Подводные лодки. Submarine.itishistory.ru
ПОДЛОДКИ МОДЕЛИ ТАНКИ ИСТОРИЯ

Гидроакустика на Подводной Лодке

«Если ты, будучи в море, опустишь в воду отверстие трубы, а другой конец приложишь к уху, то услышишь идущие вдали корабли». Эти слова принадлежат гениальному Леонардо да Винчи, но понадобились столетия, чтобы человек нашел этому явлению практическое применение.

На то, что под водой шумы судов, обеспечивающих испытания подлодок, слышно гораздо лучше, чем в надводном положении, испытатели обратили внимание сразу. Однако направление на них можно было определить с точностью до 90°: с носа, с кормы, с правого или с левого борта. Именно поэтому эффект хорошей звукопроводимости воды сначала использовали только для безопасности плавания, а затем подводной связи.

 

Схема гидрофонической станции Балтийского завода обр.1907г

Схема гидрофонической станции Балтийского завода обр.1907г.:

 1 — водяной насос; 2 — трубопровод; 3 — регулятор давления; 4 — электромагнитный гидравлический затвор (телеграфный клапан); 5 — телеграфный ключ; 6 — гидравлический мембранный излучатель; 7 — борт корабля; 8 — танк с водой; 9 — герметизированный микрофон

 

В частности, в целях предупреждения об опасности посадки кораблей на мель или камни в плохую видимость создали подводный колокол, удары которого прослушивались через корпус корабля, а впоследствии с помощью угольного микрофона. Правда, дальность слышимости колокола была невелика, и вскоре от этой идеи отказались.

В 1890-х гг. на Балтийском судостроительном заводе по инициативе капитана 2 ранга М. Н. Беклемишева начали работы по разработке приборов гидроакустической связи. Первые испытания гидроакустического излучателя для звукоподводной связи проводились в конце XIX в. в опытовом бассейне в Галерной гавани в Петербурге. Излучаемые им колебания хорошо прослушивались за 7 верст на Невском плавучем маяке. В результате исследований в 1905г. создали первый прибор гидроакустической связи, в котором роль передающего устройства играла специальная подводная сирена, управляемая телеграфным ключом, а приемником сигналов служил угольный микрофон, закрепленный изнутри на корпусе корабля. Сигналы регистрировались аппаратом Морзе и на слух. Позднее сирену заменили излучателем мембранного типа. Эффективность прибора, названного гидрофонической станцией, значительно повысилась. Морские испытания новой станции состоялись в марте 1908г. на Черном море, где дальность уверенного приема сигналов превышала 10км.

Первые серийные станции звукоподводной связи конструкции Балтийского завода в 1909—1910 гг. установили на подводных лодках «Карп», «Пескарь», «Стерлядь», «Макрель» и «Окунь». При установке станций на подводных лодках в целях уменьшения помех приемник располагался в специальном обтекателе, буксируемом за кормой на кабель-тросе. К подобному решению англичане пришли лишь во время Первой мировой войны. Затем эту идею забыли и только в конце 1950-х г г. ее снова стали использовать в разных странах при создании помехоустойчивых гидролокационных корабельных станций.

В процессе использования гидрофонических станций установили возможность обнаружения с их помощью шумов кораблей. Накануне Первой мировой войны при проведении опытов в Бугском лимане шум небольшого портового катера прослушивался на расстоянии 5 кабельтовых. Проводимые в этом направлении работы привели к появлению в 1915 г. первых отечественных приборов, прообразов шумопеленгаторных станций. Применяемые в этих установках гидрофоны размещались в специальных мечеобразных устройствах, располагавшихся под днищем корабля. Приборы Балтийского завода, равно как и иностранных фирм, могли работать только на стопе корабля и дистанцию до цели не измеряли.

Первая мировая война во всех ведущих военно-морских державах, кроме России, стимулировала развитие гидроакустики. Особенно заметных результатов достигла Германия и Великобритания. В Советском Союзе первые отечественные шумопеленгаторы появились лишь в начале 1930-х гг.

