Что такое гидроакустические средства

Гидроакустические средства

Как только подводная лодка погружается на глубину более чем перископную, в распоряжении её командира остаются лишь гидроакустические средства наблюдения. Гидроакустическую вахту несут на подводной лодке в течение всего времени нахождения ее в подводном положении. Атомные подводные лодки вообще могут не всплывать в надводное положение в течение всего времени плавания. Так, наша атомная подводная лодка «Ленинский комсомол» совершила в 1961 г. поход к Северному полюсу под ледовым покровом Арктики. Безопасность плавания подводной лодки обеспечивалась главным образом надежной работой, гидроакустических средств подводного наблюдения. На американской подводной лодке «Наутилус» во время ее арктического плавания работало 13 гидроакустических станций различного назначения.
Действие гидроакустических приборов основано на принципе превращения звуковых колебаний в электрические. Звук от винтов или других работающих механизмов корабля, распространяющийся в воде с определенной скоростью (около 1500 м/сек), попадает на приемник (вибратор) прибора, который превращает звуковые колебания в электрические, усиливает их и передает затем в телефоны гидроакустика. В телефонах электрические колебания вновь преобразуются в звуковые, подобные шуму источника.
Все гидроакустические средства наблюдения можно разделить на три основных вида: шумопеленгаторные и гидролокационные станции и гидроакустические комплексы. Особое место среди гидроакустических средств занимает эхолот.
Общие принципы работы
Преобразователи

