Specialista di funzionamento 2a classe Gilbert Lundgren opera apparecchiature radar nel centro informazioni di combattimento della USS Carney. Foto per gentile concessione del Dipartimento della Difesa Il radar è qualcosa che è in uso intorno a noi, anche se normalmente è invisibile. Il controllo del traffico aereo utilizza il radar per tracciare gli aerei sia a terra che in aria, e anche per guidare gli aerei per atterraggi senza intoppi. La polizia usa il radar per rilevare la velocità degli automobilisti di passaggio. La NASA usa il radar per mappare la Terra e altri pianeti, per tracciare satelliti e detriti spaziali e per aiutare in cose come l'attracco e le manovre. L'esercito lo usa per individuare il nemico e per guidare le armi.
I meteorologi usano il radar per seguire le tempeste, uragani e tornado. Puoi persino vedere una forma di radar in molti negozi di alimentari quando le porte si aprono automaticamente! Ovviamente, il radar è una tecnologia estremamente utile.
Quando le persone usano il radar, di solito stanno cercando di realizzare una delle tre cose:
Tutte e tre queste attività possono essere svolte utilizzando due cose con cui potresti avere familiarità nella vita di tutti i giorni: eco e spostamento Doppler . Questi due concetti sono facili da capire nel regno del suono perché le tue orecchie sentono l'eco e lo spostamento Doppler ogni giorno. Il radar utilizza le stesse tecniche utilizzando le onde radio.
In questo articolo, scopriremo i segreti del radar. Diamo un'occhiata al suono prima versione, visto che conosci già questo concetto.
Contenuti
Eco è qualcosa che sperimenti tutto il tempo. Se gridi in un pozzo o in un canyon, l'eco ritorna un attimo dopo. L'eco si verifica perché alcune delle onde sonore nel tuo grido si riflettono su una superficie (l'acqua sul fondo del pozzo o la parete del canyon sul lato opposto) e tornano alle tue orecchie. L'intervallo di tempo tra il momento in cui urli e il momento in cui senti l'eco è determinato dalla distanza tra te e la superficie che crea l'eco.
Calcolo della profondità con l'eco
Quando gridi in un pozzo, il suono del tuo grido percorre il pozzo e viene riflesso (eco) dalla superficie dell'acqua sul fondo del pozzo. Se misuri il tempo impiegato dall'eco per tornare e se conosci la velocità del suono, puoi calcolare la profondità del pozzo in modo abbastanza accurato.
Spostamento Doppler:la persona dietro l'auto sente un tono più basso rispetto all'autista perché l'auto si sta allontanando. La persona davanti all'auto sente un tono più alto dell'autista perché l'auto si sta avvicinando. spostamento Doppler è anche comune. Probabilmente lo sperimenti quotidianamente (spesso senza rendertene conto). Lo spostamento Doppler si verifica quando il suono è generato da, o riflesso da, un oggetto in movimento. Lo spostamento Doppler all'estremo crea boom sonico (vedi sotto). Ecco come capire lo spostamento Doppler (potresti anche provare questo esperimento in un parcheggio vuoto). Diciamo che c'è un'auto che viene verso di te a 60 miglia all'ora (mph) e il clacson sta squillando. Sentirai il clacson suonare una "nota" mentre l'auto si avvicina, ma quando l'auto ti passa il suono del clacson passerà improvvisamente a una nota più bassa. È lo stesso corno che fa lo stesso suono per tutto il tempo. Il cambiamento che senti è causato dallo spostamento Doppler.
Ecco cosa succede. Il velocità del suono attraverso l'aria nel parcheggio è fisso. Per semplicità di calcolo, diciamo che è 600 mph (la velocità esatta è determinata dalla pressione dell'aria, temperatura e umidità). Immagina che la macchina sia ferma, è esattamente a 1 miglio da te e suona il clacson per un minuto esatto. Le onde sonore del clacson si propagheranno dall'auto verso di te a una velocità di 600 mph. Quello che ascolterai è un ritardo di sei secondi (mentre il suono percorre 1 miglio a 600 mph) seguito da esattamente un minuto di suono.
Ora diciamo che l'auto si sta muovendo verso di te a 60 mph. Parte da un miglio di distanza e suona il clacson per un minuto esatto. Sentirai ancora il ritardo di sei secondi. Però, il suono verrà riprodotto solo per 54 secondi. Questo perché l'auto sarà proprio accanto a te dopo un minuto, e il suono alla fine del minuto ti arriva istantaneamente. L'auto (dal punto di vista del guidatore) sta ancora suonando il clacson per un minuto. Perché la macchina è in movimento, però, il valore del minuto di suono viene racchiuso in 54 secondi dal tuo punto di vista. Lo stesso numero di onde sonore viene impacchettato in un minor lasso di tempo. Perciò, la loro frequenza è aumentata, e il suono del corno ti suona più alto. Mentre la macchina ti passa e si allontana, il processo è invertito e il suono si espande per riempire più tempo. Perciò, il tono è più basso.
