популярно о природе звука

Сонары дальнего действия

До сих пор мы рассматривали сонары с радиусом действия в несколько километров. Такие сонары обычно применяются в подводных научных исследованиях и рыбном промысле. Однако для судов военно-морского флота (а именно для них и предназначались первые сонары) такие расстояния явно недостаточны. В наш век, когда подводные лодки, оснащенные ракетами с ядерными боеголовками, свободно бороздят просторы океанов, для обнаружения их требуются сонары с радиусом действия в несколько сотен километров. Кроме обычных технических вопросов (мощность импульса, чувствительность приемных устройств и т. д.), при создании сонаров дальнего действия приходится решать ряд вопросов, непосредственно связанных с морем.

Наиболее важные из этих вопросов обусловлены неоднородностями моря как среды, создаваемыми, в частности, изменениями температуры и давления. Так, с увеличением температуры на 1 °С скорость звука возрастает на 2,7 м/с, а с увеличением давления на каждые 100 м в глубину - на 1,82 м/с. Очевидно, что как температура, так и давление меняются с изменением глубины, а это опять-таки приводит к изменению скорости звука. Поскольку при изменении скорости звуковые волны преломляются, траектория импульса сонара дальнего действия весьма значительно отклоняется от прямой линии.

В верхнем слое океана, толщина которого достигает 120 м, вследствие постоянного перемешивания воды температура практически постоянна (по глубине). За верхним следует термоклинный слой, в пределах которого температура резко уменьшается до 2-0°С. Ниже этого слоя температура остается постоянной, а давление возрастает, поскольку глубина увеличивается. В верхнем слое скорость звука медленно растет за счет увеличения давления. Вблизи границы верхнего и термоклинного слоев происходит столь резкое изменение (уменьшение) температуры, что соответствующее уменьшение скорости звука перекрывает ее увеличение за счет возрастания давления. На нижних участках термоклинного слоя, где температура уже постоянна, скорость звука вновь увеличивается за счет увеличения давления.

Поскольку скорость звука меняется с изменением глубины, то звуковые импульсы при своем распространении в области с малой скоростью звука преломляются точно так же, как и световые волны на границе воздух- стекло. В результате такой сложной картины движения сонарных импульсов возникает «теневая зона». Объект, находящийся в этой зоне, нельзя обнаружить.

В устройство поступают высокоинтенсивные импульсы, что и обеспечивает хорошее «видение» объектов, находящихся в верхнем слое. Звуковые импульсы могут проникать и в термоклинный слой. Однако вследствие отрицательного градиента температур в этом слое преломление звуковых лучей происходит таким образом, что их траектории лежат ниже прямолинейной. Поэтому энергия импульсов, регистрируемых приемным устройством, мала. Наибольшее воздействие на распространение звуковых импульсов оказывает нижняя граница верхнего слоя. Внезапное изменение скорости звука приводит к резким изменениям направлений распространения звуковых импульсов: образуются так называемые зоны акустической тени, в которые не попадают звуковые импульсы. Чем меньше толщина верхнего слоя, тем больше зона акустической тени. В хорошую летнюю погоду при слабом ветре, когда толщина верхнего слоя уменьшается до 1 м, зона акустической тени может находиться на глубине всего лишь 50 м.

В таких зонах могут легко скрываться подводные лодки, которые нельзя обнаружить с помощью обычных сонарных установок. Существуют два метода обследования теневых зон. Первый - установка передающего преобразователя в термоклинном слое. Тогда большая часть звуковых импульсов распространяется именно в этом слое, что позволяет обнаруживать объекты, находящиеся на больших расстояниях. Однако при такой локации необходимы очень мощные источники звука, поскольку вследствие расширения звуковых пучков, обусловленного преломлением звуковых волн, интенсивность импульсов падает. Второй метод - применение сверхнизкочастотных звуков, длина волны которых превышает толщину верхнего слоя. По отношению к таким звуковым волнам океан ведет себя как однородная среда. К сожалению, при эгом мы вновь возвращаемся к старой проблеме размеров преобразователя. Для создания сколько-нибудь направленного пучка при частоте 10 Гц необходим преобразователь поперечником 200 м!

Наиболее многообещающим направлением в разработке сонаров дальнего действия является создание софарных систем (SOFAR - sound fixing and ranging system - система для измерения расстояния с помощью фиксированного звукового канала). Принцип работы софара основан на применении звуковых волн, скорость которых достигает минимального значения на нижней границе термоклинного слоя. Звук, порожденный на этой глубине, вследствие преломления будет всегда распространяться вдоль направления, соответствующего минимуму скорости звука. Возникает естественный глубинный звуковой канал, который действует как превосходный волновод. Такие весьма полезные звуковые каналы действительно существуют. Они находятся обычно на постоянных глубинах: например, 1274 м - в Атлантическом океане и 637 м - в северо-восточной части Тихого океана. В ряде экспериментов исследовались возможности софарных систем: с помощью станций, расположенных в зоне глубинного звукового канала, удалось «прослушивать» взрывы, произведенные на очень далеких расстояниях. Это позволяет нынешним софарным системам обнаруживать места запусков ракет из-под воды. Но наиболее широкие перспективы открываются перед софарами в мирной деятельности, а именно в навигационных системах дальнего радиуса действия. Пока мы еще не можем судить о точности таких звуковых навигационных систем. Тем не менее эксперимент, проведенный учеными Ламонтской геологической обсерватории (США), в котором софар передавал сигнал в водах Индийского океана от Бермудских островов на расстояние около 20 000 км, свидетельствует о больших потенциальных возможностях софарных систем.