Từ tiếng chuông dưới nước đến sonar: Reginald Fessenden biến âm thanh thành thước đo khoảng cách

Trong sương mù, một con tàu có thể vẫn nhìn thấy bờ nhưng không biết đá ngầm đang ở đâu. Năm 1899, tàu buồm Edward Rich đâm vào công trình chắn sóng ngoài khơi Boston khi thủy thủ đoàn mất phương hướng; những vụ đắm tương tự từng xảy ra dày đặc trên các vùng biển nhiều sương. Câu hỏi đặt ra là: nếu mắt không thể nhìn xuyên màn mù, liệu tai có thể giúp con tàu đo được vật cản hay không? [1]

Câu trả lời bắt đầu từ tiếng chuông đặt dưới nước, rồi chuyển sang một thiết bị có thể vừa phát âm vừa nghe tiếng vọng. Reginald Fessenden không chỉ giúp cải thiện việc nghe chuông dẫn đường; ông đã mở ra cách dùng thời gian âm thanh quay trở lại để ước tính khoảng cách. Đó là bước chuyển quan trọng đưa âm thanh dưới nước từ tín hiệu báo hiệu thành một công cụ quan sát đại dương. [1]

Vì sao chuông ngầm ra đời?

Trước khi có thiết bị đo tiếng vọng, người đi biển chủ yếu dựa vào hải đăng, còi và bản đồ còn chưa mô tả chính xác đáy biển. Những tín hiệu này có thể báo rằng đất liền hoặc vùng nguy hiểm ở gần, nhưng không cho biết một mỏm đá nằm cách mạn tàu bao xa. Hơn nữa, hải đăng phát tín hiệu trong không khí nên dễ bị sương mù làm giảm hiệu quả. [1]

Năm 1901, Submarine Signal Company được thành lập để phát triển một mạng chuông dưới nước. Các chuông lớn đặt gần đá ngầm, bãi cạn hoặc lối vào cảng sẽ phát âm thanh; tàu mang hydrophone, tức bộ thu âm dưới nước, lắng nghe và xác định hướng đi dựa trên tiếng chuông. Âm thanh truyền xa trong nước hơn trong không khí, nên phương án này có thể mở rộng phạm vi cảnh báo mà không cần nhìn thấy nguồn phát. [1]

Cách hình dung đơn giản là một con tàu đi trong bóng tối nghe tiếng còi từ một con đường quen thuộc. Âm thanh cho biết nơi cần tránh hoặc nơi nên hướng tới, nhưng chưa tự nó cho biết vật cản cách tàu bao nhiêu. Hệ thống chuông khi ấy vẫn là công cụ dẫn đường, chưa phải một chiếc thước đo dưới nước.

Hydrophone gặp trở ngại gì?

Hydrophone ban đầu không chỉ nghe tiếng chuông. Nó thu một dải âm rộng, trong đó có tiếng nước xô, tiếng máy tàu và nhiều rung động khác. Những âm thanh nền này có thể che lấp tiếng bong của chuông, đến mức tàu phải giảm tốc hoặc dừng hẳn để người vận hành cố nghe và xác định hướng. [1]

Thảm họa Titanic năm 1912 khiến vấn đề an toàn hàng hải được chú ý mạnh hơn. Khi đó, mục tiêu không còn chỉ là đưa tàu theo một tín hiệu đã đặt sẵn, mà là phát hiện một vật thể ở phía trước ngay cả khi vật thể ấy không phát tín hiệu. Muốn vậy, hệ thống phải chủ động gửi âm thanh vào nước, rồi nhận lại âm thanh phản hồi từ đá, băng hoặc đáy biển. [1]

Fessenden đã thay đổi thiết bị ra sao?

