Глава 7.

ЗВУКОСИГНАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА НАВИГАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

В настоящее время, в связи с массовыми поступлениями на корабли я суда высокоточных технических средств навигации и особенно радионавигационных и радиолокационных средств, роль звукосигнальных СНО в обеспечении безопасности кораблевождения и мореплавания значительно снизилась.

Однако звукосигнальные установки как предостерегательные СНО еще широко используются в прибрежной зоне для обеспечения безопасности плавания судов и других плавсредств, не оборудованных современными техническими средствами навигации.

Звукосигнальные установки ориентируют мореплавателей относительно навигационных опасностей, на которых или вблизи которых они установлены и действуют. Направление на источник звука частотой 100—1000 Гц определяется ориентировочно при подаче протяжных длинных сигналов с точностью 12—14°, при подаче коротких сигналов с точностью 3—4°. Удаление корабля от навигационной опасности или приближение к ней оценивается по усилению или ослаблению уровня громкости звукового сигнала. Однако к такой оценке следует подходить с большой осторожностью. Дальность действия звукосигнальных установок в общем невелика, поэтому их применение ограничивается ближней прибрежной зоной. Установка звукосигнальных средств на плавучих маяках и больших морских буях несколько расширяет возможности их применения в зоне открытого моря.

Таким образом, звукосигнальные установки могут служить только в качестве ориентирных и предостерегательных средств навигационного оборудования. Они дополняют комплекс различных СНО, обеспечивающих безопасность плавания.

§7.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МАЯЧНЫХ ЗВУКОСИГНАЛЬНЫХ УСТАНОВОК

По принципу действия звукосигнальные установки делятся на:

электрические, которые в свою очередь подразделяются на электромагнитные (наутофоны) и электродинамические (УЗД — установки звукосигнальные динамические);

пневматические (сирены, диафоны, тайфоны, ревуны);

механические (колокола, гонги).

Внастоящее время в практике навигационного оборудования морей используются главным образом электрические звукосигнальные установки на знаках и маяках (в том числена гидротехническом основании) и ревуны на больших морских буях.

По месту установки звукосигнальные установки делятся на:

—береговые, или стационарные (наутофоны, сирены, УЗД и т. д.);

—плавучие (ревуны, колокола).

По дальности действия и мощности звукосигнальные установки можно разделить условно на две группы:

звукосигнальные установки ближнего действия с дальностью слышимости до 1 мили;

звукосигнальные установки среднего действия с дальностью слышимости от 1 до 5 миль.

Наутофонная установка типа 3/Р5-52

Наутофон 3/Р5-52 — стационарная звукосигнальная установка, предназначенная для подачи кораблям и судам звуковых воздушных, сигналов в условиях плохой видимости.

В комплект наутофонной установки входят следующие основные узлы (рис. 7.1): два дизельэлектрических агрегата 2, два преобразователя частоты 1, щит управления установкой 4, сетевой трансформатор 3, группа звуковых излучателей 5 и резонансные конденсаторы 6.

Питание наутофонной установки производится от штатных автономных дизель-электрических агрегатов, от местной силовой электросети напряжением 127/220 В или от трехфазной электросети 380 В при частоте тока 50 Гц.

Электроэнергия от дизель-электрического агрегата или от местной сети через сетевой трансформатор подводится к щиту управления, откуда поступает на преобразователь частоты. Преобразователь трехфазный ток промышленной частоты преобразует в однофазный переменный ток повышенной частоты, который через щит управления подводится к катушкам возбуждения электромагнитов звуковых излучателей, где преобразуется в звуковую энергию.

Дизель-электрический агрегат состоит из двигателя внутреннего сгорания мощностью 20 л. с, 1500 об/мин с радиаторным охлаждением и спаренного с ним на общей фундаментальной раме генератора трехфазного переменного тока мощностью 19 кВт, напряжением 380 В и частотой 50 Гц.

В комплект наутофонной установки входит два дизель-электрических агрегата, что вызвано необходимостью поочередной работы агрегатов при длительной круглосуточной работе установки.

Преобразователь частоты представляет собой двухмашинный агрегат, преобразующий переменный трехфазный ток промышленной частоты напряжением 380 В в переменный однофазный ток частотой 250 Гц, напряжением 450 В и предназначен для питания электрической энергией воздушных звуковых излучений.

Щит управления предназначен для управления работой установки и имеет для этого все необходимые измерительные приборы и электромеханические устройства. На лицевой панели щита расположены электроизмерительные приборы, рукоятки реостатов возбуждения генераторов и переключателей, кодовые аппараты, кодовые и максимальные реле и предохранители. На тыльной стороне щита расположены балластные реостаты, реостаты возбуждения генераторов, переключатели, автотрансформатор и клеммные колодки. Автотрансформатор предназначен для регулирования напряжения, подводимого к звуковым излучателям, и рассчитан на ступенчатое повышение напряжения в пределах 50 В от напряжения, установленного на зажимах преобразователя.

