УЛЬТРАЗВУК В ВОЕННОМ ДЕЛЕ

СОДЕРЖАНИЕ

ШУМОПЕЛЕНГАТОРЫ

Книга УЛЬТРАЗВУК В ВОЕННОМ ДЕЛЕДо начала XX века законы распространения звука в море почти не изучались, отчасти исследовался только поверхностный слой океана (10 — 15 м) для нужд мореплавания и рыболовства. Интерес к изучению морских глубин, и особенно к распространению звуков в воде, возрос в связи с появлением нового класса кораблей — подводных лодок, главным преимуществом которых была скрытность.

 

Шла первая мировая война. 22 сентября 1914 г. три английских крейсера — «Абукир», «Хог» и «Кресси» — находились в дозоре в Северном море. Внезапно у борта одного из крейсеров раздался мощный взрыв, корабль начал тонуть. Два других крейсера поспешили на помощь, но одного из них постигла та же участь. Третьему пришлось спасать команды с обоих крейсеров, но вскоре и он пошел ко дну от такого же таинственного взрыва огромной силы. Без единого выстрела три крейсера были потоплены, а вместе с ними погибло более тысячи человек. Боевые английские крейсеры стали добычей небольшой немецкой подводной лодки.

Начались лихорадочные поиски средств борьбы с подводными лодками. Правда, в то время они, имея большое преимущество в скрытности, были тихоходными, неповоротливыми и почти беспомощными против надводных кораблей при всплытии на поверхность. Если подводная лодка находилась на небольшой глубине, корабли таранили ее своими форштевнями или килями. Но все это делалось вслепую. В подводном же положении лодка оставалась неуловимой.

В сложной системе средств и мер борьбы с подводными лодками, называемой противолодочной обороной (ПЛО), не хватало самого главного — средств надежного обнаружения лодок. Вскоре они были найдены. Если подводную лодку нельзя видеть в подводном положении, то ее можно услышать, так как на ней работают гребные винты, вспомогательные механизмы. Появились приборы, обнаруживающие предметы, которые производят шум, и определяющие направление на них. Эти приборы назвали шумопеленгаторами.

 

Стала развиваться наука о законах прохождения звука в воде — гидроакустика. Однако проходило время, а методы прослушивания подводных звуков оставались примитивными. Появившиеся в первую мировую войну гидрофоны не решили проблемы уверенного обнаружения подводных лодок. Поэтому во многих странах продолжались настойчивые поиски новых средств обнаружения подводных лодок.

Еще в 1905 году на судостроительном заводе в Петербурге был изготовлен прибор «для акустического телеграфирования» через воду. Передающим устройством служила подводная сирена, а приемником сигналов— угольный микрофон. Прием и передача сигналов производились по азбуке Морзе. В 1907 году два таких прибора были успешно испытаны на кораблях Черноморского флота. Несколько позже на этом же заводе было разработано более совершенное передающее устройство мембранного типа.

В 1912 году русский инженер К. В. Шиловский изобрел прибор для предотвращения столкновения кораблей с плавающими айсбергами и льдинами. Работа прибора основывалась на принципе подводной звуковой эхо-локации, т. е. приема отраженных от предметов эхо-сигналов. Этот прибор явился прототипом современного гидролокатора.

 

В то время опытами К. В. Шиловского заинтересовалось французское морское ведомство, так как неуязвимые немецкие подводные лодки каждый день отправляли на дно десятки торговых судов. По приезде в Париж К. В. Шиловский начал исследования в области распространения звука в воде. Несколько позже к работе русского изобретателя присоединился французский ученый-физик П. Ланжевен. Их сотрудничество дало положительные результаты. Проведенные в Средиземном море испытания показали, что прибор обнаруживает подводную лодку на расстоянии двух километров.

Так был изобретен первый гидролокатор, совершенствование которого продолжается и до настоящего времени. Дальнейшее развитие гидроакустики, которой стали придавать большое значение, привело к тому, что к началу второй мировой войны были созданы гидролокаторы, позволяющие не только обнаруживать подводную лодку, но и определять расстояние и направление на нее.

