Иван Хорбенко

ЗВУКИ В МОРСКИХ ГЛУБИНАХ

БЕЗМОЛВНЫ ЛИ МОРСКИЕ ГЛУБИНЫ?

Люди прошлых веков представляли себе морские глубины как таинственный «мир безмолвия». Они были правы и не правы. Правы в том, что человек в воде слышит меньше звуков, чем на суше. Не правы в том, что в глубине моря, как и в воздухе, проносится много различных звуков, которые не улавливаются ухом человека, но доступны органам слуха многих животных.

Море живет сложной жизнью. Площадь водной поверхности на нашей планете в два с лишним раза больше, чем площадь суши. Количество видов различных животных в море больше, чем на суше. Шум морского прибоя, грохот подводных извержений передаются в морских глубинах на большие расстояния, чем в воздухе.

Но для человека, не вооруженного приборами, этот мир представляется в действительности «миром безмолвия». До начала XX века почти не изучались законы распространения звука в море, незначительно исследовался только поверхностный слой океана (примерно до глубины 10–15 метров) для нужд мореплавания и рыболовства, в то время как в океане имеются впадины глубиной свыше 11 000 метров.

Интерес к изучению морских глубин и особенно слышимости звуков в морских глубинах проявился в связи с усовершенствованием новых грозных кораблей — подводных лодок, главным преимуществом которых была скрытность.

Началось это так. Шла первая мировая война. 22 сентября 1914 г. три крейсера государства, которое в то время считало себя «владычицей морей», находились в дозоре в Северном море. Внезапно у борта одного из крейсеров возник мощный взрыв, и корабль начал тонуть. Два других крейсера поспешили на помощь, но один из них вскоре разделил участь первого. Третьему пришлось спасать команды с двух крейсеров, но вскоре и он пошел ко дну от такого же таинственного взрыва большой силы. Море было чисто, только обломки погибших кораблей да кое-где головы боровшихся за жизнь людей были видны на поверхности. Не сделав ни одного выстрела, все крейсера погибли, а вместе с ними 1135 человек. Гордые английские крейсера стали добычей маленькой немецкой подводной лодки — они были в течение одного часа торпедированы ею.

С этого момента никто не сомневался в могуществе подводных лодок. Начались лихорадочные поиски средств борьбы с ними.

Правда, подводная лодка того времени, имея преимущество в скрытности, была тихоходным, неповоротливым кораблем под водой и почти беспомощным при всплытии на поверхность против надводных кораблей.

Обнаруженная подводная лодка не представляла большой опасности. Надводные корабли уничтожали ее противолодочными минами и снарядами, сбрасывали на нее глубинные бомбы. Если подводная лодка находилась на небольшой глубине, корабли таранили ее своими форштевнями или килями. Но все это делалось еще «на глазок». В подводном положении лодка оставалась неуловимой.

Не помогали также выставляемые на путях возможного прохода подводных лодок (у входа в бухты, в проливах) противолодочные металлические сети, минные заграждения, так как нельзя их расставить по всему океану.

Не хватало в сложной цепи средств и мер борьбы с подводными лодками, называемых противолодочной обороной (ПЛО), самого главного — надежного обнаружения лодок.

Но и такое средство нашлось. Если подводную лодку нельзя видеть в подводном положении, то ее можно услышать, так как на ней работают механизмы, гребные винты. Стали применять приборы, определяющие направления на подводные шумящие предметы, которые стали называться шумопеленгаторами. Бурно стала развиваться наука о законах прохождения звука в воде, называемая гидроакустикой («гидро» — вода, «акустио» — слышу).

Для развития этой науки много сделал французский ученый физик Ланжевен, работавший вместе с русским военным моряком Шиловским.

Развитие гидроакустики привело к тому, что к началу второй мировой войны на кораблях стали устанавливать гидролокаторы, которые позволяли не только обнаруживать подводную лодку, но и определять до нее расстояние.

Борьба с подводными лодками перестала быть игрой. В свою очередь подводные лодки, оснащенные гидроакустическими станциями, получили «чуткие уши» и «зоркие глаза». Атаки, уклонения, поиск, маневр — все действия подводных лодок и их противника (охотников за подводными лодками) стали зависеть от показаний гидроакустических приборов, обслуживаемых военно-морскими специалистами — гидроакустиками.

От умелого действия гидроакустика во многом зависит успех боя. Гидроакустик первый обнаруживает противника, по его данным командир корабля принимает решение на бой.

В Великую Отечественную войну советские моряки-гидроакустики проявили смекалку, находчивость и героизм.

Осенью 1943 г. на Северном флоте эскадренные миноносцы сопровождали конвой из Белого моря к Новой Земле. Погода была очень неблагоприятной: волнение моря при силе ветра 7–8 метров в секунду. Шли шестые сутки перехода и борьбы со стихией.

Бессонные ночи, холод, усталость не сломили советских моряков, они готовы были каждую секунду вступить в бой с опасным противником — подводной лодкой. Малейшая оплошность, малейший просчет могли дорого обойтись морякам.

На шестые сутки гидроакустик одного из эскадренных миноносцев обнаружил подводную лодку. Сыграли боевую тревогу, изготовились к бою, началась атака. Тем временем корабли конвоя отвернули от опасного района. Первая атака, за ней вторая, третья, — и подводная лодка противника была уничтожена.

Конец шестых суток застал конвой в нескольких милях, от места назначения. Но вдруг — доклад гидроакустика:

«Прямо по носу — мины!». Конвой меняет курс. Вторая катастрофа предотвращена.

Так мастерство, опыт и выдержка советских гидроакустиков не раз обеспечивали выполнение задания.

В настоящее время подводные лодки — основная ударная сила флота. Это не тихоходные малые корабли только с торпедным вооружением, действующим на несколько километров. Современные атомные подводные лодки имеют большую подводную скорость, могут долго находиться под водой и плавать без пополнения запасов вокруг земного шара.

Кроме торпед, они вооружены ракетами с большим радиусом действия (сотни и тысячи километров) и могут наносить удары по кораблям, побережью и пунктам, расположенным далеко от берега.

Подводная лодка — грозное средство войны, и с ним надо уметь бороться. Самое главное — своевременно обнаружить подводную лодку, находящуюся далеко от побережья в океане, и не дать возможность ей применить свое оружие. Решающая роль в этом принадлежит противолодочной обороне, ведущее место в которой занимает гидроакустика.

Две трети огромной протяженности границ Советского Союза морские и лишь одна треть границ сухопутная. Моряки Военно-Морского Флота зорко стоят на страже морских рубежей нашей Родины. Днем и ночью, в тишь и ненастье, зимой и летом бдительно несут свою почетную и ответственную вахту и наши моряки-гидроакустики.

Но гидроакустика служит не только для военных целей. В мореходстве, изучении морских глубин, строительстве подводных сооружений и в рыболовстве на морских и океанских просторах также нельзя обойтись без гидроакустики.

ЗВУК И СЛУХ

Какие бывают звуки?

Затаите дыхание. Внимательно прислушайтесь. Что вы слышите? Оказывается, вы слышите очень много звуков, о существовании которых и не подозревали.

Человеческое ухо привыкает к постоянным, непрерывно действующим звукам и перестает их замечать.

Часто возникает сомнение, идут ли настольные часы или будильник. Но стоит напрячь внимание, как вдруг вы начинаете слышать звук хода часов, который еще долго будет преследовать ваш слух, пока вы не отвлечетесь и не перестанете его вновь замечать.

Где бы вы ни находились, в любое время суток и года вас окружает многообразный мир звуков: то пронзительно резких, грубых, неожиданных, то осторожных, ласковых, мелодичных, а часто едва уловимых.

Причины возникновения звуков различны. Есть звуки, создаваемые природными явлениями, стихией, и звуки, создаваемые различными механизмами, транспортом, прохожими и т. д. Эти звуки сливаются в общий звук, воспринимаемый ухом как шум. Но есть звуки вполне определенные, например, музыка, пение, разговорная речь одного человека. Если в первых звуках, т. е. шуме, наблюдается беспорядочность, то вторые носят вполне определенный характер.

Следовательно, звуки бывают неорганизованные и организованные. Но даже среди организованных звуков можно уловить сопровождающие их второстепенные звуки. Слушая, например, мелодию граммофонной пластинки, мы улавливаем и шум иглы, скользящей по пластинке. Слушая игру на рояле, мы отмечаем и такие звуки, как скрип педали, стук пальцев о клавиши, шелест нотной бумаги. При пении слышно дыхание исполнителя.

Чтобы услышать второстепенные звуки, нужно сосредоточить свое внимание на этих звуках и несколько отвлечься от основного звука, что мы практически делаем редко.

Что такое звук?

Зазвонил звонок. Вы слышите резкий звук. Что происходит? А все объясняется довольно просто. Молоточек звонка ударяет по металлической чашке, которая колеблется.

Окружающий чашку звонка воздух от ее колебаний то сгущается, то разрежается. Сгущения и разрежения воздуха быстро распространяются все дальше и дальше, наконец достигая органа слуха (рис. 1).

Рис. 1. Колебания чашки звонка создают сгущение и разрежение воздуха.

Таким образом, частицы воздуха под действием колебаний чашки звонка также совершают колебательное движение. В природе можно наблюдать множество примеров колебательного движения. Из них наиболее распространены движение маятника часов, раскачивание качелей (рис. 2), качание груза, подвешенного на спиральной пружине, и т. п.

Рис 2. Раскачивание качелей — пример колебательного движения.

Интересный и в то же время простой опыт можно провести на биллиардном столе.

Расположите все шары на столе в одну линию на расстоянии одного — двух сантиметров один от другого. Затем ударьте кием по первому шару и вы увидите, что волновое движение быстро распространилось от первого шара до последнего, при этом все шары, кроме последнего, остались на месте, не считая небольшого передвижения в пределах одного — двух сантиметров (рис. 3).

