История гидроакустики. Литература и источники информации
Введение
В этом реферате я рассмотрел не только судовую гидроакустическую аппаратуру, но и само понятие гидроакустики в целом. А также её развитие, особенно в советский период. Разобрал устройство гидроакустических систем и их классификацию. Для каждого класса гидроакустической аппаратуры привел название зарубежных образцов и компаний производящих их, которые можно найти на современном рынке.
Гидроакустика как наука
Гидроакустика - раздел акустики, изучающий излучение, прием и распространение звуковых волн в реальной водной среде (в океане, морях, озёрах и т.д.) для целей подводной локации, связи и т.п.
Это наука о подводном звуке, о его излучении, распространении, поглощении, рассеянии, отражении, приеме и отрасль техники, базирующаяся на достижениях этой науки.
Гидроакустика получила широкое практическое применение, ибо никакие виды электромагнитных волн не распространяются в воде (вследствие её электропроводности) на сколько-нибудь значительном расстоянии, и звук, поэтому является единственным возможным средством связи под водой.
Для этих целей пользуются звуковыми частотами от 300 до 10000 Гц и ультразвуками от 10000 Гц и выше. В качестве излучателей и приёмников в звуковой области используются электродинамические и пьезоэлектрические излучатели и гидрофоны, а в ультразвуковой - пьезоэлектрические и магнитострикционные. Кроме звукоподводной связи гидроакустика применяется для:
· Обнаружения шумовых сигналов и определения направления на них;
· Излучения акустических сигналов, обнаружения отраженных сигналов и определения координат;
· Классификации обнаруженных сигналов
Наиболее существенные применения гидроакустики:
· Для решения военных задач;
· Морская навигация;
· Звукоподводная связь;
· Рыбопоисковая разведка;
· Океанологические исследования;
· Сферы деятельности по освоению богатств дна Мирового океана;
· Использование акустики в бассейне (дома или в тренировочном центре по синхронному плаванию)
· Тренировка морских животных.
Развитие гидроакустики
Гидроакустика как наука имеет долгую историю. Пионером этой науки по праву может считаться Леонардо да Винчи, еще в конце 15 века записавший в своих дневниках - "…если вы остановите судно, возьмете длинную полую трубку и одним концом опустите в воду, а другим концом приложите к уху, то услышите корабли, находящиеся на большом расстоянии…". Среди ученых, оставивших свой след в акустике, были Ньютон, Даламбер, Лагранж, Бернулли, Эйлер, Релей и многие другие.
Гидроакустика как инженерная дисциплина получила свое развитие в начале ХХ века, когда 1912 г.Р. Фессенден (США) разработал первый гидроакустический излучатель большой мощности. Примерно в это же время русским инженером Р. Н. Ниренбергом была создана первая станция подводного телеграфа, а в конце 20-х годов В. Н. Тюлин создал первую гидроакустическую станцию (эхолот).
Сразу оговоримся, что в становление и развитие отечественной гидроакустики внесли свой вклад многие научно-исследовательские и производственные предприятия, расположенные на всей территории бывшего Советского Союза. Освещая вопросы создания гидроакустических систем, нельзя не упомянуть значительную роль ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, Акустического института им. акад. Н. Н. Андреева, ЦНИИ "Гидроприбор", НПО "Атолл" (г. Дубна), ЦНИИ "Риф" (г. Бельцы), НПО "Славутич" (г. Киев), целого ряда институтов Академии наук - Института прикладной физики РАН, Тихоокеанского океанологического института, Института океанологии им. П. П. Ширшова, и многих других. Значительное участие в проектировании гидроакустических средств всегда принимали ЦКБ - проектанты кораблей - носителей ГАК: ЦКБ МТ "Рубин", СПМБМ "Малахит" и др. Важнейшую роль в подготовке кадров для отрасли сыграли учебные заведения, занимающиеся подготовкой специалистов-акустиков - Ленинградский электротехнический институт (ныне СПб ГЭТУ "ЛЭТИ"), Ленинградский кораблестроительный институт (ныне СПб ГМТУ), МГУ им. М. В. Ломоносова, Дальневосточный политехнический институт, Таганрогский радиотехнический институт (ныне ТРТУ) и некоторые другие ВУЗы страны. Нельзя не упомянуть и целый ряд военных научно-исследовательских организаций, активно участвовавших в формировании технических заданий на гидроакустические системы и комплексы, принимавших непосредственное участие в испытаниях и сдаче готовых изделий флоту. В последние годы активно включились в работы по созданию гидроакустических средств Камчатский гидрофизический институт, ЗАО "Аквамарин", ЦНИИ "Электроприбор" и др.