В свою очередь подводные лодки также оснащают гидроакустическими станциями. Поиск, маневр, атаки, уклонения — все действия подводных лодок, а также надводных кораблей зависят от показаний гидроакустических приборов, обслуживаемых военно-морскими специалистами — гидроакустиками. Умелыми действиями гидроакустиков во многом предопределяется успех боя. Гидроакустик первым обнаруживает противника, по его данным командир корабля принимает решение. Словом, гидроакустик начинает подводный поединок, который потом ведет весь личный состав корабля.

Вода, как и воздух, наполнена бесчисленным количеством звуков. Большинство подводных звуков — неорганизованные природные шумы: всплески волн, шум перекатывающейся гальки, звуки, издаваемые косяками рыб и морскими животными и т. д. Гидроакустиков интересуют шумы, создаваемые корабельными винтами и вспомогательными механизмами. Человеческое ухо с помощью гидроакустических приборов может отличить, например, шум винтов крейсера от шума винтов транспорта, эскадренного миноносца от подводной лодки, сторожевого корабля от тральщика, торпедного катера от торпеды и т. д. Более того, хорошо натренированный гидроакустик определит не только класс корабля, но и ориентировочно скорость его движения.

У транспортов, особенно крупных, винты вращаются с небольшой скоростью. Запустив секундомер, гидроакустик считает число оборотов винтов в минуту и по таблице ориентировочно определяет скорость судна. У боевых кораблей, особенно таких, как эскадренные миноносцы, противолодочные корабли, торпедные катера, число оборотов винтов в минуту сосчитать нельзя. В этом случае гидроакустик по интенсивности шума определяет примерную скорость корабля (полный, средний, малый ход).

При нахождении подводной лодки в подводном положении задача гидроакустика состоит в том, чтобы обнаружить шум, определить его характер, направление на объект, создающий шум, и установить, в каком направлении перемещается цель.

Подводная лодка, находясь даже в подводном положении, должна соблюдать максимальную скрытность.

Ее приборы не должны работать на излучение, чтобы не демаскировать себя. Основным средством наблюдения и обеспечения атаки на подводной лодке служит шумопеленгаторная гидроакустическая станция, которая работает в пассивном режиме, т. е. не излучает в водную среду ни звуковой, ни ультразвуковой энергии. Шумопеленгаторная гидроакустическая станция предназначена для обнаружения источника акустических шумов в море, определения направления на него и классификации. Так, шумопеленгатором можно обнаружить подводные лодки, надводные корабли, определить направление на них, а также обеспечить командира подводной лодки необходимыми данными для атаки кораблей торпедами из подводного положения. Шумопеленгатор обнаруживает также и торпеды и выдает данные для уклонения от них.

Шумопеленгаторная гидроакустическая станция состоит из следующих основных элементов (рис. 9): акустическая система, компенсирующая система, усилительное устройство и индикаторные приборы.

Упрощенная блок-схема шумопеленгаторной гидроакустической станции

Рис. 9. Упрощенная блок-схема шумопеленгаторной гидроакустической станции: 1 — акустическая система; 2 — предварительный усилитель; 3 — электрический компенсатор; 4 — усилитель; 5 — супергетеродинный усилитель; 6 — слуховой усилитель; 7 — электронный отметчик; 8 — телефоны; 9 — динамик

Акустическая система состоит из большого количества пьезоэлектрических приемников, расположенных линейно или по кругу (эллипсу) обычно в носовой части подводной лодки. Пьезоэлектрические приемники преобразуют акустические колебания шумящего объекта в электрические. Каждый отдельный приемник не обладает направленностью, а группа приемников, расположенных линейно, по кругу или эллипсу, образует базу.

Чем больше приемников и больше база (расстояние между крайними приемниками), тем больше направленность акустической системы. При одинаковых размерах в плоскости пеленгования линейной и сплошной (по кругу или эллипсу) акустических антенн последняя обеспечивает более высокую точность пеленгования.

