Звуки в морских глубинах

Явление распространения звуковой энергии в подводном звуковом канале объяснено советским ученым Л. М. Бреховских.

Подводный звуковой канал возникает чаще всего в океане и представляет собой область глубин, где скорость звука вначале уменьшается, а достигнув минимума, начинает возрастать (рис. 25).

Рис. 25. Распространение звука в подводном звуковом канале.

Верхняя и нижняя границы подводного звукового канала представляют глубину с равными скоростями звука. За ось канала принимается глубина с наименьшей скоростью звука. Звук будет распространяться дальше, если источник звука будет находиться на оси подводного звукового канала.

Очень большая дальность распространения звука в канале объясняется тем, что звуковые лучи проходят большие расстояния, претерпевая полное внутреннее отражение от верхней и нижней границ звукового канала, не выходя за его пределы. Распространяется звук вдоль оси звукового канала.

Когда в таком звуковом канале была взорвана бомба весом 1,8 килограмма, взрыв был слышен на расстоянии 4200 километров вместо 20–30 километров, если бы бомба была взорвана в обычных условиях.

Другой, более характерный, опыт был проведен в районе Австралии. Звук от взрыва бомбы весом 22,5 килограмма был слышен на расстоянии 19 200 километров. Звук прошел этот путь за 3 часа 43 минуты. Но необходимо учесть, что дальность распространения звука в море зависит не только от среды, но и от мощности источника звука, направленности и длины волны. Чем больше мощность, направленность и длина волны, тем больше дальность распространения звука.

Эффект Допплера

Каждый из вас, вероятно, обращал внимание на изменение тона звука гудка быстро приближающегося паровоза. Тон звука повышается с приближением паровоза и понижается по мере его удаления.

Чем больше скорость сближения с источником звука, тем изменение тона звука заметнее.

При движении наблюдателя к источнику звука или, наоборот, источника звука к наблюдателю ухо наблюдателя воспринимает в единицу времени большее число звуковых волн, чем если бы источник звука и наблюдатель были неподвижны относительно один другого.

Чем больше скорость сближения, тем больше волн воспринимает ухо, тем чаще будет колебаться барабанная перепонка и, следовательно, тем выше будет тон воспроизводимого звука.

Явление изменения тона звука при движении источника звука или наблюдателя называется эффектом Допплера.

Эффект Допплера существует и в море. В гидроакустике он играет очень важную роль.

Звук, отраженный от какого-либо предмета, например от подводной лодки, будет иметь определенный тон. Такой же тон будет иметь отраженный звук от пузырьков воздуха в воде, т. е. тон реверберации. Но если предмет, от которого отражаются волны, будет сближаться с приемником, то тон отраженного звука (тон эха) будет повышаться, а тон реверберации останется прежним. На основании этого можно сделать очень важный вывод: если мы заметим, что тон эха от подводного предмета повышается по сравнению с тоном реверберации, значит, предмет перемещается и, более того, он перемещается в сторону сближения, а если тон эха понижается, следовательно, предмет идет на удаление. Если же тон эха не изменится — предмет либо стоит на месте, либо перемещается перпендикулярно направлению от приемника на предмет. Эффект Допплера можно проиллюстрировать рисунком, называемым «розой Допплера» (рис. 26).

Рис 26. «Роза Допплера».

Опытный гидроакустик может определить курс подводной лодки в подводном положении с точностью примерно до 30°. Для этого он определяет тон эха и по «розе Допплера» определяет курс подводной лодки.

Надежный сторож

Не все порты и базы оборудованы причалами, к которым могут подходить крупные корабли и транспорты. Поэтому корабли вынуждены становиться на якорь на внутренних или внешних рейдах.

При стоянке кораблей и транспортов на рейдах создается опасность атаки вражескими подводными лодками, находящимися в подводном положении.

Чтобы обнаружить подкрадывающуюся подводную лодку и нанести ей упреждающий удар, нужен надежный сторож, способный найти подводную лодку в подводном положении. Роль такого сторожа выполняет береговая гидроакустическая станция.

Береговые гидроакустические станции устанавливаются у входов в порты и базы и в районах рейдовых стоянок.

Приемник, воспринимающий звуковые колебания от винтов подводной лодки, располагают на дне моря. Остальные приборы гидроакустической станции размещают на берегу. Приемник соединяют подводным кабелем с приборами, находящимися на берегу (рис. 27).

