Глава 1. Физические характеристики гидросферы, влияющие на принципы построения и функционирования гидроакустических средств надводных кораблей

1.1. Классификация гидроакустических средств надводных кораблей и решаемые ими задачи в системе ПЛО

Гидроакустическими называют технические средства, осно­ванные на использовании явления распространения акустических волн в океанах, морях и других естественных водоемах. По своему назначению различают их следующие виды:

средства подводного наблюдения, предназначенные для поиска, обна­ружения, классификации подводных объектов, слежения за этими объек­тами, определения их координат и элементов движения;

средства связи, обеспечивающие связь между объектами, из которых хотя бы один находится в подводном положении;

средства телеметрии и телеуправления, используемые для дистанци­онной передачи информации о состоянии подвижных или неподвижных подводных объектов и управления этими объектами с помощью гидроаку­стических сигналов;

средства кораблевождения, предназначенные для обеспечения безопас­ности плавания, измерения глубин под килем судна, отстояния подводно­го объекта от поверхности моря, скорости судна и ее продольной и попе­речной составляющих, углов сноса, определения места судна по искусст­венным и естественным подводным ориентирам, обеспечения плавания подо льдами и т. п.;

средства обеспечения океанографических исследований, которые определяют рельеф и структуру морского дна, измеряют гидроакусти­ческие характеристики водной среды, высоту волн, скорость течений и т.п.;

средства морской геологии и обеспечения подводных промыслов по­лезных ископаемых, предназначенные для поиска и изучения подводных месторождений, обеспечения буровых работ, функционирования подвод­ной аппаратуры промыслов и т. п.;

средства обеспечения рыболовства и промысла морских животных, используемые для поиска объектов промысла, оценки их скоплений и за­пасов, наведения на них орудий лова, контроля за состоянием и работой этих орудий и т.п.;

средства, служащие для контроля и анализа акустических полей судов и параметров гидроакустической аппаратуры.

В зависимости от решаемых задач гидроакустические средства делят на следующие виды:

гидроакустические комплексы, обеспечивающие решение задач, отно­сящихся по назначению к двум и более перечисленным выше видам, напри­мер задач наблюдения, связи и кораблевождения;

гидроакустические станции, обеспечивающие полностью или частично решение одной из основных задач, например наблюдения, связи, корабле­вождения и т. п. Иногда станции могут частично решать и другие задачи. Так, например, некоторые рыболокаторы позволяют определять и глуби­ну, т. е. выполняют функции эхолота;

гидроакустические приборы, обеспечивающие решение лишь некото­рых частных задач, например определения распределения скорости звука с глубиной.

При классификации средств по их назначению и кругу решаемых за­дач различают их основные функции и дополнительные, не имеющие опре­деляющего значения.

По способу использования энергии ГАС делят на активные, функцио­нирование которых связано с излучением энергии в окружающую водную среду, и пассивные, использующие излучения, создаваемые другим объек­том преднамеренно (излучение сигналов) или непреднамеренно, т. е. в про­цессе его обычного функционирования (например шумы, возникающие при движении судна). Встречаются также разновидности аппаратуры с разнесением излучающей (активной) и приемной (пассивной) частей в пространстве, например сейсмоакустические системы, в которых источ­ником акустической энергии служит взрывной заряд, а приемники отра­женных сигналов находятся на удалении от места взрыва.

По месту установки ГАС могут быть:

судовыми с антеннами, размещаемыми на корпусе судна, буксируе­мыми или опускаемыми за борт;

авиационными — самолетными или вертолетными;

стационарными с антеннами, устанавливаемыми на дне;

позиционными, устанавливаемыми на якорях, с антеннами, поддер­живаемыми плавучестями;

дрейфующими, не связанными механически с судном, летательным аппаратом или дном;

носимыми водолазами и акванавтами.

Любое ГАС может быть классифицировано по всем перечисленным ос­новным признакам. Кроме того, существуют признаки, характерные для отдельных разновидностей или групп средств. Так, например, активные средства по характеру излучения могут быть с непрерывным или импульс­ным излучением, последние, в свою очередь, отличаются формой импульса и т. д. Средства наблюдения могут различаться по способу обзора прост­ранства, числу определяемых координат цели и другим признакам.

1.2. Физические параметры гидроакустической информационной системы

Звук представляет собой регулярные колебания молекул упругой среды. Благодаря этому свойству среды движе­ние ее частиц, вызванное, например, излучателем, передается со­седним частицам, и этот процесс распространяется в среде со скоростью звука. В жидкости частицы находятся в состоянии возвратно-поступательного движения, направление которого совпадает с направлением распространения звуковой волны. Ввиду сжимаемости жидкости движение ее частиц вызывает изменение давления, которое можно обнаружить с помощью гидрофона, чувствительного к давлению.

