популярно о природе звука

Сонары для обнаружения косяков рыб

Если исключить военное назначение, то можно считать, что наиболее широко сонары применяются в рыболовстве. Уже первое их использование в тридцатых годах нашего столетия буквально преобразило весь рыболовный промысел. Промысел рыбы в открытом море перестал быть блужданием на ощупь. Правда, первое время с помощью сонаров удавалось обнаруживать только большие косяки рыб. Поэтому рыбаки Аляски, Норвегии, стран тихоокеанского побережья, Советского Союза и Японии использовали сонары на крупных промыслах сельди и сардин. Они опускали в воду невод, трал или сети только после того, как с помощью сонара обнаруживали косяки рыбы. Конечно, и теперь легче всего обнаруживать сонарными установками скопления рыбы. Однако современная сонарная установка даже в плохую погоду и при максимальной глубине траления может зафиксировать сигнал, отраженный всего от одной большой рыбы, находящейся, например, на расстоянии 50 см от дна. Применение сонаров в рыбном промысле позволяет рассмотреть некоторые теоретические вопросы звуковой локации, а также проблемы подводного «видения» с помощью звука.

Как в первых конструкциях, так и в современных сонарах простейшего типа (эхолотах) звуковой луч направляется строго вертикально вниз. Наиболее эффективно эхолоты работают на средних глубинах, хотя, согласно некоторым оптимистическим утверждениям, их можно использовать и в глубоководной локации. Для этого необходимо, чтобы ширина излучаемого (а также принимаемого) звукового пучка была порядка 30°, мощность импульса - 200 Вт, продолжительность импульса - 1 мс и рабочая частота установки - 30 кГц. С помощью такого сонара можно было бы обнаружить одну-единственную сельдь на глубине 100 или одну большую треску на глубине 200 м,

Конечно, для того чтобы различить отдельную рыбу, необходимо, чтобы она находилась от других мишеней (в частности, от дна) на расстояниях, по вертикали больших ширины импульса, а по горизонтали- линейной ширины пучка. Ширина импульса в 1 мс в воде составляет около 1,5 м, ширина пучка на глубине порядка 180 м равна 100 м. Поэтому в пределах области, определяемой угловой шириной пучка и рассматриваемой глубиной, невозможно различить отдельную рыбу. И если на этом участке плавает несколько рыб, то сонар все равно зафиксирует только один отраженный сигнал.

Как же улучшить разрешающую способность сонара? Ответ на этот вопрос совершенно очевиден - создавать более узкие пучки и более короткие импульсы. Все эти изменения можно делать за счет увеличения частоты. В самом деле, звуковой пучок шириной 30° и с частотой 30 кГц можно создать преобразователем, поперечные размеры которого порядка двух длин волн испускаемого звука (около 10-15 см). Если же мы захотим получить пучок шириною 2°, то нам понадобится преобразователь, поперечник которого в 30 раз превосходит длину волны излучаемого звука (то есть примерно 150 см). Преобразователи таких размеров чрезвычайно дороги и неудобны в обращении. Таким образом, наиболее простым способом уменьшения длины волны является увеличение частоты.

Работая с высокочастотным звуком, мы можем получать как более узкие пучки, так и более короткие импульсы. Для создания пучка шириной 1° при частоте 300 кГц необходим преобразователь с поперечными размерами не более 30 см. Если же продолжительность импульса уменьшить до 0,1 мс и меньше (это возможно), то поперечник преобразователя не превысит 15 см. И тогда размеры области разрешения на глубине 180 м уменьшатся до 3 м по горизонтали и 15 см по вертикали.

Однако повышение разрешающей способности сонара происходит за счет ухудшения других его характеристик. В начале этой главы мы уже говорили о том, что с увеличением частоты звука уменьшается его проникающая способность. Этот эффект можно компенсировать, увеличивая мощность звукового импульса; но тем не менее на частотах выше 100 кГц дальность действия узколучевых сонаров ограничена (180-270 м). Применение узколучевых сонаров порождает и другие проблемы. Дело в том, что узкий луч сонара необходимо как-то синхронизировать с движением судна, в противном случае отраженный сигнал пройдет мимо судна и не будет зарегистрирован- мы не получим информации о местонахождении косяков рыбы. Длительные испытания показали ценность узколучевых сонаров как для обнаружения рыбы, так и определения плотности ее скоплений. С помощью некоторых сонаров можно установить не только размеры рыбы, но и ее вид.

При переходе от рабочей частоты 30 кГц к 300 кГц существенно меняется также тип шумов, сопровождающих работу установки. До сих пор мы предполагали, что единственный звук, который регистрирует наша сонарная установка, - это эхо посылаемого нами сигнала. К сожалению, в действительности дело значительно сложнее. Во-первых, море само по себе является источником шумов. А во-вторых, оно насыщено различными звуками, порождаемыми деятельностью человека (например, шумом винтов судовых двигателей). Морской шум можно разделить на два типа: собственно морской шум, создаваемый движением волн, морскими животными и рыбой, и «тепловой», обусловленный беспорядочным движением молекул. Когда сонар работает на частотах, меньших 100 кГц, то основной помехой является собственно морской шум. При частотах выше 100 кГц ею становится тепловой шум. Тот и другой по своей природе совершенно беспорядочны. Это накладывает некоторые ограничения на использование сонаров. Конечно, с помощью специальных электронных устройств влияние шумов можно свести к минимуму. Основной проблемой здесь является увеличение мощности передатчика и улучшение отношения сигнала к шуму, что позволит значительно расширить использование сонаров.

Еще в большей степени чувствительность и радиус действия сонаров ограничиваются реверберацией - многократным отражением импульса от посторонних мишеней. Реверберация может возникать за счет

рассеяния импульса инородными предметами, находящимися в воде, неоднородностями воды, поверхностью раздела вода - воздух и дном океана. В таких случаях простым увеличением мощности импульса ничего нельзя достигнуть, поскольку реверберационные эффекты растут в той же пропорции. Уменьшив же длительность импульса, можно понизить реверберационные эффекты, так как энергия переносимая импульсом, пропорциональна произведению мощности на длительность. Таким образом, мы еще раз подтвердили целесообразность использования возможно более коротких импульсов.

Основным источником реверберации является морское дно. С учетом этого факта был разработан новый тип сонара - с механическим управлением лучом. Такой луч можно посылать в любом направлении как в горизонтальной, так и вертикальной плоскости. Один из первых сонаров подобного типа имел пучок шириной 10° в горизонтальной плоскости и лишь 2° -в вертикальной. Рабочая частота его равнялась 61 кГц, а длительность импульса несколько превышала 1 мс. С помощью данной установки удается легко обнаруживать рыбу вблизи судна, но с трудом - около дна, так как в вертикальном направлении пучок был слишком узким.

Применение сонарных установок с узким (менее 20° в горизонтальном направлении) лучом типа описанных выше позволяет значительно снизить эффект реверберации и обнаружить рыбу, плавающую около дна, на глубине 100-180 м.

Однако уменьшение ширины пучка приводит к снижению скорости и эффективности обследования подводного пространства. Повысить их можно с помощью электронных сканирующих систем. По сравнению с другими устройствами эти системы дают более четкие и детальные картины подводных пейзажей. Последние двадцать лет ведутся очень интенсивные работы по созданию таких сонаров.