Reginald Fessenden bước vào bài toán với nền tảng về vô tuyến, nơi việc phát và thu tín hiệu ở những tần số phù hợp là yếu tố then chốt. Thay vì chỉ sửa hydrophone theo yêu cầu ban đầu, ông chế tạo một bộ chuyển đổi có thể làm cả hai việc: phát âm thanh và nhận âm thanh. Thiết bị này về sau được gọi là Fessenden oscillator. [1]

Về cấu tạo, bộ dao động có một ống kim loại rỗng quấn dây và một màng kim loại ở đầu. Dòng điện xoay chiều làm ống rung; rung động truyền tới màng và tạo ra tiếng phát mạnh trong nước. Khi sóng âm phản hồi trở lại, chính thiết bị có thể hoạt động như một bộ thu được điều chỉnh để nhận những tần số tương ứng. [1]

Điểm đáng chú ý không nằm ở việc thiết bị phát ra âm thanh lớn, mà ở sự kết hợp giữa phát và thu trong cùng một hệ thống. Một tiếng chuông chỉ nói rằng tín hiệu đang đến từ đâu đó. Một xung âm thanh do tàu chủ động phát ra còn tạo cơ hội ghi nhận khoảnh khắc tiếng vọng quay về, từ đó biến một hiện tượng nghe được thành một phép đo.

Tiếng vọng đo khoảng cách thế nào?

Năm 1914, Fessenden cùng các kỹ sư thử thiết bị trên tàu Miami gần những vùng có băng trôi. Khi bộ dao động hướng về một tảng băng, âm thanh phát ra, truyền qua nước, chạm vào bề mặt rồi phản xạ trở lại. Nhóm thử nghiệm dùng đồng hồ bấm giờ để đo khoảng thời gian giữa tiếng phát và tiếng vọng. [1]

Nguyên tắc rất ngắn gọn: khoảng cách được ước tính từ vận tốc âm thanh trong nước nhân với thời gian tín hiệu đi và trở về, sau đó tính đến quãng đường khứ hồi. Vì âm thanh phải đi tới vật thể rồi quay lại, kết quả không thể lấy thời gian ấy như quãng đường một chiều. Đây là điểm biến sonar thành dụng cụ đo, chứ không chỉ là một thiết bị cảnh báo. [1]

Cùng chuyến thử nghiệm, nhóm còn hướng thiết bị xuống đáy biển để đo độ sâu. Với vùng nước tương đối nông, tiếng vọng quay về nhanh đến mức bấm giờ thủ công khó cho kết quả chính xác, nhưng tín hiệu vẫn đủ rõ để nghe thấy. Chi tiết này cho thấy cùng một nguyên lý có thể trả lời hai câu hỏi khác nhau: phía trước có vật cản ở đâu, và đáy biển nằm bên dưới sâu đến mức nào. [1]

Từ phát minh hàng hải đến cách nhìn đại dương

Ban đầu, Submarine Signal Company chưa lập tức khai thác hết khả năng đo tiếng vọng. Thiết bị được tiếp thị chủ yếu như một phương tiện liên lạc dưới nước, trong khi Fessenden tiếp tục thúc đẩy công dụng phát hiện vật thể và đo độ sâu. Về sau, công ty quảng bá phiên bản đo tiếng vọng dưới tên Fathometer. [1]

Giá trị lâu dài của phát minh nằm ở việc nó thay đổi phương pháp khảo sát đáy biển. Trước đó, người ta có thể thả vật nặng xuống nước để ước lượng độ sâu tại từng điểm, một cách làm chậm và khó bao quát. Echo sounding, tức đo độ sâu bằng tiếng vọng, cho phép thu thập nhiều điểm đo hiệu quả hơn, góp phần tạo nên những bản đồ địa hình đáy biển chi tiết. [1]

Những bản đồ ấy dần cho thấy đáy đại dương không phải một mặt phẳng đơn điệu: có sống núi lửa, đồng bằng sâu và các vùng đứt gãy. Về sau, dữ liệu đo độ sâu trở thành một phần quan trọng trong sự phát triển của hải dương học và việc hiểu cấu trúc đáy biển. Vì thế, câu chuyện của Fessenden không chỉ là chuyện tránh một tảng băng trong sương mù. Nó đánh dấu thời điểm con người bắt đầu dùng tiếng vọng để biến phần đại dương vô hình thành địa hình có thể đo đạc. [1]