«Родная сестра» радио: гидроакустика. Часть 1

0 676
+2

Радио и гидроакустика: параллели

«Родная сестра» радио: гидроакустика. Часть 1 

Скорее - все наоборот: радио - родственно гидроакустике. Ибо когда на земле уже отбегали мамонты, но радио как вида техники еще и в дальней перспективе не просматривалось, не кто иной, как Леонардо да Винчи, заметил: «Если остановить свой корабль и опустить один конец трубки в воду, а второй приложить к уху, то на большом расстоянии будут слышны другие движущиеся корабли». Так был впервые описан простейший гидрофон, являющийся дальним аналогом детекторного приемника, работающего на диполь, очень короткий для полноразмерного на длинных волнах (поэтому о направлении прихода электромагнитной энергии говорить не приходится).

 

Но - лишь описан. А когда изобретен - неизвестно. Быть может, им пользовались еще «мореманы»-финикийцы за пару тысяч лет до этого.

Конец XIX-го века: Илайша Грэй (изобретатель первого в мире планшетного устройства и тот самый, у которого Белл «стащил» и быстренько запатентовал идею телефона) предложил «колокольно-гидрофонную» подводную звуковую сигнализацию для судов, чтобы они в туман, когда предельно ограничена видимость и не поможет светотелеграф, оповещали другие суда о своем близком местонахождении и помогали избежать столкновения, не оглашая окрестности непрерывным ревом гудков. Эдакий судовой прообраз «парктроника»,  имевший подводный колокол (изотропный излучатель, кстати - почти не слышимый на поверхности), и направленный гидрофон (фактически - аналог пеленгационной антенны) просуществовал на многих судах почти до II Мировой войны, так как был прост и понятен в применении.

Однако, «колокольно-гидрофонная» система получила и второе назначение: кто-то, чье имя кануло в Лету, догадался использовать ее для «медленной» акустической кодовой передачи информации на расстояние во многие километры; сродни той, которая на принципе излучения очень низкочастотных (ОНЧ) электромагнитных волн, проникающих в толщу воды на несколько сот метров, действует в виде отечественной станции глобального подводного радиооповещения «Зевс».

Впрочем, киты, ничего не смысля в физике и ничего не зная о том, что люди на заре радио не имели представления о факте непроникновения высокочастотной электромагнитной энергии в толщу воды, преспокойненько общались мощными низкочастотными акустическими импульсами поперек океанов, наловчившись в процессе своей эволюции находить в неоднородной толще воды звукопроводные слои, подобные ионосферным волноводам на КВ или тропосферным - на УКВ.

Ну, а в 1917-м году уже появился первый электронный эхолот, когда французский физик Поль Ланжевен догадался использовать в качестве излучателя и приемника опущенный в воду ультразвуковой пьезоэлемент (благо пьезоэффект уже давно был открыт братьями Кюри). На этот пьезоэлемент, резонирующий на частоте 38 кГц, в момент «молчания» приемного усилителя подавалась короткая пачка импульсов резонансного напряжения с генератора, превращая электромагнитную энергию в механическую энергию продольной волны в толще воды.

Зная скорость звука в воде (порядка 1,5 км/с) и время между посылкой и откликом, не составляет труда найти длину пути до дна и обратно, половина которой - и есть глубина водоема.

Оказалось, что пьезоэлемент обладает достаточно узким углом излучения, что тут же с успехом было применено для поиска методом гидроэхолокации немецких субмарин на исходе I Мировой войны.

Независимо от француза Ланжевена, еще в 1915 году, канадский изобретатель Реджинальд Фессенден («отец» радиовещания и пейджинга) описал аналогичный ланжевеновскому осциллятор, позволяющий связываться погруженным подводным лодкам и использовать его для определения глубин. Но «в железе», как гидролокатор обнаружения подводных лодок, его изобретение воплотилось лишь в 1919-м году. Кто любит историческую военно-морскую литературу, прекрасно о нем знает: это знаменитый ASDIC (Anti-Submarine Detection Investigation Committee), на основе которого уже во время II Мировой войны американцами был создан более совершенный прибор, имя которого стало нарицательным: «сонар» (SONAR - Sound Navigation and Ranging)

 

«Родная сестра» радио: гидроакустика. Часть 1

 

Так что первые гидролокаторы на два десятка лет опередили создание первых радиолокаторов, разработанных в нашем отечестве и Великобритании.

Кстати, приемо-передающий тракт современных эхолотов до сей поры не претерпел принципиальных изменений.  

Однако матушка-Природа за миллионы лет до всех этих событий уже снабдила дельфинов ультразвуковым секторным - и весьма точным - гидролокатором «близкого действия». Только вот анализ отражения акустического поля, в отличие от малой части мозга дельфина, современным рукотворным гидролокаторам «помогает» весьма производительный компьютер

Почему было названо «близкое действие»? Да потому, что с увеличением частоты даже довольно сильного ультразвукового сигнала, потери на расстояниях уже в десятки метров становятся весьма велики; особенно в морской воде.

Падение уровня сигнала на одной и той же дистанции с ростом частоты наблюдается и на электромагнитных волнах.

 

Уже из названного выше, видим: параллели между радиотехникой и гидроакустикой - совершенно естественная вещь.

Теперь настало время поговорить о том, что можно выразить схематически, количественно, а также рассказать о результатах некоторых гидроакустических экспериментов (в том числе незавершенных), в которых по молодости лет участвовал автор.

 

Ну, во-первых - следует показать кривую затухания акустического сигнала в воде в зависимости от частоты, чтобы качественно понять принципиальные критерии дальнодействия всей  гидроакустической электроники.

Функционирует она главным образом в весьма узком диапазоне частот 20...500 кГц.