Рис. 27. Приемник береговой гидроакустической станции расположен на дне моря, а остальные приборы — на берегу.

Приемник улавливает шумы от винтов всех проходящих кораблей и судов, а нужно зафиксировать шумы, издаваемые только подводной лодкой. Гидроакустик отличает шум винтов подводной лодки от других шумов.

Чтобы шумы хорошо прослушивались гидроакустиком, они усиливаются, проходят через фильтры, а затем подводятся к телефонам.

Современные береговые гидроакустические станции, как отмечалось в иностранной печати, работают не только в режиме шумопеленгования, но и в режиме эхопеленгования, т. е. излучают ультразвуковые посылки и принимают отраженные от них эхосигналы.

Кроме береговых гидроакустических станций, для обнаружения подводных лодок в иностранных флотах применяют радиогидроакустические буи. Они сбрасываются с самолета, вертолета или корабля в предполагаемом районе нахождения подводных лодок.

Радиогидроакустический буй состоит из гидрофона и небольшой радиостанции. Гидрофон улавливает шум подводной лодки, а радиостанция автоматически передает сигнал на приемную станцию самолета, вертолета или корабля. Приемная аппаратура может находиться и на берегу.

Радиогидроакустические буи применяются комплектами (до несколько десятков штук в каждом). Барьер радиогидроакустических буев устанавливается у входов в базы и порты, в районе рейдовых стоянок кораблей, а также на предполагаемых маршрутах движения подводных лодок.

Каждый радиогидроакустический буй связан с приемной аппаратурой отдельным радиоканалом на определенной частоте. Получив сигнал, оператор знает, какой буй передает сигналы. Зная местонахождение буя, можно определить, в каком районе находится подводная лодка (рис. 28).

Рис. 28. На вертолете оператор принял сигнал от радиогидроакустического буя, значит, в этом районе подводная лодка.

Радиогидроакустические буи могут работать непрерывно (в непрерывном режиме) или периодами (в дежурном режиме). После израсходования энергии аккумуляторов для работы радиостанции буи самозатопляются.

Некоторые конструкции радиогидроакустических буев приспособлены не только для подслушивания подводной лодки, но и для определения направления и расстояния до нее.

Радиогидроакустические буи могут использоваться как активное средство обнаружения в системе подводных взрывов. Волна от взрыва, распространяясь на большие расстояния, достигает подводной лодки и отражается от нее. Отраженный эхосигнал принимается гидрофоном радиогидроакустического буя и далее по радио передается на самолет.

Радиогидроакустические буи выставляются не только плавучие, но и стационарные — на якорях. Стационарные буи можно лучше оборудовать, аккумуляторы их можно периодически перезаряжать, а поэтому срок службы их значительно удлиняется.

Наблюдение за подводными лодками можно вести также с гидроакустических станций, установленных на кораблях.

Шумопеленгатор — «уши» подводной лодки

Не только подводные лодки опасны для надводных кораблей, но и подводным лодкам угрожает опасность быть атакованными надводными кораблями, а особенно противолодочными кораблями (охотниками за подводными лодками). Поэтому, естественно, подводные лодки должны иметь хорошую гидроакустическую аппаратуру, позволяющую им свободно ориентироваться в подводном положении, обнаруживать и выбирать цели, а при необходимости и уклоняться от преследования.

Мы уже знаем, что в воде, как и в воздухе, существует бесчисленное количество звуков. Большей частью это звуки неорганизованные, представляющие собой природные шумы (шум перекатывающейся гальки, всплески волн, звуки косяков рыб и др.) и шумы создаваемые (шумы от винтов кораблей, подводных работ и др.).

Нас, конечно, больше интересуют шумы, создаваемые винтами кораблей. Можно ли отличить шумы винтов крейсера от шума винтов транспорта, шумы эскадренного миноносца от шумов подводной лодки и т. д.? Да, можно. Человеческое ухо способно различать шумы винтов различных классов кораблей. Более того, хорошо натренированный гидроакустик определит не только класс корабля, но и ориентировочно его скорость движения. У транспортов, особенно крупных, винты вращаются с небольшой скоростью. Число оборотов винтов можно сосчитать. Запустив секундомер, гидроакустик считает число оборотов винтов за одну минуту, и ориентировочно определяет скорость транспорта.

