Мини-лекции. Радионавигация. Гидроакустика

   По глазам вижу, что Вы готовы спросить, мол радио, радионавигация это понятно! А причём здесь какая-то гидроакустика? А при том, что и в гидроакустике как и в радионавигации тоже есть устройства-антенны! И подходы к проблемам примерно такие же... И если посмотреть с точки зрения использования частот? По непроверенным данным, конечно так называемые гидролокаторы используют ультразвук и частоты от 4 до 40 кГц и выше. В радионавигации в РСДН (радиотехнические системы дальней навигации) используют частоты для разных систем от 10 до 100 кГц! То есть генераторы колебаний одного и того же формата! Вот! Задачи решаемые гидроакустикой шире тех которые мы рассмотрим, но? Но нам же в основном средства навигации интересны, а не всё, всё в гидроакустике... Разберёмся по порядку!..

   ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ МАЯКИ

   Да, в некотором роде они как и радиомаяки, но из-за малого рабочего расстояния (20 км.) они более сродни береговым, световым. На мой взгляд это всё более похоже на вехи, наставленные кем-то и зачем-то? Но кто ж Вам военные тайны выдаст?!

   ЗВУКОМЕТРИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ

   Точнее станции, или ещё точнее, целая система. Такая вот американская система «Софар» находится в Атлантическом океане (вполне возможно и в других океанах?) и расположены станции в разных местах, странах:

   1. Ньюфаундленд;
   2. мыс Сейбл;
   3 мыс Хаттерас;
   4. Бермудские острова;
   5. Виргинские острова;
   6. Форталеза (Бразилия);
   7. острова Зелёного Мыса;
   8. Канарские острова;
   9. Азорские острова;
   10.остров Клэр (Ирландия).

   Все станции расположены так, чтобы максимально опоясать океан (взять в кольцо). Для чего они нужны? Антенны (звукоприёмники) устанавливаются на определённой глубине, так называемого звукового канала. Это по науке волновод, слой воды с резко отличающейся плотностью по сравнению с поверхностным и нижележащим слоями. В таком волноводе звук может распространяться на тысячи километров... Скажем терпит бедствие корабль, (самолёт). На глубине (с заранее установленной программе в бомбе) взрывается небольшая эта бомба. Это сигнал для станций. Они его пеленгуют с точностью 10 км. и передают кому надо! Возможно используются и для связи с подводными лодками?! Кроме этого предупреждают о надвигающихся штормах, цунами и прочих гадостей. Существует ли у нас нечто подобное? Вопрос конечно интересный! :-))!

   ЭХОЛОТЫ

   Даже если Вы живёте вдалеке от всяких судоходных водоёмов, а море только в кино видели, наверняка слышали такие слова как эхолот, эхолоты?! И не надо иметь семь пядей во лбу, или хотя бы двух высших образований, чтобы не понять, что это лот и плюс эхо. Измерение глубины с помощью эхолокации. Всё просто как пять копеек... С парохода вниз в сторону дна излучается звуковой (ультразвуковой) сигнал и с приходом отражённого измеряется время (на туда-сюда-обратно) и вычисляют глубину. Для Вас всё это в основном для расширения кругозора. На рис1 корабль с четырьмя эхолотами. С каждого всё время на общий пульт подаётся значение реальной глубины. И как только глубина приближается к критической подаётся сигнал тревоги!

   ГИДРОЛОКАТОРЫ

   Ещё большими возможностями обладают гидролокаторы рис4. Здесь в основном военные дела, но всё же... Здесь:

   1 — излучатель эхолота;
   2 — пост гидроакустика;
   3 — излучатель для поиска (обнаружения) мин, торпед рис4-4, или подводных лодок рис4-5. И если у эхолота луч обзора более-менее широкий, то у гидролокатора он узкий и может сканировать пространство... В конечном итоге создать фото объекта (очень желанное для женщин и не только, — УЗИ-УЗИ-УЗИ...).