Звуковые излучатели преобразуют электрическую энергию однофазного переменного тока повышенной частоты в звуковую энергию. В состав наутофонной установки ЗР/5-52 входит группа из трех

излучателей, разрез одного из которых показан на рис. 7.2. Излучатель состоит из массивного чугунного корпуса 1, отлитого в виде чаши с широко отогнутыми краями. На дне корпуса укреплен электромагнит 7. На края корпуса уложена мембрана 6, в центре которой укреплен якорь 2. Для уменьшения потерь на вихревые токи электромагнит и якорь собраны из тонких (0,35 мм) листов трансформаторной стали.

Поверх мембраны установлена крышка 5 с коническим рупором 4. Мембрана и крышка соединены с корпусом болтами 3 таким образом, что между электромагнитом и якорем мембраны имеется зазор, обеспечивающий колебания мембраны. В пазы пакета электромагнита уложена катушка 8, предназначенная для возбуждения магнитной силы, приводящей мембрану в колебания.

Процесс преобразования электрической энергии в звуковую может быть кратко пояснен следующим образом. Однофазный ток повышенной частоты (250 Гц) пропускается через катушку возбуждения электромагнита. Вокруг катушки создается переменное магнитное поле, замыкающееся через зазор и якорь мембраны на корпус электромагнита. Сила притяжения якоря меняется периодически и приводит якорь, а вместе с ним и мембрану в колебательное движение.

Каждому полупериоду переменного тока, протекающего по катушке возбуждения электромагнита, соответствует один полный период колебаний мембраны. Таким образом, частота колебаний мембраны будет в два раза больше частоты переменного тока, питающего звуковые излучатели. Колеблющаяся мембрана возбуждает звуковые волны, которые воспринимаются ухом человека как звук. Частота звуковых колебаний воздуха равна частоте колебаний мембраны. Частоты собственных колебаний мембраны каждого из трех излучателей не совпадают, они искусственно разнесены на 10—15 Гц. Этот разнос частот собственных колебаний мембраны звуковых излучателей, входящих в группу, сделан для того, чтобы при изменении оборотов первичного двигателя внутреннего сгорания, т. е. при изменении частоты тока, питающего установку, не иметь резкого снижения излучаемой звуковой мощности и облегчить условия эксплуатации установки без существенного снижения дальности действия ее звуковых сигналов.

Примером подбора звуковых излучателей может быть группа, имеющая резонансные характеристики отдельных излучателей и суммарную резонансную характеристику всех излучателей такие, как на рис. 7.3. Из приведенного графика резонансных характеристик следует: для того, чтобы звуковые излучатели работали с большей отдачей, необходимо питать их током, частота которого соответствует звуковой частоте 495 Гц. А так как звуковая частота в два раза больше частоты питающего тока, то рабочая частота тока преобразователя, питающего звуковые излучатели, должна быть равна 247,5 Гц.

Из графика рис. 7.3 следует также, что допустимому перепаду потребляемой излучателями мощности (70% от максимальной) соответствуют изменения частоты питающего тока в пределах ±1,5 Гц от рабочей, или, другими словами, количество оборотов первичного двигателя внутреннего сгорания можно поддерживать с точностью ±0,3% от установленных для данной группы излучателей, существенно не снижая дальность слышимости звуковых сигналов.

Три звуковых излучателя, входящие в комплект наутофонной установки монтируются в группу один над другим на балке коробчатого железа (см. рис. 7.1). Такая группа излучателей обеспечивает направленное излучение в горизонтальном угле 110—120°. Для обеспечения одинаковой громкости излучения во всех направлениях излучатели: монтируются в группу, как показано на рис. 7.4.

Резонансные конденсаторы служат для настройки электрических цепей звуковых излучателей на электрический резонанс (резонанс токов), что повышает эффективность их работы.

Емкость конденсатора подбирается из условия равенства емкостного и индуктивного сопротивле-

C = ω12 L

где с — емкость;

ω = 2πf — круговая частота;

f — частота тока питания звуковых излучателей;

L — самоиндукция излучателя с усеченным сегментом.

При параллельном подключении на зажимы каждого излучателя конденсаторов соответствующей емкости будем иметь практически активную нагрузку на преобразователе частоты, т. е. коэффициент мощности нагрузки станет близким к единице.

Использование явления резонанса токов позволяет снизить величину тока, протекающего по подводящим проводам, в 3—4 раза по сравнению с величиной рабочего тока в катушке электромагнита излучателя. Все это приводит к уменьшению сечения жил кабеля, питающего излучатели, либо к увеличению расстояния, на которое выносятся излучатели.

