ความสำคัญของเครื่องยนต์ดีเซลในเรือดำน้ำดีเซลไฟฟ้า

สืบเนื่องจากข่าวรัฐบาลเยอรมนีไม่ออกใบอนุญาตส่งออกเครื่องยนต์ดีเซลของบริษัท MTU เพื่อไปติดตั้งในโครงการเรือดำน้ำชั้น Hangor ของปากีสถาน กับโครงการเรือดำน้ำชั้น S26T ของไทย วันนี้จึงขอนำเสนอความสำคัญของเครื่องยนต์ดีเซลในเรือดำน้ำดีเซลไฟฟ้าว่ามีผลกระทบอย่างไร และเหตุใด ทร.ปากีสถาน และ ทร.ไทย จึงมีความต้องการเครื่องยนต์ดีเซลของบริษัท MTU

ภาพตัดภายในเรือดำน้ำชั้น 209 (ภาพจาก Boatdesign.net)

สิ่งแรกที่ต้องกล่าวถึงเมื่อพูดถึงความสำคัญของเครื่องยนต์ดีเซล คือการทำงานของระบบขับเคลื่อนเรือดำน้ำดีเซลไฟฟ้า กล่าวคือ เรือดำน้ำดีเซลไฟฟ้าในปัจจุบันใช้การขับเคลื่อนจากมอเตอร์ไฟฟ้าไปหมุนเพลาใบจักร ส่วนเครื่องยนต์ดีเซลใช้สำหรับขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเท่านั้น ไม่มีการต่อเพลาไปขับใบจักร ซึ่งกระแสไฟฟ้าที่ได้จากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะนำไปชาร์จแบตเตอรี่เพื่อใช้ขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้าและใช้กับอุปกรณ์อื่นๆ ในเรือดำน้ำ

ผังการทำงานของเรือดำน้ำดีเซลไฟฟ้า (ภาพจาก Quora.com)

เรือดำน้ำดีเซลไฟฟ้าจะใช้พลังงานจากแบตเตอรี่เป็นหลัก และจะเดินเครื่องยนต์ดีเซลชาร์จแบตเตอรี่เมื่อจำเป็นเท่านั้น โดยการเดินเครื่องยนต์ดีเซลจะต้องใช้อากาศ (ก๊าซออกซิเจน) จากนอกตัวเรือในการเผาไหม้ และจะมีไอเสียจากการเผาไหม้ที่ต้องปล่อยออกนอกตัวเรือ ซึ่งเรือดำน้ำดีเซลไฟฟ้าในปัจจุบันสามารถเดินเครื่องดีเซลขณะอยู่ใต้น้ำที่ความลึก Periscope Depth ด้วยการชักท่อ Snorkel ดูดอากาศจากภายนอก และปล่อยไอเสียผสมในน้ำทะเลผ่าน Diffuser โดยไม่จำเป็นต้องลอยขึ้นบนผิวน้ำ

หนึ่งในสมรรถนะสำคัญของเรือดำน้ำ คืออัตราส่วนของระยะเวลาที่เรือดำน้ำต้องชักท่อ Snorkel ทำการชาร์จแบตเตอรี่ ต่อระยะเวลาปฏิบัติการใต้น้ำทั้งหมด (ระยะเวลาชาร์จแบตเตอรี่+ระยะเวลาปฏิบัติการจากแบตเตอรี่) เพื่อรักษาระดับแบตเตอรี่คงที่ ซึ่งอัตราส่วนนี้เรียกว่า “อัตราการเปิดเผยตัว” หรือ “Indiscretion Rate” / “Indiscretion Ratio” โดยจะเห็นได้ว่าอัตราการเปิดเผยตัวยิ่งมีค่าน้อย หมายถึงเรือดำน้ำจะมีโอกาสเปิดเผยตัวต่ำ และหนึ่งในปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อค่าอัตราการเปิดเผยตัวก็คือประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ดีเซลนั่นเอง กล่าวคือ ยิ่งประสิทธิภาพในการชาร์จแบตเตอรี่ดี ทำให้เวลาการชาร์จสั้น ก็จะมีอัตราการเปิดเผยตัวที่น้อยลง

เรือดำน้ำมีโอกาสถูกตรวจจับได้ง่ายระหว่างการชาร์จแบตเตอรี่ (ภาพจาก Thenewstoday.com.pk)

เรือดำน้ำดีเซลไฟฟ้ามีพลังงานในแบตเตอรี่จำกัด และสามารถใช้ความเร็วสูงได้ในช่วงสั้นๆ เท่านั้น ดังนั้นหากเรือดำน้ำดีเซลไฟฟ้าถูกตรวจพบแล้วจะมีความเสียเปรียบอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ เรือดำน้ำดีเซลไฟฟ้าจึงให้ความสำคัญกับการซ่อนพรางเป็นอย่างมาก และเครื่องยนต์ดีเซลในเรือดำน้ำจึงต้องเป็นรุ่นเฉพาะที่ถูกออกแบบให้มีประสิทธิภาพสูงในพื้นที่จำกัดและมีมาตรการลดเสียงเป็นพิเศษ เพื่อให้สามารถชาร์จแบตเตอรี่ได้เร็วและลดความเสี่ยงที่จะถูกตรวจจับได้ ซึ่งบริษัท MTU เป็นผู้ผลิตเครื่องยนต์ดีเซลรุ่น SE สำหรับเรือดำน้ำที่มีความน่าเชื่อถือและเป็นที่รู้จักดีทั่วโลก มีผู้ใช้งานทั้งในเรือดำน้ำดีเซลไฟฟ้าและเรือดำน้ำนิวเคลียร์ในประเทศต่างๆ กว่า 600 เครื่อง (ในเรือดำน้ำนิวเคลียร์ก็มีเครื่องยนต์ดีเซลเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าฉุกเฉิน) ทำให้ถึงแม้ว่า ทร.ไทย และ ทร.ปากีสถาน จะเลือกจัดหาเรือดำน้ำจากจีน แต่ก็มีความต้องการติดตั้งเครื่องยนต์ดีเซลจากบริษัท MTU ของเยอรมนี

ภาพวาดเรือดำน้ำชั้น Ming (Type 035) หมายเลข 361 ของ ทร.จีน (ภาพจาก super-hobby.cz)

นอกจากปัจจัยในเรื่องประสิทธิภาพและการซ่อนพรางแล้ว ความปลอดภัยก็เป็นปัจจัยสำคัญในการเลือกเครื่องยนต์ดีเซลในเรือดำน้ำ ตัวอย่างเช่น เมื่อปี ค.ศ.2003 ได้เกิดเหตุการณ์เรือดำน้ำชั้น Ming (Type 035) ของ ทร.จีน ติดตั้งเครื่องยนต์ดีเซล Type E390ZC-1 เกิดเหตุขัดข้องทำให้กำลังพลจำนวน 70 นายเสียชีวิตทั้งลำระหว่างการฝึก ซึ่งคาดว่าสาเหตุเกิดจากเครื่องยนต์ดีเซลดูดอากาศภายในเรือจนหมด หรือมีไอเสียรั่วเข้าไปในตัวเรือ ส่งผลให้กำลังพลขาดอากาศหายใจทั้งลำ

จากความสำคัญของเครื่องยนต์ดีเซลในเรือดำน้ำดีเซลไฟฟ้า จะเห็นว่าต้องเป็นรุ่นสำหรับติดตั้งในเรือดำน้ำโดยเฉพาะ และต้องเป็นผู้ผลิตที่มีความน่าเชื่อถือ เพื่อประสิทธิภาพในการซ่อนพราง ผลสำเร็จของการปฏิบัติภารกิจ และความปลอดภัยของกำลังพลประจำเรือ

