УЛЬТРАЗВУК В ВОЕННОМ ДЕЛЕ

СОДЕРЖАНИЕ

ЗВУКОПОДВОДНАЯ СВЯЗЬ

Книга УЛЬТРАЗВУК В ВОЕННОМ ДЕЛЕДля обеспечения действий военно-морского флота очень важное значение имеет связь между береговыми объектами, надводными кораблями и подводными лодками, а также между подводными лодками при совместных действиях.

 

Поскольку радиоволны плохо проникают в водную среду, радиосигналы береговых радиостанций даже большой мощности могут быть приняты подводной лодкой только на небольшой глубине.

Следовательно, использовать радиоволны под водой нельзя, проводная связь тоже исключается. Поэтому за рубежом, например, созданы специальные гидроакустические станции связи, которые позволяют вести переговоры в телефонном режиме, т. е. как по обычному телефону.

Для этой цели вместо электромагнитной используется акустическая энергия. Поглощение акустических волн растет с частотой, поэтому зарубежные специалисты считают, что для связи более пригодны частоты ниже 100 кГц.

Но даже на этих частотах в оптимальных условиях дальность действия ограничивается всего лишь несколькими десятками километров. Энергия в звуковой волне убывает по сферическому закону с расстоянием — она поглощается средой. Коэффициент поглощения зависит от частоты акустических колебаний. Кроме того, на распространение звука в океане оказывают влияние и собственные шумы моря, вызванные в основном движением самих водных масс. При распространении звуковых сигналов в море поверхность его отражает звуковую энергию, а при наличии ветровых волн и рассеивает. К тому же дно тоже может поглощать звуковую энергию. Скорость передачи информации при использовании акустических волн во много раз меньше, чем при использовании электромагнитной энергии.

 

Звукоподводная связь осуществляется путем модуляции непрерывного или импульсного сигнала. При этом на частоте, не превышающей, как правило, 100 кГц, может осуществляться связь в телефонном режиме. В звукоподводной связи используются все известные методы модуляции непрерывного сигнала (амплитудная, частотная, фазовая), а также способы уплотнения с временным и частотным разделением каналов.

Как следует из материалов, опубликованных в зарубежной печати, в настоящее время созданы специальные гидроакустические станции связи, которые позволяют вести переговоры в телефонном режиме. Определились некоторые основные принципы устройства приборов звукоподводной связи различного назначения. В большинстве зарубежных гидроакустических станций связи используется стандартная несущая частота (80 875 Гц). В телефонном и телеграфном режимах излучаются однополосные сигналы, при формировании которых в передающем тракте происходит подавление несущей частоты и верхней боковой полосы частот. Считается, что применение однополосных сигналов дает существенные преимущества, так как способствует нейтрализации некоторых неблагоприятных факторов, влияющих на распространение сигналов в воде, и позволяет повысить помехоустойчивость аппаратуры.

 

Для повышения помехоустойчивости в телефонном режиме иногда прибегают к преобразованию сигнала: уменьшают мощные низкочастотные составляющие спектра человеческой речи, несущие небольшую информацию, и усиливают более важные с точки зрения разборчивости сигнала высокочастотные составляющие.

В телеграфном режиме применяется частотная модуляция сигналов. При этом знаки азбуки Морзе передаются на одной частоте, а пауза между ними заполняется другой частотой, отличающейся от первой примерно на 800 Гц. При таком формировании сигналов повышается помехоустойчивость связи.

На американских подводных лодках, надводных кораблях, вертолетах устанавливается станция звукоподводной телефонной связи AN/UQC различной модификации. Она работает на частоте 80 875 Гц и представляет собой устройство, использующее амплитудную однополосную модуляцию. Станция обеспечивает четкую телефонную связь на расстоянии до нескольких миль, а при благоприятных условиях — до 22 миль.

Универсальной аппаратурой звукоподводной связи является станция которая устанавливается на подводных лодках и надводных кораблях. Более совершенной станцией связи с однополосной модуляцией считается АN/WQC-1. Для обеспечения скрытности действий подводных лодок применяют специальную аппаратуру связи АN/ВQА-2 и АNВQС-2, которая может устойчиво работать на расстоянии 5—10 миль, а при благоприятных условиях — до 125 миль.

В последние годы за рубежом особенно возрос интерес к стационарным линиям звукоподводной связи, которые могут использоваться для связи с подводными лодками, океанографическими буями, обитаемыми подводными станциями и другими подвижными и стационарными объектами.

