ГИДРОЛОКАТОР: ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКА В МОРСКОЙ ВОДЕ

ГИДРОЛОКАТОР: ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКА В МОРСКОЙ ВОДЕ
ГИДРОЛОКАТОР: ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКА В МОРСКОЙ ВОДЕ К статье ГИДРОЛОКАТОР Поглощение. Энергия звуковой волны в морской воде постепенно убывает из-за ее поглощения, обусловленного в основном двумя процессами: внутренним трением среды и диссоциацией растворенных в ней солей. Трение преобразует звуковую энергию в тепловую, а эффективность этого преобразования зависит от вязкости воды; обычно потери на трение составляют ок. 10% всего поглощения. Диссоциация молекул морских солей происходит вследствие того, что энергия звуковой волны, преобразуясь в химическую энергию, выводит молекулы из равновесного состояния, и они распадаются на ионы. Этот вид поглощения резко возрастает с увеличением частоты звука: на трассе длиной 1 км при частоте 1 кГц акустическая мощность падает приблизительно на 2%, а при частоте 20 кГц - уже почти на 60%. Расходимость. Звуковое излучение, удаляясь от источника, расходится в пространстве, как свет и радиоволны; в результате этого интенсивность звука ослабевает пропорционально квадрату расстояния от излучателя. Рассеяние. Затухание звука в море происходит и из-за его рассеяния на различных неоднородностях среды - взвешенных частицах, микроорганизмах и тепловых аномалиях. Обычно такие потери невелики, и их включают в суммарное поглощение; однако рассеяние спутным следом корабля или большим рыбным косяком может дать до 90% всех потерь, и его необходимо учитывать особо. Более важным следствием рассеяния оказывается то, что звук попадает в т.н. зоны акустической тени, где он рассеивается в многократных отражениях от граничных поверхностей. Отражение. Поверхность океана активно отражает звук, но ее волны и рябь вызывают разброс направлений и фаз отраженных звуков, и между падающим и отраженным звуковыми пучками возникает интерференция, так что интенсивность звука в фиксированной точке пространства изменяется со временем по сложному закону. Дно тоже отражает звуки, но его коэффициент отражения сильно зависит от структуры дна и глубины. Илистое дно - плохой отражатель, а песчаное или скалистое - очень хороший. На небольших глубинах над дном из твердых пород вследствие многократных отражений звука от него и от водной поверхности возникает подводный звуковой канал, в котором создаются благоприятные условия для гидролокации. Рефракция. Искривление звуковых "лучей" вызывается тем, что в разных (по глубине) слоях воды скорость звука различна и звуковой пучок отклоняется в сторону слоя с наименьшей скоростью. Скорость звука в морской воде при температуре 13? С, давлении 1 атм и концентрации солей 35 г/л равна 1494 м/с; она увеличивается с ростом температуры (3 м/с на 1? С), давления (0,016 м/с на 1 м глубины) и концентрации солей (1,3 м/с на 1 г/л). По горизонтали эти факторы влияния меняются очень медленно, но по глубине довольно быстро, поэтому океан как бы состоит из горизонтальных слоев с различной скоростью звука. Обычно вариации солености незначительны, и ими пренебрегают. Влияние давления хорошо известно и зависит лишь от глубины. Весьма существенно влияние температуры, а она переменчива, и для определения профиля скорости звука по глубине нужно измерять температуру воды на разных глубинах. Для этой цели с корабля спускают на кабеле специальный аппарат, именуемый батитермографом (он похож на небольшую торпеду), на котором имеются чувствительный термометр и самописец для автоматической регистрации зависимости температуры от глубины. Рефракцией звука в воде определяется формирование специфических условий его распространения, которые приводят к образованию четырех типов особых зон: звукового канала, изотермического слоя, поверхности с отрицательным градиентом и поверхности с положительным градиентом; в действительности могут создаваться и более сложные ситуации, когда условия, характерные для одной зоны, появляются и в другой. Звуковой канал. В таком канале звуковые лучи, отклоняясь от его оси вверх или вниз, попадают в области большей скорости звука и вновь стремятся к оси канала. Когда они ее пересекают, процесс повторяется, и звуковой пучок оказывается в продольной ловушке, на оси которой скорость звука минимальна. Пучок распространяется по ней в горизонтальном направлении (рис. 3) на очень большое расстояние с малыми потерями. Из-за значительных суточных и сезонных колебаний температуры воды в поверхностных слоях океана (до глубины ок. 150 м) профили скорости звука в них очень меняются, но ниже все обстоит иначе - температура там низкая и почти постоянная. Скорость звука минимальна на глубине приблизительно 600 м. Ниже до самого дна температура почти не уменьшается, но скорость звука возрастает из-за повышающегося давления, - так образуется глубинный звуковой канал. Изотермический слой. Температура приповерхностного слоя постоянна, и скорость звука в нем немного растет с глубиной из-за повышения давления. На нижней границе слоя температура резко падает (там он встречается с термоклином, ниже которого температура уменьшается очень