Электроакустический преобразователь

Основным элементом любой гидроакустической станции является электроакустический преобразователь, который обычно называют вибратором, или приемником, в зависимости от того, в какую станцию, гидролокационную или шумопеленгаторную, он входит.

Принцип преобразования звуковой энергии в электрическую и обратно основан на известных из физики явлениях пьезоэлектрического и магнитострикционного эффектов. Пьезоэлектрическим эффектом обладают некоторые виды кристаллов. Он заключается в том, что кристаллы изменяют свои размеры под влиянием приложенного к ним электрического напряжения и, наоборот, выделяют электрические заряды, если изменять размеры кристаллов путем сжатия или растяжения их по определенным направлениям. Из естественных кристаллов этим эффектом обладают кварц и турмалин, из искусственных — сегнетова соль и дигидрофосфат аммония. Хотя сегнетова соль характеризуется сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом, она разрушается при температуре свыше 55°С. У кварца значительно большая прочность.

Кристалл представляет собой шестигранную призму, сверху и снизу оканчивающуюся шестигранными пирамидами. Однако в таком виде кварц, как правило, не применяется, так как пьезоэлектрические свойства его слабо выражены. Для использования в качестве электроакустического преобразователя кварц предварительно обрабатывают, вырезая определенным образом из его природной формы пластинку, которую покрывают металлическими электродами. Если сжимать пластинку, то на электродах появятся электрические заряды. Величина их прямо пропорциональна сжимающему усилию. Звуковое давление в воде, образовавшееся, например, в результате работы винтов корабля, передается пьезоэлектрической пластинке, на поверхности которой возникает переменное электрическое напряжение, которое затем усиливается и подается далее на телефон. В телефоне гидроакустик прослушивает шумы, подобные шумам винтов корабля.

Магнитострикционным эффектом обладают так называемые ферромагнитные материалы — железо, никель, кобальт и их сплавы. Стержень из ферромагнитного материала, внесенный в магнитное поле, деформируется, то есть его размеры уменьшаются или увеличиваются. Это явление называют прямым магнитострикционным эффектом.

 

Кристалл кварца

Кристалл кварца

 

Различные ферромагнитные материалы деформируются в магнитном поле неодинаково: одни из них растягиваются, другие сжимаются. При этом они приобретают свойства магнита. При устранении намагничивающего поля магнитные свойства стержня не пропадают, а сохраняются еще в течение длительного времени (гистерезис). Такой намагниченный стержень создает вокруг себя магнитное поле. Напряженность этого поля тем больше, чем больше был намагничен стержень. Если такой стержень подвергнуть деформации — сжатию или растяжению, то напряженность магнитного поля в окружающем пространстве изменится, то есть при деформации стержня степень его намагниченности как бы меняется. Явление изменения степени намагниченности ферромагнитного стержня при его деформации носит название обратного магнитострикционного эффекта.

Прямой и обратный магнитострикционный эффекты используются в гидроакустических средствах наблюдения, эхолотах и вообще в гидроакустике для излучения и приема звуковых колебаний.

Шумопеленгаторная станция

Шумопеленгаторная станция является неизлучающим, пассивным средством наблюдения, позволяющим обнаружить шумящий объект на воде и под водой и определить направление на него. Основным достоинством шумопеленгаторной станции является абсолютная скрытность ее работы. Поэтому наибольшее распространение шумопеленгаторные станции получили именно на подводных лодках, для которых скрытность является залогом боевого успеха.

Шумопеленгаторные станции периода Второй мировой войны имели похожее устройство. В базу приемников входит от восьми до нескольких десятков приемников, основным элементом которых является кристалл сегнетовой соли или стержень из ферромагнитного материала, предназначенный для преобразования приходящей к базе звуковой энергии в электрическую на принципе пьезоэлектрического или магнитострикционного эффекта.