   ШУМОПЕЛЕНГАТОРЫ

   На рис3 Вы видите подводную, дизельную лодку, хотя для нашей лекции всё равно какая лодка и величина её роли не играет?.. А на рис3d гидроакустическая антенна этой лодки (в больших лодках, антенны несколько другой конструкции). Жёлтой стрелочкой антенна показана в «носу» лодки, стоящей на ремонте, в плавучем доке (вроде бы на Украине?). Это антенна шумопеленгаторной станции лодки (аналогично и надводного корабля). В рабочем состоянии антенна закрыта блестящими обтекателями рис3a. На рис3b Вы видите антенну обнаружения чужих гидроакустических сигналов (гидролокаторов), а на рис3с антенна станции опознавания и связи. Ну это так для общего развития. Мы же рассмотрим только ту, что на рис3d. Итак, это антенна шумопеленгаторной станции. Ведь лодке под водой приходится идти вслепую и шумопеленгаторная станция это глаза и уши подводников.

   Вся антенна представляет собой цилиндр по окружности которого расположены звуковые приёмники, длинные вертикальные трубки. Каждый приёмник представляет собой преобразователь звука в электрический сигнал. Своего рода микрофон. Если в радиоразведке не ограничиваются определением направления на источник, то в лодке только определение и всё! То есть нужно определить направление на источник шума (работающие двигатели и шумы винтов кораблей). Как всё это работает? Посмотрите на рис6, это упрощённая схема нашей антенны (вид сверху или снизу, как Вам удобнее). Для примера, мы взяли всего лишь 16 приёмников. А определение направления на источник определяется на слух акустиком, по максимуму шума. Хотя существуют и другие принципы...

   Если бы приёмники располагались на плоскости, то максимум шума был бы тогда, когда плоскость была перпендикулярна направлению на шум. Но у нас же все приёмники на окружности и? Правильно, нужно искусственно разместить их на плоскости. Но как? Возьмём 7 приёмников рис6, серый сегмент. Если бы приёмники располагались на плоскости, то при направление на максимум шума звук приходил бы на приёмники 1 и 7 одновременно, то есть в фазе. Вот в нашем случае должно так и быть, звук на все приёмники должен приходить одновременно. Но как если они расположены физически на разных расстояниях от источника звука?

   Можно создать плоскость с приёмниками искусственно! Как? Очень просто. Электрический сигнал с приёмника 4 задержать так, чтобы его сигнал и сигналы с приёмников 1 и 7 пришли одновременно (были в фазе). А заодно и остальные сигналы с приёмников 2,3,5 и 6. Да там задержка должна быть меньше и естественно пропорционально расстояниям... В итоге получим виртуальную плоскость (чёрный отрезок как бы нашей плоскости?.). Можно взять меньшее число приёмников и вообще другие, скажем 8-11 или 13-16 и подключить к задерживающим устройствам (компенсаторам). Тогда виртуальные плоскости будут ориентированы в пространстве так как и показано (синие и зелёные сегменты). Делая соответствующие переключения можно поворачивать плоскость антенны в определённом секторе. Вот такая «хитрая» система получилась! Ну, а уж далее, — дело техники. Если Вы встретите какую-нибудь литературу по теме, то там (как правило) всё объяснения делают на примере двух приёмников. Для нашего же случая нужно лишь мысленно между теми двумя (в литературе) вставить наши остальные.

   ИЗМЕРЕНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ СКОРОСТИ

   А относительной чего? Воды, для корабля и воздуха для самолёта. Все идеи приходившие в умные головы прошлых лет (веков) были направлены на измерение именно относительной скорости. Много было прожектов... Одни хорошие, другие не очень. Наиболее повезло французскому математику, физику и тд. Анри Пито. Да, тому который и предложил эту самую трубку Пито рис4a. Это упрощённый вариант на корабле вода, на самолёте воздух. Пока железяки неподвижны, уровень в вертикальной части трубки равен уровню воды за бортом. Но как только начиналось движение, создавалось давление и вода в вертикали начинала подниматься. И чем больше скорость, тем выше! Дёшево и сердито. Но почему-то мореманов это шибко не устраивало?! И был изобретён «спидометр» нового поколения рис5b. Аналогично устроены приборы для определения относительной скорости и вертикальной скорости в легкомоторных самолётах. На рис7 слева «спидометр», а справа измеритель вертикальной скорости, подъёма или снижения самолёта «Цессна-172».