Основным элементом любой гидроакустической станции является электроакустический преобразователь, который обычно называют вибратором или приемником, в зависимости от того, в какую станцию — гидролокационную или шумопеленгаторную — он входит.
Принцип преобразования звуковой энергии в электрическую и обратно основан на известных из физики явлениях пьезоэлектрического и магнитострикционного эффектов.
Пьезоэлектрическим эффектом обладают некоторые виды кристаллов. Эффект заключается в том, что кристаллы изменяют свои размеры под влиянием приложенного к ним электрического напряжения и, наоборот, выделяют электрические заряды, если изменять размеры кристаллов путем сжатия или растяжения их по определенным направлениям. Из естественных кристаллов этим эффектом обладают кварц и турмалин, из искусственных — сегнетова соль и дигидрофосфат аммония. Хотя сегнетова соль характеризуется сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом, разрушается она при температуре свыше 55° С. У кварца значительно большая прочность. Кристалл его представляет собой шестигранную призму, сверху и снизу оканчивающуюся шестигранными пирамидами. Однако в таком виде кварц, как правило, не применяется, так как пьезоэлектрические свойства его слабо выражены. Для использования в качестве электроакустического преобразователя кварц предварительно обрабатывают, вырезая определенным образом из его природной формы пластинку, которую покрывают металлическими электродами.
Если сжимать пластинку, то на электродах появятся электрические заряды. Величина их прямо пропорциональна сжимающему усилию.
По такой схеме работает любая гидроакустическая станция в режиме приема, в которой в качестве приемника звуковых колебаний в воде используется пластинка, точнее набор пластинок, вырезанных из кристалла кварца или сегнетовой соли.
Звуковое давление в воде, образовавшееся, например, в результате работы винтов корабля, воздействуя на электроды, передается пьезоэлектрической пластинке (вибратору), на поверхности которой возникает переменное электрическое напряжение, которое затем усиливается и подается далее на телефон. В телефоне гидроакустик прослушивает шумы, подобные шумам винтов корабля.
Для работы гидроакустической станции в режиме излучения необходимо в рассмотренной схеме заменить усилитель генератором, который подавал бы переменное электрическое напряжение на вибратор. В силу пьезоэлектрических свойств вибратор будет изменять свои размеры с частотой, равной частоте приложенного напряжения, т. е. будет совершать колебания. Эти колебания передаются в водную среду и распространяются в ней в виде акустических волн — сгущений и разряжений.
В последние годы на смену кварцу и сегнетовой соли и в дополнение к ним стали приходить другие пьезоэлектрические материалы. В современных гидроакустических станциях находят широкое применение кристаллы дигидрофосфата аммония, который обладает рядом преимуществ перед другими пьезоэлектриками. Он исключительно стабилен, не дает гистерёзисного эффекта, имеет высокий коэффициент электромеханической связи и особенно удобен при работе с большими мощностями.
Кристаллы дигидрофосфата аммония выращиваются от 30 до 40 см в длину и до 10 см в поперечном сечении. В преобразователях обычно применяются небольшие пластины, вырезанные из этого кристалла.
Для примера рассмотрим преобразователь американской гидроакустической станции, работающей в диапазоне 20—28 кгц Он состоит из цилиндрического кожуха, содержащего 48 радиально-смонтированных идентичных секций, в каждой из которых имеется ряд резонансных пластин дигидрофосфата аммония. Отсек с секциями заполнен касторовым маслом и защищен снаружи акустически прозрачной резиной. В центральной части преобразователя расположен согласующий трансформатор и другие вспомогательные элементы.
На рабочих частотах ниже 10 кгц и выше 100 кгц, по мнению американских специалистов, для преобразователей целесообразно использовать новый материал — керамику из титаната бария. Этот материал обладает так называемым электрострикционным эффектом, который заключается в деформации диэлектриков под воздействием электрического поля. При этом величина и на правление деформации не зависят от изменения направления поля, а определяются только напряженностью. Преобразователям из керамики можно придавать любую сложную форму. Титанат бария получается в результате обжига смеси из карбоната бария и двуокиси титана. При изготовлении керамических элементов преобразователя материал прессуется и подвергается циклу нагрева до высокой температуры около 1600 градусов. После нанесения серебряных электродов элементы в условиях повышенной температуры поляризуются в электрическом поле. Таким образом, преобразователи из титаната бария в отличие от преобразователей магнитострикционных при излучении не нуждаются в подаче тока поляризации.
Основными преимуществами применения керамики в гидроакустике являются высокая диэлектрическая проницаемость, твердость, способность работать при больших мощностях, относительно малая стоимость и легкость изготовления. Преобразователь из керамики приведен на рисунке. Цилиндр изготовлен из трех колец титаната бария, высотой и диаметром 3,8 см каждый. Снаружи он герметизирован защитной звукопрозрачной резиной. Преобразователь совершает радиальные колебания на резонансной частоте около 37 кгц.
Для гидролокационных станций дальнего действия. в США разработан новый тип электроакустического преобразователя— стержневой излучатель «Сефар».
Принцип действия такого излучателя аналогичен принципу действия известных из радиолокации антенных решеток (щелевые антенны) с узконаправленным излучением вдоль оси.
Излучатель представляет собой волновод в виде длинного тонкого металлического стержня с ребрами на его поверхности, посылающий энергию в направлений оси в сравнительно узком конусе. Излучатель сопряжен с возбуждающим преобразователем при помощи переходного конуса. В качестве преобразователя используется пьезокерамический вибратор из титаната бария.
В отличие от других излучателей, широко применяющихся в современных гидролокаторах, диаграмма направленности излучения которых определяется отношением длины волны к диаметру вибратора, у нового излучателя острота диаграммы направленности мало зависит от его диаметра. Она определяется главным образом тремя факторами: отношением скоростей колебаний в стержне и в окружающей его среде, ослаблением энергии на единицу длины в стержне и длиной стержня, выраженной в длинах волн.
В процессе разработки излучателя «Сефар» выявилась необходимость работать на низкой частоте порядка 500 гц и при мощности несколько мегаватт. Для получения острой направленности требуется звукопровод в 78 м, диаметром несколько дюймов, что неприемлемо в корабельных условиях. Во избежание удлинения излучателя было предложено использовать решетку из нескольких более коротких излучателей, расположенных параллельно друг другу.
Используя различное число излучателей в решетке в горизонтальной и вертикальной плоскостях, можно получить различную ширину акустического луча в этих плоскостях.
Для получения обзора по всему горизонту, в пределах 360° в конструкции приемно-излучающей системы гидроакустической станции предусматриваются две группы решеток по три в каждой.
Каждая решетка излучает энергию поочередно. Используя для приема те же решетки, что и для излучения, можно обеспечить обычную гидролокацию кругового обзора.
Благодаря малому весу, большой удельной мощности излучения на единицу веса, малому сопротивлению при движении в воде новые излучатели наиболее пригодны для использования на подводных лодках. Решетки из новых излучателей монтируются в днище лодки.
В последние годы создан гидроакустический излучатель, который работает на принципе преобразования гидродинамической энергии потока жидкости, находящейся под давлением порядка 100 кг/см2, в акустическую энергию. По сравнению с широко применяемыми в гидроакустике электродинамическими, магнитострикцирнными, пьезоэлектрическими и керамическими преобразователями этот излучатель характеризуется большей мощностью на единицу веса и высокой экономичностью.
В большинстве случаев гидроакустические преобразователи представляют собой резонансные системы, позволяющие получить сигналы большой интенсивности (мощности) в узком частотном диапазоне.. Однако с целью помехоустойчивости, а также для некоторых других целей все более находят применение широкополосные преобразователи. Так, для передачи сигналов в воду и музыкального сопровождения во время состязаний пловцов и аквалангистов применяется электродинамический преобразователь, работающий в исключительно большом диапазоне (от 40 гц до 20 кгц).
Магнитострикционным эффектом обладают так называемые ферромагнитные материалы—железо, никель, кобальт и их сплавы.
Стержень из ферромагнитного материала, внесенный в магнитное поле, деформируется, т. е. его размеры уменьшаются или увеличиваются. Это явление называют прямым магнитострикционным эффектом.
Различные ферромагнитные материалы деформируются в магнитном поле неодинаково: одни из них растягиваются, другие сжимаются. При этом они приобретают свойства магнита. При устранении намагничивающего поля магнитные свойства стержня не пропадают, а сохраняются еще в течение длительного времени (гистерезис). Такой намагниченный стержень создает вокруг себя магнитное поле. Напряженность этого поля тем больше, чем больше был намагничен стержень. Если такой стержень подвергнуть деформации — сжатию или растяжению, то напряженность магнитного поля в окружающем пространстве изменится, т. е. при деформации стержня степень его намагниченности как бы меняется. Явление изменения степени намагниченности ферромагнитного стержня при его деформации носят название обратного магнитострикционного эффекта.
Прямой и обратный магнитострикционный эффекты используются в гидроакустических средствах наблюдения, эхолотах и вообще в гидроакустике для излучения и приема звуковых колебаний.
В магнитострикционных преобразователях, применяемых в гидролокационных станциях и эхолотах, колебательной системой служит пакет, набранный из никелевых пластин. Их толщина около 0,1 мм. Через окна в пакете вокруг стержней наматывается обмотка. Одна из граней пакета (перпендикулярная к стержням) является излучающей поверхностью.
При пропускании через обмотку тока вокруг ее витков появляется магнитное поле. Так как переменный ток меняется по величине и направлению, то и напряженность магнитного поля также изменяется. Вследствие прямого магнитострикционного эффекта пластинки под влиянием магнитного поля деформируются, т.е. колеблются. Таким образом, колебания тока, протекающего через обмотку, сопровождаются механическими колебаниями излучающей поверхности пакета. Если пакет поместить в воду, то колебания будут передаваться в водную среду и распространяться в виде звуковых или акустических волн. Аналогично можно использовать обратный магнитострикционный эффект.