В этом контексте представляется целесообразным кратко коснуться этапа зарождения и становления отечественной гидроакустики, еще раз подчеркнув ту определяющую роль, которую сыграл в этом процессе Ленинград - Санкт-Петербург.
В первой трети двадцатого столетия, которую можно рассматривать как период начального накопления информации и поиска технологий, необходимых для проектирования гидроакустических систем, определяющую роль сыграли такие промышленные организации и ВУЗы города, как Балтийский завод, Остехбюро, Центральная радиолаборатория (ЦРЛ), Завод им. Коминтерна, Государственный электротехнический институт, Институт радиоприема и акустики (ИРПА), Физико-техническая лаборатория, ЛЭТИ им. В. И. Ульянова (Ленина) и др. Они работали в тесном взаимодействии с Гидрографическим управлением флота, Военно-морской академией, Научно-исследовательским морским институтом связи (НИМИС), Научно-исследовательским полигоном связи, Училищем связи и др. В указанных учреждениях плодотворно работали такие видные ученые, как академики Н. Н. Андреев, А. И. Берг, А. Ф. Иоффе, Л. И. Мандельштам, В. Ф. Миткевич, доктора наук Л. Я. Гутин, Б. А. Кудревич, И. Н. Мельтрегер, С. Я. Соколов, В. Н. Тюлин, Е. Е. Шведе, инженеры П. П. Кузьмин, Р. Г. Ниренберг, А. И. Пустовалов, Н. И. Сигачев и др. Результаты деятельности этих ученых и инженеров дают основание считать Ленинград родиной отечественной гидроакустики, а такие ученые, как Н. Н. Андреев, Л. Я. Гутин, С. Я. Соколов и В. Н. Тюлин, по праву должны быть отнесены к ее основоположникам.
Для тридцатых годов двадцатого столетия, безусловно, этапным для развития отечественной гидроакустики стало создание в 1932 г. в Ленинграде завода "Водтрансприбор" - первого серийного завода в сфере гидроакустического приборостроения. Одной из важных задач, которую успешно решил завод, было освобождение страны от иностранной зависимости в области гидроакустической техники. Высокой оценкой деятельности завода стало присуждение в 1941 г. группе его специалистов Е. И. Аладышкину, А. С. Василевскому, В. С. Кудрявцеву, М. И. Маркусу, Л. Ф. Сычеву, 3. Н. Умикову, а также сотруднику НИМИС П. П. Кузьмину Сталинской премии за создание первого отечественного гидролокатора "Тамир-1". Созданные заводом к 1941г. гидроакустические средства, их непрекращавшийся в годы Великой Отечественной войны выпуск, а также хорошо организованная система авторского надзора за эксплуатацией средств на кораблях позволили Военно-Морскому Флоту успешно решать боевые задачи в ходе войны. Творческая жизнь специалистов-гидроакустиков не прекращалась даже во время эвакуации завода в г. Омск. Показателен факт создания в 1943 г. группой специалистов завода, Минно-торпедного института и ряда других организаций неконтактного акустического взрывателя "Краб" для большой якорной мины КБ-3. В 1949 г. создатели взрывателя были удостоены Сталинской премии.
Этапным событием в первые послевоенные годы стало создание при заводе "Водтрансприбор" особого конструкторского бюро (ОКБ-206). Создание ОКБ было определено постановлением Правительства СССР от 10 июля 1946 г., утвердившим 10-летнюю программу развития гидроакустических средств с существенно повышенными ТТХ для ВМФ в обеспечение принятой программы военного кораблестроения. Тем самым были созданы предпосылки для образования в 1949 г. на базе ОКБ-206 первого в стране научно-исследовательского института гидролокации и гидроакустики - НИИ-3 Минсудпрома. Из ОКБ в институт перешли высококвалифицированные специалисты, которые составили костяк института и внесли большой вклад в развитие гидроакустики.