เรือดำน้ำดีเซลไฟฟ้า กับการปราบเรือดำน้ำในปัจจุบัน

จากข่าวการเพิ่มขีดความสามารถด้านเรือดำน้ำในภูมิภาคเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ในช่วงนี้ ประกอบกับสถานการณ์ทางเศรษฐกิจและการแพร่ระบาดของไวรัส COVID-19 จนทำให้ พล.ร.อ.สมประสงค์ นิลสมัย ผบ.ทร. ประกาศเลื่อนการจัดหาเรือดำน้ำ S26T ลำที่ 2-3 ออกไป อาจทำให้หลายคนมีความสงสัยว่าเหตุใดกองทัพเรือจึงไม่เร่งจัดหาเรือดำน้ำเพื่อเพิ่มขีดความสามารถในการปราบเรือดำน้ำ จนทำให้ดูสวนทางกับสถานการณ์กำลังรบในภูมิภาค ซึ่งข้อสงสัยดังกล่าวสามารถหาคำตอบได้จากการพิจารณาขีดความสามารถและความเหมาะสมของการใช้เรือดำน้ำดีเซลไฟฟ้าในการปราบเรือดำน้ำในปัจจุบัน

การขยายตัวของเรือดำน้ำจีนในภูมิภาคเอเชียแปซิฟิก (ภาพจาก Naval News)

เรือดำน้ำรุ่นแรกถูกออกแบบสำหรับการโจมตีเรือผิวน้ำเท่านั้น และยังไม่มีขีดความสามารถในการปราบเรือดำน้ำ มีเพียงตอร์ปิโดยิงตรงหรือตอร์ปิโดนำวิถีในแนวระนาบที่ความลึกคงที่ จนกระทั่งมีการพัฒนาตอร์ปิโดนำวิถี 3 มิติทำให้เรือดำน้ำเริ่มมีขีดความสามารถในการปราบเรือดำน้ำ และมีการแบ่งประเภทเรือดำน้ำดีเซลไฟฟ้าเป็น SS คือเรือดำน้ำดีเซลไฟฟ้าทั่วไป กับ SSK คือเรือดำน้ำดีเซลไฟฟ้าที่มีขีดความสามารถในการปราบเรือดำน้ำ ซึ่งในปัจจุบันเรือดำน้ำดีเซลไฟฟ้าทั้งหมดจัดเป็น SSK คือสามารถปราบเรือดำน้ำได้

การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิน้ำทะเลส่งต่อผลการหักเหของคลื่นเสียงใต้น้ำ (ภาพจากกัปตันนีโม)

ทหารเรือเก่าที่เคยเป็นนายทหารปราบเรือดำน้ำหรือเคยฝึกปราบเรือดำน้ำในช่วง 20-30 ปีก่อนจะได้รับการฝึกอบรมมาว่าเรือดำน้ำเป็นอาวุธที่ดีที่สุดในการปราบเรือดำน้ำ ซึ่งเป็นหลักนิยมในช่วงสงครามเย็นที่เรือดำน้ำยังมีเสียงดังและสามารถตรวจจับได้ด้วยโซนาร์ Passive เนื่องจากเรือดำน้ำจะใช้การตรวจจับเป้าด้วยโซนาร์ Passive เท่านั้นเพื่อรักษาการซ่อนพราง และหลีกเลี่ยงการใช้โซนาร์ Active ซึ่งจะเป็นการเปิดเผยตัวของเรือดำน้ำ ข้อดีหลักของการใช้เรือดำน้ำในการปราบเรือดำน้ำคือการปฏิบัติการในมิติใต้น้ำทำให้สามารถปรับเปลี่ยนความลึกและอาศัยประโยชน์จากสภาพแวดล้อมใต้น้ำได้อย่างเต็มที่ ตัวอย่างเช่น การเกิด Sound Channel หรือการเกิด Shadow Zone ใต้น้ำ เป็นต้น

อย่างไรก็ดี เรือดำน้ำสมัยใหม่มีการพัฒนาด้านความเงียบเป็นอย่างมาก โดยเอกสาร Alliance Airborne Anti-Submarine Warfare ขององค์การนาโต้ ที่เผยแพร่เมื่อปี ค.ศ.2016 กล่าวถึงความท้าทายของการปราบเรือดำน้ำในปัจจุบันว่าเรือดำน้ำสมัยใหม่มีเสียงที่เงียบลงประมาณครึ่งหนึ่งในทุก 10 ปี หรือคิดเป็น 15 dB ในช่วง 50 ปีที่ผ่านมา นอกจากนี้สภาพแวดล้อมในทะเลยังมีเสียงรบกวนที่ดังมากขึ้นในระดับเดียวกันหรือประมาณ 15 dB ในช่วง 50 ปีที่ผ่านมา เนื่องมาจากการเพิ่มปริมาณกิจกรรมต่างๆ ในทะเล ทั้งในส่วนของการขนส่งและการสำรวจทรัพยากรธรรมชาติ ทำให้สภาพแวดล้อมทางเสียงมีความเปลี่ยนแปลงไปเป็นอย่างมาก

แนวโน้มการพัฒนาความเงียบของเรือดำน้ำดีเซลไฟฟ้า (ภาพจาก JAPCC)

ปัจจัยดังกล่าวทำให้มีความแตกต่างระหว่างความเงียบที่เพิ่มขึ้นกับเสียงรบกวนที่ดังขึ้นรวมประมาณ 30 dB หรือ 1,000 เท่า ส่งผลให้การตรวจจับเรือดำน้ำทาง Passive ระยะไกลแทบเป็นไปไม่ได้ในปัจจุบัน ตัวอย่างเช่น อุบัติเหตุเรือดำน้ำนิวเคลียร์ของอังกฤษและฝรั่งเศส คือ HMS Vanguard กับเรือดำน้ำ Le Triomphant ชนกันใต้น้ำเมื่อปี ค.ศ.2009 เนื่องจากต่างฝ่ายต่างเงียบจนไม่สามารถตรวจจับกันได้ ซึ่งเรือดำน้ำดีเซลไฟฟ้าในขณะที่ไม่เดินเครื่องดีเซลจะมีความเงียบยิ่งกว่าเรือดำน้ำนิวเคลียร์เสียอีก จนกระทั่งระยะตรวจจับเป้าเรือดำน้ำด้วยโซนาร์ Passive ลดลงเป็นอย่างมากทำให้เรือดำน้ำไม่สามารถทำการค้นหาเป้าเรือดำน้ำด้วยโซนาร์ Passive ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และกว่าจะตรวจจับเป้าได้ก็อยู่ในระยะใกล้มากที่ต้องทำการป้องกันตัวมากกว่าจะเป็นการค้นหา-ไล่ล่า-ทำลายเหมือนในอดีต

ถึงแม้ว่าการใช้โซนาร์ Passive ในการตรวจจับเรือดำน้ำจะทำได้อยากขึ้น แต่ตามหลักฟิสิกส์นั้นเสียงยังคงเป็นคลื่นที่เดินทางในน้ำทะเลได้ดีที่สุด หลักการปราบเรือดำน้ำในปัจจุบันจึงเน้นไปที่การค้นหาและตรวจจับเป้าด้วยโซนาร์ Active ร่วมกับโซนาร์ Passive โดยเน้นไปที่ระบบโซนาร์ที่สามารถตั้งค่าความลึกใต้น้ำได้เพื่อแก้ปัญหาความเงียบของเรือดำน้ำและเพิ่มระยะการตรวจจับเป้า เช่น การใช้โซนาร์ VDS ร่วมกับโซนาร์ Towed Array ที่ช่วยรับคลื่นสะท้อนความถี่ต่ำจากโซนาร์ VDS ของเรือผิวน้ำ และการใช้ทุ่นโซโนบุยของอากาศยาน ซึ่งเรือผิวน้ำและอากาศยานไม่มีความจำเป็นในการซ่อนพรางมากเท่าเรือดำน้ำและสามารถใช้โซนาร์ Active ที่เปิดเผยตัวได้

โซนาร์ Passive เป็นอุปกรณ์ตรวจจับหลักของเรือดำน้ำ (ภาพจาก Magazines.defensie.nl)