Линии звукоподводной связи имеют ряд недостатков, которые ограничивают их применение. Это — зависимость скорости передачи от параметров окружающей среды и протяженности линии, влияние явлений рефракции и многолучевого распространения сигналов, многократных отражений сигналов от дна и поверхности и др. По мнению зарубежных специалистов, из-за этих недостатков линии звукоподводной связи целесообразно применять при сравнительно небольших расстояниях.

Специалистами США рассматривается возможность использования для связи с подводными лодками специальных буев-ретрансляторов. Считается, что такие буи, плавающие на поверхности, должны принимать коротковолновые и ультракоротковолновые радиосигналы, преобразовывать их в ультразвуковые сигналы звукоподводной связи и ретранслировать в воду. Буи должны решать и обратную задачу, ретранслируя сигналы звукоподводной связи в эфир в виде радиосигналов.

Во многих странах большое внимание уделяется разработке средств связи для водолазов и аквалангистов, так как при строительстве различных гидросооружений возникает необходимость в установлении связи между водолазами-монтажниками, прокладчиками коммуникационных линий и т. д. Так, например, в Советском Союзе в Таганрогском радиотехническом институте на кафедре акустики создано малогабаритное подводное переговорное устройство (МППУ). Это небольшая круглая герметичная коробка диаметром 184 мм, массой 2 кг. Переговорное устройство предназначено для беспроводной связи по гидроакустическому каналу между несколькими водолазами (аквалангистами), а также между водолазами и кораблем или береговым постом. В электронной части переговорного устройства установлены полупроводниковые приборы и печатный монтаж. Приемо-излучающая гидроакустическая антенна выполнена в виде компактной цилиндрической конструкции с использованием современных пьезоэлектрических материалов. Электронный блок пристегивается на грузовом поясе водолаза (аквалангиста), а гидроакустическая антенна — за его спиной. Переговорное устройство обеспечивает надежную связь под водой на расстоянии до 1 км.

В Англии в Бирмингамском университете также разработан подводный телефон, с помощью которого поддерживается беспроволочная телефонная связь между свободно плавающими водолазами и аквалангистами. Телефон представляет собой автономное приемно-передающее гидроакустическое устройство, состоящее из электроакустического преобразователя, трубы с приемопередатчиком, ларингофонов и костяных головных телефонов. Перевод с приема на передачу и обратно производится двухполюсным электронным реле, срабатывающим автоматически при начале и по окончании разговора. Источником питания служат две шестивольтные батарейки карманного фонаря.

Ультразвуковой подводный телефон создан и во Франции

Он обеспечивает связь как между аквалангистами, так и между аквалангистами и бортовой станцией корабля. Из передающего режима в приемный режим прибор переключается кнопкой на микрофоне. При нахождении аквалангистов в подводном положении аппарат всегда включен на прием, который ведется через встроенный в шлем небольшой динамик либо через наушники. Питается прибор от кадмиево-никелевой аккумуляторной батареи, энергии которой хватает на несколько часов работы. Все оборудование телефона размещено в металлическом баллоне длиной 340 мм, диаметром 80 мм, который с помощью резиновых лент крепится к берету аквалангиста. Баллон рассчитан на давление до 10 атмосфер, т. е. аквалангист может погружаться на глубину до 100 м, не опасаясь, что телефон выйдет из строя. Испытания ультразвукового телефона показали, что аквалангисты могут поддерживать надежную связь между собой и бортовой станцией на дистанции более 1 км.

За рубежом серьезное внимание уделяется совершенствованию портативных гидроакустических приборов звукоподводной связи. Перспективно применение двух разновидностей этой аппаратуры: с использованием модулированных сигналов (принцип действия тот же, что и аналогичной корабельной- гидроакустической станции) и с излучением в воду человеческой речи. Сигналы, излучаемые аппаратурой второй разновидности, могут приниматься непосредственно человеческим ухом без специальной приемной гидроакустической аппаратуры, что является большим преимуществом таких устройств.

В США специально для боевых пловцов разработан миниатюрный аппарат звукоподводной телефонной связи АN/РQС, состоящий из гидроакустического преобразователя и электронного блока, укрепляемых на поясном ремне губного микрофона и головного телефона, расположенных в шлеме. Один из портативных аппаратов— АN/РQС-2, обеспечивающий прием и передачу телефонных переговоров, а также телеграфную связь, совмещен с корабельными станциями звукоподводной связи. Связь постоянным тоном и кодом азбуки Морзе используется пловцами, как правило, в аварийных условиях. Модулируемая голосом, тоном и кодом несущая частота этого аппарата находится в диапазоне 8,5 — 11 кГц. Дальность действия аппарата около 450 метров.