Рис. 3. Последний биллиардный шар резко отскочил, в то время как остальные остались на прежнем месте.

Проще объяснить колебательный характер звука можно на примере образования волн на воде при падении камня.

Бросьте камень в воду и внимательно наблюдайте, что произойдет. В месте падения камня возникает углубление, потом возвышение, а затем неожиданно появляются концентрические круги возвышений и впадин. Это волны. Они быстро передвигаются, что можно определить по увеличению размеров окружностей гребней волн.

При этом распространяются волны, а не частицы воды. Для проверки этого вывода бросьте в воду при распространении волн пробку, поплавок или клочок бумаги и вы убедитесь, что брошенный предмет не передвигается, а только поднимается, и опускается (рис. 4), т. е. совершает колебательные движения.

Рис. 4. Плавающий предмет не передвигается по ходу распространения волны, а только опускается и поднимается.

Этот опыт подтверждает, что частицы воды не передвигаются на большие расстояния, а совершают колебательные движения, передавая свою энергию соседним частицам.

Таким образом, возникновение звука при работе звонка можно сравнить с возникновением волн на поверхности воды. Разница только в том, что роль камня выполняет звонок, а роль воды — окружающий воздух.

Проведенные опыты подтверждают и объясняют колебательные движения. Характер же колебаний бывает разный.

При распространении волн на поверхности воды колебания совершаются поперек действия силы, вызвавшей волну. Поплавок на воде то поднимается, то опускается. Поэтому такие волны называются поперечными.

В опыте на биллиарде и сила, вызвавшая колебания, и распространение волн направлены в одну сторону. Такие волны называются продольными.

Какие же колебания по своему характеру более близки к звуковым? Оказывается, продольные колебания биллиардных шаров больше напоминают звуковые волны.

В самом деле, воздух можно представить состоящим из частиц, которые могут перемещаться под действием каких-либо сил. Если, например, компрессор нагнетает в баллон воздух, то отдельные частицы его сжимаются равномерно. Но если в воздухе заставить колебаться какое-либо тело с большей частотой, то частицы воздуха вокруг тела будут сгущаться или разрежаться одновременно с колебаниями тела. Сгущение и разрежение будут передаваться подобно случаю с биллиардными шарами соседним частицам. При определенном числе сгущений и разрежений воздуха в секунду наше ухо их воспринимает как звук. Сами сгущения и разрежения образуют звуковые волны. В местах сгущения давление повышается, а в местах разрежения — понижается (рис. 5).

Рис. 5. Изменение давления воздуха в звуковой волне.

Если образовать график изменения давления, он будет иметь вид синусоиды.

Количество звуковых волн, наблюдаемых в какой-либо точке пространства в течение одной секунды, называется частотой. Частота может быть различна. Она является одним из признаков, по которым мы отличаем один звук от другого. Чем больше частота колебаний, тем больше высота звука, т. е. звук имеет более высокий тон. Чем меньше по размерам колеблющееся тело, тем более высокий тон звука оно издает.

Коснитесь вначале тонкой струны гитары, затем толстой и вы услышите различие в тоне (высоте) звучания этих струн. Тонкая струна издаст звук более высокого тона (большей частоты), толстая струна — более низкого тона (меньшей частоты). Частота измеряется в герцах. Если, например, тело колеблется с частотой 200 колебаний в секунду, то говорят, что частота колебаний тела 200 герц.

Второй отличительный признак звуков — их интенсивность, т. е. сила звучания. Интенсивности звука соответствует ощущение громкости. Ударьте вначале слегка в медный колокол или в другой металлический висящий предмет, затем ударьте с большей силой. Вы услышите разные звуки: первый тихий, спокойный, а второй сильный, резкий, несмотря на то что по высоте тона они будут одинаковы. Интенсивность звука зависит от амплитуды, т. е. размаха колебаний источника.

Если металлическую пластину, зажатую в тиски, слегка оттянуть одним пальцем и отпустить, то она будет колебаться с определенной частотой, имея небольшую амплитуду колебаний (рис. 6, а). Если же пластину оттянуть сильно всей кистью и отпустить, то она будет колебаться с той же частотой, но амплитуда ее колебаний будет значительно больше (рис. 6, б), а следовательно, и интенсивность звука, издаваемого ею, будет тоже больше.

Третьим отличительным признаком звуков является тембр.

Рис. 6. Понятие об амплитуде колебаний: а — слабые колебания — малая амплитуда; б — сильные колебания — большая амплитуда.

Одинаковые звуки по высоте тона и по интенсивности могут звучать по-разному. Это объясняется тем, что основной звук сопровождается второстепенными звуками, которые всегда выше по частоте. Второстепенные звуки называются обертонами. Они и позволяют отличать один звук от другого, если даже эти звуки одинаковы по высоте тона. Они как бы дают определенную окраску звуку. Тембр звука определяет сложность, состав звука.

Звуковые волны можно различать также по их длине, т. е. по расстоянию между сгущениями пли разрежениями воздуха (см. рис. 5). Длина волны — величина, обратная частоте: чем больше частота, тем меньше длина волны и наоборот.

Какие звуки слышит человек?

Затаив дыхание и внимательно прислушавшись вы услышите много других звуков, которых не слышали раньше. Однако есть много таких звуков, которые мы не слышим даже при большом напряжении слуха. Они называются неслышимыми звуками.

Человеческое ухо способно воспринимать звуковые колебания с частотой от 16 до 20 000 колебаний в секунду (герц). Дети воспринимают звук большей частоты — до 22 000 герц, старые люди слышат звук с частотой не выше 16 000—18 000 герц. Вне пределов человеческого слуха остаются звуки, частота которых меньше 16 герц (эти звуки называются инфразвуками), и звуки, частота которых превышает 20 000 герц (эти звуки называются ультразвуками).

Инфразвуки и ультразвуки как раз и относятся к неслышимым звукам.

Ультразвуки издают многие насекомые и некоторые животные. Кроме того, ультразвуки можно создать специальными устройствами, описанию которых в основном и посвящена настоящая книга.

Как было сказано, человеческое ухо различает звуки как по частоте, так и по интенсивности.

Сначала выясним, какова же допустимая разница в количестве колебаний, чтобы ухо человека отличало один звук от другого по частоте, т. е. по тону.

Для звуков с частотой 500 герц достаточно, чтобы разница в количестве колебаний двух звуков равнялась одному колебанию. В этом случае мы сможем отличать звук с частотой, например, 450 герц от звука с частотой 451 герц.

Чем больше частота звука, тем большая разница нужна в числе колебаний двух звуков, чтобы отличить один звук от другого. При частоте звука 2000 герц мы различим звуки, если разница между ними будет равна пяти колебаниям. По мере увеличения частоты эта разница будет увеличиваться.

Мы привели средние цифры, так как несмотря на то что органы слуха у всех людей устроены одинаково, способность различать звуки по тону у людей разная.

Музыканты, как правило, лучше различают звуки по тону. Некоторые опытные музыканты обладают таким природным слухом, что могут различать два тона, отличающиеся один от другого на долю одного колебания.

Еще более удивительны способности человеческого слуха, когда требуется отличить один звук от другого по интенсивности, т. е. по громкости.

Число звуков, различимых по громкости, очень зависит от частоты. Наиболее хорошо воспринимаемые звуки по частоте лучше различаются и по громкости.

При частоте 32 герца по громкости различаются три звука, при частоте 125 герц — 94 звука, а при частоте 1000 герц — 374. Но это увеличение не беспредельно. Начиная с частоты 8000 герц, число различимых звуков по громкости начинает уменьшаться, например, при частоте 16 000 герц можно различать только 16 звуков.

Человеческое ухо очень чувствительно к различным звукам и может уловить более полумиллиона звуков, отличающихся один от другого по тону и громкости, не считая различий звука по тембру.

Человек обладает еще одной замечательной способностью, он может определить направление на источник звука, используя бинауральный эффект (бинауральный означает двуухий).

Бинауральный эффект состоит в том, что оба уха человека воспринимают звук не одновременно, а со сдвигом по фазе. Если источник звука справа от нас, то к правому уху звук приходит раньше, чем к левому (рис. 7).

Рис. 7. К правому уху звук приходит раньше, чем к левому.

Если же источник звука расположен точно в прямом направлении (впереди или сзади), то к обоим ушам звук приходит одновременно и сдвига фаз не будет. Это и позволяет человеку определить, где находится источник звука.

Бинауральный эффект зависит еще и от другой причины. Если источник звука находится справа, то правым ухом человек будет слышать звук более громкий, чем левым, так как левое ухо от источника звука закрыто головой.

Но необходимо отметить, что различие по громкости восприятия звуков левым и правым ухом наблюдается только при высоких частотах (коротких волнах), а при более низких частотах (длинных волнах) звук будет огибать голову, почти не ослабляясь.

Органы слуха человека различают запаздывание между приходом звука к одному уху относительно другого примерно на 0,00003 секунды. Такая чувствительность органов слуха позволяет человеку определять направление на источник звука с точностью 3–4 угловых градуса.

Справедливо говорят, что ухо и глаз — самые чувствительные органы человека.

Какие звуки слышат животные?

Еще в старину человек подметил у многих животных удивительную способность слышать то, что не слышит человек. Он иногда приписывал это сверхъестественным силам, обожествлял некоторых зверей. В настоящее время можно ответить на этот вопрос научно.

Многие опыты подтвердили, что некоторые животные, птицы и насекомые не только издают, но и слышат звуки, частота которых превышает 20 000 герц, т. е. слышат ультразвуки. Собаки, например, обладают очень хорошим слухом, они слышат звуки с частотой до 40 000 герц.

Очень давно, когда еще не знали о существовании ультразвука, люди заметили, что собаки воспринимают какие-то звуки, которые человек не слышит. Это и натолкнуло людей впервые применить такие звуки на практике.

Браконьеры во время охоты подавали сигналы специальными свистками, звуки от которых не воспринимались человеческим ухом, но хорошо улавливались собакой. Это делалось для того, чтобы в случае необходимости подозвать к себе собаку, избежав встречи со сторожем.