В середине 70-х годов перед ЦНИИ "Морфизприбор" была поставлена задача создать гидроакустическое вооружение для глубоководных подводных аппаратов, малых и сверхмалых ПЛ (МПЛ и СМПЛ). Водоизмещение подобных судов составляет от нескольких десятков до двух-трех сотен тонн, что накладывает весьма жесткие ограничения на массогабаритные показатели гидроакустической аппаратуры. В то же время эта аппаратура должна быть многофункциональной и решать задачи шумопеленгования, эхолокации, обнаружения гидроакустических сигналов, гидроакустической связи, привода водолазов, управления маяками-ответчиками и др. При этом задачи обнаружения целей и сигналов должны решаться во всем водном пространстве, включая верхнюю полусферу. Сокращенное до минимума количество личного состава корабля обусловило необходимость высокого уровня автоматизации процессов управления гидроакустическими средствами. Наконец, необходимо было обеспечить надежную работу гидроакустических антенн при высоком гидростатическом давлении. Все указанные научно-технические и технологические проблемы были преодолены. В результате на вооружение ВМФ был принят ряд гидроакустических средств. Среди них многофункциональный ГАК "Припять-П" для МПЛ "Пиранья".
На сегодняшний день гидроакустика исполняет роли "глаз" и "ушей" при проведении различных подводных работ и исследований. Несмотря на активное развитие в последнее время радио - и телекоммуникаций применение их в подводном пространстве сильно ограничено в силу физических законов распространения электро- и радиоволн в воде. Применение различных видеокамер и видеоустройств ограничено условиями плохой видимости (обычно на глубине 100 метров зона визуального наблюдения не превышает 10 метров). Использование же гидроакустических приборов позволяет получать данные о подводных объектах практически на всех глубинах Мирового океана, причём новейшие разработки позволяют получать изображения подводного пространства с разрешением в несколько сантиметров.
Гидроакустика (от греч. hydor - вода, akusticoc - слуховой) - наука о явлениях, происходящих в водной среде и связанных с распространением, излучением и приемом акустических волн. Она включает вопросы разработки и создания гидроакустических средств, предназначенных для использования в водной среде.
История развития
Основы гидроакустики
Особенности распространения акустических волн в воде
Компоненты события появления эхосигнала.
Начало всесторонних и фундаментальных исследований по распространению акустических волн в воде было положено в годы Второй мировой войны, что диктовалось необходимостью решения практических задач военно-морских флотов и в первую очередь подводных лодок. Экспериментальные и теоретические работы были продолжены и в послевоенные годы и обобщены в ряде монографий. В результате этих работ были выявлены и уточнены некоторые особенности распространения акустических волн в воде: поглощение, затухание, отражение и рефракция.
Поглощение энергии акустической волны в морской воде обуславливается двумя процессами: внутренним трением среды и диссоциацией растворенных в ней солей. Первый процесс преобразует энергию акустической волны в тепловую, а второй - преобразуясь в химическую энергию, выводит молекулы из равновесного состояния, и они распадаются на ионы. Этот вид поглощения резко возрастает с увеличением частоты акустического колебания. Наличие в воде взвешенных частиц, микроорганизмов и температурных аномалий приводит также к затуханию акустической волны в воде. Как правило, эти потери невелики, и их включают в общее поглощение, однако иногда, как, например, в случае рассеяния от следа корабля, эти потери могут составить До 90 %. Наличие температурных аномалий приводит к тому, что акустическая волна попадает в зоны акустической тени, где она может претерпеть многократные отражения.
Наличие границ раздела вода - воздух и вода - дно приводит к отражению от них акустической волны, причем, если в первом случае акустическая волна отражается полностью, то во втором случае коэффициент отражения зависит от материала дна: плохо отражает илистое дно, хорошо - песчаное и каменистое. На небольших глубинах из-за многократного отражения акустической волны между дном и поверхностью возникает подводный звуковой канал, в котором акустическая волна может распространяться на большие расстояния. Изменение величины скорости звука на разных глубинах приводит к искривлению звуковых «лучей» - рефракции.
Рефракция звука (искривление пути звукового луча)
|
Рефракция звука в воде: а - летом; б - зимой; слева - изменение скорости с глубиной. Скорость распространения звука изменяется с глубиной, причём изменения зависят от времени года и дня, глубины водоёма и ряда других причин. Звуковые лучи, выходящие из источника под некоторым углом к горизонту, изгибаются, причём направление изгиба зависит от распределения скоростей звука в среде: летом, когда верхние слои теплее нижних, лучи изгибаются книзу и в большинстве отражаются от дна, теряя при этом значительную долю своей энергии; зимой, когда нижние слои воды сохраняют свою температуру, между тем как верхние слои охлаждаются, лучи изгибаются кверху и многократно отражаются от поверхности воды, при этом теряется значительно меньше энергии. Поэтому зимой дальность распространения звука больше, чем летом. Вертикальное распределение скорости звука (ВРСЗ) и градиент скорости оказывают определяющее влияние на распространение звука в морской среде. Распределение скорости звука в различных районах Мирового океана различно и меняется во времени. Различают несколько типичных случаев ВРСЗ: |
Рассеивание и поглощение звука неоднородностями среды.
