ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ ПОЛЯ. Исторический обзор

Из всех известных видов излучения звук распро­страняется в море с наименьшими потерями. Например, радио­волны и свет затухают в мутной и солёной морской воде значи­тельно сильнее, чем механические колебания, называемые звуком. Относительно свободное распространение звука в водной среде позволило найти ему разнообразное применение при исследовании и освоении океана. Изучение областей применения подводного звука составляет сущность гидроакустики как технической науки.

Устройства, которые в том или ином виде используют распространяющийся под водой звук, называются гидроакустиче­скими системами. Принято говорить, что гидроакустические системы, оборудование и аппаратура являются активными, если одно из входящих в них устройств, называемое излучателем, специально генерирует звук. Звуковые волны, создаваемые излу­чателем, распространяются в морской воде и, достигнув цели, возвращаются в виде акустических эхо-сигналов к гидрофону, который преобразует звуковые колебания в электрические. Элек­трический выходной сигнал гидрофона усиливается, подвергается различной обработке и, в конце концов, поступает в управляющее или индикаторное устройство. В результате обеспечивается реше­ние задач, для которых данная гидроакустическая система пред­назначена. Принято говорить, что активные гидроакустические системы осуществляют эхо-локацию целей.

В пассивных гидроакустических системах, или шумопеленга­торах, используются акустические колебания, излучаемые (как правило, непреднамеренно) самой целью. В этом случае звук проходит в море путь только в одном направлении — от источника к приёмнику, и поэтому основой шумопеленгаторной системы является гидрофон, улавливающий излучаемые целью звуки.

В системах связи, телеметрии и управления находят примене­ние гибридные типы гидроакустических устройств, содержащие излучатель и гидрофон на обоих концах акустической линии связи.

1.1 Исторический обзор

Несмотря на то, что отсчёт «современной эпохи» гидроакустики принято начинать за четверть века до Второй ми­ровой войны, истоки гидроакустики следует искать в далёком прошлом. Одно из самых ранних упоминаний о существовании звука в море (так же как в воздухе над ним) содержится в записной книжке Леонардо да Винчи, многостороннего и необычайно талантливого инженера. В 1490 г., за два года до открытия Ко­лумбом Америки, Леонардо писал [1]: «Если вы остановите свой корабль и опустите один конец длинной трубки в воду, а другой её конец приложите к уху, вы услышите корабли на большом расстоянии от вас». Хотя это устройство, являющееся самым ранним примером пассивной гидроакустической системы, обладает завидными достоинствами, обусловленными его чрезвы­чайной простотой, оно не позволяет определять направления, с которых приходит звук, и малочувствительно из-за резкой несо­гласованности акустических характеристик воды и воздуха. Тем не менее, идея прослушивания подводных звуков с помощью за­полненной воздухом трубки между морской водой и ухом слуша­теля широко использовалась вплоть до Первой мировой войны. Причём добавление ещё одной трубки, прикладываемой ко вто­рому уху наблюдателя и опускаемой в море на некотором удале­нии от первой, позволило определять направление прихода сиг­нала и пеленговать цель.

По всей вероятности, первые количественные измерения в гидроакустике были выполнены в 1827 г. совместно швейцарским физиком Даниэлем Колладоном и французским математиком Шарлем Штурмом. Измеряя промежуток времени между момен­тами регистрации вспышки света и звука от удара погружённого в Женевское озеро колокола, они с удивительной точностью опре­делили скорость звука.

Позднее ряд известных физиков XIX в. косвенно занимались проблемами гидроакустики, изучая преобразование электриче­ской энергии в звуковую и обратно [2]. Имена Жака и Пьера Кюри обычно связывают с открытием в 1880 г. пьезоэлектричества — способности некоторых кристаллов при воздействии на них давле­ния генерировать на определённых парах граней электрические заряды. Несколько раньше, но более поверхностно этой пробле­мой занимались и другие физики. Например, имеются сведения, что Шарль Кулон предполагал возможность возникновения элек­тричества под действием давления, а Вильгельм Рентген написал статью об электрических зарядах, возникающих при давлении на различные грани кристаллов.

Двойником пьезоэлектричества как процесса преобразования одного вида энергии в другой является магнитострикция, вызыва­ющая изменение формы некоторых тел под действием магнитного поля. Впервые это явление было продемонстрировано в 1840 г., когда удалось получить музыкальный звук, изменяя или преры­вая ток в катушке, расположенной вблизи полюсов подковообраз­ного магнита. Джеймс Джоуль в 40-х годах XIX века провёл измерения изменений длины, возникающих вследствие магнитострикции, и с тех пор считается общепризнанным перво­открывателем этого явления.