А как обучить собаку выполнять команду, поданную неслышимыми звуками? Оказывается, это совсем нетрудно, необходима только небольшая дрессировка.

Вам, вероятно, приходилось наблюдать в цирке «грамотных» собак, умеющих складывать, вычитать и даже умножать числа (рис. 8).

Рис. 8. «Грамотная» собака решает арифметические задачи, в этом ей помогает ультразвук.

Иные могут подумать, что собаки на самом деле решают задачи. Но это не так. Все значительно проще. Собаке подают ультразвуковой сигнал в тот момент, когда она находится в районе нужной цифры. Собака берет зубами цифру, которая находится ближе к ней. Эта цифра и есть результат арифметической задачи, которую быстро решил дрессировщик.

Более интересную загадку природы представляет собой летучая мышь. Известно, что летучая мышь свободно ориентируется в темноте и не наталкивается на препятствия. Кроме того, она, имея плохое зрение, на лету обнаруживает и ловит насекомых, не видя их. Как же она это делает? Оказывается, и летучей мыши помогает ультразвук.

Во время полета летучая мышь издает ультразвуки с частотой 5—20 импульсов (коротких посылок) в секунду. Отразившиеся от препятствий импульсы воспринимаются летучей мышью, что позволяет ей свободно летать, не наталкиваясь на такие предметы, как ветка дерева, телеграфный провод и даже тонкая нитка (рис. 9).

Рис. 9. В полной темноте летучая мышь ориентируется совершенно свободно, она обнаруживает на своем пути даже очень маленькие препятствия.

Для объяснения этой удивительной способности летучей мыши были проведены специальные опыты. Было замечено, что если на пути летучей мыши попадались мягкие предметы (ковер, бархатные шторы и т. п.), то она наталкивалась на них, потому что мягкие предметы, поглощая ультразвуковые импульсы, слабо отражают их. Поэтому летучая мышь «не видела» этих предметов и натыкалась на них.

Опыты продолжали. Поочередно лишали летучую мышь зрения, обоняния, осязания, вкуса и слуха. И что же выяснилось? Оказывается, лишенная зрения летучая мышь продолжала свободно ориентироваться среди предметов. При лишении обоняния, осязания и вкуса ничего не изменилось. Но когда мышь лишили слуха, она стала совершенно беспомощной и ничего «не видела».

Для большей убедительности проделали еще один опыт. Летучая мышь издает звуки ртом. А что если лишить ее голоса или закрыть рот? Исследования показали, что это равноценно тому, что лишить летучую мышь слуха.

Итак, загадка летучих мышей была раскрыта, проводимые исследования навели на мысль применить ультразвук для пользы человека.

Так, например, были созданы специальные ультразвуковые излучатели, которые устанавливались у водоемов пресной воды. Это было сделано для отпугивания чаек, которые загрязняли водоемы. Ультразвуковые колебания являлись как бы бдительными сторожами, не допускающими чаек к водоему.

Много интересного об ультразвуке можно узнать, изучая некоторых животных. Морская свинка, сова, серая мышь, барсук воспринимают ультразвуковые колебания с частотой до 100 000 герц. А белые мыши не только подают и воспринимают, но и «разговаривают» между собой ультразвуковыми сигналами.

Морские млекопитающие — киты и дельфины — обладают чрезмерно хорошим слухом. Дельфины издают и воспринимают звуки в широком диапазоне с частотой от 150 до 150 000 герц, а киты до 30 000 герц. Эти животные переговариваются между собой, а дельфины очень болтливы и даже имеют свой «словарь».

Многочисленные наблюдения показали, что дельфины используют звук не только для переговоров, но, как и летучие мыши, для обнаружения рыб и препятствий (рис. 10).

Рис. 10. Морские животные и рыбы пользуются ультразвуком.

Недавно изобрели любопытный прибор для борьбы с мышами и крысами. Стало известно, что кошка издает ультразвуки, которые хорошо слышат мыши и крысы, но не слышат люди. Если прибор, издающий «кошачьи» звуки, установить в квартире, то мыши и крысы в панике разбегаются в разные стороны.

Неслышимые звуки действуют на организмы

Многочисленные опыты показали, что ультразвук не только оказывает действие на органы слуха, но, например, действует на простейшие живые существа губительно. Так, например, инфузории погибают, если в воде установить источник ультразвука. Уничтожаются ультразвуком многие микроорганизмы, даже такие стойкие, как туберкулезные палочки. Вирусы гриппа под действием ультразвука в течение одного часа понижают свою активность в тысячи раз.

Ультразвук действует и на более сложные организмы. Поместите в аквариум мощный источник ультразвука и вы заметите, что рыбки становятся малоподвижными, а через некоторое время вообще теряют способность двигаться, переворачиваются вверх брюшками и всплывают на поверхность (рис. 11).

Рис. 11. Рыбы проявляют большое беспокойство под действием ультразвука.

Но стоит только убрать источник ультразвука, как рыбки становятся подвижными, как и до начала опыта. Если же увеличить мощность ультразвука, то рыбки погибнут.

Человек, попавший в зону сильного ультразвукового излучения, теряет равновесие и ощущает неприятную тошноту. Если поднести руку к источнику ультразвука, то чувствуется постепенное согревание тела, а через некоторое время кисть руки нагревается настолько, что невозможно терпеть. При малой мощности ультразвук может благоприятно действовать на организм человека. В настоящее время при лечений некоторых заболеваний ультразвук применяется как лечебное средство.

Совсем недавно ученые научно обосновали давно известное явление. Многие больные ревматизмом предсказывают плохую погоду, ссылаясь на боль в суставах.

Ученые провели ряд наблюдений за больными на берегу Черного моря и сделали вывод, что при надвигающемся шторме или урагане издалека приходят инфразвуковые волны, которые и действуют на больного человека.

Эти волны воспринимаются и некоторыми животными. Медузы, например, перед штормом устремляются дальше от берега в открытое море, а ракообразные живые организмы прячутся в песок подальше от воды, чтобы не погибнуть от ударов волн.

Чем создать ультразвук?

Для того чтобы ультразвук стал помощником человека, нужно прежде всего знать, как его создать искусственно.

Замечено, что кристаллы кварца и сегнетовой соли обладают удивительным свойством. Если пластинку, вырезанную из кристалла кварца, сжимать и разжимать, то на ее гранях возникнут электрические заряды, противоположные по знаку (рис. 12).

Рис. 12. Если пластину кварца сжимать и разжимать, то на ее гранях возникнут электрические заряды.

Чем сильнее сжимать пластинку, тем больший заряд возникает на ее гранях. И наоборот, если к этой пластинке подвести напряжение, то она изменит свой размер. Чем больше напряжение, тем больше изменится размер.

При изменении знака приложенного напряжения кварцевая пластинка будет то сжиматься, то разжиматься, иными словами, она будет колебаться в такт с изменением знаков приложенного напряжения. Чем чаще будут изменяться знаки подводимого напряжения, тем быстрее будет колебаться пластинка.

Возникновение электрических зарядов на гранях кварцевой пластинки при механическом воздействии получило название прямого пьезоэлектрического эффекта (рис. 13, а), а изменение размеров пластинки под действием электрических зарядов — обратного пьезоэлектрического эффекта (рис. 13, б).

Рис. 13. Пьезоэлектрический эффект: а — прямой; б — обратный.

Это замечательное свойство кристаллов кварца и сегнетовой соли легло в основу создания источника ультразвуковых колебаний. В чем же физический смысл пьезоэлектричества? В основе пьезоэлектричества лежит явление поляризации диэлектриков, в результате которого под действием электрического поля внутри вещества возникают электрические диполи.

Электрические диполи представляют собой частицы вещества с двумя разноименными зарядами, находящимися один от другого на некотором расстоянии. Электрический диполь можно сравнить с маленьким заряженным конденсатором с разноименными полюсами.

Существуют естественные диэлектрики, которые имеют дипольную структуру и без электрического поля, к ним относятся пьезокристаллы.

В природе кварцы встречаются небольших размеров. Излучатель, сделанный из маленькой кварцевой пластинки, имеет небольшую мощность, в то время как нам необходим мощный источник ультразвука.

Ланжевен предложил маленькие пластинки кварца составлять в виде мозаики (рис. 14), чтобы увеличить площадь излучателя.

Рис. 14. Мозаика, составленная из пластинок кварца.

Однако одна мозаика из кварцевых пластин — это еще не излучатель, а только его сердцевина. Поэтому кварцевую мозаику приклеивают к металлической мембране. Но и это не все. Чтобы кварцевые пластины колебались, а вместе с ними колебалась и мембрана, нужно к излучателю подключить источник высокочастотных колебаний.

Сравнительно недавно научились выращивать кварцы больших размеров лабораторным путем. Пластины из таких кристаллов не нужно склеивать. Но растут кристаллы кварца медленно и дороги в производстве.

Кристаллы сегнетовой соли легко выращиваются искусственно, легко обрабатываются и обладают значительно большим пьезоэлектрическим эффектом, чем кварц. Но сегнетовая соль боится влаги, имеет низкую температуру плавления и обладает малой прочностью.

В природе существует свыше 300 кристаллических веществ, обладающих пьезоэлектричеством, но среди них трудно подобрать пригодные для излучателя звука.

В настоящее время применяют главным образом титанат бария, который получают искусственным путем. Этот материал очень прочен, прост в изготовлении, дешев и обладает хорошими пьезоэлектрическими свойствами.

Для изготовления излучателей ультразвука используют также другое замечательное свойство — магнитострикционный эффект. Он заключается в том, что ферромагнитные материалы (железо, кобальт, никель) и их сплавы, помещенные в переменное магнитное поле, изменяют свои размеры в такт изменению магнитного поля — прямой магнитострикционный эффект.