Резонансные конденсаторы размещаются в брызгонепроницаемой коробке, которая, как правило, устанавливается вблизи излучателей на опоре для того, чтобы провода контура были возможно короче.

Принципиальная схема наутофонной установки 3/Р5-52 представлена на рис. 7.5.

Энергия переменного трехфазного тока от дизель-электрического агрегата 3 подводится к преобразователю частоты 4, который преобразует переменный трехфазный ток промышленной частоты в однофазный ток повышенной частоты. Этот ток подводится к автотрансформатору 5 и от него через кодовое реле 6 на звуковые излучатели 7 или балластные сопротивления 1.

Схема нагрузки собрана так, что при невозбужденном кодовом реле на преобразователь автоматически подключаются балластные сопротивления, а при возбужденном кодовом реле — звуковые излучатели.

Достоинство такой схемы включения нагрузки состоит в том, что кодовое реле не разрывает цепи нагрузки, а шунтирует либо балластные сопротивления, либо звуковые излучатели так, что цепь нагрузки преобразователя не разрывается. Следовательно, исключается возможность появления опасных перенапряжений в цепи звуковых излучателей и автотрансформатора и резко снижается искрообразование на контактах кодового реле в моменты его срабатывания.

Работой кодового реле управляет кодовый аппарат 2, диск которого замыкает контакты цепи питания катушек кодового реле во время подачи звука и размыкает их во время молчания наутофона. В моменты, когда катушка кодового реле обесточена, контакты этого реле разомкнуты и питание на излучатели не подается, в эти промежутки времени напряжение гасится на балластных сопротивлениях, включенных в схему. Их назначение — обеспечить работу преобразователя при постоянной нагрузке. Балластные сопротивления — переменные. Это сделано для того, чтобы подбирать балластное сопротивление, равное омическому сопротивлению излучателей наутофона.

Наутофонная установка типа LIE-300

Наутофонная установка типа LIE-300 выпускается в двух модификациях: LIEG-300 с излучателями направленного действия и LIEF-300 с излучателями кругового действия.

Вкомплект установки входят:

—группа из трех излучателей;

—щит управления с контрольно-измерительными приборами, преобразователями (утроителями) частоты и кодовым механизмом;

—балластные сопротивления.

Установка предназначена для питания от сети трехфазного тока 380 В, 50 Гц.

Излучатель состоит из трех блоков, питание каждого из которых производится от своего преобразователя частоты. Каждый блок звуковых излучателей (рис. 7.6) имеет две стальные мембраны, закрепленные посредством статорного кольца. С нагруженной стороны каждой мембраны имеется воздушный резонатор с отражающим рупором.

температура поверхности радиатора +75°.

Принципиальная схема наутофонной установки типа LIE-300 представлена на рис. 7.8.

Подача питания на каждый из трех идентичных блоков излучателей осуществляется с помощью выключателей Вк2 в результате срабатывания реле 2. Включение балластных сопротивлений 7 производится с помощью выключателя Вк.1 и контактных групп реле 1. Включение и выключение наутофона осуществляется автоматически с помощью кодового аппарата 3.

В момент, когда цепь реле 4, благодаря соответствующему положению кулачкового диска кодового аппарата, разорвана, на обмотку реле 5 подается питание и под нагрузку подключается балластное сопротивление. При этом цепь питания излучателей разорвана.

При срабатывании реле 4 питание подается на обмотку реле 6, которое срабатывает и разрывает цепь питания реле 5. При этом балластное сопротивление отключается и под нагрузку подключается преобразователь (утроитель) частоты 8. На звуковые излучатели 12 будет подано питание и наутофон будет излучать звуковые колебания частотой 300 Гц.

Включение схемы контроля амплитуды колебания мембран звуковых излучателей производится с помощью переключателей Вк 3. При увеличении амплитуды колебания мембраны свыше установленного предела срабатывает индикатор контроля амплитуды 9 и в результате с помощью реле 11 происходит снижение поступающей на излучатель мощности за счет уменьшения емкости конденсаторной батареи 10 (регулятор мощности).

При обесточивании реле 4 схема приходит в исходное положение, что соответствует паузе в работе наутофона.

Автоматическое включение наутофонной установки типа LIE-300 при ухудшении видимости до определенного предела осуществляется с помощью специального датчика видимости —обнаружителя тумана типа RTM-1A.