 

Типовая блок-схема шумопеленгаторной станции

Типовая блок-схема шумопеленгаторной станции:

1 — база приемников; 2 — компенсатор; 3 — усилитель; 4 — фильтры; 5 — телефон или громкоговоритель

 

Сегнетоэлектрический приемник набирается из тонких пластинок сегнетовой соли. Между пластинками прокладывается тонкая металлическая фольга — электрод. Пластинки и металлические прокладки складываются вместе. Получившийся пакет зажимается между корпусом приемника и его мембраной. Давление приходящей звуковой волны передается от мембраны на кристалл, на боковой поверхности которого образуются электрические заряды — разность потенциалов. Последняя снимается с помощью электродов.

Приемники в базе расположены по окружности, эллипсу или линейно. База приемников размещается в днище носовой части подводной лодки. Провода от приемников базы заводятся через специальный сальник в прочный корпус подводной лодки, где присоединяются к выходу компенсатора.

Компенсатор предназначен для сложения электрических напряжений, возникающих во всех приемниках базы в одну результирующую электродвижущуюся силу одной фазы. Звуковая волна приходит неодновременно ко всем приемникам. Сначала — к первому приемнику, потом ко второму и восьмому, далее к третьему и седьмому, к шестому и четвертому и, наконец, к пятому, как к самому удаленному от первого приемника.

Компенсатор восполняет сдвиг по времени между моментами прихода звуковой волны к разным приемникам базы, задерживая электрические колебания, возникшие в первых приемниках относительно последующих. Ясно, что компенсатор более всего задерживает электрические колебания, возникающие в приемниках, расположенных в базе диаметрально противоположно, например, в первом и пятом.

 

Сегнетоэлектрический приемник

Сегнетоэлектрический приемник:

1 — пластинки сегнетовой соли; 2 — электроды; 3 — корпус приемника; 4 — мембрана; 5 — сальник

 

Компенсатор состоит из большого числа отдельных электрических цепей, в каждую из которых входит конденсатор и катушка самоиндукции. Электрические цепи соединены последовательно и образуют общую задерживающую цепь компенсатора. Из основ электротехники известно, что если к электрической цепи, состоящей из конденсатора и катушек самоиндукции, подается переменное электрическое напряжение, то на выходных зажимах напряжение оказывается сдвинутым по фазе по отношению к подаваемому напряжению. На этом свойстве и основана работа задерживающей цепи компенсатора.

Для простоты объяснения работы компенсатора рассмотрим задержку электрического напряжения, возникшего в первом приемнике относительно пятого, не беря в счет наличие в базе других шести приемников. Токи от электрических напряжений, возникших в первом и пятом приемниках, проходят задерживающую цепь и затем складываются в телефонах. Подвижным контактом можно подключать к приемникам большее или меньшее число отдельных электрических цепей, состоящих из конденсаторов и катушек самоиндукции. Чем больше цепей подключено, тем больший сдвиг фаз возникает между напряжениями на входе и выходе компенсатора.

Ввиду того что к первому приемнику звуковая волна приходит раньше, чем к пятому, электрическое напряжение в пятом приемнике отстает по фазе от напряжения в первом приемнике. Необходимо «задержать» ток, возникший от электрического напряжения первого приемника, с таким расчетом, чтобы токи от обоих приемников (первого и пятого) пришли к телефонам вместе в одной фазе. Для этого мы должны ввести с помощью контакта в цепь первого приемника максимальное число отдельных электрических цепей, а в цепь пятого приемника — минимальное. Этим самым мы компенсируем сдвиг фаз между токами, возникший в результате неодновременного прихода звука к приемникам.

 

Принцип работы компенсатора

Принцип работы компенсатора:

1 и 5 — приемники; Т — телефоны; К — подвижный контакт

 

Момент отсутствия сдвига фаз между токами от разных приемников базы отмечается в телефонах звуком максимальной громкости. По количеству электрических цепей, включенных на компенсаторе для получения звука максимальной громкости, можно судить об угле, под которым звуковые лучи приходят к базе приемников. Так, например, если количество включенных цепей равно нулю, то звук приходит в направлении, перпендикулярном линии, соединяющей первый и пятый приемники. В шумопеленгаторных станциях подвижной контакт связан со стрелкой прибора отсчета направления (курсового угла) на цель.