А если наоборот, сжимать или растягивать стержень из ферромагнитного сплава, то намагниченность стержня будет изменяться, а следовательно, будет изменяться магнитное поле. Это — обратный магнитострикционный эффект.

Магнитострикционный излучатель представляет собой пакет, набранный из тонких никелевых пластин толщиной примерно 0,1 миллиметра. Пакет делается не сплошным, а с прорезями, в которые укладывается обмотка (рис. 15, а).

При пропускании переменного тока по обмотке создается переменное магнитное поле, под воздействием которого пакет то удлиняется, то укорачивается. Если с большей частотой изменять знаки, то пакет будет колебаться с такой же частотой, передавая колебания среде (рис. 15, б).

Рис. 15. Магнитострикционный излучатель: а — принципиальное устройство; б — колебания излучателя передаются среде.

Как уже упоминалось ранее, пьезоэлектричество и магнитострикция имеют прямой и обратный эффекты, а это значит, что излучатель может применяться и как приемник. Учитывая это, принято называть излучатели и приемники преобразователями или вибраторами, которые в зависимости от принципа действия бывают пьезоэлектрическими и магнитострикционными.

Ультразвук в действии

Сейчас ультразвук в нашей жизни играет большую роль. Трудно назвать области промышленности или науки, куда бы он не проникал со стремительной настойчивостью.

Ультразвук применяется в медицине, металлургии, химии, физике, пищевой промышленности, на рыбном промысле и во многих других областях.

Военные моряки многим обязаны ультразвуку. Ни один корабль не выйдет в море без специальных приборов, работа которых основана на использовании ультразвука.

Ультразвуковые волны имеют способность отражаться от всевозможных препятствий. Препятствием для ультразвуковой волны может быть не только какой-либо предмет, но и разнородная среда. Этот принцип использован при разработке дефектоскопов, определяющих качество отлитых металлических деталей. Если короткий импульс ультразвукового сигнала, распространяясь в металлической болванке, встретит на своем пути раковину или трещину, то он отразится в обратном направлении. Чувствительные приборы зафиксируют отраженный импульс, и брак отливки будет обнаружен (рис. 16).

Рис. 16. Ультразвук — браковщик, он легко обнаруживает трещины и раковины внутри отлитых металлических деталей.

Ультразвуком большой мощности можно вырезать любые отверстия в стекле, для этого нужно, чтобы энергия ультразвука излучалась очень узким пучком.

Медики при помощи ультразвука ставят диагнозы заболеваний мозга человека. Обычные рентгеновские лучи плохо проходят через кость черепа, а для ультразвука кость не является препятствием.

Ультразвуком очищают воздух от пыли, копоти и других загрязняющих веществ. Для этого в районе заводской трубы устанавливают источник ультразвука, при помощи которого копоть и дым быстро рассеиваются, опускаясь на землю. Это объясняется тем, что под действием ультразвуковых волн частицы копоти, сталкиваясь между собой, соединяются. Соединившиеся частицы увеличиваются в весе и оседают вниз.

Известно, что маслянистые жидкости не растворяются в воде. Но иногда очень нужно получить такой раствор в виде смеси — эмульсии. Ультразвук разбивает масло на такие мелкие частицы, что смесь воды с маслом выглядит в виде раствора.

Продовольственные продукты дольше сохраняют свежесть, если их облучить ультразвуком. Ультразвуком можно уничтожать накипь в паровых котлах, не вскрывая их.

В Программе КПСС указывается, что все большее место в технологии производства в ближайшие два десятилетия наряду с радиоэлектроникой и полупроводниками займет также ультразвук.

Возможности ультразвука очень велики, все его достоинства не перечесть. Остановимся только на одном замечательном свойстве — способности распространяться направленно при сравнительно небольших размерах излучателей.

Направленность излучения зависит от соотношения длины волны колебаний и размеров излучателя. Если длина волны больше размеров излучателя, излучение будет ненаправленным (рис. 17, а), и наоборот, если длина волны меньше размеров излучателя, излучение будет направленным (рис. 17, б).

Рис. 17. Направленность звука: а — длина волны больше размеров излучателя — ненаправленное распространение; б — длина волны меньше размеров излучатели — направленное распространение.

Чтобы обычные звуки, например звуки музыки, излучались направленно, нужно иметь излучатель размером в несколько метров.

Ультразвуковые волны значительно короче обычных, звуковых волн, поэтому для направленного излучения ультразвука размеры излучателя могут быть от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров.

Направленность излучения будет тем больше, чем больше соотношение размеров излучателя и длины волны, т. е. с увеличением размеров излучателя направленность излучения повышается.

Излучатели небольших размеров легче изготовить и проще разместить на корабле, поэтому ученые выбрали именно ультразвук при создании гидроакустических приборов.

ЧТО ТАКОЕ ГИДРОАКУСТИКА?

Из истории

Акустика — область физики, изучающая звуки, их природу, образование, распространение и восприятие. Гидроакустика — отрасль акустики, занимающаяся изучением звуковых явлений в воде.

Современный военный корабль, как надводный, так и подводный, без гидроакустических приборов небоеспособен. Гидроакустика — это «уши» корабля, а для подводной лодки — и ее «глаза».

Еще в 1490 г. известный мыслитель и ученый Леонардо да Винчи заметил возможность прослушивания подводных шумов, опустив один конец трубы в воду, а другой приложив к уху.

В начале прошлого столетия ученые серьезно заинтересовались распространением звуковых волн в воде. Их интересовало, можно ли раскрыть при помощи звука тайны глубин моря и как это сделать.

Вначале были применены простые по устройству приспособления, называемые гидрофонами. Гидрофон представляет собой металлическую трубу, изогнутую на одном конце под углом 90°. На конце изогнутой части прикреплен рупор с туго натянутой кожей на широкой его части. Опустив конец трубы с рупором в воду, а второй конец приложив к уху, можно слышать звуки, возникающие под водой.

В 1905 г. в Петербурге под руководством инженера Р. Ниренберга проводились первые опыты по созданию гидроакустической аппаратуры. В 1912 г. К. Шиловский предложил устройство, основанное на принципе приема отраженных ультразвуковых сигналов от препятствий.

Первая мировая война послужила толчком в развитии гидроакустики и создании различных гидроакустических приборов. В 1918 г. Ланжевеном совместно с Шиловским был создан первый гидролокатор.

В годы Великой Отечественной войны гидроакустика была уже одним из важнейших средств, обеспечивающих боевые действия кораблей флота.

В послевоенные годы и в настоящее время гидроакустика развивается бурными темпами.

Скорость звука в воде

Мы знаем, что скорость света во много раз больше скорости звука. Примеры, подтверждающие этот вывод, часто наблюдаем в повседневной жизни. Взметнулся вверх столб пыли и камней, а через некоторое время слышен звук взрыва. Над заводской трубой появился белый дымок, а когда он почти рассеялся, до нашего слуха донесся звук гудка. И это понятно, так как скорость звука в воздухе всего 330 метров в секунду, то есть в 900 тысяч раз меньше, чем скорость света.

Известно также, что скорость звука изменяется в зависимости от среды, в которой он распространяется. Чем плотнее среда, тем больше скорость звука. В воде она составляет 1450 метров в секунду, а в стали 5050 метров в секунду (рис. 18).

Рис. 18. Распространение звука в различных средах.

Известно, что если приложить ухо к железнодорожным рельсам, то шум идущего поезда слышен задолго до его появления и тем более до возникновения шума в воздухе.

Если представить, что звуки, созданные в Ленинграде одновременно в воздухе, воде и стали, были бы слышны в Москве, то в Москву звук в воздухе прошел бы за 31 минуту, в воде — за 7,2 минуты, а в стали всего за 2 минуты.

Но даже в одной и той же среде скорость звука может быть различна, так как зависит от многих причин (температуры, плотности, солености и т. д.).

Как же измерили скорость звука в воде?

В 1827 г. на Женевском озере впервые были проведены опыты по измерению скорости звука в воде. Две лодки были расположены одна от другой на расстоянии 13 847 метров. На одной из них под днищем был подвешен колокол, а со второй опущен в воду простейший гидрофон.

На первой лодке человек ударил в колокол и одновременно поджег порох (рис. 19, а). На второй лодке человек в момент вспышки пороха запустил секундомер (рис. 19, 6) и стал ждать прихода звукового сигнала от колокола в воде.

Рис. 19. Измерение (скорости звука: а — на первой лодке человек ударил в колокол и поджег порох; б — на второй лодке человек в момент вспышки пороха запустил секундомер.

В момент прихода звука секундомер был остановлен. Зная расстояние и время прохождения звука, вычислили скорость звука в воде, которая оказалась в четыре с лишним раза больше скорости звука в воздухе, т. е. 1450 метров в секунду.

Опытами и теорией установлено, что при увеличении температуры воды на 1 °C скорость звука увеличивается примерно на 0,2 %.

Соленость воды также влияет на скорость звука. С увеличением солености воды на один промилле[1] скорость звука увеличивается на 0,1 %.

В различное время года и в различных морях скорость звука практически колеблется в пределах 1450–1500 метров в секунду.

Звук отражается и преломляется

В конце XIX века русский ученый Ф. В. Петрушевский заметил, что звук на границе двух различных сред, например воздуха и воды, или на границе неоднородности одной и той же среды отражается и преломляется, т. е. меняет направление распространения. Искривление звуковых лучей называется рефракцией.

Если, например, вода имеет различную температуру или соленость, то на границе, разделяющей слои воды с различной температурой или соленостью, звуковой луч изменит свое направление, т. е. преломится, а часть энергии звукового луча отразится (рис. 20).

Рис. 20. Преломление и отражение звукового луча.

Величина преломления луча зависит от различия среды по плотности, температуре и т. д. Чем больше одна среда отличается от другой по температуре или солености, тем больше угол преломления звукового луча. Звуковой луч преломляется потому, что, попав в другую среду, его скорость изменяется.

