Hai tàu ngầm Kilo đầu tiên sắp được Nga bàn giao cho Việt Nam đều có trang bị hệ thống sonar - công nghệ được mệnh danh là “con mắt của tàu ngầm”!
Cá voi và âm thanh
Dù đã nghiên cứu các loài động vật biển thông minh trong nhiều thập kỷ, thế giới âm thanh của chúng vẫn còn nhiều bí ẩn khiến các nhà khoa học phải ghen tị, đặc biệt là khả năng “nhìn bằng âm thanh”.
Một trong những bậc thầy có khả năng này chính là cá voi. Cá voi sử dụng phản xạ của sóng âm thanh để phát hiện kích thước, hình dạng và tốc độ của các đối tượng cách nó hàng trăm mét.
Nguyên tắc là một bộ phận trên trán cá voi phát ra âm thanh về phía trước. Các sóng âm truyền trong môi trường xung quanh, dội vào những đối tượng gần đó và phản xạ lại, tương tự như khi giọng nói của bạn vang vọng trong hẻm núi. Sóng âm phản xạ trở lại sẽ được dây thần kinh thính giác cá voi ghi nhận và truyền lên não, nơi hình ảnh âm thanh được tạo ra. Bằng cách phân tích sóng âm, cá voi thậm chí có thể phân biệt giữa một quả bóng golf và một quả bóng bàn.
Sau nhiều nỗ lực mô phỏng “món quà” mà 50 triệu năm tiến hóa ban tặng cho cá voi, con người đã sáng chế ra sonar (sound navigation and ranging) – công nghệ máy dò sóng âm.
Sonar: sử dụng tiếng vang
Sonar đơn giản là công nghệ sử dụng tiếng vang với chìa khóa là khả năng truyền dẫn tuyệt vời của âm thanh trong nước. Âm thanh tạo ra trong nước thường truyền đi nhanh gấp 4,5 lần so với trong không khí với vận tốc khoảng 1.500 m/s. Tốc độ truyền sóng âm trong nước ngọt chậm hơn nước biển, nhưng khác biệt không đáng kể.
Có hai loại sonar: chủ động và thụ động.
• Sonar thụ động (passive sonar): chỉ ghi nhận và phân tích âm thanh phát ra từ đối tượng.
• Sonar chủ động (active sonar): phát ra sóng âm thanh, sau đó ghi nhận và đo lường đặc điểm tiếng vang dội lại.
So với loại chủ động, sonar thụ động có một số lợi thế bởi không phát ra tiếng ồn nên thường được hải quân sử dụng để phát hiện tàu ngầm. Các nhà nghiên cứu cũng dùng sonar thụ động để theo dấu sinh vật biển. Vì mỗi loại sinh vật phát ra âm thanh đặc trưng, việc xác định đối tượng dựa trên sonar rất đơn giản. Tuy nhiên, nhược điểm của sonar thụ động là yêu cầu linh kiện điện tử chất lượng cao nên rất tốn kém, do đó sonar dùng cho ứng dụng dân sự thường là loại chủ động.
Tuy hoạt động tương tự như radar nhưng sonar có những ưu điểm riêng biệt. Radar sử dụng chùm sóng điện từ có thể phát hiện tên lửa tầm xa cách đến 2.500 km, nhưng sóng điện từ không truyền được trong nước nên không thể phát hiện mục tiêu dưới mặt nước như sonar. Sonar không chỉ trang bị được cho tàu và tàu ngầm mà cả máy bay và trực thăng dùng trong cứu nạn trên biển nhờ gắn vào các phao thả xuống biển.
Động lực Titanic
Theo sử sách ghi lại, năm 1490, danh họa, nhà sáng chế Leonardo da Vinci (Ý) chính là người tiên phong bắt chước cá voi lắng nghe sóng âm bằng một chiếc ống cắm xuống nước. Nhưng thảm họa chìm tàu Tinanic năm 1912 mới là động lực thật sự thúc đẩy nhà khí tượng học Lewis Richardson (Anh) sáng chế thiết bị đo sóng âm đầu tiên trên thế giới. Một năm sau, kỹ sư tàu ngầm Reginald Fessenden (Canada) nghiên cứu thành công bộ cảm biến sóng âm có thể phát hiện băng trôi từ khoảng cách 3 km. Cảm biến này sau đó được trang bị cho 10 tàu ngầm của Anh trong năm 1915, khởi đầu kỷ nguyên mới của các nghiên cứu chuyên sâu hơn về máy dò sóng âm dùng cho tàu chiến. Thuật ngữ “Sonar” ra đời tại Mỹ trong chiến tranh thế giới thứ II, và thế kỷ 21 đánh dấu hàng loạt công nghệ “sonar” cải tiến với sự phức tạp và độ chính xác cao ứng dụng trong cả dân sự lẫn quân sự.
An ninh dưới nước
Lĩnh vực nổi bật nhất của công nghệ sonar là tác chiến trên biển. Máy dò sonar được mệnh danh là “con mắt của tàu ngầm”, giúp phát hiện mục tiêu dưới nước từ xa, không chỉ mục tiêu lớn như tàu bè mà cả thủy lôi, ngư lôi, bom, mìn, người nhái, thợ lặn…, và còn được gắn trên tàu hoặc ở lối vào các cảng để chống xâm nhập từ dưới nước.
Máy dò sonar phát hiện tàu ngầm.