С выхода компенсатора электрические колебания поступают на вход усилителя, где они возрастают по амплитуде в десятки и сотни тысяч раз (в зависимости от коэффициента усиления усилителя). Если приемники работают в ультразвуковом диапазоне частот, то усилитель, кроме того, и преобразует колебания из ультразвуковых в звуковые.

Фильтр пропускает только определенную полосу частот. При этом низкие частоты обеспечивают большую дальность шумопеленгования, высокие частоты более защищены от помех, возникающих от собственного хода подводной лодки, и обеспечивают более высокую точность определения направления на шумящий объект. Обычно точность пеленгования такими шумопеленгаторами лежит в пределах 2—3°. С помощью телефонов или громкоговорителей гидроакустик прослушивает шум корабля-цели.

На советских подводных лодках в годы войны стояли шумопеленгаторные станции «Марс» с 8 приемными гидрофонами для подлодок типа М, 12 гидрофонами для типа С и Щ, с 16 гидрофонами для типа К и Л.

Наряду с максимальным методом шумопеленгования, рассмотренным выше, применяется фазовый метод. Он основан на фиксации разности времени прихода звука от цели к двум приемникам или к двум группам приемников. Если перпендикуляр к базе двух приемников точно направлен на источник шума, то звуковые волны достигают обоих приемников одновременно. В обмотках магнитострикционных приемников появляются напряжения сигнала, равные по фазе и амплитуде. Эти напряжения подаются на вход двухканального усилителя, имеющего два входных трансформатора.

 

Расположение приборов шумопеленгаторной станции: «Марс-8»

Расположение приборов шумопеленгаторной станции: «Марс-8»:

 1 — гидрофоны; 2 и 3 — кабельные соединительные коробки; 4 — компенсатор; 5 — усилитель; 6 — фильтр; 7 — головные телефоны

 

В одном трансформаторе оба напряжения складываются и суммарное напряжение усиливается каналом суммы усилителя. В другом трансформаторе одно напряжение вычитается из другого, а разностное напряжение подается для усиления в канал разности усилителя. Из канала суммы напряжение подается на вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки, а из канала разности — на горизонтально отклоняющие пластины. Ввиду того что в рассматриваемом случае напряжения обоих приемников равны по амплитуде и фазе, разностное напряжение равно нулю и на экране трубки будет видна вертикальная прямая линия. Если повернуть базу приемников влево или вправо от направления на источник шума, то звуковые колебания достигнут обоих приемников неодновременно. Напряжения сигнала, возникающие в приемниках, будут отличаться по фазе. Чем больше угол поворота базы, тем больше разность времени в прохождении звуковых колебаний к приемникам и тем больше сдвинуты по фазе напряжения левого и правого приемников. Амплитуды напряжений останутся одинаковыми, так как разность хода неизмеримо меньше расстояния от базы до источника звука.

 

Принцип фазового метода шумопеленгования

Принцип фазового метода шумопеленгования

 

В двухканальном усилителе имеется устройство (фазодвигающая ячейка), которое сдвигает оба напряжения по отношению друг к другу на угол 90°. Вследствие этого на выходе каналов суммы и разности напряжения всегда будут в фазе или в противофазе. Таким образом, при повороте базы приемников на некоторый угол на выходах усилителя появляется два напряжения, не равные нулю и не одинаковые по величине, но либо совпадающие по фазе, либо сдвинутые на 180°. При помощи этих напряжений, приложенных к отклоняющим пластинам электронно-лучевой трубки, на ее экране появляется наклонная прямая линия. Угол наклона линии зависит от соотношения амплитуд напряжений. Если амплитуды равны, то угол наклона будет 45° (равнодействующий вектор). Если одно из напряжений равно нулю, то линия располагается соответственно вертикально или горизонтально. Сторона наклона ее показывает, в какую сторону относительно истинного направления на цель повернута ось акустической базы. Таким образом, для того чтобы определить направление на источник звука (запеленговать), достаточно установить базу в таком положении, при котором на экране трубки будет видна вертикальная прямая линия. Угол поворота базы, при котором линия строго вертикальна, и будет курсовым углом на цель.