Линейная акустическая система сложна в эксплуатации, так как для ее вращения требуется поворотное устройство. Более удобна и совершенна шумопеленгаторная станция с неподвижной акустической антенной. Ее характеристика направленности вращается искусственным путем с помощью электрического компенсатора. При поиске, направленном приеме и пеленговании шумов по горизонту приемники подключаются к электрическому компенсатору, обеспечивающему формирование и вращение в плоскости наблюдения острой характеристики направленности. Направление на цель определяется акустиком на слух или, более точно, с помощью индикатора с электронно-лучевой трубкой.

Электрический компенсатор представляет собой набор электрических задерживающих цепей, которые состоят из индуктивности и емкостей, включенных параллельно. Подключая электрические задерживающие цепи к приемникам, к которым звук пришел раньше, мы добиваемся, чтобы к усилителю от всех приемников сигналы поступали одновременно, без сдвига фаз. Гидроакустик, вращая штурвал компенсатора, добивается максимальной слышимости сигнала, при этом стрелка указателя пеленга показывает направление на шумящий объект.

Принцип работы компенсатора можно объяснить, рассмотрев упрощенную акустическую систему, состоящую из двух приемников — левого и правого. К левому приемнику звук приходит раньше (рис. 10, а), чем к правому, следовательно, преобразованные электрические сигналы с выходов приемников к усилителю поступят не одновременно, а со сдвигом фаз. В этом случае, 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. 10,6).

А как определить направление на источник звука, не вращая акустическую систему?

Для этого необходимо как-то 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 приходят к усилителю одновременно, т. е. в фазе (рис. 10, е).

Принцип определения направления на источник звука

Рис. 10. Принцип определения направления на источник звука

Компенсатор устроен так, что для каждого направления прихода акустических колебаний существует только одно определенное подключение звеньев задерживающих цепей, обеспечивающее полную компенсацию сдвига фаз. При поиске шумящих объектов гидроакустик с помощью компенсатора перемещает характеристику направленности по горизонтали. Обнаружив цель, он добивается, чтобы изображение линии на электронно-лучевой трубке указателя отклонения пеленга заняло строго вертикальное положение, что соответствует полной компенсации сдвига фаз звуковых колебаний.

Усилительное устройство включает в себя предварительные усилители, основной, супергетеродинный и слуховой усилители.

Предварительные усилители предназначены для первоначального 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 на компенсатор.

Основной усилитель — это обычный усилитель на электронных лампах или полупроводниковых приборах. Он служит для усиления сигналов, поступающих с выхода электрического компенсатора, до необходимого уровня. Для уменьшения действия помех в схему усилителя шумопеленгаторной станции включается фильтр со сравнительно узкой полосой пропускания. При пеленговании на слух напряжение с выхода компенсатора поступает на усилители слухового тракта пеленгования.

Супергетеродинный усилитель предназначен для усиления сигналов при пеленговании на ультразвуковых частотах. Он преобразует ультразвуковые частоты в сигналы промежуточной частоты, а затем — в звуковые. Преобразованный сигнал звуковой частоты с выхода супергетеродинного усилителя поступает на вход слухового усилителя, и пеленгование происходит, как на звуковых частотах.

Индикаторные приборы — электронный отметчик, телефоны и громкоговоритель.

Электронный отметчик служит для определения направления на цель фазовым методом, который основан на уравнении 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 двухканального усилителя, где они преобразуются и усиливаются, а затем подаются на отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки.

Пассивным методом, т. е. с помощью шумопеленгаторной гидроакустической станции, можно измерять дистанцию до шумящих объектов. На подводных лодках США комплект гидрофонов таких станций расположен вдоль корпуса на днище. Звуковые сигналы от шумящего объекта достигают последовательно расположенных гидрофонов с некоторой разницей по времени. Принятые сигналы поступают в электронно-вычислительную машину, которая вырабатывает дистанцию и другие данные для атаки. Оснащение такими станциями подводных лодок значительно повышает их боевые возможности.