Чем больше температура воды и ее соленость, тем больше скорость распространения звуковых волн. Звуковые лучи искривляются в сторону тех слоев воды, в которых меньше скорость распространения звука.

Когда звуковой луч проходит из среды I с большей скоростью распространения в среду II с меньшей скоростью распространения, то угол преломления меньше угла падения (рис. 21, a), и наоборот, угол преломления больше угла падения, когда звуковой луч проходит из среды II с меньшей скоростью распространения в среду I с большей скоростью распространения (рис. 21, б).

Рис. 21. Переход звукового луча из одной среды в другую: а — из среды с большей скоростью звука; б — из среды с меньшей скоростью звука.

Летом верхние слои моря нагреваются больше и поэтому звуковые лучи изгибаются вниз (рис. 22, а), а зимой верхние слои моря холоднее нижних и звуковые лучи изгибаются вверх (рис. 22, б).

Рис. 22. Распространение звукового луча: а — летом; б — зимой.

Отражение луча зависит от различия плотности среды, в которой распространяется звук и от которой он отражается. Чем больше разница в плотности двух сред, тем больше энергии будет отражаться. Например, звуковой луч, достигая поверхности воды, полностью отразится, так как разница в плотности воды и воздуха большая. Почти то же самое произойдет, если звуковой луч достигнет дна моря, причем отражение будет наибольшим, если дно каменистое, и наименьшим, если дно илистое.

Реверберация и эхо

Морская среда неоднородна не только потому, что слои моря имеют различные соленость и температуру, а и по другим причинам. В морской воде можно обнаружить много пузырьков воздуха и газа, а также твердых частиц во взвешенном состоянии. Летом температура воды повышается, поэтому количество пузырьков больше, чем зимой.

Звуковые волны, распространяясь в море, отражаются от пузырьков воздуха и газа (рис. 23), что при прослушивании вызывает непрерывное звучание, называемое реверберацией.

Рис. 23. Звуковые волны отражаются от пузырьков воздуха, находящихся в воде.

Непрерывность звучания объясняется тем, что пузырьки находятся близко один от другого и волны не могут отражаться от каждого пузырька в отдельности. Звуковые волны отражаются вначале от пузырьков, расположенных в непосредственной близости от излучателя. При дальнейшем распространении звуковой волны отраженные сигналы приходят от пузырьков, находящихся на все большем расстоянии.

Естественно, что от пузырьков, находящихся на большем удалении, отраженные сигналы слабее, поэтому звучание реверберации постепенно замирает.

Если звуковая волна на своем пути встретит какое-либо упругое препятствие, то от него отраженный сигнал будет сильнее реверберации. Этот отраженный сигнал принято называть эхом. Отраженный звуковой сигнал, т. е. эхо, можно наблюдать не только в море, но и воздухе, если крикнуть в ущелье (рис. 24) или хлопнуть в ладоши в большом пустом помещении.

Рис. 24. Эхо.

Звук затухает

Интенсивность звука в море уменьшается (звук затухает) по мере удаления акустических волн от источника. Это происходит в результате расширения фронта волны, поглощения и рассеяния звуковой энергии. На больших расстояниях звук в воде настолько слабеет, что перестает быть слышимым.

Мы уже знаем, что звуковая волна представляет собой колебательное движение частиц. Энергия частиц передается от частицы к частице не целиком, так как часть энергии расходуется на теплообразование. Превращение частиц звуковой энергии в тепловую называется поглощением звуковой энергии. С повышением частоты поглощение звуковой энергии увеличивается.

Ослабление интенсивности звука в море связано также с явлением реверберации. Неоднородность среды, наличие пузырьков газа, неровности дна моря и т. д. приводят к тому, что часть звуковой энергии отражается в различные стороны — рассеивается. Поэтому отражение звуковых волн от неоднородностей называется рассеянием.

Все сказанное справедливо при изучении интенсивности звуковой энергии на больших удалениях от источника звука. Для малых расстояний основная причина ослабления звука — расширение фронта волны.

При сферической волне частицы среды колеблются по фронту волны в сферической поверхности. Чем больше расстояние от источника звука, тем больше сферическая поверхность, а следовательно, больше частиц участвует в колебании. Это приводит к уменьшению амплитуды колебаний частиц, а значит, к уменьшению величины звукового давления.

Затухание звука существенно зависит от частоты. С повышением частоты увеличивается поглощение звука. Поэтому в современных гидроакустических приборах стремятся использовать низкие частоты, при которых поглощение звука уменьшается, а следовательно, и затухание будет меньше.

Как далеко слышен звук в воде?

Мы в своей повседневной жизни привыкли к восприятию звуков на различных расстояниях. Мы говорим громче или тише в зависимости от того, на каком расстоянии находится от нас собеседник. Если он находится на значительном расстоянии, то приходится повышать голос до крика.

Но существует предел дальности распространения звука в воздухе, и этот предел зависит от многих причин. В лесу, например, можно услышать звуки на большем расстоянии, чем в городе, ночью лучше слышно, чем днем. А какова дальность распространения звука в море?

Дальность распространения звука в море зависит прежде всего от того, как сильно уменьшается интенсивность звука с расстоянием. С увеличением расстояния от источника звука интенсивность звуковых колебаний уменьшается прежде всего за счет расширения фронта волны, а также за счет поглощения и рассеяния звуковой энергии.

Неоднородность среды, как уже было сказано, способствует поглощению и рассеянию звука, что приводит к затуханию звука, а следовательно, к уменьшению дальности его распространения.

Значительное влияние на дальность распространения звука оказывает рефракция. Чем больше разнородность среды, тем больше искривляется звуковой луч, тем меньше дальность распространения звука. Количество неоднородностей в воде различно и зависит от времени года, иногда даже от времени суток.

Установлено, что зимой дальность распространения звука больше, чем летом. Это происходит потому, что условия среды, т. е. распределение температуры слоев, таковы, что звуковой луч не загибается вниз ко дну, а, загибаясь вверх, распространяется вдоль поверхности.

Замечено также, что летом после большого шторма дальность распространения звука увеличивается. Объясняется это тем, что слои воды с различной температурой перемешиваются и среда становится более однородной.

Но в море бывают случаи, когда звуковая энергия в воде распространяется в десятки и сотни раз дальше, чем обычно. Это бывает тогда, когда существует так называемый подводный звуковой канал, создаваемый природой.

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.

При работе гидролокатора обтекатель опускается ниже киля, а после окончания работы поднимается вверх в специальный отсек так, чтобы он не выступал ниже днища.

Опускается и поднимается обтекатель подъемно-опускным устройством, состоящим из электродвигателя, редуктора и пульта управления.

На некоторых проектах надводных кораблей зарубежных флотов обтекатели закреплены постоянно в носовой части в виде овальных выпуклостей. В этом случае в подъемно-опускном устройстве нет необходимости (рис. 32, 6).

Рис. 32. Обтекатель: а — опускающийся при работе; б — закрепленный неподвижно.

Для вращения преобразователя служит поворотное устройство, состоящее из электродвигателя с редуктором. Управление поворотным устройством дистанционное с пульта управления.

Генератор собран на специальных генераторных лампах большой мощности, аноды, сетки и накалы которых питаются от специального преобразователя (агрегата).

Генератор вырабатывает электрические колебания определенной частоты, которые поступают на преобразователь и излучаются в водную среду уже в виде акустических колебаний.

Реле приема — передачи представляет собой электромагнитное реле с несколькими группами контактов. Реле приема — передачи при посылке ультразвукового сигнала подключает генератор к преобразователю (рис. 33, a), a при приеме отраженного эха — преобразователь к усилителю (рис. 33, 6).

Рис. 33. Принцип работы реле приема — передачи: а — при излучении; б — при приеме.

Усилитель служит для усиления и преобразования очень слабых электрических сигналов, поступающих от преобразователя. Усилитель состоит из нескольких каскадов и собран на усилительных лампах. Один из каскадов представляет собой гетеродин (маломощный генератор), при помощи которого ультразвуковая частота преобразуется в звуковую. С выхода усилителя сигналы поступают на рекордер и индикаторные приборы (телефоны, громкоговоритель, электронный отметчик).

Рекордер служит для графического воспроизведения отраженных сигналов, измерения расстояния до целей, определения относительной скорости сближения с целью и выработки данных для атаки подводной лодки. Кроме того, рекордер управляет работой реле приема — передачи, а следовательно, посылками ультразвуковых сигналов.

Основные элементы рекордера — каретка с записывающим пером (рис. 34) и посылочными контактами, лентопротяжный механизм с электрохимической бумагой и решающее приспособление со шкалами и линейкой.

Рис. 34. Рекордер.

Лентопротяжный механизм протягивает сверху вниз специальную бумагу, чувствительную к электрическому току, под воздействием которого на ленте появляются темные отчетливые отметки. При работе рекордера бумага перемещается непрерывно с постоянной скоростью.

При включении рекордера подается питание на электромагнитную муфту, которая начинает передвигать каретку слева направо. В самом начале движения каретка своими контактами замыкает посылочные контакты, через которые подается питание на реле приема — передачи, в результате чего преобразователь подключается к генератору. Посылочные контакты замыкаются на незначительное время (10—100 микросекунд), в течение которого ультразвуковые колебания излучаются в воду.

Каретка продолжает передвигаться с постоянной скоростью, пропорциональной скорости распространения звука в воде.

С приходом эха от цели электрический сигнал с преобразователя через усилитель поступает на перо каретки, в результате чего через бумагу проходит ток, оставляя на ней темную отметку. Расстояние от левого края бумаги до отметки будет соответствовать расстоянию до цели в масштабе шкалы, которая расположена горизонтально над бумагой.

При подходе каретки к правому срезу бумаги замкнутся возвратные контакты, обесточится электромагнитная муфта и каретка возвратится в исходное левое положение, и далее циклы будут повторяться.