Распространение звука в подводном звук. канале: а - изменение скорости звука с глубиной; б - ход лучей в звуковом канале. На распространение звуков высокой частоты, когда длины волн очень малы, оказывают влияние мелкие неоднородности, обычно имеющиеся в естественных водоёмах: пузырьки газов, микроорганизмы и т. д. Эти неоднородности действуют двояким образом: они поглощают и рассеивают энергию звуковых волн. В результате с повышением частоты звуковых колебаний дальность их распространения сокращается. Особенно сильно этот эффект заметен в поверхностном слое воды, где больше всего неоднородностей. Рассеивание звука неоднородностями, а также неровностями поверхности воды и дна вызывает явление подводной реверберации , сопровождающей посылку звукового импульса: звуковые волны, отражаясь от совокупности неоднородностей и сливаясь, дают затягивание звукового импульса, продолжающееся после его окончания. Пределы дальности распространения подводных звуков так же ограничиваются собственными шумами моря, имеющими двоякое происхождение: часть шумов возникает от ударов волн на поверхности воды, от морского прибоя, от шума перекатываемой гальки и т. п.; другая часть связана с морской фауной (звуки, производимые гидробионтами: рыбами и др. морскими животными). Этим очень серьёзным аспектом занимается биогидроакустика. |
Дальность распространения звуковых волн
Дальность распространения звуковых волн является сложной функцией частоты излучения, которая однозначно связана с длиной волны акустического сигнала. Как известно, высокочастотные акустические сигналы быстро затухают благодаря сильному поглощению водной средой. Низкочастотные сигналы напротив способны распространяться в водной среде на большие расстояния. Так акустический сигнал с частотой 50 Гц способен распространяться в океане на расстояния в тысячи километров, в то время как сигнал с частотой 100 кГц, обычный для гидролокатора бокового обзора, имеет дальность распространения всего 1-2 км. Приблизительные дальности действия современных гидролокаторов с различной частотой акустического сигнала (длиной волны) приведены в таблице:
Области применения.
Гидроакустика получила широкое практическое применение, поскольку ещё не создано эффективной системы передачи электромагнитных волн под водой на сколько-нибудь значительном расстоянии, и звук поэтому является единственным возможным средством связи под водой. Для этих целей пользуются звуковыми частотами от 300 до 10000 гц и ультразвуками от 10000 гц и выше. В качестве излучателей и приёмников в звуковой области используются электродинамические и пьезоэлектрические излучатели и гидрофоны, а в ультразвуковой - пьезоэлектрические и магнитострикционные.
Наиболее существенные применения гидроакустики:
- Для решения военных задач;
- Морская навигация;
- Звукоподводная связь;
- Рыбопоисковая разведка;
- Океанологические исследования;
- Сферы деятельности по освоению богатств дна Мирового океана;
- Использование акустики в бассейне (дома или в тренировочном центре по синхронному плаванию)
- Тренировка морских животных.
Примечания
Литература и источники информации
ЛИТЕРАТУРА:
- В.В. Шулейкин Физика моря . - Москва: «Наука», 1968г.. - 1090 с.
- И.А. Румынская Основы гидроакустики . - Москва: «Судостроение», 1979 г.. - 105 с.
- Ю.А. Корякин Гидроакустические системы . - СПб: «Наука Санкт-Петербурга и морская мощь России», 2002 г.. - 416 с.
И акустика), раздел акустики, в котором изучается распространение акустических волн в естественной водной среде, а также рассматриваются различные области и способы их подводного применения. Звук - единственный вид излучения, распространяющийся в жидкости на сколько-нибудь значительное расстояние. Поэтому звуковые волны являются единственным средством передачи и получения информации подводным путём для различных целей - навигационных, военных, подводной связи, обеспечения морских промыслов.
