«Якщо ти, будучи в море, опустиш в воду отвір труби, а інший кінець прикладеш до вуха, то почуєш йдуть далеко кораблі». Ці слова належать геніальному Леонардо да Вінчі, але знадобилися століття, щоб людина знайшла цьому явищу практичне застосування.
На те, що під водою шуми судів, що забезпечують випробування підводних човнів, чути набагато краще, ніж в надводному положенні, випробувачі звернули увагу відразу. Однак напрямок на них можна було визначити з точністю до 90 °: з носа, з корми, з правого або з лівого борту. Саме тому ефект хорошою звукопровідності води спочатку використовували тільки для безпеки плавання, а потім підводного зв'язку.
Схема гідрофоніческой станції Балтійського заводу обр.1907г .:
1 - водяний насос; 2 - трубопровід; 3 - регулятор тиску; 4 - електромагнітний гідравлічний затвор (телеграфний клапан); 5 - телеграфний ключ; 6 - гідравлічний мембранний випромінювач; 7 - борт корабля; 8 - танк з водою; 9 - герметизований мікрофон
Зокрема, з метою попередження про небезпеку посадки кораблів на мілину або камені в погану видимість створили підводний дзвін, удари якого прослуховувалися через корпус корабля, а згодом за допомогою вугільного мікрофона. Правда, дальність чутності дзвони була невелика, і незабаром від цієї ідеї відмовилися.
Перші серійні станції звукоподводной зв'язку конструкції Балтійського заводу в 1909-1910 рр. встановили на підводних човнах «Короп», «Пічкур», «Стерлядь», «Макрель» і «Окунь». При установці станцій на підводних човнах з метою зменшення перешкод приймач розташовувався в спеціальному обтічнику, що буксирується за кормою на кабель-тросі. До подібного рішення англійці прийшли лише під час Першої світової війни. Потім цю ідею забули і тільки в кінці 1950-х г р її знову стали використовувати в різних країнах при створенні перешкодостійких гідролокаційних корабельних станцій.
У процесі використання гідрофоніческіх станцій встановили можливість виявлення з їх допомогою шумів кораблів. Напередодні Першої світової війни при проведенні дослідів в Бузькому лимані шум невеликого портового катера прослуховувався на відстані 5 кабельтових. Проведені в цьому напрямку роботи привели до появи в 1915 р перших вітчизняних приладів, прообразів шумопеленгаторной станцій. Застосовувані в цих установках гідрофони розміщувалися в спеціальних мечеобразной пристроях, які перебували під днищем корабля. Прилади Балтійського заводу, так само як і іноземних фірм, могли працювати тільки на стопі корабля і дистанцію до мети не вимірювали.
Перша світова війна у всіх провідних військово-морських державах, крім Росії, стимулювала розвиток гідроакустики. Особливо помітних результатів досягла Німеччина і Великобританія. У Радянському Союзі перші вітчизняні шумопеленгатори з'явилися лише на початку 1930-х рр.
електроакустичний перетворювач
Основним елементом будь-якої гідроакустичної станції є електроакустичний перетворювач, який зазвичай називають вібратором, або приймачем, в залежності від того, в яку станцію, гідролокаційних або шумопеленгаторной, він входить.
Принцип перетворення звукової енергії в електричну і назад заснований на відомих з фізики явища п'єзоелектричного і магнитострикционного ефектів. П'єзоелектричним ефектом володіють деякі види кристалів. Він полягає в тому, що кристали змінюють свої розміри під впливом прикладеного до них електричної напруги і, навпаки, виділяють електричні заряди, якщо змінювати розміри кристалів шляхом стиснення або розтягування їх за певними напрямами. З природних кристалів цим ефектом володіють кварц і турмалін, з штучних - сегнетова сіль і дигідрофосфат амонію. Хоча сегнетова сіль характеризується сильно вираженим п'єзоелектричним ефектом, вона руйнується при температурі понад 55 ° С. У кварцу значно більша міцність.
Магнітострикційним ефектом володіють так звані феромагнітні матеріали - залізо, нікель, кобальт і їхні сплави. Стрижень з феромагнітного матеріалу, внесений в магнітне поле, деформується, тобто його розміри зменшуються або збільшуються. Це явище називають прямим магнітострикційним ефектом.
Різні феромагнітні матеріали деформуються в магнітному полі неоднаково: одні з них розтягуються, інші стискаються. При цьому вони набувають властивості магніту. При усуненні намагнічує поле магнітні властивості стержня не пропадають, а зберігаються ще протягом тривалого часу (гістерезис). Такий намагнічений стрижень створює навколо себе магнітне поле. Напруженість цього поля тим більше, чим більше був намагнічений стрижень. Якщо такий стрижень піддати деформації - стиску або розтягу, то напруженість магнітного поля в навколишньому просторі зміниться, тобто при деформації стержня ступінь його намагніченості як би змінюється. Явище зміни ступеня намагніченості феромагнітного стрижня при його деформації носить назву зворотного магнитострикционного ефекту.
