hakkındaki bilgilerimizin temelini oluşturan teorik ve
pratiksel olarak uygulamaların ve aldığımız derslerden edindiğimiz bilgileri projemizde etkin olarak
kullandık diyebiliriz.
4. Kullandığınız veya dikkate aldığınız mühendislik standartları nelerdir?
IEC 60.945 Denizcilik Seyrüsefer ve Radyokomünikasyon Ekipman ve Sistemleri - Genel
Gereksinimler - Deney Yöntemleri ve Gerekli Test Sonuçları.
IEC 61.162 Denizcilik navigasyon ve telsiz ekipmanları ve sistemleri, Sayısal Sistemler.
IEC 61174 Denizcilik Seyrüsefer ve Radyo Haberleşme, Elektronik Harita Gösterim ve Bilgi
Sistemi (ECDIS).
IEC 61.993 Denizcilik Navigasyon ve telsiz cihaz ve sistemleri.
IEC 62388 Denizcilik Seyrüsefer ve Radyo İletişim, GEMİ Radar.
5. Kullandığınız veya dikkate aldığınız gerçekçi kısıtlar nelerdir?
a) Ekonomi
Ekonomik olarak gerçeklenebilir ve pratik uygulama imkanı sunabilen bir proje olması.
b) Çevre sorunları:
Kullandığımız teçhizatların insan sağlığı, sualtı canlıları ve sualtı yaşam hayatına etkileri.
c) Sürdürülebilirlik:
Projemiz günümüzde etkin bir çalışma sahasına sahip olmakla beraber her gün büyüyen ve
birçok yatırımların oluşturulduğu gelişmeye açık bir çalışmadır.
d) Üretilebilirlik:
Genel olarak varolan şeyler üzerinden yola çıktığımız için üretilebilirlik hakkında mevcut
sorunların irdelenerek yeni önerilerde bulunmak denilebilir.
f) Sağlık:
Yapılan incelemelerde bütün parametreler insanlar,diğer canlılar ve özellikle su altı canlılarının
sağlıkları gözetilerek irdelenmiş ve bu kısıtlara göre simülasyonlar oluşturulmuştur.
86
Projenin Adı SU ALTI AKUSTİK HABERLEŞME SİSTEMİ
SİMÜLASYONU
Projedeki Öğrencilerin adları 1) 210315 - Mehmet BOYALI
2) 210357 - İbrahim ÖNDER
3) 210392 - Erhan Kemal AKYAZI
Tarih ve İmzalar
87
ÖZGEÇMİŞ
MEHMET BOYALI
1991 yılında Antalya/ Kale de doğdu. 1996-2001 yılları arası ilköğretim eğitiminin ilk
5 yılını Karabucak İlköğretim Okulunda, 2001-2004 yılları arası ilköğretim eğitiminin
kalan 3 yılını Yunus Emre İlköğretim okulunda tamamlayarak 8 yıllık ilköğretim eğitimini
tamamladı. Lise eğitimini 2004-2008 yılları arasında Demre Anadolu Lisesinde tamamladı.
İlköğretim ve lise eğitimleri boyunca Antalya/ Demre de ikamet etti. Lisans eğitimine ise
2008 yılında kayıt olduğu Karadeniz Teknik Üniversitesi Elektrik & Elektronik
Mühendisliği Bölümü lisans programında devam etmekte. Şu an son sınıf öğrencisi.
Yabancı dil olarak İngilizce ve almanca bilmekte.
İBRAHİM ÖNDER
26 Mart 1988 Rize/Ardeşen’de doğdu. İlköğretimi Işıklı 60. Yıl İlköğretim Bölge
Okulu’nda okuyup ilk öğretimi burada bitirdi. Orta öğretimini Ardeşen (YDA) Lisesi’nde
okudu. 2008 yılında Karadeniz Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisği
bölümünü kazandı. Şu anda Karadeniz Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektronik
Mühendisliğinde lisans eğitimine devam etmektedir.
ERHAN KEMAL AKYAZI
1990 yılıda Trabzon'un Çarşıbaşı ilçesinde doğdu. İlk öğretim ve Orta Öğretimimi
Çarşıbaşı Gazi İlköğretim okunun da tamamladı. 2004 Yılında Vakfıkebir lisesinde lise
eğitimime başladı ve 2007 yılında Vakfıkebir lisesinden mezun oldu. 2008 yılında
Karadeniz Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği bölümünde Lisans
eğitimime başladı ve eğitimine halen burada eğitimine devam etmektedir.