Отмеченные выше исследования, а также работы других учё­ных в 40-х и 50-х годах XIX в. заложили фундамент для изобре­тения телефона, на который в 1876 г. после длительных споров был выдан патент А. Беллу. Другим изобретением того же века, послужившим основой гидроакустических систем до появления электронных усилителей, явился капсульный угольный микрофон, который, по-видимому, и до настоящего времени остаётся наиболее чувствительным гидрофоном в гидроакустике.

Первое практическое применение гидроакустика нашла на пороге XX в., когда был создан подводный колокол, использовав­шийся кораблями для навигации в прибрежных водах. Измеряя промежуток времени между приёмом звукового сигнала колокола и посланного вместе с ним звука горна, команда корабля опреде­ляла расстояние от судна до плавучего маяка, на котором уста­навливались колокол и горн. Создание этой системы послужило толчком для основания компании Submarine Signal Company (в настоящее время входит в фирму Raytheon Mfg. Co.), явив­шейся первым в Соединённых Штатах коммерческим изготовите­лем гидроакустического оборудования.

Метод навигации с помощью подводного колокола не полу­чил широкого распространения, и вскоре на смену ему пришли методы, использующие радио, в частности радиопеленгование.

Ещё одним достижением в годы, предшествовавшие Первой мировой войне, явилось создание первых устройств для обнару­жения подводных объектов с помощью эхолокации. В 1912 г., через пять дней после столкновения «Титаника» с айсбергом, Л. Ф. Ричардсон зарегистрировал в Британском патентном управ­лении заявку на изобретение эхопеленгования с помощью звука, излучаемого в воздухе [2]. Месяц спустя он же подал заявку на подводный аналог этого изобретения. В заявках Ричардсона содержались новые для того времени устройства — направленный излучатель звуковых волн в килогерцевом диапазоне частот и избирательный по частоте приёмник с отстройкой от частоты излучения для компенсации доплеровского сдвига, создаваемого движением эхолоцирующего судна.

К сожалению, Л. Ф. Ричардсон ничего не сделал в своё время для реализации этих идей. Тем временем Р. А. Фессенден в Соеди­нённых Штатах Америки сконструировал и изготовил новый тип преобразователя с подвижной катушкой, предназначенный для эхолокации и подачи сигналов под водой. К 1914 г. с помощью нового устройства уже можно было обнаруживать айсберги на расстоянии до 2 миль. Вибраторы Фессендена, работавшие на частотах около 500 и 1000 Гц, как известно, были установлены на всех подводных лодках США периода Первой мировой войны для обеспечения обмена сигналами между ними в погружённом состоя­нии [3]. До недавнего времени они использовались в качестве мощных источников синусоидальных звуковых колебаний при проведении научных исследований.

Первая мировая война, разразившаяся в 1914 г., дала толчок к разработке различных методов применения гидроакустики в военных целях. Во Франции молодым русским инженером-электриком Константином Шиловским совместно с выдающимся физи­ком Полем Ланжевеном проводились эксперименты с конденсатор­ным (электростатическим) излучателем и капсульным угольным микрофоном, помещённым в фокус вогнутого зеркала. Несмотря на утечки и частые электрические пробои в аппаратуре из-за высокого напряжения, необходимого для работы излучателя, к 1916 г. изобретатели уже могли получать эхосигналы от дна и от листа броневой стали на расстояниях до 200 м. Позднее, в 1917 г., Ланжевен обратился к пьезоэлектрическому эффекту и заменил конденсаторный излучатель излучателем из кварца со стальными накладками. Он использовал также бывшие в то время новинкой усилители на вакуумных лампах, что явилось, по всей вероятности, первым случаем применения электроники в гидроакустической аппаратуре.

В 1918 г. впервые были получены эхо-сигналы от подводных лодок на расстояниях, достигавших 1500 м. Одновременно в Ан­глии группа учёных под руководством Р. У. Бойля вела иссле­дования кварцевых излучателей. Работы этой группы, проводив­шиеся в обстановке секретности, шифровались специально при­думанным словом «асдик»*. Однако Первая мировая война окончилась прежде, чем гидроакустика смогла внести какой-то вклад в дело отражения угрозы нападения немецких подводных лодок.

Между тем система с заполненной воздухом трубкой Леонардо, нашедшая широкое применение для пассивного обнаруже­ния, была усовершенствована добавлением ещё одной трубки, что позволило использовать преимущества бинаурального опре­деления направления, присущего человеку. Устройство типа MV [51] состояло из двух линейных антенн с 12 воздушными трубками в каждой, установленных по правому и левому бортам днища ко­рабля. Сканирование характеристик направленности этих антенн осуществлялось с помощью специального компенсатора. При опре­делении пеленга шумящей цели была достигнута удивительная точность; нетренированный наблюдатель пеленговал удалённую цель с ошибкой не более 0,5°.