Прямий і зворотний магнітострикційний ефекти використовуються в гідроакустичних засобах спостереження, ехолота і взагалі в гидроакустике для випромінювання і прийому звукових коливань.
шумопеленгаторной станція
Шумопеленгаторной станція є невипромінюючі, пасивним засобом спостереження, що дозволяє виявити шумлячий об'єкт на воді і під водою і визначити напрямок на нього. Основною перевагою шумопеленгаторной станції є абсолютна скритність її роботи. Тому найбільшого поширення шумопеленгаторной станції отримали саме на підводних човнах, для яких скритність є запорукою бойового успіху.
Шумопеленгаторной станції періоду Другої світової війни мали схожий пристрій. У базу приймачів входить від восьми до декількох десятків приймачів, основним елементом яких є кристал сегнетової солі або стрижень з феромагнітного матеріалу, призначений для перетворення вхідної до бази звуковий енергії в електричну на принципі п'єзоелектричного або магнитострикционного ефекту.
Типова блок-схема шумопеленгаторной станції:
Сегнетоелектричної приймач набирається з тонких пластинок сегнетової солі. Між пластинками прокладається тонка металева фольга - електрод. Пластинки і металеві прокладки складаються разом. Одержаний пакет затискається між корпусом приймача і його мембраною. Тиск приходить звукової хвилі передається від мембрани на кристал, на бічній поверхні якого утворюються електричні заряди - різниця потенціалів. Остання знімається за допомогою електродів.
Приймачі в базі розташовані по колу, еліпсу або лінійно. База приймачів розміщується в днище носової частини підводного човна. Провід від приймачів бази заводяться через спеціальний сальник в міцний корпус підводного човна, де приєднуються до виходу компенсатора.
Компенсатор призначений для складання електричних напруг, що виникають у всіх приймачах бази в одну результуючу електрорушійної силу однієї фази. Звукова хвиля приходить не одночасно до всіх приймачів. Спочатку - до першого приймача, потім до другого і восьмого, далі до третього і сьомого, до шостого і четвертому і, нарешті, до п'ятого, як до самого віддаленого від першого приймача.
Компенсатор заповнює зрушення за часом між моментами приходу звукової хвилі до різних приймачів бази, затримуючи електричні коливання, що виникли в перших приймачах щодо подальших. Ясно, що компенсатор більш за все затримує електричні коливання, що виникають в приймачах, розташованих в базі діаметрально протилежно, наприклад, в першому і п'ятому.
1 - пластинки сегнетової солі; 2 - електроди; 3 - корпус приймача; 4 - мембрана; 5 - сальник
Компенсатор складається з великого числа окремих електричних ланцюгів, в кожну з яких входить конденсатор і котушка самоіндукції. Електричні ланцюги з'єднані послідовно й утворюють загальну затримує ланцюг компенсатора. З основ електротехніки відомо, що якщо до електричного кола, що складається з конденсатора і котушок самоіндукції, подається змінна електрична напруга, то на вихідних затискачах напругу виявляється зрушеним по фазі по відношенню до подаваемому напрузі. На цій властивості і заснована робота затримує ланцюга компенсатора.
Принцип роботи компенсатора:
З виходу компенсатора електричні коливання поступають на вхід підсилювача, де вони зростають за амплітудою в десятки і сотні тисяч разів (в залежності від коефіцієнта посилення підсилювача). Якщо приймачі працюють в ультразвуковому діапазоні частот, то підсилювач, крім того, і перетворює коливання з ультразвукових в звукові.
На радянських підводних човнах в роки війни стояли шумопеленгаторной станції «Марс» з 8 прийомними гідрофонами для підводних човнів типу М, 12 гідрофонами для типу С і Щ, з 16 гідрофонами для типу К і Л.
Поряд з максимальним методом шумопеленгованія, розглянутим вище, застосовується фазовий метод. Він заснований на фіксації різниці часу приходу звуку від мети до двох приймачів або до двох груп приймачів. Якщо перпендикуляр до бази двох приймачів точно спрямований на джерело шуму, то звукові хвилі досягають обох приймачів одночасно. В обмотках магнітострикційних приймачів з'являються напруги сигналу, рівні по фазі і амплітуді. Ці напруги подаються на вхід двоканального підсилювача, що має два вхідних трансформатора.