У боевых кораблей, особенно таких, как эскадренные миноносцы, сторожевые корабли, торпедные катера и др., число оборотов винтов сосчитать нельзя. В этом случае гидроакустик по интенсивности шума определяет примерную скорость корабля (полный, средний и малый ход).

Задача гидроакустика состоит в том, чтобы обнаружить шум, определить его характер, направление на шумящий объект и установить, в каком направлении объект перемещается. Гидроакустик обязан обеспечить командира корабля всеми необходимыми данными для атаки. При этом подводная лодка должна находиться в подводном положении. Стоит ей только всплыть, как она сразу же будет обнаружена и атакована надводными кораблями.

Находясь даже в подводном положении, подводная лодка должна соблюдать максимальную скрытность. Ее приборы не должны работать на излучение, чтобы не демаскировать себя. Единственным средством наблюдения и обеспечения атаки на подводной лодке служит шумопеленгаторная станция, которая является как бы ее «ушами».

Шумопеленгатором можно обнаружить подводные лодки, надводные корабли и торпеды, определить направление на них, а также обеспечить командира корабля необходимыми данными для атаки кораблей торпедами из подводного положения.

Шумопеленгаторная станция (рис. 29) состоит из акустической системы, усилителей (предварительного, основного, супергетеродинного, слухового), компенсатора и индикаторных приборов (электронно-лучевой трубки, телефона, громкоговорителя).

Рис. 29. Схема шумопеленгаторной гидроакустической станции.

Акустическая система представляет собой большое количество пьезоэлектрических приемников, расположенных по кругу или эллипсу обычно в носовой части подводной лодки. Приемники преобразуют акустические колебания шумящего объекта в электрические.

Каждый отдельный приемник не обладает направленностью, а несколько приемников, расположенных по кругу или эллипсу, образуют подобно расположению ушей человека базу, в результате чего акустическая система становится направленной. Чем больше приемников и больше база (расстояние между крайними приемниками), тем больше направленность акустической системы.

Предварительные усилители предназначены для предварительного усиления очень слабых электрических сигналов, возникающих в приемниках под воздействием акустических волн, приходящих от источника звука. Для каждого приемника предусмотрен свой предварительный усилитель, с выходов которого сигналы поступают в компенсатор.

Компенсатор представляет собой серию задерживающих цепей, состоящих из индуктивностей и емкостей, включенных параллельно.

Подключая задерживающие цепи к приемникам, к которым звук пришел раньше, мы добиваемся, чтобы к усилителю от всех приемников сигналы поступали одновременно, без сдвига фаз. Оператор, вращая штурвал компенсатора, добивается максимальной слышимости сигнала, при этом стрелка указателя пеленга покажет направление на шумящий объект.

Для объяснения работы компенсатора рассмотрим упрощенную акустическую систему, состоящую из двух приемников (левого и правого). К левому приемнику звук приходит раньше (рис. 30, а), чем к правому, следовательно, преобразованные электрические сигналы с выходов приемников к усилителю поступят не одновременно, а со сдвигом фаз.

Чтобы определить направление на источник звука, нужно развернуть акустическую систему так, чтобы звук приходил одновременно к обоим приемникам. Геометрическая ось акустической системы укажет направление на источник звука (рис. 30, 6).

Направление на источник звука можно определить, не вращая акустическую систему. Для этого нужно задержать сигнал от левого приемника, куда звук пришел раньше, т. е. уравнять сигналы по фазе. Достигается это включением в цепь левого приемника задерживающих цепей, которые как бы удлиняют путь сигнала левого приемника, в результате чего сигналы от обоих приемников к усилителю придут одновременно, т. е. в фазе (рис. 30, в).

Рис. 30. Определение направления на источник звука: а — к левому приемнику звук приходит раньше; б — после поворота акустической системы звук к обоим приемникам приходит одновременно; в — уравнивание фазы включением задерживающих цепей.

Усилитель представляет собой обычный усилитель на электронных лампах и служит для усиления сигналов, поступающих с выхода компенсатора.

Несмотря на то что сигналы уже усиливались предварительными усилителями, в усилителе они усиливаются до необходимого уровня и преобразуются.

Слуховой усилитель служит для усиления сигналов при пеленговании на звуковых частотах, т. е. частотах, которые воспринимаются человеческим ухом.