Возможность использования подводного звука известна с давнего времени. В 15 веке Леонардо да Винчи предложил прослушивать находящиеся в море корабли посредством опущенной в воду одним концом трубки. К началу 20 века в качестве средства навигации в прибрежных водах рассматривался подводный колокол. Разработка и применение гидроакустических методов для военных целей начались в годы 1-й мировой войны. В 1916 году российский инженер К. Шиловский совместно с П. Ланжевеном проводили испытания первого устройства для акустической эхолокации подводных объектов. Ланжевен разработал для этих целей пьезоэлектрический кварцевый преобразователь. В 1918 году была показана возможность обнаружения подводных лодок посредством гидроакустических сигналов. Противолодочные гидроакустические устройства широко использовались во время 2-й мировой войны. В 20 веке области применения методов гидроакустики существенно расширились в связи с развитием военно-морской и навигационной техники, а также с возрастающим промышленным освоением Мирового океана.
Основной научной задачей гидроакустики является изучение особенностей распространения акустических волн в реальных водных средах (океанах, морях, озёрах и т.п.), что сближает её с акустикой океана. Дальность распространения подводных звуков определяется поглощением звука в среде и дополнительным затуханием звука, вызываемым рассеянием на неоднородностях водной толщи, взволнованной поверхности, неровностях дна и поглощением в донных осадках. Рефракция звука, вызываемая пространственным изменением скорости звука, может, с одной стороны, приводить к образованию рефракционных зон звуковой тени (зон молчания), с другой - к явлению сверхдальнего распространения звука в океане за счёт образования подводного звукового канала. В условиях существования подводного звукового канала дальность распространения звука на частотах ниже нескольких килогерц от источника средней мощности (например, от взрыва небольших зарядов весом 1-2 кг) может достигать сотен и тысяч километров. С повышением частоты звука (ультразвук) затухание существенно увеличивается и дальность распространения сокращается до 3-5 км. На поглощение и рассеяние звука высокой частоты оказывают влияние мелкомасштабные неоднородности (турбулентность, звукорассеивающие слои биологического происхождения, пузырьки газов и др.). Особенно сильно этот эффект заметен в приповерхностном слое воды, где больше всего неоднородностей. Рассеяние звука неоднородностями толщи воды и её границ (морское волнение, неровности дна) вызывает явление подводной реверберации, которая является существенной помехой для ряда практических применений гидроакустики. Пределы дальности обнаружения гидроакустических сигналов ограничиваются и собственными шумами моря, вызываемыми обрушением волн, дождём, перекатыванием гальки морским прибоем, а также звукоизлучением морской фауны (киты, креветки и др.) и техногенными процессами (судоходство, промышленная деятельность на морских шельфах и тому подобное).
Научно-техническая задача гидроакустики - создание технических средств, основанных на использовании распространения звука в естественных водоёмах, так называемых гидроакустических средств. Их назначение: обнаружение, классификация подводных объектов и слежение за ними (смотри Гидролокация), осуществление связи между подводными и надводными кораблями, обеспечение безопасности судовождения; проведение океанографических исследований; обеспечение рыболовства и промыслов морских животных (смотри Рыболокация), поиск и разведка полезных ископаемых на поверхности и в толще морского грунта, сопровождение подводных буровых работ, контроль акустических полей морских судов и др. Конкретные виды гидроакустических средств, соответствующие одному (реже нескольким) из указанных назначений, называют гидроакустическими системами или гидроакустическими станциями; они могут объединяться в гидроакустические комплексы. К гидроакустическим устройствам относятся гидролокаторы, шумопеленгаторы, системы визуализации звукового поля, эхолоты, гидроакустические лаги, гидроакустические маяки, рыболокаторы (рыбопоисковые станции), гидроакустические буи.
Гидроакустические системы и комплексы могут устанавливаться на судах или кораблях, опускаться за борт или буксироваться. Они могут быть стационарными (т. е. расположенными на дне, чаще всего вблизи берега), позиционными (устанавливаемыми на якорях в определённых точках океана), свободно дрейфующими. Портативные гидроакустические средства применяются водолазами и аквалангистами.
К научно-техническим задачам гидроакустики относится также создание элементов гидроакустических средств - гидроакустических антенн, подводных излучателей звука и подводных приёмников звука (гидрофонов), а также электронных устройств для формирования излучаемого сигнала и обработки принятого. Для обработки полученной информации применяется электронно-вычислительная техника, адаптированная к специфике гидроакустических задач.