Nghiên cứu phát triển công nghệ sonar và công nghệ phòng thủ của tàu ngầm là cuộc chạy đua không ngơi nghỉ. Trong khi tàu ngầm hiện đại được cải tiến để chạy êm hơn, ít phát ra tiếng động, sơn thêm lớp hấp thụ sóng âm… để thoát khỏi máy dò sóng âm, thì thế hệ sonar hiện đại cũng không hề kém cạnh với độ chính xác cao và phạm vi phủ sóng đáng kể, phân biệt rất rõ giữa tàu ngầm, đá ngầm và cá voi, cả sinh vật vô cơ và hữu cơ. Kết hợp đo lường thay đổi nhiệt độ và độ mặn của nước biển, công nghệ sonar cải tiến còn nhận diện được cả những tàu ngầm đang nằm im phục kích. Nếu cá voi chỉ phân biệt được các đối tượng nhỏ cách 15 mét thì hệ thống sonar mới hoạt động trong bán kính lên đến hàng ngạn dặm, có thể bao trùm 80% đại dương trên trái đất chỉ bằng 4 điểm phát sóng.
Hệ thống sonar trên hai tàu ngầm Kilo của Nga đóng cho Việt Nam vừa qua là hệ thống MGK 400E, được cho là “ăn đứt” cả hệ thống sonar cơ bản của tàu Kilo 636MK của Trung Quốc với tốc độ cao, nhiều công năng và mức độ số hóa cao hơn.
Đi tìm kho báu dưới biển sâu
Đa phần những gì nằm bên dưới đại dương vẫn chưa được khám phá, nhưng các nhà khoa học hy vọng có thể phát triển kỹ thuật sonar để một ngày nào đó lập được bản đồ mọi vùng biển trên trái đất. Sonar đang là công cụ đắc lực giúp các chuyên gia ước lượng sinh khối, khảo sát đại dương, lập bản đồ đáy biển... Mỹ và Nga từng lắp rất nhiều hệ thống sonar thụ động tại các điểm khác nhau trên các đại dương của thế giới, gọi chung là hệ thống giám sát âm thanh (SOSUS). Sau khi kết thúc chiến tranh, các hệ thống này được bàn giao để phục vụ nghiên cứu khoa học. Từ các dữ liệu sóng âm thu thập được bởi tàu ngầm, máy tính sẽ lập mô hình mô phỏng từng rãnh nhỏ, thung lũng, đỉnh núi dưới đáy biển sâu,…, những nơi con người khó lòng đặt chân đến.
| Tháng 3 năm 2012, sau hơn một phần tư thế kỷ tìm thấy dưới đáy đại dương (năm 1985), những hình ảnh rõ nét về xác tàu Titanic đã được các nhà nghiên cứu tiết lộ. Kết hợp với 100.000 bức ảnh được chụp từ robot dưới nước, nhóm nghiên cứu đã chuyển đổi các sóng âm phản xạ thành hình ảnh kỹ thuật số, cho phép họ "nhìn thấy" chi tiết từng mảnh vỡ của con tàu qua độ sâu âm u của biển Bắc Đại Tây Dương. Stephenson, một nhà sử học cho biết: "khi nhìn vào |  |
bản đồ sonar, bạn có thể nhìn thấy chính xác những gì đã xảy ra trên con tàu định mệnh cách đây 100 năm”.
Động lực phát triển ngành thủy sản
Công nghệ sonar là một trong những động lực quan trọng đằng sau sự phát triển của ngành thủy sản. Hệ thống sonar cho phép chỉ cần ngồi trên tàu là có thể ước lượng từ xa vị trí, mức độ tập trung, tốc độ và hướng di chuyển của từng đàn cá, vừa đảm bảo an toàn cho ngư dân, vừa tăng sản lượng và giảm thời gian đánh bắt đáng kể.
Theo bài báo ""Mắt dò đại dương” của ngư dân" (Báo Quảng Trị Điện Tử - Tháng 4/2013), tại Việt Nam, thị trấn Cửa Việt (Gio Linh, Quảng Trị) là một trong những địa điểm đang triển khai mô hình cung cấp máy dò sonar cho ngư dân. Nói về hiệu quả, anh Hồ Văn Thà – một ngư dân đang sử dụng cho biết, máy dò sonar giúp họ nhanh chóng tìm đúng luồng cá và đánh bắt được nhiều hơn hẳn, thu về 100 triệu chỉ sau 5 ngày đánh bắt. Tuy nhiên, kinh phí đầu tư 299 triệu đồng là một số tiền không nhỏ, chưa kể khó khăn của ngư dân khi tiếp cận với các thông số kỹ thuật của máy.
Công nghệ sonar mang lại rất nhiều lợi ích, nhưng trên một phương diện khác lại không được các nhà khoa học ủng hộ. Một số nghiên cứu cho rằng sóng siêu âm có thể gây tác động không mong muốn lên các sinh vật biển. Máy phát sonar khiến chúng nhầm lẫn tín hiệu phát ra từ các loài động vật, làm rối loạn các chức năng sinh học cơ bản như săn mồi, giao phối… Sẽ thật oái ăm nếu công nghệ sonar mô phỏng theo cá voi lại gây hại cho loài động vật thông minh này.
Ứng dụng công nghệ sonar trong đánh bắt thủy sản.
Nhật Anh, STINFO Số 8/2013