 

«Родная сестра» радио: гидроакустика. Часть 1


Локация: все главное о ней в радиодиапазоне и гидроакустике

 

Современные промышленные гидролокаторы дальнего обзора, функционирующие на частотах до трех десятков килогерц, уверенно работают на дистанциях до 2,5 км с разрешающей способностью в несколько десятков сантиметров, а в качестве исключительно глубиномеров (при огромной отражающей поверхности участка дна) - вплоть до глубин 10...11 км. Где-то близко к этой величине лежит и современная дистанция обнаружения подводных лодок, определение типа которых осуществляется уже не гидролокатором, а чувствительным гидрофоном, позволяющим выделить, к примеру, особую акустическую «окраску» звука работы двигателей или шума обтекания определенной формы корпуса.

Частоты выше 100 кГц главным образом используются при необходимости получения разрешающей способности в сантиметры на дистанциях до 100...250 м.

Проверим: длина акустической волны в воде на частоте 100 кГц равна примерно 1,5 см. Поэтому, чтобы надежно получить гидроакустическое отражение от предмета, он должен иметь размеры хотя бы в несколько длин волн. Ну что ж: все сходится.

Кстати, дельфины, наверное, тоже не с проста пользуются частотами от 80...100 до 200 кГц: можно уверенно в полной темноте запеленговать съедобный объект минимальным  размером величиной с мандарин.

 

Теперь - по порядку о типах локации (безразлично какой, радио- или гидро-: они одинаковы в своем принципе).

Их существует два типа: активная и пассивная.

А также - два основных класса: моностатическая и бистатическая.

Моностатическая осуществляется из одной точки, бистатическая - из двух.

Пассивная (именно она называется пеленгацией) - не имеет в своей системе собственного излучателя энергии для получения отражения; активная - такой излучатель имеет.

Моностатическим пассивным локатором являются в радиодиапазоне узконаправленные антенны в режиме приема, а в гидроакустике - их аналог в виде узконаправленного гидрофона, которым, например... может быть и обычное «спутниковое» параболическое зеркало,  в облучатель которого установлен микрофон с ограниченным сектором приема звука. Парабола с диаметром 0,6 м будет неплохо работать в воде на акустических частотах не ниже 5 кГц в весьма узком угле приема.

Есть в акустике (ибо гидроакустика - лишь ее часть) и иные антенноподобные структуры, работа которых напоминает работу сверхширокополосных, но тем не менее - резонансных  направленных антенн с логопериодической структурой вибраторов: это так называемые «орга’нные» микрофоны, состоящие из акустически резонансных трубок разной длины для разных частот, выход которых объединен в нерезонансной для рабочих частот микрофона камере с расположенным там широконаправленным микрофоном. Только поскольку скорость звука в воде почти впятеро выше скорости звука в воздухе, гидроакустические «органные» микрофоны для тех же частот окажутся почти впятеро компактней «воздушных».

Тут поневоле вспоминается «радиотехнический» коэффициент укорочения длинных линий, обусловленный учетом диэлектрической проницаемости между проводниками.

 

«Родная сестра» радио: гидроакустика. Часть 1

  

Понятно, чтомоностатическая пассивная локация дает только направление, и ничего не может сказать об удалении источника сигнала.

А вот бистатическаяпассивная уже позволяет узнать и позицию источника (или - приемника), так как такая локация может быть, так сказать, прямой и инверсной.

«Прямая» локация (пеленгация) основана на двух пассивных узконаправленных приемниках с известным расположением, которые указывают каждый свой пеленг на источник одного и того же сигнала. Проводя линии пеленга от приемников, в точке их пересесения получаем позицию источника сигнала. Причем источник сигнала может быть подвижен, и многократное повторение процедуры пеленгации покажет курс его движения.

При условно-«инверсной» пассивной бистатической локации, оба узконаправленных приемника находятся в одном месте и настраиваются на пеленги двух разных и разнесенных источников сигнала с известной позицией (стационарные радио- или гидроакустические маяки). Если линии пеленгов чертить от этих источников, то на их пересечении получим координаты текущей точки с приемниками.

 

«Родная сестра» радио: гидроакустика. Часть 1


Перейдем к активной локации и сразу отметим, что бистатическая не может быть кругового обзора.

 

«Родная сестра» радио: гидроакустика. Часть 1

  

И моностатическая (самая нам хорошо известная), и бистатическая активная локационная система обязательно содержит в себе собственный излучатель.

В бистатической активной системе имеется известная неподвижная позиция излучателя относительно двух неподвижных относительно друг друга и излучателя приемников. Вычисление позиции отраженного целью сигнала (от так называемой «подсветки» излучателем) происходит точно так же, как в «прямой» пассивной бистатической системе. Разумеется, пеленг можно определить и азимутальный, и угломестный, что дает координаты отражающего предмета в 3D-пространстве.

В гидроакустике часто применяют схему, показанную ниже.

 

«Родная сестра» радио: гидроакустика. Часть 1


Ну, а схема моностатической активной локации, как видим, (применяемой в авиационных и морских радиорадарах, гидролокаторах и «карманных» рыболовных эхолотах), основана все на тех же принципах определения пеленга на отражающий предмет с одновременным отсчетом времени между посланным импульсом и его отражением, позволяя, при известной скорости распространения сигнала, определить дальность цели на заданном пеленге. Что интересно, и радио- и гидролокаторы работают преимущественно в сантиметровом диапазоне волн, только - в разных средах.

 

«Родная сестра» радио: гидроакустика. Часть 1


Окончание следует

DIM


Источник | Опубликовал: DIM


и поделитесь с друзьями в соц сетях:


Добавить комментарий

Похожие новости