В эти же годы была разработана [5] гибкая линейная антенна с нейтральной плавучестью, содержавшая 12 гидрофонов и полу­чившая название «угорь». Антенна легко устанавливалась на любой корабль и могла буксироваться за кормой на достаточном удалении от шумящего корабля-носителя. В общей сложности в период Первой мировой войны около 300 экскортных судов были оборудованы шумопеленгаторными устройствами различных ти­пов. Группы кораблей в количестве двух-трёх боевых единиц методом пересекающихся пеленгов «засекали» подводную лодку по первому же неуверенному контакту.

После Первой мировой войны наблюдалось непрерывное, хотя и чрезвычайно медленное расширение области применения гидроакустики для практических нужд. Вскоре был разработан метод эхолотирования при движении судна, и к 1925 г. эхолоты (фатометры; fathometer — слово, созданное фирмой «Submarine Sig­nal Company» для обозначения своей аппаратуры) стали широко доступным товаром как в США, так и в Великобрита-

^* По мнению А. В. Вуда [4], слово «асдик» (asdic) первоначально было акронимом из слов, образовавших название группы Бойля, — Antisubmarine Division — ics. Суффикс в этом слове имел то же значение, что в словах physics, acoustics и т. п. На протяжении многих последующих лет слово «асдик» употре­блялось англичанами для обозначения эхолокации и активных гидролокацион­ных систем вообще.

нии. В на­учно-исследовательской лаборатории военно-морского флота США небольшая группа исследователей под руководством X. К. Хейса занималась поиском практических средств эхопеленгования под­водных целей. Проблема создания подходящего для эхолокации излучателя звука была решена путём использования магнитострикционных преобразователей для генерирования акустических колебаний. В качестве основного материала для пьезоэлектриче­ских преобразователей вместо природного кварца стали приме­нять искусственные кристаллы сегнетовой соли. В период между двумя мировыми войнами развитие гидроакустики получило мощный практический импульс благодаря успехам электроники, позволившим создать такие новые и обширные области гидро­акустической техники, как усиление, обработка и отображение гидроакустической информации в виде, удобном для наблюдателя.

Ультразвуковые частоты, т. е. частоты, лежащие выше области чувствительности человеческого уха, лишённого каких-либо при­способлений, нашли применение как в шумо-, так и в эхопеленго­вании и позволили реализовать повышенную направленность излучателей и гидрофонов умеренных размеров. В этот период появилось несколько небольших, но весьма важных для гидро­акустических систем устройств, к которым в первую очередь следует отнести разработанный англичанами рекордер для актив­ных гидролокаторов, позволявший «запоминать» полученную информацию. Вторым нововведением явился обтекатель, обеспе­чивающий защиту акустической антенны на движущемся корабле от воздействия образующегося при движении корабля шумящего турбулентного потока.

К 1935 г. было разработано несколько гидроакустических систем с достаточно хорошими характеристиками, а в 1938 г., когда неотвратимость Второй мировой войны стала очевидной, в США началось массовое производство гидроакустических стан­ций. К началу войны многие американские корабли были осна­щены аппаратурой, обеспечивавшей шумо- и эхопеленгование. Стандартным активным гидролокатором для надводных кораблей явилась станция типа QC. Поиск и определение пеленга целей в этой станции осуществлялись оператором, вращавшим штурвал и прослушивавшим при этом эхосигналы с помощью наушников или громкоговорителя. При регистрации эхосигнала дистанция до цели определялась по вспышке вращающейся лампочки или по записи на рекордере дальности.

Подводные лодки были оборудованы шумопеленгаторами типа JP, содержавшими вращавшуюся в горизонтальной плоскости линейную антенну, усилитель, избирательный полосовой фильтр и пару наушников. Стоимость этой станции вместе с запасными частями составляла 5000 долларов (!). С такими примитивными гидролокаторами велась и в итоге была выиграна в Атлантике битва с немецкими подводными лодками.

Однако с научной точки зрения, очевидно, наиболее выдаю­щимся достижением в период между Первой и Второй мировыми войнами явилось уточнение представлений об особенностях рас­пространения звука в море. В первых гидролокационных станциях, устанавливавшихся на кораблях в конце 20-х — начале 30-х годов прошлого века, наблюдалась странная нестабильность характеристик. Часто случалось, что хорошие эхосигналы, получаемые утром, резко ослаблялись или полностью пропадали в послеполуденное время. Когда стало ясно, что операторов гидролокационных станций винить не в чем и что эхосигналы действительно ослаб­ляются днём, причину этого явления стали искать в особенностях характеристик передачи морской среды. Только с помощью специальной аппаратуры для измерения температуры воды уда­лось установить, что небольшие температурные градиенты, о су­ществовании которых раньше никто не подозревал, могли стать причиной отклонения звуковых лучей в глубь моря, в результате чего цель оказывалась в области, получившей в настоящее время название «зоны тени».