В результате многократного передвижения каретки на бумаге возникнет много отметок, расположенных одна над другой. Если расстояние до цели будет уменьшаться, то каждая очередная отметка соответственно будет располагаться ближе к левому срезу (рис. 35, а), а при увеличении расстояния до цели каждая очередная отметка будет удаляться от левого среза (рис. 35, б). На бумаге рекордера возникнет трасса, которая может иметь наклон в ту или другую сторону. Если трасса будет вертикальной, расстояние до цели не изменяется (рис. 35, в).

Рис. 35. Характер записи на рекордограмме: а — при сближении; б — при удалении; в — при неизменном расстоянии.

Таким образом, по характеру записи на бумаге рекордера можно определить, сближается цель или удаляется, а приложив линейку вдоль трассы, определить относительную скорость сближения.

Кроме того, по характеру записи можно классифицировать контакт, т. е. отличить цель от ложной цели.

Решающее приспособление рекордера позволяет выработать необходимые данные для использования противолодочного оружия. По этим данным подается команда на пост бомбометов и глубинных бомб.

Автомат посылок служит для управления посылками при поиске цели до ее обнаружения. При работе автомата посылок рекордер выключают, чтобы не создавать перенапряженный режим в работе рекордера и излишне не расходовать электрохимическую бумагу.

Автомат посылок очень прост по устройству и представляет собой реле, конденсатор и несколько сопротивлений, различных по величине. В зависимости от того, какое сопротивление подключено, конденсатор будет разряжаться быстрее или медленнее. Время разряда конденсатора через то или иное сопротивление определяет интервал между посылками.

При включении автомата посылок заряжается конденсатор. В это время через контакты автомата посылок подается питание на реле приема — передачи. Как только конденсатор зарядился, контакты разрываются, реле приема — передачи обесточивается и посылка прекращается. Время заряда конденсатора соответствует длительности посылки.

После разрыва контактов конденсатор начинает разряжаться через сопротивление.

На время разряда конденсатора преобразователь подключен к усилителю, т. е. гидролокационная станция работает на прием. Как только конденсатор разрядился, замыкаются контакты автомата посылок, начинает заряжаться конденсатор и подается питание на реле приема — передачи, и опять происходит посылка. Эти циклы повторяются непрерывно автоматически.

Чтобы изменять интервал между посылками, в автомате посылок имеется несколько сопротивлений, различных по величине. Если оператор подключит самое большое сопротивление, конденсатор будет разряжаться дольше и интервал между посылкой будет большим.

При большем интервале между посылками звук распространится на большее расстояние, а следовательно, зона обследования будет больше.

Малые цели, например мины, обнаруживаются гидролокационной станцией на значительно меньших расстояниях, чем подводная лодка, поэтому большой интервал между посылками нецелесообразен. В этом случае оператор подключает в автомате посылок меньшее сопротивление, конденсатор будет разряжаться быстрее и интервал между посылками сократится.

С приходом эха от цели оператор примет его на слух в виде короткого слабого звука. Чтобы классифицировать цель, оператор сразу включает рекордер, одновременно выключив автомат посылок.

Пульт управления предназначен для дистанционного управления вращением преобразователя, а также подъемно-опускным и поворотным устройствами. Кроме того, на пульте управления размещаются элементы приборов станции.

Индикаторные приборы (электронный отметчик, телефоны, громкоговоритель) служат для регистрации шумов или эхосигналов. Электронный отметчик, кроме того, позволяет определить направление на цель и расстояние до нее, а также может управлять посылками, как и рекордер.

Электронный отметчик представляет собой электроннолучевую трубку с вертикально и горизонтально отклоняющими пластинами, на которые подаются напряжения с выхода двухканального усилителя и генератора пилообразного напряжения.

Направление на цель при фазовом методе пеленгования определяется по отклонению электронного луча. Если акустическая система точно направлена на цель, то электронный луч займет вертикальное положение, если цель справа или слева, то электронный луч соответственно имеет наклон в ту или другую сторону (рис. 36).

Рис. 36. Изображение электронного луча на индикаторе при фазовом методе пеленгования.

При фазово-амплитудном методе направление на цель определяется по выбросам электронного луча вправо или влево (рис. 37).

Рис. 37. Изображение электронного луча на индикаторе при фазово-амплитудном методе пеленгования.

Если акустическая система направлена точно на цель, выбросов не будет.

По методу поиска гидролокационные станции могут быть шагового и кругового поиска. При шаговом поиске акустические волны излучаются направленно в виде узкого луча; при круговом поиске излучение ненаправленное, т. е. круговое, а прием отраженного эхосигнала направленный.

Гидролокационные станции кругового обзора обладают преимуществом: поиск ведется значительно быстрее и одновременно можно наблюдать несколько целей, что невозможно на станции шагового поиска.

Например, в гидролокационных станциях кругового обзора, устанавливаемых на американских атомных подводных лодках, применяются индикаторы кругового обзора, представляющие собой электронно-лучевые трубки, на которых отраженные эхосигналы наблюдаются в виде светящихся отметок (рис. 38).

Рис. 38. Гидролокационный индикатор кругового обзора.

Рассмотренная гидролокационная станция может работать и в режиме шумопеленгования. В этом случае в работе участвуют не все приборы, а только те, которые связаны с приемом и усилением шумов. Генератор и рекордер выключаются, и станция работает только на прием.

Дальность действия гидролокаторов очень зависит от гидрологических условий моря, отражательной способности подводных целей, уровня собственных помех и от технических параметров станции.

При увеличении скорости хода противолодочного корабля дальность обнаружения подводной лодки уменьшается, так как появляются шумы от завихрений воды у обтекателя.

Во время второй мировой войны подводные лодки обнаруживались на дистанции до 15 кабельтовых[2].

По данным зарубежной печати, в США и Англии ведутся работы по увеличению дальности действия гидролокаторов. По некоторым источникам, дальность обнаружения подводной лодки составляет 35 кабельтовых, а в ближайшие годы может достигнуть 25 миль (250 кабельтовых). Одним из путей увеличения дальности действия гидролокаторов зарубежные специалисты считают увеличение длины волны, т. е. переход от ультразвуковых частот к звуковым, а также применение буксируемых гидролокаторов с переменной глубиной. В этом случае акустическая система может опускаться на необходимую глубину, где условия распространения звука наиболее благоприятны.

В настоящее время в военно-морском флоте США разрабатываются системы раннего предупреждения о нападении подводных лодок. Предполагается установить на дне Атлантического океана (на глубине 4500–5000 метров) около 10 тысяч специальных датчиков-гидрофонов. Такая система якобы позволит обнаружить подводные лодки на расстоянии 500-1000 миль.

Подводные лодки — главная ударная сила флота, поэтому средства борьбы с ними непрерывно совершенствуются.

В иностранных военно-морских флотах большое значение придается также гидролокаторам, используемым с вертолетов и дирижаблей.

По устройству такие станции почти ничем не отличаются от корабельных, за исключением того, что акустическая система опускается в воду на специальном тросе (рис. 39), а остальные приборы находятся на вертолете или дирижабле.

Рис. 39. Вертолетная гидролокационная станция.

Преимущество этого способа в том, что отсутствуют помехи от движения своего корабля и его механизмов, а главное — повышается скорость обследования района. После обследования участка вертолет поднимается с акустической системой и быстро перелетает на другой участок, опускает акустическую систему, после обследования перелетает на третий участок и т. д.

По сведениям иностранной печати, время опускания акустической системы, обследование участка и обратный подъем ее занимают около 5 минут. Расстояние между соседними точками, в которых ведется обследование, выбирается с таким расчетом, чтобы не допускать пропусков обследуемого района и, более того, чтобы обследуемые участки перекрывались между собой.

Звук измеряет глубину

Командиру корабля или штурману необходимо постоянно знать глубину дна моря под кораблем, особенно при плавании в прибрежных районах, где создается опасность сесть на мель.

В старину мореплаватели определяли глубину весьма простым способом — опускали груз на тросе до тех пор, пока он не касался грунта. Длина троса и соответствовала измеренной глубине. Однако не всякую глубину можно определить таким способом. Как, например, измерить глубину сотен, тысяч и даже десятков тысяч метров?

На помощь опять-таки приходит гидролокация. Небольшие и несложные по устройству гидролокационные приборы, называемые эхолотами, быстро и точно измеряют глубину (рис. 40).

Рис. 40. Запись на ленте эхолота позволяет «видеть» дно моря.

Эти приборы основаны также на принципе посылки ультразвукового сигнала и приема отраженного эха от дна моря.

Измеряя глубины отдельных участков или районов моря, можно составить подводную карту, на которой будут видны возвышенности и углубления. Рельеф дна моря или океана в некоторой степени напоминает рельеф земной поверхности. Составление морских карт имеет не только познавательное научное значение, для моряков оно жизненно важно, так как обеспечивает безопасность плавания.

Имея перед глазами ранее составленную карту морских глубин и сравнивая данные ее с показаниями эхолота, штурман может ориентировочно определить место своего корабля в море. При постановке корабля на якорь необходимо также знать глубину места, чтобы не потерять якорь вместе с якорь-цепью на большой глубине. Эхолот и в этом случае приходит мореплавателю на помощь.

Но эхолот все же измеряет только глубину под кораблем, а для того, чтобы обнаружить впереди по курсу подводную банку, скалу, айсберг, либо узкость, используют гидролокационную станцию.

При прохождении узкостей или районов с подводными препятствиями гидроакустик по приказанию командира в режиме эхопеленгования обследует сектор в носовых курсовых углах.

При получении отраженного эха от подводного препятствия гидроакустик докладывает командиру корабля об опасности.

Разговор под водой

Если можно слышать звуки в воде, значит можно и разговаривать, тем более, что под водой в этом есть большая необходимость. Как переговорить командиру одной подводной лодки с командиром другой или командиру надводного корабля с командиром подводной лодки? Проводная связь исключается, радиоволны под водой использовать нельзя. На помощь в этом случае приходит ультразвук.