Розташування приладів шумопеленгаторной станції: «Марс-8»:
В одному трансформаторі обидва напруги складаються і сумарна напруга посилюється каналом суми підсилювача. В іншому трансформаторі одне напруга віднімається з іншого, а різницева напруга подається для посилення в канал різниці підсилювача. З каналу суми напруга подається на вертикально відхиляють електронно-променевої трубки, а з каналу різниці - на горизонтально відхиляють. З огляду на те що в даному випадку напруги обох приймачів рівні по амплітуді і фазі, різницева напруга дорівнює нулю і на екрані трубки буде видно вертикальна пряма лінія. Якщо повернути базу приймачів вліво або вправо від напрямку на джерело шуму, то звукові коливання досягнуть обох приймачів неодночасно. Напруги сигналу, що виникають в приймачах, будуть відрізнятися по фазі. Чим більше кут повороту бази, тим більше різниця часу в проходженні звукових коливань до приймачів і тим більше зрушені по фазі напруги лівого і правого приймачів. Амплітуди напруг залишаться однаковими, так як різниця ходу незрівнянно менше відстані від бази до джерела звуку.
Принцип фазового методу шумопеленгованія
У двоканальному підсилювачі є пристрій (фазодвігающая осередок), яке зрушує обидва напруги по відношенню один до одного на кут 90 °. Внаслідок цього на виході каналів суми і різниці напруги завжди будуть у фазі або в протифазі. Таким чином, при повороті бази приймачів на деякий кут на виходах підсилювача з'являється два напруги, не рівні нулю і не однакові за величиною, але або збігаються по фазі, або зрушені на 180 °. За допомогою цих напруг, прикладених до відхиляючі пластини електронно-променевої трубки, на її екрані з'являється похила пряма лінія. Кут нахилу лінії залежить від співвідношення амплітуд напружень. Якщо амплітуди рівні, то кут нахилу буде 45 ° (рівнодіюча вектор). Якщо одну з напруг дорівнює нулю, то лінія розташовується відповідно вертикально або горизонтально. Сторона нахилу її показує, в який бік щодо істинного напрямку на ціль повернута вісь акустичної бази. Таким чином, для того щоб визначити напрямок на джерело звуку (запеленгувати), досить встановити базу в такому положенні, при якому на екрані трубки буде видно вертикальна пряма лінія. Кут повороту бази, при якому лінія строго вертикальна, і буде курсовим кутом на ціль.
Шумопеленгаторной станція «Фенікс»
Для реалізації фазового методу вимірювання напрямку необхідно мати або плоску рухому антену, або циліндричну. Наприклад, перша післявоєнна вітчизняна шумопеленгаторной станція «Фенікс» мала в якості акустичної системи циліндричну базу з 132 магнітострикційних приймачів. Пеленгування здійснюється не її обертанням, а шляхом електричної компенсації різниці часів приходу до приймачів звукових коливань. Для цього між акустичною системою та підсилювально-індикаторного частиною включаються ланки затримує ланцюга з ємностей і індуктивностей, які забезпечують відповідне запізнення електричних сигналів.
Блок-схема шумопеленгатори з автоматичним супроводом цілі
Обертаючи штурвал компенсатора і спостерігаючи за лінією на екрані для визначення напрямку на ціль, гідроакустик вводить в схему таку кількість затримують ланок, яке повністю компенсує різницю ходу сигналів від різних приймачів. Для кожного напряму приходу звуку повна компенсація буде тільки при одному певному положенні стрілки компенсатора, що збігається з точним пеленгом (курсовим кутом) на ціль. Поява на екрані вертикальної лінії відповідає точному напрямку.
У деяких типах шумопеленгатори передбачено пристрій для автоматичного супроводу мети. У його склад входить акустична система, блок формування характеристики спрямованості (компенсатор), смуговий фільтр, індикатор, а також вузли і елементи, що забезпечують автоматичне супровід цілі.
При відхиленні пелюстки спрямованості шумопеленгатори від напрямку на ціль на якийсь кут в схемі виникає сигнал помилки, пропорційний куту відхилення (неузгодженості). Після посилення сигнал надходить на елементи системи стеження і далі на виконавчий двигун. Двигун, пов'язаний механічно з компенсатором, починає обертатися, повертаючи пелюстка спрямованості таким чином, щоб сигнал помилки довести до нуля. Коли пелюстка буде точно спрямований на мету, сигнал помилки зникне і двигун перестане обертатися. При новому відхиленні осі випромінювання від мети двигун знову починає працювати і весь цикл повторюється. Автоматичне супровід цілі значно полегшує роботу гідроакустика, якому в цьому випадку для її пеленгування не потрібно обертати штурвал компенсатора.