กล่าวโดยสรุป ถึงแม้เรือดำน้ำดีเซลสมัยใหม่จะมีระบบตรวจจับและระบบอาวุธที่มีขีดความสามารถในการปราบเรือดำน้ำ แต่ในทางปฏิบัติการมีขีดความสามารถไม่ได้หมายถึงความเหมาะสมเสมอไป ทั้งนี้การใช้เรือดำน้ำดีเซลในภารกิจปราบเรือดำน้ำยังสามารถทำได้ แต่ข้อจำกัดของระยะตรวจจับเป้าด้วยโซนาร์ Passive ทำให้การปราบเรือดำน้ำด้วยเรือดำน้ำเป็นสิ่งที่ทำได้ยากมาก ในปัจจุบันเรือดำน้ำจึงไม่ใช่อาวุธที่ดีที่สุดในการปราบเรือดำน้ำอีกต่อไป แต่กลายเป็นบทบาทของเรือผิวน้ำและอากาศยานที่ใช้โซนาร์ Active ในการค้นหาและตรวจจับเรือดำน้ำแทน

เปรียบเทียบเรือดำน้ำชั้น 212A กับเรือดำน้ำชั้น S80

เรือดำน้ำชั้น 212A (ภาพจาก Foro Naval)

เรือดำน้ำชั้น 212A เริ่มการออกแบบและพัฒนามาตั้งแต่ช่วงปลายสงครามเย็น หรือกว่า 30 ปีมาแล้ว โดยมีเป้าหมายในการออกแบบเรือดำน้ำขนาดกะทัดรัดสำหรับปฏิบัติการในทะเลบอลติกและทะเลเหนือเป็นหลักเพื่อสกัดกั้นกองเรือโซเวียต แต่ด้วยความลำหน้าของการออกแบบและเทคโนโลยีในสมัยนั้นทำให้เรือดำน้ำชั้น 212A ที่เข้าประจำการมาเกือบ 20 ปีแล้วยังคงเป็น Benchmark สำหรับเปรียบเทียบเรือดำน้ำรุ่นใหม่ในปัจจุบัน รวมถึงเรือดำน้ำชั้น S80 รุ่นใหม่ล่าสุดของสเปนด้วย

เรือดำน้ำชั้น S80 (ภาพจาก Foro Naval)

ร.อ.José Luis Bernal Sánchez จาก ทร.สเปน ได้มีโอกาสไปสังเกตการณ์การปฏิบัติงานในเรือดำน้ำชั้น 212A ของ ทร.อิตาลี คือ ITS Todaro เป็นเวลา 4 สัปดาห์ และได้เล่าประสบการณ์เปรียบเทียบระหว่างเรือดำน้ำชั้น 212A กับเรือดำน้ำชั้น S80 ลงในนิตยสารของ ทร.อิตาลี สรุปได้ดังนี้

ร.อ.Bernal กับเรือดำน้ำชั้น 212A ของอิตาลี (ภาพจาก Foro Naval)

ในด้านของการติดตั้งอุปกรณ์ เรือดำน้ำชั้น 212A และเรือดำน้ำชั้น S80 มีระบบโซนาร์และระบบอำนวยการรบที่มีขีดความสามารถทัดเทียมกัน และมีระบบ AIP เหมือนกัน (ระบบ AIP ของสเปนยังไม่พร้อมติดตั้งบนเรือดำน้ำชั้น S80 จำนวน 2 ลำแรก และจะทำการติดตั้งในภายหลัง) ในขณะที่เรือดำน้ำชั้น S80 มีขีดความสามารถในการยิงอาวุธปล่อยนำวิถี ซึ่งเรือดำน้ำชั้น 212A สามารถปรับปรุงให้มีขีดความสามารถนี้ได้เช่นกัน

อย่างไรก็ดี เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลถือเป็นจุดอ่อนที่สำคัญของเรือดำน้ำชั้น 212A ที่มีเครื่องดีเซลเพียงเครื่องเดียว ส่งผลให้ต้องใช้เวลานานกว่าในการชาร์จแบตเตอรี่ และไม่มีเครื่องยนต์ดีเซลสำรองในกรณีเกิดเหตุขัดข้อง ซึ่งในส่วนของระบบ AIP ยังไม่นับเป็นระบบสำรองได้อย่างสมบูรณ์เนื่องจากผลิตกระแสไฟฟ้าได้ต่ำและไม่เพียงพอสำหรับการใช้ความเร็วสูง ในขณะที่เรือดำน้ำชั้น S80 มีเครื่องยนต์ดีเซล 3 เครื่อง ซึ่งสามารถเป็นระบบสำรองซึ่งกันและกัน และช่วยให้ชาร์จแบตเตอรี่ได้รวดเร็วขึ้น

ระบบปรับอากาศรวมในเรือดำน้ำชั้น 212A เป็นอีกจุดอ่อนหนึ่ง เนื่องจากไม่มีระบบสำรอง และเมื่อจำเป็นต้องปฏิบัติการในโหมดเงียบมากจะต้องเลิกเครื่องปรับอากาศที่มีอยู่เครื่องเดียว ทำให้อุณหภูมิภายในเรือสูงขึ้นมาก ส่วนเรือดำน้ำ S80 มีระบบเครื่องปรับอากาศเฉพาะจุดจำนวน 13 เครื่อง ซึ่งสามารถเป็นระบบสำรองซึ่งกันและกันได้เป็นอย่างดี

ข้อจำกัดอีกประการหนึ่งของเรือดำน้ำชั้น 212A คือการจัดห้องศูนย์ยุทธการที่วางตำแหน่งนายทหารยามแยกจากคอนโซลโซนาร์ ซึ่งถึงแม้ว่าระบบอำนวยการรบสมัยใหม่จะช่วยประมวลภาพสถานการณ์ได้เป็นอย่างดี แต่หากต้องการเปรียบเทียบภาพสถานการณ์กับภาพจากระบบโซนาร์ นายทหารยามจะต้องลุกขึ้นจากที่นั่งของตนเอง ซึ่งเรือดำน้ำชั้น S80 จะวางตำแหน่งของนายทหารยามไว้ตรงกลางระหว่างคอนโซลภาพสถานการณ์กับคอนโซลโซนาร์ ทำให้สามารถเปรียบเทียบภาพจากทั้ง 2 ระบบได้โดยง่าย

ร.อ.Bernal และกำลังพลอิตาลีในห้องโถงของเรือดำน้ำ ITS Todaro

จุดอ่อนสุดท้ายของเรือดำน้ำชั้น 212A ที่จำกัดมาก โดยมีการออกแบบให้ใช้กำลังพล 12 นายสำหรับยาม 1 ชุด และมีเตียงนอนสำหรับกำลังพล 26 นายเท่านั้น (ยาม 2 ชุด + ตำแหน่งที่ไม่เข้ายาม 2 ตำแหน่ง) ในการฝึกที่ต้องใช้กำลังพลมากกว่านั้นจะต้องใช้ระบบ Hot Bunk คือแบ่งเตียงนอน 1 เตียงสำหรับกำลังพล 2 นายที่อยู่คนละชุดยาม นอกจากนี้การเข้ายามเพียง 2 ชุดและเปลี่ยนยามทุก 6 ชม. ทำให้กำลังพลมีความเหนื่อยล้า ในขณะที่เรือดำน้ำ S80 ใช้กำลังพล 11 นายสำหรับยาม 1 ชุด และมีเตียงนอนเพียงพอสำหรับยาม 3 ผลัดกับตำแหน่งที่ไม่ต้องเข้ายามอีก 2 ตำแหน่ง ซึ่งระบบยาม 3 ผลัดช่วยให้กำลังพลมีเวลาพักผ่อนมากขึ้น

กล่าวโดยสรุปคือเรือดำน้ำทั้ง 2 แบบเป็นเรือดำน้ำที่มีขีดความสามารถสูง โดยเรือดำน้ำชั้น 212A มีประวัติการปฏิบัติการมาแล้วเกือบ 20 ปีและมีความน่าเชื่อถือสูงที่ได้ผ่านการพิสูจน์ตัวเองมาแล้ว ส่วนเรือดำน้ำชั้น S80 เป็นแบบเรือใหม่ล่าสุดที่ยังไม่มีประสบการณ์การปฏิบัติการจริงและยังคงต้องพิสูจน์ตัวเองต่อไปหลังจากเสร็จสิ้นการทดสอบทดลองเรือในเร็วๆ นี้

https://foronaval.com/2021/07/08/comparacion-entre-dos-submarinos-u-212a-vs-s-80/