Лит.: Урик Р. Дж. Основы гидроакустики. Л., 1978; Справочник по гидроакустике. 2-е изд. Л., 1988; Корякин Ю. А., Смирнов С. А., Яковлев Г. В. Корабельная гидроакустическая техника. СПб., 2004.
Р. Ф. Швачко, И. П. Голямина.
Гидроакустика (от гидро... и акустика ), раздел акустики, изучающий распространение звуковых волн в реальной водной среде (в океанах, морях, озёрах и т.д.) для целей подводной локации, связи и т.п. Существенная особенность подводных звуков -- их малое затухание, вследствие чего под водой звуки могут распространяться на значительно большие расстояния, чем, например, в воздухе.
Так, в области слышимых звуков для диапазона частот 500--2000 гц дальность распространения под водой звуков средней интенсивности достигает 15--20 км , а в области ультразвука -- 3--5 км . Если исходить из величин затухания звука, наблюдаемых в лабораторных условиях в малых объёмах воды, то можно было бы ожидать значительно больших дальностей. Однако в естественных условиях, кроме затухания, обусловленного свойствами самой воды (т. н. вязкого затухания), сказываются ещё рефракция звука и его рассеяние, и поглощение различными неоднородностями среды.
Рефракция звука, или искривление пути звукового луча, вызывается неоднородностью свойств воды, главным образом по вертикали, вследствие трёх основных причин: изменения гидростатического давления с глубиной, изменения солёности и изменения температуры вследствие неодинакового прогрева массы воды солнечными лучами. В результате совокупного действия этих причин скорость распространения звука, составляющая около 1450 м/сек для пресной воды и около 1500 м/сек для морской, изменяется с глубиной, причём закон изменения зависит от времени года, времени дня, глубины водоёма и ряда др. причин.
Звуковые лучи, вышедшие из источника под некоторым углом к горизонту, изгибаются, причём направление изгиба зависит от распределения скоростей звука в среде.
Летом, когда верхние слои теплее нижних, лучи изгибаются книзу и в большинстве своём отражаются от дна, теряя при этом значительную долю своей энергии. Наоборот, зимой, когда нижние слои воды сохраняют свою температуру, между тем как верхние слои охлаждаются, лучи изгибаются кверху и претерпевают многократные отражения от поверхности воды, при которых теряется значительно меньше энергии. Поэтому зимой дальность распространения звука больше, чем летом. Вследствие рефракции образуются т. н. мёртвые зоны (зоны тени), т. е. области, расположенные недалеко от источника, в которых слышимость отсутствует.
Наличие рефракции, однако, может приводить к увеличению дальности распространения звука -- явлению сверхдальнего распространения звуков под водой. На некоторой глубине под поверхностью воды находится слой, в котором звук распространяется с наименьшей скоростью; выше этой глубины скорость звука увеличивается из-за повышения температуры, а ниже -- вследствие увеличения гидростатического давления с глубиной. Этот слой представляет собой своеобразный подводный звуковой канал. Луч, отклонившийся от оси канала вверх или вниз, вследствие рефракции всегда стремится попасть в него обратно (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Распространение звука в подводном звуковом канале: а -- изменение скорости звука с глубиной; б -- ход лучей в звуковом канале.
Если поместить источник и приёмник звука в этом слое, то даже звуки средней интенсивности (например, взрывы небольших зарядов в 1--2 кг ) могут быть зарегистрированы на расстояниях в сотни и тысячи км . Существенное увеличение дальности распространения звука при наличии подводного звукового канала может наблюдаться при расположении источника и приёмника звука не обязательно вблизи оси канала, а, например, у поверхности. В этом случае лучи, рефрагируя книзу, заходят в глубоководные слои, где они отклоняются кверху и выходят снова к поверхности на расстоянии в несколько десятков км от источника.
Далее картина распространения лучей повторяется и в результате образуется последовательность т. н. вторичных освещенных зон, которые обычно прослеживаются до расстояний в несколько сотен км . Явление сверхдальнего распространения звука в море было открыто независимо американскими учёными М. Ивингом и Дж. Ворцелем (1944) и советскими учёными Л. М. Бреховских и Л. Д. Розенбергом (1946).