   Кому первому стукнуло, но вдруг вспомнили про электромагнитную индукцию открытую ещё аж в 1839 году каким-то там Майклом Фарадеем? На рис5а Вы и видите знакомую со школы картинку. В магнитном поле (между полюсами магнита) движется проводник (очень зелёный). При его движении на концах проводника возникают заряды, и стало быть ЭДС, электродвижущая сила. И чем «хотчее» движется проволока, тем больше ЭДС! А, причём здесь ЛАГ? А? Как известно морская вода (да и речная с минуты на минуту такой же станет) богатая солями то есть является проводником и? Правильно, если провести в воде магнитом, то в нашем как бы морском проводнике возникнет ЭДС! Останется только измерить её и всё! Чем «хотчее» ползёт «парохед» с магнитом на борту, тем больше ЭДС. Но магнит не простой, а электро! Вдобавок переменного тока. Там какие-то заморочки случились из-за постоянного? Но нам-то по барабану, главное, чтобы можно было измерить скорость! Электромагнит в немагнитной оболочке опускается в воду рис5b-1. Туда же опускаются два контакта рис5b-2. Вольтметр V измеряет ЭДС. Показания переводятся в скорость и стало быть он (вольтметр) показывает именно скорость! К сожалению с самолётом этот фокус не пройдёт?! И там по-прежнему, всё та же трубка Пито. Только называется это барометрический измеритель скорости.

   ИЗМЕРЕНИЕ АБСОЛЮТНОЙ СКОРОСТИ

   Всё так красиво получается, всё складно... Вот только скорость всё-таки относительная. При встречном ураганном ветре скорость космическая, а самолёт еле ползёт! Значит, что? Нужно было искать способ измерить абсолютную скорость! Но абсолютными могут быть только идиоты! А в нашей «жисти» всё относительно! Не зря же Эйнштейн всем язык показывал? Но хотя бы абсолютную скорость относительно земли можно измерить, хотя бы! Но как? И тут вдруг откуда не возьмись, Доплер! Австрийский физик и астроном. Это он, каналья обнаружил, что звёзды разбегаются как тараканы... Но главное в том, что цвет их разбегающихся стал краснеть! Вернёмся опять в школу. Помните: «Каждый охотник желает знать где сидит фазан?!» Для тех у кого склероз стал народным достоянием, напоминаю: Красный, Оранжевый, Жёлтый, Зелёный, Голубой, Синий, Фиолетовый. Ну, вспомнили как Вашего учителя физики звали?

   Ведь свет это электромагнитные колебания с определённой частотой. Согласно Доплеру, если источник колебаний (света, звука) приближается к нам с какой-то скоростью, то мы будем наблюдать его как с изменившим свою частоту в сторону увеличения или говорят повышения. И приводят пример с поездом и его сигналом... А при удалении, наоборот частота снижается (уменьшается). А применительно к астрономии КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ и есть эффект Доплера, когда все составляющие спектра звёзд смещаются в область красного. Если очень грубо всё это представить, то фиолетовый стал синим, голубой зелёным, а оранжевый красным. При движении источника света к нам, наоборот цвета начнут голубеть, — всё сдвинется в сторону фиолетового.

   Вот на этом эффекте Доплера и был создан гидроакустический лаг рис2. Где Fд — сдвиг частоты эхо-сигнала. V — скорость судна. С — скорость звука в воде. При малой (относительно) скорости судна по сравнению со скоростью звука, углы a и a1 практически равны. В смысле в формуле только а присутствует. Дальнейшей разработкой явилась система из четырёх узконаправленных гидроизлучателей рис5. так ещё возможность контролировать не только скорость вперёд-назад, но и вправо-влево. Что особенно важно для современных неповоротливых и инертных судов во время манёвров. И кроме того знать скорость сноса (дрейфа), ну чтобы прийти куда надо, а не в соседнюю страну! Такие вот доплеровские давно применяют и в летательных аппаратах.

   Кроме упомянутых способов измерения абсолютной скорости существуют и другие. Почти все они лишь на бумаге, чисто в теоретическом виде. Но есть один и говорят очень даже перспективный. Это корреляционный способ. Но?! Но, чтобы его хоть как-то понять нужны знания по теории вероятности. Вы знаете её (теорию) на пять баллов? Я тоже нет! А посему мне здесь остаётся только упомянуть о его существовании!