ทำความรู้จักกับชั้นความลึก Thermocline และผลกระทบต่อการปฏิบัติการเรือดำน้ำกับการปราบเรือดำน้ำ

ทะเลและมหาสมุทรครอบคลุมพื้นที่กว่า 70% ของพื้นผิวโลก คิดเป็นความลึกเฉลี่ยกว่า 3,700 ม. และพื้นที่ใต้น้ำเป็นบริเวณที่มีความหลากหลายของสภาพแวดล้อมทั้งตามพื้นที่ในแนวระนาบและตามชั้นความลึก ซึ่งหนึ่งในปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงและความหลากหลายของสภาพแวดล้อมใต้น้ำคืออุณหภูมิของน้ำทะเล

การเปลี่ยนแปลกอุณหภูมิน้ำทะเลตามชั้นความลึก (ภาพจาก Marine Insight)

ลักษณะการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิน้ำทะเลขึ้นอยู่กับปัจจัยหลักคือความลึก โดยสามารถแบ่งได้เป็น 3 ชั้นความลึกหลัก ประกอบด้วย ชั้นความลึก Epipelagic Zone จากผิวน้ำลงไปถึงความลึกประมาณ 200 ม., ชั้นความลึก Thermocline Zone ในช่วงความลึกประมาณ 200-1,000 ม., และชั้นความลึก Isothermal Zone ตั้งแต่ความลึกประมาณ 1,000 ม.ลงไป

ชั้นความลึก Epipelagic Zone เป็นบริเวณจากผิวน้ำลงไปถึงความลึกประมาณ 200 ม. เป็นชั้นความลึกที่แสงแดดส่องถึง และอุณหภูมิน้ำทะเลจะได้รับผลกระทบจากแสงแดด, อุณหภูมิอากาศ, และสภาพคลื่นลม ทำให้มีการเปลี่ยนแปลงตามพื้นที่และฤดูกาล ตั้งแต่ 20-30 องศาไปจนถึงประมาณ 10 องศา ชั้นความลึกนี้สามารถแบ่งย่อยออกเป็นชั้น Surface Layer ตามผลกระทบต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิน้ำทะเลจากสภาพอากาศและคลื่นลมใกล้ผิวน้ำ และ Seasonal Thermocline ตามผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิตามฤดูกาลในบริเวณที่ลึกลงมา

ชั้นความลึกต่อมาคือชั้นความลึก Thermocline Zone ในช่วงความลึกประมาณ 200-1,000 ม. เป็นบริเวณที่แสงแดดส่องลงไปถึงน้อยมาก และอุณหภูมิน้ำทะเลลดลงอย่างรวดเร็วจากประมาณ 10 องศาไปจนถึงประมาณ 4 องศา หรือเรียกได้อีกอย่างหนึ่งว่าเป็นชั้นความลึกตรงกลางระหว่างบริเวณอุณหภูมิน้ำทะเลสูงใกล้ผิวน้ำ กับอุณหภูมิน้ำทะเลต่ำในน้ำลึก ในบริเวณชั้นควาามลึกนี้ยังเป็นบริเวณที่ความหนาแน่นของน้ำทะเลเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วตามความลึก ซึ่งสัมพันธ์กับอุณหภูมิที่ลดลงอย่างรวดเร็ว

ชั้นความลึกสุดท้ายคือชั้นความลึก Isothermal Zone ตั้งแต่ความลึกประมาณ 1,000 ม.ลงไป เป็นบริเวณที่แสงแดดส่องลงไปไม่ถึงเลยและอุณหภูมิน้ำทะเลเย็นมากเกือบคงที่ประมาณ 4 องศา

ผลกระทบที่สำคัญของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิใต้น้ำ คือการเปลี่ยนแปลงความเร็วของคลื่นเสียง ซึ่งอุณหภูมิเป็นปัจจัยสำคัญที่สุดที่ส่งผลต่อความเร็วคลื่นเสียงในน้ำทะเล โดยอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นจะส่งผลให้คลื่นเสียงในน้ำทะเลมีความเร็วสูงขึ้น ตามด้วยปัจจัยรองลงมาคือความดัน ซึ่งความดันที่เพิ่มมากขึ้น (ความลึกมากขึ้น) จะส่งผลให้คลื่นเสียงในน้ำทะเลมีความเร็วสูงขึ้น และจะเห็นได้ว่าในชั้นความลึก Thermocline ที่อุณหภูมิน้ำทะเลลดลงอย่างรวดเร็วตามความลึกที่เพิ่มขึ้น จะทำให้คลื่นเสียงใต้น้ำมีความเร็วช้าลงตามความลึกที่เพิ่มขึ้น ในขณะที่ในชั้นความลึก Isothermal Zone ที่อุณหภูมิน้ำทะเลค่อนข้างคงที่ จะทำให้ความเร็วเสียงในน้ำทะเลมีความเร็วเพิ่มขึ้นตามความลึกที่เพิ่มขึ้น

การเกิด Sound Channel เนื่องจากความเปลี่ยนแปลงความเร็วคลื่นเสียงใต้น้ำ (ภาพจาก US Naval Post Graduate School)

การเปลี่ยนแปลงความเร็วของคลื่นเสียงในน้ำทะเลนี้เองที่ทำให้คลื่นโซนาร์เดินทางเป็นเส้นโค้งตามอุณหภูมิและความลึกที่เปลี่ยนแปลงไป และเรือดำน้ำรวมถึงเรือปราบเรือดำน้ำจะพยายามอาศัยการเปลี่ยนแปลงนี้ให้เกิดประโยชน์ในการซ่อนพรางหรือการตรวจจับได้ไกล โดยคลื่นเสียงจะเดินทางโค้งเข้าหาบริเวณที่มีความเร็วคลื่นเสียงต่ำกว่า ตัวอย่างเช่น ในบริเวณ Epipelagic Zone หากมีชั้นความลึกที่ความเร็วเสียงลดลงอยู่เหนือชั้นความลึกที่ความเร็วเสียงเพิ่มขึ้น จะทำให้คลื่นเสียงโค้งเข้าหาบริเวณตรงกลาง เกิดเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่า Sound Channel ที่ทำให้คลื่นเสียงเดินทางไปได้ไกลที่ความลึกบริเวณนั้น และการตรวจจับใต้น้ำสามารถทำได้ดี

การเกิด Shadow Zone เนื่องจากความเปลี่ยนแปลงความเร็วคลื่นเสียงใต้น้ำ (ภาพจาก US Naval Post Graduate School)

ในทางตรงกันข้าม หากมีชั้นความลึกที่ความเร็วเสียงเพิ่มขึ้นอยู่เหนือชั้นความลึกที่ควาามเร็วเสียงลดลง (เช่น ในชั้นความลึก Epipelagic Zone หรือบริเวณจุดเปลี่ยนจาก Epipelagic Zone ไปเป็น Thermocline Zone) ซึ่งเรียกบริเวณที่เกิดการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวว่า Sonic Layer Depth (SLD) จะทำให้คลื่นเสียงที่อยู่ด้านบนเดินทางเป็นเส้นโค้งขึ้น ในขณะที่คลื่นเสียงที่อยู่ด้านล่างเดินทางเป็นเส้นโค้งลง เกิดเป็นบริเวณที่คลื่นเสียงเดินทางไปได้น้อยหรือเรียกว่า Shadow Zone บริเวณใต้ Sonic Layer Depth ซึ่งในบริเวณนี้ทำให้การตรวจจับใต้น้ำทำได้ยาก

นอกจากการเกิดปรากฏการณ์ Sound Channel กับ Sonic Layer Depth แล้ว สภาพแวดล้อมใต้น้ำยังมีความซับซ้อนที่ทำให้เกิดปรากฏการณ์อื่นๆ อีกมาก เช่น Surface Duct, Half Channel, และ Convergence Zone ซึ่งผู้ที่ปฏิบัติงานในเรือดำน้ำและเรือปราบเรือดำน้ำจะต้องทำการศึกษาให้เกิดความเข้าใจถึงลักษณะ, ที่มา, และผลกระทบที่เกิดขึ้นอย่างละเอียด