Если замыкать цепь питания реле приема — передачи телеграфным ключом, то излучение ультразвуковой энергии будет происходить во время нажатия ключа.

Используя азбуку Морзе, можно свободно переговариваться при помощи гидролокаторов, установленных на корабле и подводной лодке. При этом нужно соблюдать правило: когда один работает на передачу, другой работает только на прием. Одновременная работа на передачу недопустима.

Необходимо отметить, что скорость переговоров по азбуке Морзе гидролокаторами значительно меньше, чем по радио. Для ускорения передачи наиболее ходовых фраз используют переговорные таблицы.

В последние годы за рубежом созданы специальные гидроакустические станции связи, при помощи которых можно вести переговоры голосом в телефонном режиме, т. е. разговаривать, как по обычному телефону (рис. 41).

Рис. 41. Телефонный разговор под водой.

Иногда недостаточно сделать вывод, что обнаружена подводная лодка, нужно еще определить, своя это подводная лодка или противника. Для этой цели подводный корабль дает кодированный запрос, на который подводная лодка должна ответить кодированным ответом. Ответ правильный — подводная лодка своя; ответ неправильный или нет никакого ответа — подводная лодка противника.

Раньше запросы и ответы делались обычными гидролокаторами при помощи азбуки Морзе. По данным зарубежной печати, в последнее время на подводных лодках устанавливаются специальные станции связи и опознавания.

Гидроакустика помогает промыслу

Гидроакустические приборы широко применяются в рыбном промысле. Рыболовные суда оборудуются гидроакустическими приборами, простейшим из которых является обычный эхолот.

Косяки рыбы часто достигают больших размеров и передвигаются с довольно большой скоростью. Поэтому важно своевременно обнаружить скопление рыбы и в нужном районе расставить сети.

При работе эхолота ультразвуковые волны, отраженные от рыбы, записываются на специальной бумаге. По характеру записи можно судить о плотности косяков, их размерах, а также узнать глубину, на которой находится рыба.

Интересно отметить, что ультразвук отражается не от тела рыбы, а от плавательного пузыря, наполненного воздухом.

Совсем недавно гидроакустические приборы начали применять не только для обнаружения косяков рыбы, но и для определения ее разновидностей.

Мы уже знаем, что различные животные и рыбы издают звуки, а точнее, ультразвуки различной частоты.

Рыбы издают ультразвуки определенной частоты, присущие каждой породе. Вот этим и воспользовались современные рыбаки; при помощи специальных приборов, опущенных в воду, они обнаруживают таинственные голоса и определяют породу рыб.

Если внимательно прослушать очень слабые «голоса» различных рыб, усиленные гидроакустическими приборами, можно отличить сельдь от кильки. Сельдь издает звуки, на-поминающие чириканье птиц, а звуки, издаваемые килькой, воспринимаются как непрерывное гудение.

Более всего говорливы горбыли, они даже переговариваются между собой, издавая звуки, напоминающие перестукивание.

Наиболее широко используются гидроакустические приборы в рыбном промысле в открытом океане.

КТО ПОБЕДИТ?

Цель или ложное эхо

Гидроакустика помогает ловить рыбу, но рыба иногда «подводит» гидроакустика при поиске подводной лодки. При большой плотности рыбы в косяке эхо бывает настолько четким, что его можно принять за эхо от подводной лодки.

Но не только рыба вводит в заблуждение гидроакустика при поиске подводной лодки. Затонувшие корабли, подводные скалы, кильватерную струю также иногда принимают за подводную лодку.

Можно ли уверенно отличить цель, т. е. подводную лодку от ложной цели? Как бы ни были совершенны приборы, они не смогут этого сделать. Эту задачу выполняет гидроакустик, который при обнаружении эха классифицирует его по нескольким признакам. Такими признаками могут быть протяженность цели, тон эха и изменение пеленга (направления) на цель.

Протяженность цели — первый характерный признак, позволяющий отличить подводную лодку от ложной цели. Протяженность цели измеряется в градусах, а определяется пеленгованием (определением направления) левого и правого срезов цели. Подводная лодка имеет небольшую протяженность (рис. 42, б). Если протяженность цели большая (рис. 42, а), можно сделать вывод, что это не подводная лодка, а ложная цель, например, косяк рыбы или подводное препятствие.

Рис. 42. Протяженность цели: а — косяка рыбы; б — подводной лодки.

Тон эха позволяет определить, движется ли цель или она неподвижна. Изменение тона эха свидетельствует о том, что цель движется. Однако не всегда нужно делать окончательный вывод по этому признаку, так как подводная лодка может следовать курсом, параллельным курсу надводного корабля, в этом случае тон эха не будет изменяться. По тону эха можно определить и ориентировочное направление движения подводной лодки, используя эффект Допплера.

Изменение пеленга на цель также свидетельствует о том, что цель подвижна. Но при определении изменения пеленга необходимо учитывать перемещение своего корабля относительно цели.

Для более полной и уверенной классификации контакта включается рекордер. По записи на рекордограмме можно определить относительную скорость, а зная скорость своего корабля, можно вычислить скорость цели. Кроме того, запись на рекордограмме от подводной лодки имеет четкую форму с ровным левым срезом (рис. 43, а). При ложном эхе, например, от косяка рыбы, запись нечеткая, прерывистая, а ее левый срез имеет извилистую форму (рис. 43, б).

Рис. 43. Запись на рекордограмме: а — от подводной лодки; б — от косяка рыбы.

Иногда гидроакустик переходит из режима эхопеленгования в режим шумопеленгования и прослушивает наличие шумов от винтов подводной лодки или вспомогательных механизмов.

Классификация контакта — очень сложный и ответственный процесс в работе гидроакустика. Навыки в быстрой и уверенной классификации контакта вырабатываются годами практической работы в море.

Обманный маневр

Ложная цель может быть не только природной, но и специально созданной. Если подводная лодка обнаружена, командир ее будет принимать все меры к тому, чтобы оторваться от преследования. Прежде всего применяется специальный маневр уклонения, предусматривающий резкие изменения курсов и скорости.

По данным зарубежной печати, подводные лодки оборудуются специальными устройствами — имитаторами, создающими ложные цели.

Уклоняющаяся от преследования подводная лодка выпускает с кормовой части имитатор цели, хорошо отражающий ультразвук (рис. 44).

Рис. 44. Появилась новая цель — это подводная лодка выпустила имитатор при уклонении от преследования.

Некоторые имитаторы снабжены устройством, создающим шум, напоминающий шум винтов подводной лодки. Такой имитатор может несколько часов самостоятельно передвигаться, имитируя маневр уклоняющейся подводной лодки. Длина имитатора более трех метров, диаметр около 0,5 метра. Маневрирует имитатор по сигналам программного механизма.

Малоопытный гидроакустик может переключиться на работу по ложной цели, а в это время подводная лодка уйдет от преследования.

Ложную цель можно создать также очень простым способом — выпуском воздушного пузыря. Мелкие пузырьки воздуха, как мы знаем, хорошо отражают ультразвук, что может временно дезориентировать гидроакустика.

В иностранных флотах проводятся опыты по уменьшению отражающей способности ультразвука подводной лодки, для чего корпус ее покрывают специальными противоотражающими покрытиями, которые поглощают более 90 процентов ультразвуковой энергии. Недостатком таких покрытий является то, что они обладают большим поглощающим свойством только для определенных частот, а для других частот отражающие свойства могут возрасти.

Поиск цели

До появления гидроакустических станций поиск подводных лодок производился зрительными средствами. Вооруженные биноклями наблюдатели внимательно следили за горизонтом: не появится ли перископ подводной лодки, которая также не имела гидроакустической станции и вынуждена была выходить в атаку по данным наблюдения в перископ.

С появлением гидроакустических станций отпала необходимость подводным лодкам поднимать перископ над поверхностью моря. Следовательно, подводную лодку можно обнаружить только гидролокатором.

При поиске подводной лодки гидроакустическая станция надводного корабля работает в режиме эхопеленгования, т. е. через определенные промежутки времени делаются посылки ультразвуковых сигналов.

Поиск ведется при вращении вибратора с левого борта к носу, а затем то же с правого борта и т. д. Такой поиск называется симметричным поиском (рис. 45, а). Шаг поиска может быть различным, например, 5 или 10°. После каждой посылки акустическая система поворачивается на соответствующий угол.

Если вероятность обнаружения подводной лодки больше с какого-нибудь борта, то ведется асимметричный поиск (рис. 45, 6), т. е. с одного борта сектор увеличивается, а с другого уменьшается.

При вероятности появления подводной лодки прямо по курсу поиск ведется с перекрытием носовых курсовых углов (рис. 45, в). В этом случае носовой сектор обследуется дважды.

Рис. 45. Виды гидроакустического поиска подводной лодки: а — симметричный; б — асимметричный; в — с перекрытием носовых курсовых углов.

При поиске шагом 5 или 10° на обследование сектора уходит много времени. Пока гидроакустик ведет поиск с одного борта, подводная лодка может приблизиться с другого борта на дистанцию торпедного залпа. Поэтому поиск подводных лодок более выгодно вести гидролокационной станцией кругового обзора. Такая станция не только обеспечивает быстрое обследование сектора, но и обнаруживает одновременно все цели, которые могут оказаться в зоне действия станции.

При попадании подводной лодки в зону действия гидролокатора от нее отразятся ультразвуковые волны и гидроакустик услышит эхо. После получения эха от второй посылки гидроакустик докладывает командиру корабля направление на цель и дистанцию до нее.

Получив приказание классифицировать контакт, гидроакустик определяет протяженность цели, тон эха, изменение пеленга и четкость записи на рекордограмме. Пеленгуя левый и правый срезы, он определяет средний пеленг на цель и докладывает командиру корабля.

Гидроакустик подводной лодки в это время тоже не бездействует. Он внимательно пеленгует шум винтов преследующего корабля и докладывает командиру подводной лодки направление и по силе звука ориентировочно определяет, сближается корабль или удаляется.