Акустическое давление - это разность между давлением, возникающим в водной среде при распространении акустических колебаний, и статическим давлением. Акустическое давление является главной и первичной, ха­рактеристикой звукового поля. Давление представляет собой силу, действующую по нормали на поверхность единичной площа­ди. В системе единиц СИ единицей давления является пас­каль (Па = Н/м²). В физической акустике до введения системы СИ была распро­странена система СГС (сантиметр, грамм, секунда) и давление выражалось в динах на квадратный сантиметр (дин/см²). Между единицами давления в системах СИ и СГС существует соотноше­ние: 1 Па = 10 дин/см². В некоторых формулярах и технических описаниях ГАС, ранее принятых на вооружение ВМФ, величина акустического давления выражена в барах. До введения системы СИ в технической и научной литературе по гидроакустике для измерения акустического давления ис­пользовалась единица, называемая баром: 1 бар = 1 дин/см². В иностранной литературе иногда встречается такая единица как большой бар: 1 большой бар = 10 бар = 10 дин/см². В настоящее время бар - внесистемная единица и почти не употребляется, но встречается в ранее изданной техни­ческой литературе по гидроакустике.

В плоской звуковой волне давление p связано со скоростью перемещения частиц жидкости и соотношением:

, (1.1)

где — плотность жидкости; с — скорость распространения волны.

Коэффициент пропорциональности называется удельным акустическим сопротивлением жидкости. Для морской воды кг/(м²с), для воздуха

420 кг/(м²с).

Выражение (1.1) представляет собой аналог закона Ома для акустики: скорость частиц u можно рассматривать как акусти­ческий аналог электрического тока, а давление р — как аналог электрического напряжения.

Распространяющаяся звуковая волна несет механическую энергию в форме кинетической энергии движущихся частиц и по­тенциальной энергии давления, создаваемого частицами в упру­гой среде. Через площадку единичных размеров, расположенную перпендикулярно к направлению распространения волны, каж­дую секунду переносится определенное количество энергии, назы­ваемое интенсивностью волны. Если эта площадка расположена произвольно, интенсивность выражается векторной величиной, аналогичной вектору Пойнтинга для электромагнитных волн. В плоской звуковой волне установившееся значение интенсив­ности связано с акустическим давлением соотно­шением:

[Вт/м²].

Для неустановившихся процессов, а также в случае, когда сигнал значительно искажается при распространении или отражении звуковой волны от подводного объекта, более целесообразно поль­зоваться понятием плотность потока энергии акустической волны. Энергетическая плотность потока представляет собой ин­теграл по времени от мгновенных значений интенсивности и мо­жет быть вычислена по формуле:

, (1.2)

где интегрирование практически можно проводить за промежуток времени, равный периоду волны. Плот­ности потока энергии измеряется в джоулях на квадратный метр.

Рассматривая изменение во времени параметров гидроакустического поля в фиксированной точке пространства (например, в точке расположения гидрофона), будем иметь некоторый процесс, для описания которого можно использовать аппарат теории случайных процессов. Одним из основных понятий этой теории является спектральная плотность S(f), которая характеризует распределение мощности процесса по частоте. Этот термин имеет смысл только для сигналов с непрерывным спектром, т. е. в тех случаях, когда сигнал, пусть даже небольшой, присутствует в любой точке рассматриваемой полосы частот. Зная спектральную плотность процесса, можно определить его мощность в любом заданном диапазоне частот [ f_н, f_в ] по формуле:

.

Частотный диапазон рассматриваемых гидроакустических процессов весьма широк.

С точки зрения физиологии человеческого слуха в литературе частотные диапазоны акустических сигналов трактуются следующим образом.

Инфразвук - не слышимые человеческим ухом упругие волны низкой частоты (менее 16 Гц). При больших амплитудах инфразвук воспринимается как боль в ухе.

Звук - слышимые человеческим ухом упругие волны (от 16 Гц до 20 кГц). Ультразвук - упругие волны в диапазоне частот более 20 кГц, не слышимые человеческий ухом.

В корабельной гидроакустике деление на частотные диапазоны носит условный характер и отражает, прежде всего, особенности распространения звуковых волн различных частот в реальной морской среде. Наиболее часто частотные диапазоны в гидроакустике распределяются следующим образом:

- сверх низкочастотные колебания (СНЧ) - ниже 1 Гц;

- инфразвуковые колебания - 1 Гц ÷ 500 Гц;

- звуковые колебания - 500 Гц ÷ 20 кГц

- ультразвуковые колебания - более 20 кГц