На распространение звуков высокой частоты, в частности ультразвуков, когда длины волн очень малы, оказывают влияние мелкие неоднородности, обычно имеющиеся в естественных водоёмах: микроорганизмы, пузырьки газов и т.д. Эти неоднородности действуют двояким образом: они поглощают и рассеивают энергию звуковых волн. В результате с повышением частоты звуковых колебаний дальность их распространения сокращается. Особенно сильно этот эффект заметен в поверхностном слое воды, где больше всего неоднородностей.
Рассеяние звука неоднородностями, а также неровностями поверхности воды и дна вызывает явление подводной реверберации , сопровождающей посылку звукового импульса: звуковые волны, отражаясь от совокупности неоднородностей и сливаясь, дают затягивание звукового импульса, продолжающееся после его окончания, подобно реверберации, наблюдающейся в закрытых помещениях. Подводная реверберация -- довольно значительная помеха для ряда практических применений гидроакустики, в частности для гидролокации .
Пределы дальности распространения подводных звуков лимитируются ещё и т. н. собственными шумами моря, имеющими двоякое происхождение. Часть шумов возникает от ударов волн на поверхности воды, от морского прибоя, от шума перекатываемой гальки и т.п. Другая часть связана с морской фауной; сюда относятся звуки, производимые рыбами и др. морскими животными.
Гидроакустика получила широкое практическое применение, т.к. никакие виды электромагнитных волн, включая и световые, не распространяются в воде (вследствие её электропроводности) на сколько-нибудь значительном расстоянии, и звук, поэтому является единственным возможным средством связи под водой. Для этих целей пользуются как звуковыми частотами от 300 до 10000 гц , так и ультразвуками от 10000 гц и выше.
Ключевые слова: гидроакустика, рефракция, звуковой канал, сверхдальнее распространение звука, реверберация, гидролокация.
Контрольные вопросы
- 1. Чем занимается гидроакустика?
- 2. Объясните явление рефракции звука в воде.
- 3. В чем заключается явление сверхдальнего распространения звука?
- 4. Чем вызывается подводная реверберация?
Русские изобретатели гидроакустических средств
Редко можно встретить современное судно, не оборудованное гидроакустическими приборами.
Несмотря на то, что гидроакустика как наука, занимающаяся изучением звуковых явлений в воде, существует очень давно, высокие звукопроводящие свойства последней начали практически использоваться для подводного наблюдения и связи только в XX столетии.
Большой вклад в создание первых гидроакустических средств внесли русские изобретатели. Первые опыты в данной области производились в России в 1905 году инженером Р. Г. Ниренбергом на Балтийском судостроительном заводе.
Р. Г. Ниренберг применил для этого гидравлическую сирену с одним неподвижным диском и другим подвижным, вращаемым электромотором. Струя воды, подаваемая насосом под большим давлением, поступала в сирену, погруженную в воду, и соответственно числу оборотов подвижного диска давала диск желаемой частоты. Особое устройство позволило телеграфировать по азбуке Морзе, закрывая и открывая доступ воды от насоса к сирене.
Вскоре при подводном телеграфировании нашли возможность записывать депеши на ленту. В 1906 г. для такой цели был сконструирован прибор. В 1908 г. в бассейне Морского ведомства проводили испытания первого микрофонно-телефонного приемника, которые дали хорошие результаты. Балтийскому заводу было заказано 10 подобных станций. В следующем году на этом же заводе разработали излучатель с мембраной, вибрирующей под напором струи воды. За рубежом, в частности в германском флоте, излучатели мембранного типа стали применяться значительно позже, однако немецкий ученый Эйгнер в книге «Техника подводной связи», вышедшей в 1922 г., заявил о своем «приоритете» в изобретении подобных приборов.
В 1910 г. велись работы по установке на линейных кораблях Черноморского флота «Три святителя», «Пантелеймон» и двух подводных лодках. Спустя полтора года, производили испытания таких приборов на Неве, которые прошли успешно. Комиссия пришла к выводу, что станция удовлетворяет своему назначению и может быть использована в открытом море на дальности свыше двух миль.
Испытания аналогичных приборов производились и в Ревеле на подводных лодках. При этом впервые был применен чечевицеобразный приемник, буксируемый на тросах. Подобная конструкция оказалась необходимой потому, что на ходу создаются звуковые помехи от обтекания водой корпуса судна. В приемник же такой формы лучше слышно, так как на него менее влияет шум воды.