ดังนั้นในการปฏิบัติการเรือดำน้ำและการปราบเรือดำน้ำ ทั้งฝ่ายผู้ล่าและผู้ถูกล่า (ขึ้นอยู่กับมุมมองจากเรือดำน้ำกับเรือปราบเรือดำน้ำว่าใครเป็นฝ่ายล่าใคร) จะต้องทำการรวบรวมข้อมูลสภาพแแวดล้อมในบริเวณพื้นที่ปฏิบัติการ เพื่อพยายามอาศัยประโยชน์จากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและการเกิดปรากฏการณ์ต่างๆ ใต้น้ำเพื่อสร้างความยุ่งยากให้กับฝ่ายตรงข้าม และเกิดความได้เปรียบสูงสุดให้กับตนเอง

ตุ๊กตาออสก้าร์ กับการฝึกเก็บคนตกน้ำในทะเล

คนตกน้ำ หรือ Man Overboard เป็นหนึ่งในอุบัติเหตุที่อาจเกิดขึ้นได้ในทะเล และอุบัติเหตุคนตกน้ำอาจส่งผลต่อชีวิตหากไม่ได้รับการช่วยเหลือ ซึ่งเรือเดินทะเลไม่ว่าจะเป็นเรือรบ เรือสินค้า หรือเรือโดยสาร ต้องมีขั้นตอนการปฏิบัติในกรณีคนตกน้ำ และมีการฝึกเก็บคนตกน้ำเป็นประจำเพื่อซักซ้อมขั้นตอนการปฏิบัติและการช่วยเหลือหากเกิดเหตุการณ์จริง

สัญญาณธงสากลสำหรับตัวอักษร O (ออกเสียงว่า Oscar) มีความหมายว่าคนตกน้ำ (ที่มา FlagBag)

หนึ่งในขั้นตอนสำคัญคือการให้สัญญาณสากลที่หมายถึง “คนตกน้ำ” คือสัญญาณ “O” (ออกเสียงว่า “Oscar”) ซึ่งอาจเป็นสัญญาณธงหรือสัญญาณหวูดยาว 3 ครั้ง (แทนสัญญาณมอร์สสำหรับตัวอักษร “O”) ซึ่งการอ่านออกเสียงสัญญาณสากล “O” ว่า “Oscar” หรือ “ออสก้าร์” สำหรับชาวเรือจึงมีความหมายสัมพันธ์กับคนตกน้ำ รวมถึงถูกน้ำไปใช้ในการฝึกเก็บคนตกน้ำในทะเลด้วย

หุ่นจำลองสำหรับฝึกคนตกน้ำ มีชื่อเล่นสากลว่า “ออสก้าร์” (ภาพจาก Cult of Sea)

การฝึกเก็บคนตกน้ำ โดยทั่วไปอาจใช้วัตถุลอยน้ำ เช่น ถัง หรือ พวงชูชีพ สำหรับจำลองคนตกน้ำแทนการใช้คนจริงเพื่อความปลอดภัยในการฝึก และในบางกรณีก็อาจใช้หุ่นหรือตุ๊กตาจำลองแทนคนตกน้ำเพื่อเพิ่มความสมจริงในการฝึก โดยหุ่นหรือตุ๊กตาฝึกเก็บคนตกน้ำนี้นอกจากจะมีรูปร่างเหมือนคนแล้ว ยังมีชื่อเล่นที่ชาวเรือเรียกอย่างเอ็นดูว่า “ออสก้าร์” มาจากคำอ่านออกเสียงสัญญาณสากลที่มีความหมายว่าคนตกน้ำนั่นเอง (ไม่เกี่ยวกับรางวัลออสก้าร์หรือตุ๊กตาทองแต่อย่างใด)

ในส่วนของวิธีการเก็บคนตกน้ำด้วยเรือใหญ่มีวิธีปฏิบัติหลักอยู่ 2 วิธี คือ Anderson Turn หรือ Full Ruder Turn เป็นวิธีที่เหมาะสำหรับเรือ 2 เพลา ช่วยให้สามารถกลับไปจุดที่คนตกน้ำได้อย่างรวดเร็วในสถานการณ์ที่เพิ่งเกิดขึ้นและยังสามารถมองเห็นคนตกน้ำได้ กับ Williamson Turn เป็นการวนกลับไปทางเดิมสำหรับในสถานการณ์ที่รู้ตัวภายหลังว่าคนตกน้ำไปแล้ว และมองไม่เห็นคนตกน้ำ

วิธีเก็บคนตกน้ำแบบ Anderson Turn กับ Williamson Turn (ภาพจาก Mirto Art)

ตอร์ปิโดนำวิถีแบบ Wake Homing ทำงานอย่างไร?

เมื่อสัปดาห์ก่อนมีคำถามจากผู้อ่านเกี่ยวกับตอร์ปิโดและการนำวิถีของตอร์ปิโด ซึ่งเรามักคุ้นเคยกับการนำวิถีแบบ Active Homing (การใช้คลื่นโซนาร์ไปสะท้อนเป้า) กับ Passive Homing (การฟังเสียงของเป้า) แต่ตอร์ปิโดยังมีการนำวิถีอีกอย่างหนึ่ง คือการนำวิถีแบบ Wake Homing

การนำวิถีแบบ Wake Homing ใช้กับเป้าเรือผิวน้ำ ริเริ่มมาจากตอร์ปิโดหนักค่ายโซเวียตในช่วงสงครามเย็น และปัจจุบันเป็นหนึ่งในแบบการนำวิถีมาตรฐานของตอร์ปิโดหนัก โดยลูกตอร์ปิโดจะใช้โซนาร์ความถี่สูงในการตรวจจับฟองคลื่นบนผิวน้ำท้ายเรือ หรือ “Wake” และจะวิ่งตัดแนว Wake นี้ไปมาเพื่อเข้าไปหาจุดกำเนิดของฟองคลื่น ซึ่งก็คือระบบขับเคลื่อนบริเวณท้ายเรือเป้านั่นเอง

Wake ท้ายเรือที่กำลังใช้ความเร็วสูง (ภาพโดยกัปตันนีโม)

ข้อดีของการนำวิถีตอร์ปิโดแบบ Wake Homing คือเป็นการนำวิถีที่ถูกต่อต้านได้ยาก และปัจจุบันยังไม่มีเป้าลวงที่ใช้กับการนำวิถีแบบนี้ และยิ่งเรือเป้าเพิ่มความเร็วหนีก็ยิ่งทำให้เกิด Wake ชัดเจนขึ้น (แต่ถ้าหยุดเครื่องลอยลำก็จะกลายเป็นเป้านิ่งสำหรับการนำวิถีแบบอื่นแทน) ซึ่งการวิ่งตัด Wake เข้าไปหาท้ายเรือทำให้ตอร์ปิโดมีโอกาสสร้างความเสียหายกับระบบขับเคลื่อนของเรือเป้า และอย่างน้อยก็จะได้ผลเป็น Mission Kill

อย่างไรก็ดี การนำวิถีแบบ Wake Homing ก็มีข้อเสียคือลูกตอร์ปิโดจะต้องวิ่งตัด Wake ไปมา และวิ่งไล่ตามหลังเรือเป้า แทนที่จะเป็นการชี้เข้าหาเป้าแบบ Pursuit หรือการวิ่งดักหน้าแบบ Proportional ทำให้ลูกตอร์ปิโดต้องมีระยะทางวิ่งมากกว่า และใช้เวลาเข้าถึงเป้านานกว่า

มาทำความรู้จักกับตำแหน่งต่างๆ ในเรือ

อาชีพชาวเรือเป็นอาชีพเก่าแก่อย่างหนึ่ง แต่เนื่องจากที่ทำงานอยู่ในทะเลทำให้พบเห็นได้ยาก จึงเป็นอาชีพที่ไม่ค่อยเป็นที่รู้จัก และบางครั้งภาษาเฉพาะหรือชื่อเรียกบางอย่างอาจฟังดูแปลกหูสำหรับคนทั่วไปบ้าง วันนี้จึงจะขอแนะนำสายงานและชื่อเรียกตำแหน่งต่างๆ ในเรือรบและเรือพลเรือน