медленно). Волны и конвективные потоки интенсивно перемешивают поверхностную толщу океана, выравнивая ее температуру, но глубина этого выравнивания колеблется от нуля (ранней весной) до 120 м (поздней осенью), что ограничивается термоклином (рис. 4). Под воздействием условий поверхностной толщи воды звуковой пучок раздваивается: верхняя часть из-за рефракции возвращается в слой смешения и, отразившись от границы с воздухом, начинает распространяться на большие расстояния; нижняя часть круто отклоняется к термоклину, образуя обширную зону молчания ниже изотермического слоя. Поверхность с отрицательным градиентом. Когда нет условий для формирования изотермического слоя, температура воды падает с увеличением глубины, начиная с поверхности. Так обычно бывает во второй половине безветренного солнечного дня, когда поверхностный слой сильно прогревается, а перемешивания не происходит. В таких случаях весь звуковой пучок резко отклоняется вниз, и зона молчания начинается прямо с поверхности, причем она гораздо глуше, чем та, что образуется под изотермическим слоем, ибо здесь нет рассеяния из верхнего пучка. Поверхность с положительным градиентом. Бывают ситуации, когда температура воды и скорость звука возрастают от поверхности вниз до некоторой глубины. Такие ситуации недолговременны и случаются после обильного холодного дождя или вблизи устьев рек. Тогда звуковой пучок в воде отклоняется к границе с воздухом, от которой и отражается, затем вновь рефрагирует и т.д., так что формируется звуковой канал большой протяженности. Интенсивность эха. Интенсивность эхо-сигнала гидролокатора определяется расстоянием до цели, потерями на поглощение и рефракцию в среде, а также материалом цели и той ее площадью, на которую воздействует акустический импульс, причем характеристики цели учитываются квадратично, так как она является вторичным излучателем. Шум. Шумы при гидролокации производят такой же эффект, как помехи при радиоприеме, поэтому любой нежелательный сигнал называют шумом. Дальность обнаружения цели гидролокатора зависит и от способности его оператора выделить слабый эхо-сигнал из шумового фона. Собственные шумы гидроакустической аппаратуры пренебрежимо малы, так что фон определяется шумами в водной среде, которые весьма ограничивают способность гидролокатора к обнаружению объектов. Реверберация, которая звучит на гидролокационных частотах как раскаты грома, возникает на неровностях поверхности воды и дна, а также на объемных неоднородностях в толще воды. Поверхностная реверберация порой заглушает полезные эхо-сигналы, поступающие с расстояния менее километра, особенно когда море неспокойно. Объемная реверберация в обычных условиях еле слышна. Донная реверберация зависит от расстояния до дна, поэтому в глубоких водах она может и не мешать, так как доходит до акустического приемника значительно позже полезного эха; ее интенсивность определяется породами и рельефом дна. Корабль, на борту которого находится гидролокатор, тоже шумит - своими винтами и самим своим движением в воде; чем выше скорость корабля, тем сильнее его шумы. Поэтому скорость надводных судов гидролокационной разведки до недавнего времени ограничивалась 20 узлами (1 узел = 1 морская миля в час = 1,852 км/ч). Посторонние шумы генерируются на различных частотах; в общий шумовой фон включаются многие отдаленные источники: волны, корабли и даже креветки. В итоге дальность действия гидролокатора в нормальных условиях не превышает нескольких километров. Зондирующий акустический пучок быстро слабеет; из-за поглощения, расходимости и рассеяния уменьшается его интенсивность, а его направленность ухудшается из-за отражения, рефракции и рассеяния. Методы противодействия гидролокатору. Для того чтобы подводная лодка не могла быть обнаружена гидролокатором, ее конструируют и строят так, чтобы бортовые машины и механизмы издавали минимум шумов; корпус делается обтекаемой формы для уменьшения шумов, возникающих из-за его трения о воду; судно может двигаться на очень малых скоростях, при которых на его гребных винтах не возникает кавитация (на таких скоростях лодку обычно не слышит пассивный гидролокатор). Если корабль-разведчик не скрывает своего присутствия и включает активный гидролокатор, то подводной лодке спрятаться от него трудно, но иногда это удается. Проще всего лечь на дно в надежде на то, что эхо-сигнал от лодки затеряется среди множества донных отражений. Если лодка находится в глубоководном районе, то она может продолжать движение, погрузившись ниже термоклина (если таковой имеется; как правило, на беду судна-разведчика он существует, а под ним - обширная зона молчания, где гидролокатор бессилен). Если все эти меры предосторожности оказались напрасны и лодка обнаружена, то у ее капитана есть еще возможности ввести в заблуждение преследователя. Он может приказать выдуть в воду воздушные пузыри, которые сами становятся целью для гидролокатора, либо в качестве ложной цели выпустить акустический отражатель; наконец, он может включить электрические и механические генераторы шумов, чтобы заполнить весь экран индикатора кругового обзора шумами и тем затруднить определение точного местонахождения лодки.