Что такое гидролокатор?
Гидролокатор, или сонар (от английского sonar, Sound Navigation And Ranging — определение местоположения и дальности с помощью звуковых волн) — аппаратурный гидроакустический комплекс для определения с помощью акустических сигналов положения неподвижных и плавучих объектов, полностью или частично находящихся под водой. Работа таких приборов основана на принципах гидроакустики — раздела акустики, в котором изучаются особенности распространения, отражения и затухания звуковых волн в реальной водной среде, в основном с целью локации и связи.
Звуковые волны являются единственным эффективным средством передачи и получения информации под водой. Например, электромагнитные волны сильно поглощаются водной средой, поэтому использование распространенного в других сферах радиоканала под водой невозможно. Из всех известных до настоящего времени видов энергии звуковая энергия распространяется в воде на наибольшее расстояние.
Как изобрели гидролокатор?
В «Акустическом журнале» — издании Российской академии наук — рассказывается, что становление гидроакустики началось еще с Аристотеля, который первым заметил, что звук можно слышать в воде так же, как и в воздухе.
В 1490 году итальянский ученый и художник Леонардо да Винчи писал в своих трудах: «Если остановить корабль и погрузить конец длинной трубки в воду, а другой конец поднести к уху, вы услышите корабли, находящиеся на больших расстояниях». Сейчас провести такой эксперимент будет сложнее, так как с тех пор уровень шума в морях значительно возрос: стало больше судов, ведутся различные подводные работы и т. д.
Приблизительно через 100 лет после Леонардо английский философ Фрэнсис Бэкон выдвинул идею о том, что вода является основной средой, распространяясь в которой зародившийся в ней звук достигает наблюдателя, находящегося рядом. После этого несколько веков в данном вопросе не было значительных продвижений. Лишь в 1826 году швейцарский физик Жан-Даниэль Колладон и французский математик Жак Шарль Франсуа Штурм в ходе эксперимента на Женевском озере смогли измерить скорость звука в воде при температуре 8 °C, которая оказалась равна 1 435 м/с. Это примерно на 3 м/с меньше значения, принятого в наше время.
В последние годы XIX века на плавучих маяках широко внедрялись подводные колокола, звук от которых мог регистрироваться на больших расстояниях с помощью стетоскопа или простых микрофонов, установленных на корпусе судна. Американский инженер-электрик Элиша Грей, работавший вместе с Эдисоном над улучшением телефона, обнаружил, что угольный микрофон в соответствующем водонепроницаемом кожухе может использоваться как гидрофон для приема сигналов подводного колокола. В 1899 году Грей и А. Дж. Мунди получили патент на электрический колокол для передачи подводных сигналов.
В 1914 году процесс эхолокации, известный также как дальнометрия с помощью отраженных сигналов, был достаточно разработан, чтобы обнаруживать айсберги на расстоянии 3,2 км. Начало Первой мировой войны простимулировало дальнейшее развитие гидроакустики. Во Франции русский инженер-электротехник Константин Шиловский совместно с французским физиком Полем Ланжевеном работал над прибором, включавшим в себя конденсаторный прожектор и угольный микрофон, размещенный в фокусе вогнутого акустического зеркала. В 1916 году они подали заявку на патент. В том году им удалось передать сигнал под водой на расстояние 3 км и зарегистрировать отражение от железной пластины на расстоянии 100 м.
После получения патента Шиловский прекратил работу над проектом, и ее продолжил Ланжевен. В 1917 году он обратил внимание на пьезоэлектрический эффект, открытый Жаком и Пьером Кюри в 1880 году, при разработке передатчика и приемника под водой. Для своего кварцевого приемника Ланжевен использовал недавно разработанный электроламповый усилитель и в 1918 году завершил работу над преобразователем на основе слоев сталь-кварц-сталь. Он смог увеличить расстояние односторонней передачи до 8 км.
Развитие компьютерных технологий после 1960-х годов сформировало основу для практически взрывного прогресса гидроакустики. Поэтому современные гидролокаторы значительно отличаются от приборов, которые появились до 1960-х, и тем более от устройств, созданных Шиловским и Ланжевеном.
Как работает гидролокатор?
Главные элементы гидролокатора — подводный излучатель, создающий звуковую волну, и приемник (гидрофон), принимающий отраженный эхосигнал. Принятые сигналы поступают на индикаторные приборы: рекордер, электродинамический громкоговоритель, телефоны, электронно-лучевую трубку. На рекордере измеряется и регистрируется электрохимическим способом на ленте расстояние до объекта. С помощью телефонов и электродинамического громкоговорителя принятые сигналы прослушиваются на звуковой частоте и классифицируются. На электронно-лучевой трубке высвечивается сигнал от объекта и измеряется дистанция до него и направление.
Какие бывают гидролокаторы?
Гидролокаторы по принципу работы делятся на два типа: активные и пассивные.
Активные излучают звуковой сигнал, который отражается от цели и возвращается в приемник. Поскольку скорость звука в воде всегда примерно одинаковая (1,5 км/с), определив время между отправкой сигнала и его возвращением в виде эха, можно рассчитать расстояние до объекта.
Пассивные принимают звуковые сигналы, которые издает сама цель. Поскольку рыба издает слишком слабые звуковые сигналы, пассивную гидролокацию для ее поиска почти не используют. Чаще всего такие приборы применяют в исследовательских целях.
Виды гидролокаторов по способу сканирования
Согласно Большой российской энциклопедии, классификация гидролокаторов по способу сканирования включает три вида:
- Гидролокаторы с секторным обзором — излучают звуковые волны в заданном секторе. Сигнал принимает узконаправленная антенна в нескольких направлениях в пределах сектора.
- Гидролокаторы с круговым обзором — и излучение волн, и прием эха осуществляются по полному кругу, что значительно ускоряет сбор информации.
- Гидролокаторы с шаговым обзором — изучают и принимают циклически. В каждом цикле изучение ведется лишь в одном направлении, после чего антенна смещается на «шаг» и сканирует новую область. Одной из разновидностей таких приборов является гидролокатор бокового обзора, который сканирует сразу большую область сбоку от судна.
Особняком стоят эхолоты. Это упрощенный вариант гидролокатора с узконаправленным сканированием, ориентированным на морское дно. Отражаемые ото дна звуковые сигналы автоматически регистрируются в цифровой или аналоговой форме на карте.
Для чего используют гидролокаторы?
На подводных лодках приборы используют для сбора информации об окружающей среде и навигации. Иногда гидролокаторами оснащают рыболовные суда, чтобы обнаруживать косяки рыб, а биологи с помощью этих приборов изучают звуки, издаваемые морскими обитателями.
Гидролокаторы кругового и секторного обзора также используют для построения охранных зон и периметров. Такие приборы устанавливаются при входе в гавани и порты, на нефтяных платформах. Переносные приборы нередко применяются водолазами. Гидролокаторы бокового обзора полезны для прокладки и обслуживания подводных кабелей связи и трубопроводов.
