История создания гидроакустики

1.

История создания
гидроакустики

2.

Гидроакустика — быстро развивающаяся в настоящее время наука, и имеющая, несомненно,
большое будущее. Ее появлению предшествовал долгий путь развития теоретической и
прикладной акустики. Первые сведения о проявлении интереса человека к распространению
звука в воде мы находим в записках известного ученого эпохи возрождения Леонардо Да
Винчи : “Если ты, будучи на море, опустишь в воду отверстие трубы, а другой ее конец
приложишь к уху, то услышишь идущие вдали корабли”.
Наряду с разработкой теоретических вопросов в России проводились практические
исследования явлений распространения звуков в море. Адмирал С.О.Макаров в 1881 — 1882 гг.
предложил использовать для передачи информации о скорости течения под водой прибор,
названный флюктометром. Этим было положено начало развитию новой отрасли науки и
техники — гидроакустической телеметрии
. В 1890-х гг. на Балтийском судостроительном заводе по инициативе капитана 2 ранга М. Н.
Беклемишева начали работы по разработке приборов гидроакустической связи. Первые
испытания гидроакустического излучателя для звукоподводной связи проводились в конце
XIX в. в опытовом бассейне в Галерной гавани в Петербурге. Излучаемые им колебания
хорошо прослушивались за 7 верст на Невском плавучем маяке. В результате исследований в
1905г. создали первый прибор гидроакустической связи, в котором роль передающего
устройства играла специальная подводная сирена, управляемая телеграфным ключом, а
приемником сигналов служил угольный микрофон, закрепленный изнутри на корпусе
корабля. Сигналы регистрировались аппаратом Морзе и на слух. Позднее сирену заменили
излучателем мембранного типа. Эффективность прибора, названного гидрофонической
станцией, значительно повысилась. Морские испытания новой станции состоялись в марте
1908г. на Черном море, где дальность уверенного приема сигналов превышала 10км.

3.

Схема гидрофонической станции Балтийского завода обр.1907г.: 1 — водяной насос; 2 —
трубопровод; 3 — регулятор давления; 4 — электромагнитный гидравлический затвор
(телеграфный клапан); 5 — телеграфный ключ; 6 — гидравлический мембранный излучатель;
7 — борт корабля; 8 — танк с водой; 9 — герметизированный микрофон

4.

Особенности распространения акустических волн в воде
Поглощение энергии акустической волны в морской воде обуславливается двумя
процессами: внутренним трением среды и диссоциацией растворенных в ней солей.
Первый процесс преобразует энергию акустической волны в тепловую, а второй —
преобразуясь в химическую энергию, выводит молекулы из равновесного состояния, и
они распадаются на ионы. Этот вид поглощения резко возрастает с увеличением частоты
акустического колебания. Наличие в воде взвешенных частиц, микроорганизмов и
температурных аномалий приводит также к затуханию акустической волны в воде. Как
правило, эти потери невелики, и их включают в общее поглощение, однако иногда, как,
например, в случае рассеяния от следа корабля, эти потери могут составить До 90 %.
Наличие температурных аномалий приводит к тому, что акустическая волна попадает в
зоны акустической тени, где она может претерпеть многократные отражения.
Наличие границ раздела вода — воздух и вода — дно приводит к отражению от них
акустической волны, причем, если в первом случае акустическая волна отражается
полностью, то во втором случае коэффициент отражения зависит от материала дна:
плохо отражает илистое дно, хорошо — песчаное и каменистое. На небольших глубинах
из-за многократного отражения акустической волны между дном и поверхностью
возникает подводный звуковой канал, в котором акустическая волна может
распространяться на большие расстояния. Изменение величины скорости звука на
разных глубинах приводит к искривлению звуковых «лучей» — рефракции.

5.

Компоненты события появления
эхосигнала.

6.

Скорость распространения звука изменяется с глубиной, причём изменения зависят от
времени года и дня, глубины водоёма и ряда других причин. Звуковые лучи, выходящие из
источника под некоторым углом к горизонту, изгибаются, причём направление изгиба
зависит от распределения скоростей звука в среде: летом, когда верхние слои теплее нижних,
лучи изгибаются книзу и в большинстве отражаются от дна, теряя при этом значительную
долю своей энергии; зимой, когда нижние слои воды сохраняют свою температуру, между тем
как верхние слои охлаждаются, лучи изгибаются кверху и многократно отражаются от
поверхности воды, при этом теряется значительно меньше энергии. Поэтому зимой
дальность распространения звука больше, чем летом. Вертикальное распределение скорости
звука (ВРСЗ) и градиент скорости оказывают определяющее влияние на распространение
звука в морской среде. Распределение скорости звука в различных районах Мирового океана
различно и меняется во времени.
Рефракция звука в воде: а — летом; б — зимой; слева — изменение скорости с
глубиной

7.

На распространение звуков высокой частоты, когда длины волн очень малы, оказывают
влияние мелкие неоднородности, обычно имеющиеся в естественных водоёмах: пузырьки
газов, микроорганизмы и т. д. Эти неоднородности действуют двояким образом: они
поглощают и рассеивают энергию звуковых волн. В результате с повышением частоты
звуковых колебаний дальность их распространения сокращается. Особенно сильно этот
эффект заметен в поверхностном слое воды, где больше всего неоднородностей.
Рассеивание звука неоднородностями, а также неровностями поверхности воды и дна
вызывает явление подводной реверберации, сопровождающей посылку звукового импульса:
звуковые волны, отражаясь от совокупности неоднородностей и сливаясь, дают затягивание
звукового импульса, продолжающееся после его окончания. Пределы дальности
распространения подводных звуков так же ограничиваются собственными шумами моря,
имеющими двоякое происхождение: часть шумов возникает от ударов волн на поверхности
воды, от морского прибоя, от шума перекатываемой гальки и; другая часть связана с
морской фауной (звуки, производимые гидробионтами: рыбами и морскими животными).
Этим очень серьёзным аспектом занимается биогидроакустика.
Распространение звука в подводном звук. канале: а — изменение скорости звука с
глубиной; б — ход лучей в звуковом канале.

8.

Гидроакустика получила широкое практическое применение, поскольку ещё не создано
эффективной системы передачи электромагнитных волн под водой на сколько-нибудь
значительном расстоянии, и звук поэтому является единственным возможным средством
связи под водой. Для этих целей пользуются звуковыми частотами от 300 до 10000 гц и
ультразвуками от 10000 гц и выше. В качестве излучателей и приёмников в звуковой области
используются электродинамические и пьезоэлектрические излучатели и гидрофоны, а в
ультразвуковой — пьезоэлектрические и магнитострикционные.
Наиболее существенные применения гидроакустики:
1. Для решения военных задач
2. Морская навигация
3. Звукоподводная связь
4. Океанологические исследования