Кроме того, гидроакустик подводной лодки пеленгует ультразвуковые посылки, излучаемые гидролокатором преследующего корабля, что позволяет определить не только направление, но и ориентировочную дистанцию до него. Опытный гидроакустик подводной лодки может также определить, на каком расстоянии рвутся глубинные бомбы и какого они калибра.

Гидроакустики двух кораблей (надводного и подводного) состязаются между собой в умении, опыте, хладнокровии, выдержке. В подводной борьбе побеждает опыт и воля к победе.

Гидролокационной станцией можно обнаружить не только подводную лодку, а и маленькие, но исключительно опасные для всех кораблей контактные мины. Раньше надводные корабли совершенно были беспомощны при плавании в районах, не очищенных от мин, а подводные лодки форсировали минные поля с ежесекундным ожиданием взрыва. Гидролокация позволила определять заранее места, где выставлены контактные мины. А если место постановки мин определено, их всегда можно обойти.

Обнаружить мины труднее, чем подводную лодку, так как эхосигнал от мины очень слаб, и на рекордере запись тоже будет слабой (рис. 46).

Рис. 46. Запись на рекордограмме от мин.

Атака

«Атака подводной лодки!» — раздается команда командира корабля. Все занимают свои места: для каждого боевого расчета, боевого номера строго определены боевые функции (обязанности). Особенно ответственные обязанности при атаке подводной лодки у расчета противолодочной обороны (ПЛО), куда входят командир корабля, офицер ПЛО, гидроакустик и посты сбрасывания глубинных бомб и бомбометов.

В атаке подводной лодки принимает участие также расчет боевого информационного поста, где обобщают, анализируют и оценивают обстановку.

Атака подводной лодки длится всего несколько минут, но напряженность каждого боевого номера достигает предела. Особенно напряженно работает гидроакустик. Он поддерживает контакт с подводной лодкой, не теряя его даже на несколько секунд, и непрерывно выдает данные командиру корабля: пеленг, дистанцию, тон эха, протяженность цели.

Гидроакустик в это время превращается как бы в аппарат слуха, ничто его не должно отвлекать. Он должен своевременно заметить ложный маневр цели, не потерять цель, увлекшись ложной целью, кроме того, следит за маневрированием своего корабля.

И вот отметки на рекордограмме приближаются к нулю. Наступает наиболее ответственный период — последняя фаза атаки.

Результат напряженной работы расчета ПЛО скоро будет известен всем.

— Мгновенное эхо, — докладывает гидроакустик, а через несколько секунд следует одна за другой команды «Первая!», «Вторая!», «Третья!». Это значит, что сейчас будут сброшены три серии глубинных бомб.

Едва прозвучали последние слова команды, как корабль резко вздрагивает, за кормой корабля трижды взбугривается вода — взорвались глубинные бомбы (рис. 47).

Рис. 47. По данным гидроакустика глубинные бомбы сброшены, подводная лодка поражена.

Борьба не окончена. Гидроакустик восстанавливает контакт с подводной лодкой, командир корабля повторяет атаку и, может быть, еще не один раз.

Но что это? На поверхности моря появились маслянистые пятна и плавающие предметы — глубинные бомбы попали в цель. Однако гидроакустик неоднократно проверяет: не коварность ли это врага, нарочно выпустившего масло и выбросившего предметы, чтобы обмануть корабль ПЛО ложным потоплением лодки, Корабль ПЛО еще много раз обходит подозрительное место. Звуков не слышно, гидролокатором лодка не обнаруживается. Командир корабля поздравляет экипаж с победой.

Одиночный корабль не всегда обнаружит подводную лодку, а после первой атаки может потерять контакт. Для более эффективного поиска подводных лодок и атаки их корабли ПЛО объединяются в поисковые ударные группы (ПУГ).

При совместном поиске группой кораблей резко повышается вероятность обнаружения подводной лодки и вероятность ее уничтожения. Действиями нескольких кораблей руководит командир ПУГ, находящийся на одном из кораблей.

Глубинные бомбы — грозное оружие в борьбе с подводными лодками. Однако торпеды еще страшнее для надводных кораблей.

Подводная лодка обладает большим преимуществом, находясь в подводном положении. Она, как притаившийся хищник, ждет своей добычи.

Во время второй мировой войны скорость подводных лодок под водой не превышала 10 узлов[3], а скорость надводных кораблей обычно была 20–28 узлов. Поэтому подводные лодки, как правило, не «гонялись» за надводными кораблями, а подстерегали их на пути следования. В настоящее время скорости надводных и новых подводных кораблей приблизительно равны, а потому приемы борьбы подводных лодок могут быть иные.

Гидроакустик на подводной лодке в подводном положении знает об обстановке больше всех, потому что он слышит все звуки. По его докладу «Слышу шум винтов» командир объявляет боевую тревогу. По данным гидроакустика командир подводной лодки принимает решение на выход в атаку. Гидроакустик «берет прицел», и по его данным торпеды выходят в цель (рис. 48).

Рис. 48. Гидроакустик «берет прицел», и торпеды идут в цель.

Подводная лодка может атаковать торпедой с акустической головкой самонаведения, т. е. с собственной акустической станцией и собственной системой управления.

Такая торпеда, выпущенная в направлении движущегося корабля, по шуму его винтов сама обнаружит цель и при помощи устройства самонаведения поразит ее. От нее трудно уклониться, так как она стремительно мчится на шум винтов и, имея преимущество в скорости, настигает цель. Эта система называется пассивной, и работает она по принципу шумопеленгаторной станции.

Есть торпеды с активной системой наведения, которые работают по принципу гидролокационной станции. Торпеда с гидролокационной станцией излучает ультразвуковые импульсы, а приняв отраженный эхосигнал от цели, автоматически наводится на цель.

Торпеды с системами самонаведения применяются как подводными лодками, так и надводными кораблями.

Подводная борьба

Бурное развитие за последние годы подводного флота, а особенно появление атомных подводных лодок, дало толчок дальнейшему совершенствованию гидроакустических средств и в целом средств противолодочной обороны.

Атомная подводная лодка имеет большую подводную скорость и большую автономность плавания, она еще к тому же имеет грозное оружие — ракеты.

Атомная подводная лодка-ракетоносец, находясь в подводном положении, может нанести удар по надводным кораблям и береговым объектам с очень больших расстояний (рис. 49).

Рис. 49. Ракета запущена из подводного положения.

С такими подводными лодками трудно вести борьбу, так как обычные средства борьбы уже непригодны. Но на каждое действие вырабатывается и противодействие. Появляются современные эффективные средства противолодочной обороны. На смену глубинным бомбам и обычным торпедам приходят новые средства — противолодочные комплексы.

Современные корабли ПЛО имеют на вооружении ракеты, представляющие собой сочетание ракеты с торпедой. При обнаружении подводной лодки гидролокационной станцией дальнего обнаружения данные поступают в вычислительное устройство электронного действия, где быстро решается задача атаки подводной лодки.

Ракета-торпеда по выработанным данным запускается с пусковой установки и летит по заданной траектории в район подводной лодки. Перед входом в воду торпеда отделяется от ракеты и опускается на парашюте (рис. 50).

Рис. 50. Ракета-торпеда ищет и поражает подводную лодку.

Погрузившись, она начинает поиск подводной лодки и сближение с ней по данным гидроакустической системы самонаведения. По мнению зарубежных военных специалистов, такие противолодочные средства эффективны в борьбе с атомными подводными лодками.

Для обеспечения противолодочного режима на морских просторах требуется много сил и средств и большое напряжение для поддержания их в непрерывной боевой готовности.

Поэтому береговые и корабельные, авиационные и ракетные средства ПЛО объединяются в единые комплексы с централизованной системой сбора и анализа обстановки, а также управления всеми средствами. Такие комплексы оснащаются современными электронно-вычислительными машинами, которые почти все задачи решают с большой точностью.

Кроме того, как видно из иностранной печати, в настоящее время для борьбы с атомными подводными лодками создаются специальные противолодочные подводные лодки, в задачу которых входят не охота за надводными кораблями, а поиск и уничтожение подводных лодок.

Невидимая подводная борьба сильных противников требует большого мастерства, выдержки, смелости. В такой борьбе гидроакустика приобретает еще большее значение. Кто первый обнаружит, кто первый и более точно даст данные, тот и победит.

* * *

Наши военные моряки прилагают все силы для овладения в совершенстве сложной военной техникой. В любую минуту они готовы проявить умение, мужество и героизм, не щадя самой жизни, во имя Родины.

Примечания

1

Один промилле соответствует одному грамму соли, растворенной в одном литре воды. Океанская вода имеет соленость примерно 35 промилле, вода Черного моря — около 18 промилле, обычная питьевая вода — несколько промилле.

2

Кабельтов — мера длины, принятая в морском деле. Один кабельтов равен 186,2 метра.

3

Узел — скорость, принятая для кораблей. Один узел — это одна миля (1852 метра) за один час.

Content

Иван Хорбенко
ЗВУКИ В МОРСКИХ ГЛУБИНАХ

БЕЗМОЛВНЫ ЛИ МОРСКИЕ ГЛУБИНЫ?

ЗВУК И СЛУХ

Какие бывают звуки?

Что такое звук?

Какие звуки слышит человек?

Какие звуки слышат животные?

Неслышимые звуки действуют на организмы

Чем создать ультразвук?

Ультразвук в действии

ЧТО ТАКОЕ ГИДРОАКУСТИКА?

Из истории

Скорость звука в воде

Звук отражается и преломляется

Реверберация и эхо

Звук затухает

Как далеко слышен звук в воде?

Эффект Допплера

Надежный сторож

Шумопеленгатор — «уши» подводной лодки

Зоркий подводный глаз

Звук измеряет глубину

Разговор под водой

Гидроакустика помогает промыслу

КТО ПОБЕДИТ?

Цель или ложное эхо

Обманный маневр

Поиск цели

Атака

Подводная борьба

Примечания