При разработке приемной аппаратуры гидрофонических станций возникли боль шие трудности. Надо было в максимальной степени уменьшить помехи, которые возникали на ходу от шумов собственных механизмов и обтекания водой корпуса судна. В 1913 г. работники Балтийского завода изобрели мечевые приемники, удачно разрешавшие указанную проблему. Они имели обтекаемую форму, поэтому завихрений воды не образовывалось вокруг них.
В 1913 г. испытывалась гидрофоническая станция с мечевыми приемниками Балтийского завода. Комиссия находилась на борту парохода «Балтиец», где был смонтирован такой приемник. Несмотря на шум от своих машин и проходящих мимо судов, сигналы отправительной станции были все время хорошо слышны как при удалении «Балтийца» от нее, так и при поворотах.
Испытания показали, что новая конструкция гидрофонического прибора системы Балтийского завода обладает настолько высокими качествами, что может быть принята на вооружение флота для целей подводной сигнализации в боевых условиях.
В докладе по Морскому министерству за 1913 г. было сказано, что «вследствие большого значения подводной сигнализации предполагается при благоприятных результатах этих опытов снабдить все большие суда приборами системы Ниренберга, имеющими перед иностранными системами то существенное преимущество, что ими можно пользоваться и для переговоров между судами, идущими в кильватерной колонне».
Однако в дальнейшем чиновники царского флота, преклоняясь перед иностранной техникой, не дали претворить в жизнь смелые начинания талантливого русского изобретателя.
Несмотря на то, что отечественные гидроакустические установки, изготовленные на Балтийском заводе, превосходили заграничные, Морское министерство заказало американской фирме 55 приборов подводной сигнализации. И монтаж на судах был передан в руки американских специалистов, которые в целях наживы специально затягивали работу. В итоге русский флот не имел гидроакустической станции связи в течение всей первой мировой войны.
Помимо создания гидроакустических приборов для судов, русские инженеры работали в области звукоподводной сигнализации для маяков. В 1911 г. техник Главного гидрографического управления Ерш предложил для маяков подводный колокол, построенный на свои средства. Им можно было пользоваться, чтобы подавать сигналы с постоянной характеристикой, а также вести переговоры. Колокол мог действовать автоматически и при обслуживании вручную, превосходил заграничные образцы.
Следует отметить также изобретение русского моряка А. Щенсовича, который разработал радиоакустический метод определения места судна вблизи берегов при плохой видимости.
Для этой цели использовались уже имевшиеся на судах радиоприемники и гидрофоны. На береговой станции устанавливались радиопередатчик, гидроакустический излучатель и специальный синхронизатор для одновременной посылки радио- и гидроакустических сигналов.
Метод определения места судна был основан на разности скоростей радио- и гидроакустического сигналов. Считалось, что радиосигнал доходит до судна практически мгновенно, а звук распространяется в воде со скоростью 1500 м/сек. По запаздыванию гидроакустического сигнала относительно радио определялось расстояние от судна до передающей станции, причем точность была гораздо большей, чем при визуальном определении.
Таким образом, к началу первой мировой войны в России была изобретена и испытана дальномерная (круговая) радионавигационная система , в которой из-за отсутствия в те времена импульсной радиотехники применялась гидроакустика.
Русский инженер К. Шиловский в 1912 году предложил прибор, основанный на посылке ультразвукового луча, его отражении встречным препятствием и затем приеме. Первоначально эхолокатор К. Шиловского предназначался для нахождения плавающих льдин и предотвращения столкновения с ними судна. Во время первой мировой войны возникла идея использовать гидролокатор для обнаружения немецких подводных лодок. Однако в условиях царской России оказалось невозможным провести исследования, и К. Шиловский был вынужден переехать в Париж.
Практически свою идею К. Шиловский осуществил совместно с известным французским физиком П. Ланжевеном. Она заключалась в том, чтобы возбудить цилиндрический слюдяной конденсатор высокочастотным звуковым генератором, создающим колебания такой частоты, при которой звук не слышим для невооруженного уха.
Посылаемый луч доходил до подводной лодки, отражался от нее и возвращался обратно. По времени возвращения звука определялось расстояние до подводной лодки, а направление луча являлось ее пеленгом.
Успешные работы наших соотечественников над созданием различных гидроакустических средств свидетельствуют о том, что русская научная мысль в этой области опережала зарубежную. И только косность чиновников царского флота, их низкопоклонство перед заграницей, продажность, а порой и просто предательство не давали возможности претворять в жизнь смелые начинания талантливых русских людей.
Е. Шошков, инженер-капитан III ранга