È possibile combinare l'eco e lo spostamento doppler nel modo seguente. Supponiamo che tu emetta un suono forte verso un'auto che si muove verso di te. Alcune delle onde sonore rimbalzeranno sull'auto (un'eco). Perché la macchina si sta muovendo verso di te, però, le onde sonore saranno compresso . Perciò, il suono dell'eco avrà un tono più alto del suono originale che hai inviato. Se misuri il tono dell'eco, puoi determinare la velocità dell'auto.
Boom sonicoMentre siamo qui sul tema del suono e del movimento, possiamo anche capire i boom sonici. Supponiamo che l'auto si stesse muovendo verso di te esattamente alla velocità del suono:circa 700 mph. L'auto suona il clacson. Le onde sonore generate dal corno non possono andare più veloci della velocità del suono, quindi sia la macchina che il clacson ti stanno venendo addosso a 700 mph, quindi tutto il suono proveniente dall'auto "si accumula". non senti niente, ma puoi vedere l'auto avvicinarsi. Esattamente nello stesso momento in cui arriva la macchina, così fa tutto il suo suono ed è FORTE! Questo è un boom sonico.
Lo stesso fenomeno si verifica quando una barca attraversa l'acqua più velocemente di quanto le onde viaggino attraverso l'acqua (le onde in un lago si muovono a una velocità di forse 5 mph - tutte le onde viaggiano attraverso il loro mezzo a una velocità fissa). Le onde che la barca genera "si accumulano" e formano l'onda di prua a forma di V (scia) che vedi dietro la barca. L'onda di prua è davvero una sorta di boom sonico. È la combinazione accumulata di tutte le onde che la barca ha generato. La scia forma una forma a V, e l'angolo della V è controllato dalla velocità della barca.
Per saperne di più
A sinistra:le antenne del Goldstone Deep Space Communications Complex (parte del Deep Space Network della NASA) aiutano a fornire comunicazioni radio per il veicolo spaziale interplanetario della NASA. A destra:il radar di ricerca di superficie e il radar di ricerca aerea sono montati sull'albero di trinchetto di un cacciatorpediniere missilistico guidato. Foto per gentile concessione della NASA (a sinistra), Dipartimento della Difesa (a destra) Abbiamo visto che l'eco di un suono può essere usato per determinare quanto è lontano qualcosa, e abbiamo anche visto che possiamo usare lo spostamento Doppler dell'eco per determinare quanto velocemente sta andando qualcosa. È quindi possibile creare un "radar sonoro, " ed è esattamente quello che sonar è. I sottomarini e le barche usano sempre il sonar. Potresti usare gli stessi principi con il suono nell'aria, ma il suono nell'aria ha un paio di problemi:
Il radar utilizza quindi le onde radio invece del suono. Le onde radio viaggiano lontano, sono invisibili all'uomo e sono facili da rilevare anche quando sono deboli.
Prendiamo un tipico radar progettato per rilevare gli aeroplani in volo. Il radar accende il suo trasmettitore e spara un breve, burst ad alta intensità di onde radio ad alta frequenza. Il burst potrebbe durare un microsecondo. Il radar spegne quindi il suo trasmettitore, accende il ricevitore e ascolta l'eco. Il radar misura il tempo impiegato dall'eco per arrivare, così come lo spostamento Doppler dell'eco. Le onde radio viaggiano alla velocità della luce, circa 1, 000 piedi al microsecondo; quindi se il radar ha un buon clock ad alta velocità, può misurare la distanza dell'aereo in modo molto accurato. Utilizzando speciali apparecchiature di elaborazione del segnale, il set radar può anche misurare lo spostamento Doppler in modo molto accurato e determinare la velocità dell'aereo.
Nel radar terrestre, c'è molta più potenziale interferenza che nel radar aereo. Quando un radar della polizia emette un impulso, riecheggia di tutti i tipi di oggetti:recinzioni, ponti, montagne, edifici. Il modo più semplice per rimuovere tutto questo tipo di confusione è filtrarlo riconoscendo che non è spostato dal Doppler. Un radar della polizia cerca solo segnali Doppler spostati, e poiché il raggio radar è ben focalizzato, colpisce solo un'auto.
La polizia sta ora utilizzando una tecnica laser per misurare la velocità delle auto. Questa tecnica si chiama lidar , e usa la luce invece delle onde radio. Vedere Come funzionano i rilevatori radar per informazioni sulla tecnologia lidar.