การปฏิบัติงานในเรือโดยทั่วไปจะแบ่งเป็น 2 สายงานหลัก คือฝ่ายเดินเรือ (หรือฝ่ายปากเรือ) รับผิดชอบงานด้านการเดินเรือ, ความปลอดภัย, และการปฏิบัติตามหน้าที่และภารกิจของเรือ กับฝ่ายช่างกล รับผิดชอบงานด้านระบบขับเคลื่อน, ระบบไฟฟ้า, งานช่าง, และการซ่อมบำรุง

ผู้บังคับการเรือรบ (ภาพจาก Facebook)

ฝ่ายเดินเรือ หรือฝ่ายปากเรือ มีตำแหน่งสูงสุดคือ ผู้บังคับการเรือ (Commanding Officer) ในส่วนของเรือรบ ตำแหน่งนี้อาจเรียกย่อๆ ว่า ผบ.เรือ หรือผู้การเรือ หรือถ้าเป็นเรือพลเรือนจะเรียกว่า นายเรือ หรือกัปตันเรือ (Master หรือ Captain) เป็นตำแหน่งสูงสุดในเรือ มีความรับผิดชอบสูงสุดทุกด้านภายในเรือ ทั้งในเรื่องความปลอดภัยและความสำเร็จของงานโดยรวม

นายเรือ หรือกัปตันเรือสำราญ (ภาพจาก Carnival Cruise)

ตำแหน่งรองลงมา คือ ต้นเรือ (Executive Officer ในเรือรบ หรือ Chief Mate / Chief Officer ในเรือพลเรือน) ทำหน้าที่เป็นรองผู้บังคับการเรือ หรือรองกัปตันเรือ รับผิดชอบการบริหารจัดการภายในเรือ, การฝึกความพร้อมของเรือ, ความปลอดภัย, และความเป็นอยู่ของคนประจำเรือ ในเรือพลเรือนและเรือรบต่างชาติต้นเรือจะรับผิดชอบการป้องกันความเสียหายภายในเรือด้วย

ตำแหน่งต่อมา คือ ต้นหน (Navigation Officer ในเรือรบ หรือ 2nd Mate / 2nd Officer ในเรือพลเรือน) รับผิดชอบงานด้านการเดินเรือ, การขีดเข็มวางแผนเส้นทางเดินเรือ, การหาที่เรือดาราศาสตร์ (ในสมัยก่อน แต่ปัจจุบันไม่มีแล้ว), การปรับปรุงแผนที่และบรรณสารการเดินเรือให้ทันสมัย ในเรือพลเรือนต้นหนจะรับผิดชอบงานด้านสุขอนามัยและการปฐมพยาบาลในเรือด้วย

ฝ่ายปากเรือในเรือรบยังมีตำแหน่งเฉพาะทางเกี่ยวกับหน้าที่ทางทหารอีกมาก เช่น ต้นปืน, นายทหารยุทธการ, นายทหารสื่อสาร แต่ในเรือพลเรือนจะมีแค่ ผู้ช่วยต้นหน (3rd Mate / 3rd Officer) รับผิดชอบงานด้านความปลอดภัย, งานดาดฟ้า, และการสั่งเชือก

นอกจากตำแหน่งที่ได้กล่าวมาแล้ว ยังมีตำแหน่งระดับผู้ปฏิบัติ คือ สรั่งเรือ (Boatswain หรือ Bosun) เป็นตำแหน่งหัวหน้าระดับผู้ปฏิบัติ และมักเป็นผู้ที่มีประสบการณ์อยู่เรือมานาน (สรั่งเรือส่วนมากอยู่เรือมานานกว่า ผบ.เรือหรือนายเรือเสียอีก) มีหน้าที่ควบคุมการปฏิบัติของลูกเรือระดับผู้ปฏิบัติ ซึ่งในเรือรบจะแบ่งตามสายงานเฉพาะ เช่น จ่าปืน, จ่าเรือ แต่ตำแหน่งผู้ปฏิบัติในเรือพลเรือนจะมีเพียง 2 ระดับ คือ นายท้าย (Able Seaman หรือ AB) กับกลาสี (Ordinary Seaman หรือ OS)

ในส่วนของฝ่ายช่างกล มีตำแหน่งสูงสุด คือ ต้นกล (Chief Engineer) รับผิดชอบงานด้านเทคนิคทั้งหมด รวมถึงความพร้อมและความปลอดภัยของอุปกรณ์, การซ่อมทำอุปกรณ์ที่ชำรุดเสียหาย, และการบำรุงรักษาอุปกรณ์ ในส่วนของเรือรบไทย ต้นกลจะรับผิดชอบงานด้านการป้องกันความเสียหายด้วย

Johann ช่างกลประจำเรือดำน้ำ U96 ในภาพยนต์ Das Boot (ภาพจาก Das Boot Watches)

รองจากต้นกล จะเป็นตำแหน่งรองต้นกล (2nd Engineer) และนายช่างกล (3rd Engineer กับ 4th Engineer) ซึ่งจะแบ่งความรับผิดชอบตามเครื่องจักรและอุปกรณ์ในเรือ เช่น เครื่องจักรใหญ่, เครื่องกำเนิดไฟฟ้า, และเครื่องจักรช่วยอื่นๆ

ตำแหน่งระดับผู้ปฏิบัติในฝ่ายช่างกลจะแบ่งตามระดับประสบการณ์ในลักษณะเดียวกับฝ่ายปากเรือ

นอกจากตำแหน่งต่างๆ ที่กล่าวมาแล้ว ในเรือพลเรือนสมัยใหม่ยังอาจแบ่งเป็นแผนกเฉพาะทางเพิ่มเติม เช่น แผนกไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ และแผนกจัดเลี้ยง (ในเรือโดยสารขนาดใหญ่)

สมการโซนาร์ กับการคำนวณระยะตรวจจับของโซนาร์

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไม่สามารถเดินทางในน้ำได้ดี ทำให้คลื่นเรดาร์ไม่สามารถใช้ตรวจจับเป้าใต้น้ำระยะไกลได้ ในขณะที่คลื่นเสียงสามารถเดินทางในน้ำได้ดีกว่าในอากาศ (คลื่นเสียงมีความเร็วในน้ำมากกว่าในอากาศกว่า 4 เท่า) ดังนั้นโซนาร์จึงเป็นอุปกรณ์หลักในการค้นหาและตรวจจับเป้าของเรือดำน้ำ รวมทั้งการค้นหาและตรวจจับเป้าใต้น้ำของเรือผิวน้ำ โดยเราสามารถใช้สมการโซนาร์ในการคำนวณอัตราสัญญาณต่อเสียงรบกวน หรือ Signal to Noise Ratio (SNR) ในการตรวจจับเป้า

การทำงานของโซนาร์ Active (ภาพจาก Discovery of Sound in the Sea)

การคำนวณการตรวจจับเป้าด้วยสมการโซนาร์ จะพิจารณาปัจจัยต่างๆ ที่เกี่ยวข้อง แบ่งออกเป็นปัจจัยจากระบบโซนาร์, ปัจจัยจากสภาพแวดล้อม, และปัจจัยจากลักษณะของเป้า โดยมีรูปแบบสมการที่แตกต่างกันเล็กน้อยสำหรับโซนาร์ Active และโซนาร์ Passive

สมการโซนาร์ Active

การทำงานของโซนาร์ Active เป็นการส่งคลื่นเสียงผ่านตัวกลางที่เป็นน้ำไปสะท้อนเป้า มีปัจจัยหลักที่เกี่ยวข้อง คือ พลังงานของคลื่นเสียงที่ส่งออกไป เรียกว่า Source Level (SL), การสูญเสียพลังงานคลื่นเสียงผ่านตัวกลาง เรียกว่า Transmission Loss (TL), การสะท้อนของเป้า เรียกว่า Target Strength (TS) ซึ่งการคำนวณปัจจัยดังกล่าวในสมการโซนาร์จะใช้หน่วยเป็นเดซิเบล หรือ dB

จากการพิจารณาปัจจัยต่างๆ ข้างต้น เราสามารถคำนวณความแรงของคลื่นสะท้อน (Returned Signal) ที่สะท้อนจากเป้ากลับมาถึงโซนาร์ได้ดังนี้