Стефенсон назвал это явление «послеполуденным эффектом».

В 1937 г. Спилхауз создал первый батитермограф для измере­ния температурных градиентов в верхних слоях морской воды. К началу Второй мировой войны каждый корабль ВМС, принимав­ший участие в операциях противолодочной обороны, был оснащён этим прибором.

В рассматриваемый период было получено также ясное пред­ставление об эффекте поглощения звука в море и с очень высокой точностью определён коэффициент поглощения на частотах от 20 до 30 кГц, представлявших в то время наибольший интерес. Все эти и ряд других достижений в период между двумя миро­выми войнами рассмотрены в статье Клейна [6].

Период Второй мировой войны так же, как и Первой, отмечен лихорадочной активностью в области гидроакустики по обе сто­роны Атлантического океана. В Соединённых Штатах Америки большая группа учёных, организованная Комитетом по научным исследованиям в области национальной обороны (NDRC), при­ступила к изучению всех связанных с гидроакустикой вопросов *.

Большинство наших современных представлений и практи­ческих применений гидроакустики берёт своё начало именно в этот период. Акустическая самонаводящаяся торпеда, современ­ные акустические мины и гидролокаторы со сканируемыми харак­теристиками направленности были созданы в годы войны. В этот период разработаны и впервые применены методы быстрой калиб­ровки излучателей и гидрофонов, уяснены и обобщены в уравне­ниях гидроакустики многие факторы, влияющие на работу гидролокатора. В годы Второй мировой войны получили количествен­ное выра-

^* В конце войны итоги работы группы, занимавшейся гидроакустикой, были собраны в превосходно изданной серии из 22 статей, получившей название «Итоговые доклады 6-го отделения NDRC».

жение, в частности, такие понятия, как сила цели, шумо­вое излучение различных классов кораблей на разных скоростях движения и частотах, морская реверберация и распознавание подводных звуков человеческим ухом. Действительно, огляды­ваясь назад, можно увидеть, что очень немногие из наших тепе­решних знаний в области гидроакустики не уходят своими кор­нями в открытия периода Второй мировой войны.

Следует отдать должное и немецким учёным за несколько уни­кальных достижений. Одним из них было создание звукопогло­щающего покрытия «Альберих» для подводных лодок. Это по­крытие состояло из перфорированных листов резины, приклеен­ных к корпусу подводной лодки и покрытых тонким слоем сплош­ной резины, препятствовавшей проникновению воды в заполненные воздухом поры. Покрытие «Альберих» было эффективно лишь в ограниченном диапазоне частот и глубин и не отличалось долговечностью в условиях работы подводных лодок. Другим нововведением было применение шумопеленгаторных антенн, монтируемых на надводных кораблях заподлицо с корпусом.

Антенна этого типа, получившая обозначение GHGJ (gruppen — horch—gerat — антенное шумопеленгаторное оборудование), была установлена на крейсере «Принц Евгений» и работала достаточно успешно [7].

По утверждению Батчелдера [8], слово sonar было придумано в конце войны как аналог популярного в те годы слова «радар», но вошло в употребление после того, как получило определение в качестве акронима слов sound navigation and ranging.

1.2 Послевоенное развитие гидроакустики

Годы, прошедшие после Второй мировой войны, отмечены значительными достижениями в применении гидро­акустики для военных и гражданских целей. Наблюдалось уве­личение размеров и мощности активных гидролокаторов военных кораблей с одновременным снижением на несколько октав по сравнению с периодом Второй мировой войны диапазона рабочих частот. В результате дальность действия современных активных гидролокаторов стала значительно больше, чем в годы войны. На более низкие рабочие частоты перешли и в шумопеленгаторах, что позволило реализовать преимущества пеленгования тональ­ных, или дискретных, составляющих в низкочастотной области спектра излучения подводных лодок.

Акустические антенны пассивных гидролокаторов, содержа­щие большое число гидрофонов, были установлены на дне океана с целью максимально эффективного использования преимуществ малошумной среды и хороших условий распространения звука на низких частотах.

В то же время шла работа по снижению шумности подводных целей пассивных гидролокаторов, в связи с чем обнаруживать их становилось всё труднее и труднее. Создание сложных методов обработки сигналов во временной и пространственной плоскостях, применение для их реализации цифровых ЭВМ позволили извле­кать значительно больше информации во всех режимах работы гидролокатора. Наконец, исследования особенностей распростра­нения звука в море позволили выявить и использовать такие пути его прохождения, которые просто не приходили в голову в преж­ние годы. Примером может служить открытие зон конвергенции в глубоком море и их использование в последние годы гидролока­торами с достаточно высокими тактико-техническими характе­ристиками.