По данным зарубежной печати, в США создана новая, улучшенная переносная гидроакустическая система АТ/РQС-4 с автономным питанием, с использованием модуляции голосом несущей частоты. Система обеспечивает двустороннюю подводную связь между водолазами на расстоянии до 2000 м (на коротких дистанциях — на частоте 37—39 кГц, на больших дистанциях — на частоте 8—11 кГц). Все элементы системы стандартные, одно из основных усовершенствований — действующее от голоса переключающее устройство. Никель-кадмиевые аккумуляторы обеспечивают автономность работы системы в течение 30 ч. Отмечается, что система может использоваться также для направленного приема поступающих от подводных акустических маяков сигналов, что позволяет водолазу ориентироваться под водой.

В последнее время ультразвук стал успешно применяться для предупреждения несчастных случаев в плавательных бассейнах. Если на купальном костюме пловца укрепить крошечный передатчик, непрерывно излучающий радиосигналы, а на дне бассейна уложить антенны, имеющие форму плоских квадратов, то при каждом нырянии купающегося возникает предупредительный сигнал. При этом точно известно, в каком квадрате нырнул человек и сколько времени он пробыл под водой.. Но эта система удобна только для искусственных бассейнов. Для открытых водоемов она совершенно непригодна, так как, конечно, невозможно устлать морское или речное дно бесчисленными антеннами. Задачу решили иным путем. К купальному костюму вместо радиопередатчика прикрепили миниатюрный ультразвуковой генератор, источником питания которого служит батарейка «Крона». Поскольку нахождение человека под водой более 60 с считается опасным, реле выдержки времени прибора настроено именно на эту величину. Стоит пловцу пробыть под водой 1 мин, реле включает генератор' и ультразвуковые колебания достигают расположенного на берегу приемника, чувствительные элементы которого из титаната бария опущены в воду. Приняв сигнал бедствия, приемник включает сирену.

Одной из американских фирм при проведении исследований по вопросам подводной связи был обнаружен новый вид излучения, который назвали гидроническим. Гидронические волны подчиняются тем же законам распространения в воде, что и радиоволны в эфире. Распространение гидронических волн не зависит от концентрации соли в воде, ее температуры и давления. Гидронические волны были обнаружены и при изучении рыб и морских животных. Систематически проводимые опыты показали, что природа этих волн еще не раскрыта и что они существенно отличаются от всех известных электромагнитных и ультразвуковых излучений и могут распространяться в таких средах, в которых электромагнитные излучения не распространяются. Известно, что энергетические поля наиболее мощных сверхдлинноволновых радиопередающих станций могут проникать в толщу морской воды всего на несколько метров. Так, например, если сверхдлинноволновый радиопередатчик мощностью в несколько мегаватт может передавать радиограмму на подводную лодку, находящуюся на глубине не более 20 м, то подводная лодка вообще лишена возможности вести радиопередачу в подводном положении. В то же время, как выяснилось, скумбрия массой менее 1 кг и с ничтожно малой мощностью своего излучающего органа может передавать сигналы на сотни метров в воде. Причем эти сигналы могут распространяться и в воздухе.

Опыты по связи с помощью гидронических волн подтвердили, что малогабаритный приемник может принимать слабые гидронические сигналы, издаваемые некоторыми видами рыб, на расстоянии более 900 м. Во время опытов гидронические сигналы излучались передатчиком мощностью 0,1 Вт, находящимся на глубине 28 м, и принимались в воздухе на специальную антенну. По сообщению зарубежной печати, гидронические приемопередатчики испытывались водолазами. При этом связь поддерживалась на расстоянии до 50 км.

Во время экспериментов были открыты новые типы электромагнитных колебаний, получивших название плазмонических волн. Они могут распространяться как в воде, так и в воздухе. Установлено, что способы передачи гидронических и плазмонических волн различны. Гидронические волны могут передаваться через воду и воздух без промежуточного элемента связи, а плазмонические — требуют применения специального элемента связи между обеими средами. Гидронические волны генерируются в среде, в которой они распространяются, а плазмонические волны генерируются механическим устройством и вводятся в передающую среду.

Гидронические волны способны распространяться в сотни и тысячи раз быстрее, чем ультразвуковые, причем есть основания предполагать, что их скорость близка к скорости света (300 000 км/с). Несмотря на то что еще не найдено точного научного объяснения всех явлений, связанных с установлением двусторонней связи между объектами, находящимися в подводной и воздушных средах, полученные практические результаты реально доказывают такую возможность и подтверждают необходимость продолжения исследований в этой области. Предполагается, что изучение природы гидронических волн позволит создать малогабаритные передатчики для связи с такими глубинами, с какими сейчас не может обеспечить даже наиболее совершенное радиотехническое оборудование атомных подводных лодок.