Супергетеродинный усилитель предназначен для усиления сигналов при пеленговании на ультразвуковых частотах, т. е. на частотах, которые человек не слышит. Супергетеродинный усилитель преобразует ультразвуковые сигналы в сигналы промежуточной частоты, а затем — в звуковые.

С выхода супергетеродинного усилителя преобразованные сигналы поступают на вход слухового усилителя и далее — как и при пеленговании звуковых сигналов.

На ультразвуковых частотах точность пеленгования повышается, так как характеристика направленности будет более острой, чем на звуковых частотах.

Индикаторные приборы — телефоны и громкоговоритель — служат для прослушивания шумов звуковой частоты. Телефоны надевает на голову оператор гидроакустической станции, а громкоговоритель, как правило, устанавливается на командном пункте. При определении направления, т. е. при пеленговании целей максимальным методом, оператор, вращая штурвал компенсатора, добивается максимальной слышимости.

Электронно-лучевая трубка служит для определения направления на цель фазовым методом, который основан на уравнивании разности сигналов двух приемников или двух групп приемников акустической базы.

При фазовом методе пеленгования применяется двухканальный компенсатор, который делит приемники акустической системы, участвующие в пеленговании, на две группы — левую и правую. С выходов двухканального компенсатора сигналы подаются на входы тоже двухканального усилителя, где они преобразуются и усиливаются, а затем подаются на отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки.

При фазовом методе пеленгования оператор добивается, чтобы линия на электронно-лучевой трубке была расположена строго вертикально. В этот момент стрелка компенсатора укажет направление на цель.

Кроме указанных методов, есть еще третий метод — фазово-амплитудный, который также основан на использовании электронно-лучевой трубки. Если ось акустической системы совпадает с направлением на цель, изображение линии будет расположено в центре трубки, а если не совпадает, то изображение линии будет иметь выбросы влево или вправо.

Измерение времени с момента посылки до возвращения отраженного сигнала позволяет определить расстояние до цели с учетом того, что общее время нужно разделить пополам, так как сигнал проходит двойное расстояние — до цели и обратно.

А как же определить в этом случае направление на цель? Мы уже упоминали о том, что ультразвук излучается направленно, что позволяет определить направление на цель с большой точностью. Некоторые современные гидролокаторы определяют также и глубину подводной лодки.

По устройству гидролокационная станция значительно сложнее шумопеленгаторной и состоит из большего числа приборов. В нее входят: преобразователь, подъемно-опускное и поворотное устройства, генератор, реле приема — передачи, усилитель, рекордер, автомат посылок, пульт управления и индикаторные приборы (рис. 31).

Рис. 31. Схема гидролокационной станции.

Гидроакустический преобразователь служит для излучения ультразвуковых волн и приема отраженных от цели эхосигналов. Ультразвуковые волны излучаются преобразователем короткими посылками. После каждой посылки наступает пауза, во время которой преобразователь становится приемником. Таким образом, преобразователь обладает обратимым свойством, одну часть времени он выполняет функции излучателя, а другую, большую часть времени, — функции приемника.

Действие преобразователей основано на использовании ранее разобранных прямого и обратного магнитострикционного и пьезоэлектрического эффектов.

Зоркий подводный глаз

Таким образом, шумопеленгаторные станции работают на принципе так называемой пассивной акустики, т. е. на прослушивании шумов и определении направлений на них. А если интересующий нас подводный предмет не издает никаких шумов, как обнаружить его?

Шумопеленгаторы не могут полностью обеспечить действия надводных кораблей по борьбе с подводными лодками и по другой причине. Чтобы атаковать подводную лодку, нужно не только обнаружить, но и точно определить ее местонахождение, расстояние до нее. Эту задачу выполняют гидролокационные станции, работающие по принципу излучения и приема отраженных от цели ультразвуковых волн.

Гидроакустические преобразователи могут быть кругового и направленного действия. Первые применяются для обнаружения подводных объектов, вторые — для определения направления, расстояния и глубины.

Преобразователь размещается под днищем надводного корабля, ближе к носовой части. Чтобы уменьшить помехи от завихрений воды во время хода корабля, вибратор помещают в металлический обтекатель яйцевидной формы (рис. 32, а). Толщина стенок обтекателя такова, что они не препятствуют прохождению ультразвуковых волн.

В последние годы в США делают обтекатели из пластических масс, обладающих большой прочностью и хорошей звукопроводимостью.