Шумопеленгаторная станция «Феникс»

Для реализации фазового метода измерения направления необходимо иметь либо плоскую подвижную антенну, либо цилиндрическую. Например, первая послевоенная отечественная шумопеленгаторная станция «Феникс» имела в качестве акустической системы цилиндрическую базу из 132 магнитострикционных приемников. Пеленгование осуществляется не ее вращением, а путем электрической компенсации разности времен прихода к приемникам звуковых колебаний. Для этого между акустической системой и усилительно-индикаторной частью включаются звенья задерживающей цепи из емкостей и индуктивностей, которые обеспечивают соответствующее запаздывание электрических сигналов.

 

Блок-схема шумопеленгатора с автоматическим сопровождением цели

Блок-схема шумопеленгатора с автоматическим сопровождением цели

 

Вращая штурвал компенсатора и наблюдая за линией на экране для определения направления на цель, гидроакустик вводит в схему такое количество задерживающих звеньев, которое полностью компенсирует разность хода сигналов от различных приемников. Для каждого направления прихода звука полная компенсация будет только при одном определенном положении стрелки компенсатора, совпадающем с точным пеленгом (курсовым углом) на цель. Появление на экране вертикальной линии соответствует точному направлению.

В некоторых типах шумопеленгаторов предусмотрено устройство для автоматического сопровождения цели. В его состав входит акустическая система, блок формирования характеристики направленности (компенсатор), полосовой фильтр, индикатор, а также узлы и элементы, обеспечивающие автоматическое сопровождение цели.

При отклонении лепестка направленности шумопеленгатора от направления на цель на какой-то угол в схеме возникает сигнал ошибки, пропорциональный углу отклонения (рассогласования). После усиления сигнал поступает на элементы системы слежения и далее на исполнительный двигатель. Двигатель, связанный механически с компенсатором, начинает вращаться, поворачивая лепесток направленности таким образом, чтобы сигнал ошибки довести до нуля. Когда лепесток будет точно направлен на цель, сигнал ошибки исчезнет и двигатель перестанет вращаться. При новом отклонении оси излучения от цели двигатель снова начинает работать и весь цикл повторяется. Автоматическое сопровождение цели значительно облегчает работу гидроакустика, которому в этом случае для ее пеленгования не нужно вращать штурвал компенсатора.

Предыстория Подводной лодки

Первые двигатели для Подводных лодок

Первое оружие Подводных лодок

Почему Подводная Лодка не тонет

Первые работоспособные Подводные лодки

Тактико-технические элементы первых Подводных лодок

Первые двигатели сгорания на Подводных Лодках

Создание первых Торпед для подводных лодок

Жилое помещение на Подводной лодке

Подводные лодки на Войне

Позиционные Подводные лодки

Подводные минные заградители

Паросиловые установки на Подводной лодке

Погружение Подводной лодки

Перископ на Подводной лодке

Гидроакустика на Подводной лодке

Эхопеленгование на Подводной лодке

Радиолокация на Подводной лодке

Торпеда — главное оружие Подводной лодки

Подводные лодки Крейсера

Основные тактико-технические элементы подводных крейсеров

Подводные Авианосцы

Вентиляционные трубы Подводной лодки

Спасательный комплекс Подводной лодки

Анализ Подводных лодок после Второй мировой войны

Двигатели для Подводной лодки

Разработки двигателей для Подводной лодки

Схема электродвижения Подводной лодки

Первые Подводные лодки с ядерной энергетической установкой

Многоцелевые атомные Подводные лодки

Подводные лодки с баллистическими ракетами

Баллистические ракеты Подводных лодок

Подводные лодки с ядерной энергетической установкой

Минно-торпедное оружие Подводных лодок

Крылатые ракеты Подводных лодок

Спасательная камера Подводной лодки

Конструкция корпусов современных Подводных лодок

Центральный пост дизельной подводной лодки

Навигационное вооружение Подводных лодок

Летопись подводного флота

Основы теории корабля

Модель торпедного катера

Модель тральщика

Модель подводной лодки

Модель противолодочного корабля

Модель эскадренного миноносца

Модель крейсера

Двигатели для моделей кораблей

Гребной винт для модели корабля