Returned Signal = SL – TL + TS – TL

สังเกตว่า TL หรือการสูญเสียพลังงานคลื่นเสียงผ่านตัวกลางเกิดขึ้น 2 ครั้ง คือขาไปและขากลับ ซึ่งเราสามารถรวมกันในสมการได้ดังนี้

Returned Signal = SL – 2TL + TS

อย่างไรก็ดี สิ่งที่ระบบโซนาร์ตรวจรับได้ไม่ได้มีแค่คลื่นเสียงที่สะท้อนกลับมาจากเป้า แต่ยังมีเสียงรบกวน เรียกว่า Noise Level (NL) นอกจากนี้ระบบโซนาร์ขนาดใหญ่จะประกอบด้วยเซ็นเซอร์ย่อยๆ รวมกันเป็น Array ที่จะช่วยกรองเสียงรบกวนในทิศทางอื่นที่ไม่ต้องการออก ซึ่งการกรองเสียงรบกวนในทิศทางอื่นนี้เรียกกว่า Array Gain (AG) หรือบางที่ก็เรียกว่า Directivity Index (DI) โดยเมื่อนำค่าที่เกี่ยวข้องกับเสียงรบกวนมารวมในสมการแล้ว ผลที่ได้จะเป็นอัตราสัญญาณต่อเสียงรบกวน หรือ SNR ดังนี้

SNR = SL – 2TL + TS – (NL – AG)

สมการโซนาร์ Passive

ในกรณีของโซนาร์ Passive ซึ่งทำงานโดยการตรวจรับคลื่นเสียงจากเป้า ดังนั้นเราจะเรียกระดับความดังของเป้าว่าเป็น Source Level (SL) ส่วนการสูญเสียพลังงานหรือ Transmission Loss (TL) จะเหลือเพียงขาเดียวเนื่องจากไม่มีการส่งคลื่นเสียงไป-กลับ และจะไม่มีค่าการสะท้อนของเป้าหรือ Target Strength (TS) นอกจากนั้นแล้วปัจจัยอื่นๆ ในสมการยังคงเหมือนเดิม ผลที่ได้จะเป็นอัตราสัญญาณต่อเสียงรบกวน หรือ SNR ดังนี้

SNR = SL – TL – (NL – AG)

การประมาณระยะตรวจจับของโซนาร์

จากสมการโซนาร์ที่ได้กล่าวถึงไปแล้ว เราสามารถกำหนดค่า SNR น้อยที่สุดที่ยังมีโอกาสตรวจจับเป้าได้ เรียกค่านี้ว่า Detection Threshold (DT) โดยค่า DT นี้จะเป็นค่าคงที่ที่ขึ้นอยู่กับระบบโซนาร์และผู้ใช้งาน ซึ่งหากระบบโซนาร์ตรวจรับค่า SNR ที่มากกว่าค่า DT นี้ จะส่งผลให้สามารถตรวจจับเป้าได้ ทำให้เราได้สมการโซนาร์ (ยกตัวอย่างสำหรับโซนาร์ Passive แต่ค่า DT ใช้ได้กับทั้งสมการโซนาร์ Passive และ Active) สำหรับกรณีมีโอกาสน้อยที่สุดที่ยังตรวจจับเป้าได้ ดังนี้

DT = SL – TL – (NL – AG)

จากสมการดังกล่าว จะเห็นว่ามีเพียง TL ที่เป็นปัจจัยที่ขึ้นอยู่กับระยะ โดยเราสามารถกำหนดค่าคงที่สำหรับการคำนวณระยะตรวจจับของโซนาร์ เรียกว่า Figure of Merit (FOM) ได้ดังนี้

FOM = SL – (NL – AG) – DT

จะเห็นได้ว่า ในกรณีที่ค่า TL น้อยกว่าค่า FOM เราจะได้ค่า SNR ที่มากกว่า DT ซึ่งเป็นกรณีที่โซนาร์จะสามารถตรวจจับเป้าได้ โดยการคำนวณระยะตรวจจับของโซนาร์ทำได้โดยการพล็อตค่า TL ตามระยะ และเทียบกับ FOM ซึ่งระยะที่ค่า TL < FOM จะเป็นระยะที่โซนาร์สามารถตรวจจับเป้าได้ จนถึงระยะตรวจจับไกลสุดที่ค่า TL = FOM

ตัวอย่างกราฟคำนวณระยะตรวจจับโซนาร์ (ภาพจาก FAS)

ระบบโซนาร์สมัยใหม่สามารถช่วยคำนวณระยะตรวจจับของโซนาร์จากการป้อนค่าปัจจัยต่างๆ โดยแสดงผลเป็นค่าความน่าจะเป็น หรือ Probability of Detection (POD) อย่างไรก็ดี การตรวจจับใต้น้ำมีปัจจัยความไม่แน่นอนหลายอย่างที่อยู่นอกเหนือการควบคุม ซึ่งผลที่ได้จากการคำนวณเป็นค่าประมาณที่ใช้ประกอบการวางแผน และผู้ใช้โซนาร์ยังคงต้องปรับตามสถานการณ์เพื่อให้ได้ผลการปฏิบัติที่ดีที่สุด

---

อ้างอิง

• Sonar Equation, Discovery of Sound in the Sea
• Sonar Propagation, Federation of American Scientists

พาทัวร์ Submarine Alley ชมฐานทัพเรือดำน้ำญี่ปุ่น และชิมข้าวหน้าแกงกะหรี่สูตรเรือดำน้ำ

Submarine Alley หรือ Alley Karasukojima (アレイからすこじま) เป็นสวนสาธารณะเล็กๆ ที่เมือง Kure แต่มีความพิเศษคืออยู่ติดกับท่าจอดเรือดำน้ำในฐานทัพเรือ Kure ของกองกำลังป้องกันตนเองทางทะเลญี่ปุ่น และเปิดให้ประชาชนทั่วไปสามารถชมและถ่ายภาพท่าจอดเรือดำน้ำได้อย่างใกล้ชิดโดยไม่มีค่าใช้จ่าย

Alley Karasukojima อยู่ติดกับฐานทัพเรือ Kure สามารถมองเห็นได้อย่างชัดเจน (ภาพโดยกัปตันนีโม)

เมือง Kure เป็นฐานทัพเรือและอู่ต่อเรือสำคัญตั้งแต่สมัยกองทัพเรือจักรวรรดิญี่ปุ่น ปัจจุบันเป็นที่ตั้งของ Kure Naval District ของกองกำลังป้องกันตนเองทางทะเลญี่ปุ่น (Naval District อื่นมีอยู่ที่ Yokosuka, Sasebo, Maizuru, และ Ominato) รวมถึงเป็นที่ตั้งของ Submarine Flotilla 1, Escort Flotilla 4 และกองเรือสนับสนุนอื่นๆ

เมื่อมองออกไปจะเห็นท่าจอดเรือดำน้ำตรงกันพอดี (ภาพโดยกัปตันนีโม)

Alley Karasukojima เป็นเหมือนกับสวนสาธารณะริมน้ำทั่วไป มีที่นั่งและรั้วเตี้ยๆ กันคนตกน้ำ แต่เมื่อมองออกในทะเลจะเห็นฐานทัพเรือ Kure ได้อย่างชัดเจน โดยเฉพาะท่าจอดเรือดำน้ำที่อยู่ตรงกันพอดี

เรือดำน้ำชั้น Soryu, เรือพิฆาตบรรทุกเฮลิคอปเตอร์ JS Kaga, เรือฝึก JS Kashima, JS Yamayuki, และ JS Tenryu จอดที่ท่าเรือด้านทิศเหนือ กับเรือพิฆาตคุ้มกัน Tone จอดทอดสมอในทะเล (ภาพโดยกัปตันนีโม)

ที่ Alley Karasukojima อนุญาตให้ประชาชนทั่วไปมองเห็นฐานทัพเรือและถ่ายรูปได้ทั้งกลางวันและกลางคืนโดยไม่ต้องเสียค่าเข้า และไม่ต้องกลัว สห.มาไล่หรือเชิญไปปรับทัศนคติ ซึ่งถ้าโชคดีก็อาจได้เห็นเรือเข้าจอดหรือออกจากท่าเรือด้วย

