Гидроакустика

Первые измерения расстояния посредством звука произвел русский исследователь академик Я. Д. Захаров. 30 июня 1804 г. он совершил полет на воздушном шаре с научной целью и в этом полете воспользовался отражением звука от поверхности земли для определения высоты полета. Находясь в корзине шара, он громко крикнул в рупор, направленный вниз. Через 10 сек пришло отчетливо слышное эхо. Отсюда Захаров заключил, что высота шара над землей равнялась приблизительно 5 х 334 = 1670 м. Этот способ лег в основу радио и гидролокации.

Наряду с разработкой теоретических вопросов в России проводились практические исследования явлений распространения звуков в море. Адмирал С. О. Макаров в 1881 — 1882 гг. предложил использовать для передачи информации о скорости течения под водой прибор, названный флюктометром. Этим было положено начало развитию новой отрасли науки и техники — гидроакустической телеметрии.

В 1890-х гг. на Балтийском судостроительном заводе по инициативе капитана 2 ранга М. Н. Беклемишева начали работы по разработке приборов гидроакустической связи. Первые испытания гидроакустического излучателя для звукоподводной связи проводились в конце XIX в. в опытовом бассейне в Галерной гавани в Петербурге. Излучаемые им колебания хорошо прослушивались за 7 верст на Невском плавучем маяке. В результате исследований в 1905г. создали первый прибор гидроакустической связи, в котором роль передающего устройства играла специальная подводная сирена, управляемая телеграфным ключом, а приемником сигналов служил угольный микрофон, закрепленный изнутри на корпусе корабля. Сигналы регистрировались аппаратом Морзе и на слух. Позднее сирену заменили излучателем мембранного типа. Эффективность прибора, названного гидрофонической станцией, значительно повысилась. Морские испытания новой станции состоялись в марте 1908г. на Черном море, где дальность уверенного приема сигналов превышала 10км.

Первые серийные станции звукоподводной связи конструкции Балтийского завода в 1909—1910 гг. установили на подводных лодках «Карп», «Пескарь», «Стерлядь», «Макрель» и «Окунь». При установке станций на подводных лодках в целях уменьшения помех приемник располагался в специальном обтекателе, буксируемом за кормой на кабель-тросе. К подобному решению англичане пришли лишь во время Первой мировой войны. Затем эту идею забыли и только в конце 1950-х г г. ее снова стали использовать в разных странах при создании помехоустойчивых гидролокационных корабельных станций.

Толчком к развитию гидроакустики послужила первая мировая война. Во время воины страны Антанты несли большие потери торгового и военного флота из-за действия немецких подводных лодок. Возникла необходимость в поиске средств борьбы с ними. Вскоре они были найдены. Подводную лодку в подводном положении можно услышать по шуму, создаваемому гребными винтами и работающими механизмами. Прибор, обнаруживающий шумящие объекты и определяющий их местонахождение, был назван шумопеленгатор. Французский физик П. Ланжевен в 1915 г. предложил использовать чувствительный приемник из сегнетовой^[1] соли для первой шумопеленгаторной станции.

Основы гидроакустики

Особенности распространения акустических волн в воде

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: изотермия положительная рефракция отрицательная рефракция неоднородное распределение

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:

Частота акустического сигнала	Длина волны акустического сигнала	Дальность действия
100 Гц	15 м	1000 км и более
1 кГц	1,5 м	100 км и более
10 кГц	15 см	10 км
25 кГц	6 см	3 км
50 кГц	3 см	1 км
100 кГц	1,5 см	600 м
500 кГц	3 мм	150 м
1000 кГц	1,5 мм	50 м

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

1. ↑ Сегнетова соль — это двойная натриево-калиевая соль винной кислоты с четырьмя молекулами кристаллизационной воды, обозначаемая химической формулой NaKC4H406 + 4H20.

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.

ССЫЛКИ:

• Страница на Википедии
• Словари и энциклопедии на Академике
• Гидроакустика на подводной лодке