เรือดำน้ำชั้น Soryu และชั้น Oyashio ความแตกต่างคือฐาน Sail ที่โค้งมนกับหางเสือแบบ X (ภาพโดยกัปตันนีโม)

การเดินทางไป Alley Karasukojima สามารถนั่งรถเมล์จากสถานีรถไฟ Kure ลงรถที่ป้าย Sensuitai Mae (潜水隊前) แล้วถึงเลยแบบไม่ต้องเดินต่อ ซึ่งจุดนี้เป็นหนึ่งในสถานที่ท่องเที่ยวในแผนที่เมือง Kure (นอกจากฐานทัพเรือแล้ว ยังมีพิพิธภัณฑ์ Yamato กับพิพิธภัณฑ์ JMSDF ที่เข้าไปชมภายในเรือดำน้ำ JS Akishio ได้) ถ้าใครมีโอกาสได้ไปเที่ยวแถว Osaka หรือ Hiroshima ก็คุ้มมากๆ ที่จะออกนอกเส้นทางไปแวะที่ Kure ด้วย

ป้ายรถเมล์ Sensuitai Mae (潜水隊前) และแผนที่สถานที่ท่องเที่ยวของเมือง Kure (ภาพโดยกัปตันนีโม)

ที่ Alley Karasukojima ข้ามถนนไปจากฝั่งท่าจอดเรือยังมีอาคารโกดังสมัยเมจิที่รอดจากการถูกทิ้งระเบิดโจมตีในสงครามโลก และร้านอาหาร Restaurant Cafe Submarine ที่มีเมนูข้าวแกงกะหรี่สูตรของเรือดำน้ำ JS Kuroshio อีกด้วย เรียกได้ว่าดูเรือดำน้ำเสร็จแล้วก็ชิมอาหารเรือดำน้ำต่อได้เลย

ร้านอาหาร Restaurant Cafe Submarine ฝั่งตรงข้ามจากท่าจอดเรือดำน้ำ (ภาพโดยกัปตันนีโม)

ธงเรือดำน้ำ JS Kuroshio พร้อมใบรับรองสูตรข้าวหน้าแกงกะหรี่ของเรือ (ภาพโดยกัปตันนีโม)

Harmonic และ Octave กับการวิเคราะห์เสียงใต้น้ำด้วยโซนาร์

น้ำทะเลเป็นตัวกลางที่ไม่ดีสำหรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้คลื่นเรดาร์ไม่สามารถใช้งานใต้ทะเลได้ ในทางกลับกันคลื่นเสียงสามารถเดินทางในน้ำทะเลได้ดีกว่าในอากาศหลายเท่า ทำให้เรือดำน้ำใช้ระบบตรวจจับหลักคือโซนาร์ สำหรับตรวจจับเสียงของเป้าจากใต้น้ำ

คลื่นเสียงเป็นคลื่นที่เกิดจากการสั่นสะเทือน ซึ่งการสั่นสะเทือนโดยทั่วไปจะทำให้เกิดคลื่นเสียงที่เป็นความถี่หลักและคลื่นเสียงความถี่อื่นๆ ที่เป็นผลคูณของความถี่หลัก เรียกว่าความถี่ Harmonic โดยปกติแล้วความถี่ Harmonic จะมีความดังน้อยกว่าความถี่หลัก และที่ Harmonic สูงขึ้นความดังก็จะลดลงเรื่อยๆ ตัวอย่างเช่น การเล่นเครื่องดนตรีที่โน๊ต C กลาง (C4) จะทำให้เกิดคลื่นเสียงความถี่หลักประมาณ 261.6 Hz และจะเกิดคลื่นเสียงความถี่ Hamonic อื่นด้วย เช่น 523.2 Hz, 783.8 Hz, … (n x 261.6 Hz) แต่ความถี่เหล่านี้มักเบากว่าความถี่หลัก

ความถี่ Harmonic ของโน๊ตดนตรี (ภาพจาก Historical Tuning of Keyboard Instruments)

คลื่นเสียงความถี่หลักมีความสัมพันธ์โดยตรงกับการสั่นสะเทือนที่ทำให้เกิดเสียง และสามารถนำมาใช้ในการแยกแยะเป้าประเภทต่างๆ ได้ แต่ในทางปฏิบัติการเดินทางของเสียงใต้น้ำอาจมีปัจจัยความไม่แน่นอนอื่น เช่น คุณสมบัติของน้ำทะเล และเสียงรบกวนต่างๆ ทำให้โซนาร์ไม่สามารถตรวจจับคลื่นเสียงความถี่หลักที่เป็นความถี่ต่ำได้ แต่อาจได้ยินเฉพาะความถี่ Harmonic แทน ซึ่งพนักงานโซนาร์สามารถคำนวณย้อนกลับไปเพื่อหาความถี่หลักได้ ตัวอย่างเช่น ถ้าพนักงานโซนาร์ได้ยินคลื่นเสียงความถี่ Harmonic 100 Hz, 150 Hz, และ 200 Hz จะสามารถคำนวณหาความถี่หลักได้ 50 Hz

ในส่วนของความถี่ Octave หมายถึงความถี่ 2 เท่าของความถี่เดิม คำว่า Octave มีรากศัพท์จากคำว่า Octavus แปลว่า 8 หมายถึงเสียงที่ตัวโน๊ตต่างกัน 8 ตัว ซึ่งจะมีความถี่สูงขึ้นเป็น 2 เท่า ตัวอย่างเช่น โน๊ต C กลาง หรือ C4 มีความถี่ประมาณ 261.6 Hz ส่วนโน๊ตสูงขึ้นไปอีก 8 ตัวคือ C5 มีความถี่ประมาณ 523.2 Hz เรียกว่า Octave ที่ 1 ของ C4 และโน๊ตที่สูงกว่า C5 ขึ้นไปอีก 8 ตัวคือ C6 มีความถี่ประมาณ 1,046.5 Hz เรียกว่า Octave ที่ 2 ของ C4 (2^n x 261.6 Hz)

การแบ่งช่วงความถี่เป็น Octave Band (ภาพจาก Castle Group)

Octave ไม่ได้ใช้ในการวิเคราะห์หาความถี่หลักของต้นกำเนิดเสียง แต่ใช้ในการแบ่ง Bandwidth หรือช่วงความถี่ในการวิเคราะห์ความดังของเสียง Broadband หรือเสียงที่มีหลายความถี่ เนื่องจากการเกิดเสียงของเรือมีได้หลายสาเหตุ และเสียงแต่ละแบบก็มีความถี่และความดังที่ต่างกันไป ซึ่งความถี่กลางของแต่ละ Octave Band จะเพิ่มขึ้นเป็น 2 เท่าของความถี่ก่อนหน้า (เช่น 125 Hz, 250 Hz, 500 Hz, …) ตัวอย่างในกราฟของภาพต่อไปจะเห็นว่าความเข้มเสียงของเรือทั่วไปจะลดลง -6 dB/octave คือความเข้มเสียงจะลดลงเหลือ 1/4 (0.25 x) ทุกความถี่ที่เพิ่มขึ้น 2 เท่า

ตัวอย่างความเข้มเสียงของเรือทั่วไป เทียบกับความถี่ (ภาพจาก An Introduction to Underwater Acoustics: Principles and Applications)

หรือในกรณีที่ต้องการแบ่ง Bandwidth ให้ละเอียดมากขึ้นอาจแบ่งเป็น 1/3 Octave คือแบ่งช่วงความถี่ Octave เป็น 3 ช่วงย่อย ซึ่งจะได้ความถี่กลางของแต่ละ 1/3 Octave Band คือ 125 Hz, 160 Hz, 200 Hz, 250 Hz, 315 Hz, 400 Hz, 500 Hz, …) ก็จะได้การแบ่งช่วงความถี่ที่ละเอียดมากขึ้น

---

อ้างอิง
https://www.quora.com/What-is-the-difference-between-an-octave-and-a-harmonic
https://en.wikipedia.org/wiki/Octave
https://books.google.co.th/books?id=VTNRh3pyCyMC