Принцип действия датчика видимости заключается в следующем (рис. 7.9). Индикаторная лампа 11 мощностью 50 Вт, напряжением 12 В создает световой поток, который излучается в атмосферу с помощью линзы 14 в узком секторе порядка 0,2° на расстояние от 10 до 200 м. Чувствительность прибора может быть выражена в единицах, эквивалентных видимости, и он может быть отрегулирован на значение видимости приблизительно от 0,5 до 3 миль. Световой поток модулируется перфорированным вращающимся диском 5 с частотой 750 Гц. Отраженный от взвешенных частиц в атмосфере свет попадает

на фотоэлемент 2, с помощью которого определяется, какая часть излучаемого света отразилась от взвешенных частиц в атмосфере (тумана). Когда отраженный свет превысит некоторое пороговое значение, датчик видимости включает наутофонную установку. С целью оценки принятого светового потока на фотоэлемент 2 подается от лампы 11 через оптическую систему 6 модулированный с помощью того же диска с той же частотой 750 Гц, но со смещением на 180° вспомогательный световой поток. Величина этого светового потока может быть отрегулирована с помощью «серой шкалы» 7.

Модулированный сигнал фотоэлемента 2 подается на вход избирательного усилителя 3, настроенного на частоту 750 Гц. После усиления сигнал подается к фазовому дискриминатору 4, который выделяет сигнал, отраженный от взвешенных частиц атмосферы, и, если он сильнее сигнала опорного светового потока, реле 5 сработает и включит наутофонную установку.

Достоинством рассмотренной схемы датчика видимости является то что один источник света используется для получения двух световых потоков: излучаемого в атмосферу и опорного, что позволяет обнаружителю тумана быть независимым от изменений параметров лампы или. фотоэлемента. Это значит, что если интенсивность света уменьшится из-за падения напряжения, потемнения колбы или уменьшится чувствительность фотоэлемента из-за старения, точность :работы устройства не изменится. Использование инфракрасного фильтра позволяет излучаемый световой поток сделать невидимым для глаза.

Для большей уверенности в том, что наутофонная установка будет включена и датчик видимости исправен — обмотка исполнительного реле 5 в ясную погоду находится под током. В случае возникновения какой-либо неполадки в схеме исполнительное реле обесточится, замкнутся нормально разомкнутые контакты и наутофонная установка включится независимо от состояния атмосферы.

Датчик видимости типа RTM-1A устанавливается, как правило, в закрытом помещении (в маячной башне или маячно-техническом здании). В стене помещения прорубается отверстие в направлении излучения, куда вставляется труба прямоугольного сечения. Однако конструкция прибора позволяет устанавливать его и на открытом воздухе. Прибор смонтирован в брызгозащищенном корпусе, отлитом из алюминия. Антиморозильные спирали предупреждают конденсацию влаги на оптических частях прибора.

группой звуковых генераторов сигналов с характеристикой 2 с — звук, 16 с — пауза, 2 с — звук, 40 с — пауза; общий период подачи сигналов —60 с. Общее время излучения сигнала установкой зависит от количества подключенных групп звуковых генераторов. В случае подключения двух групп генераторов, время излучения сигнала при каждом включении увеличивается на 2 с, а время паузы при каждом отключении сокращается на 2 с. При четырех подключенных группах генераторов время излучений сигнала увеличится на 6 с, а паузы сократятся на 6 с. Это обстоятельство должно учитываться при расчете потребляемой установкой энергии. Так, например, при подключении к кодовому устройству двух групп звуковых генераторов общая характеристика сигнала будет: 4 с — звук, 14 е — пауза, 4 с — звук, 38 с

— пауза.

Кроме того, кодовое устройство обеспечивает возможность включения установки в систему дистанционного управления или других систем автоматического управления работой звукосигнальной установки.

Таким образом, питание на звуковые генераторы подается через кодовое устройство, которое с помощью кодовых дисков включает в определенной последовательности звуковые генераторы. Мощность излучаемого сигнала установки определяется количеством звуковых генераторов в группе, включаемых одновременно. Для получения мощности излучаемого сигнала 100 Вт в группу включают два звуковых генератора, соединяющихся между собой параллельно, и два громкоговорителя, устанавливаемых в отражателе один за другим на расстоянии 0,5 длины волны излучаемых колебаний.

Одна группа звуковых генераторов с подключенными громкоговорителями обеспечивает сектор излучения, равный 90°. Для получения секторов излучения в 180, 270 и 360° к кодовому устройству подключается соответственно две, три или четыре группы звуковых генераторов с громкоговорителями. Громкоговорители каждой группы на стойке или в отражателе располагаются в горизонтальной плоскости со сдвигом относительно друг друга на 90°.

Аппаратура звукосигнальной установки размещается в сухих неотапливаемых помещениях. Все блоки крепятся к стенкам в вертикальном положении. Для сокращения потерь в соединительных проводах вся аппаратура, за исключением громкоговорителей, размещается в непосредственной близости от источников питания.

Громкоговорители, одиночные или групповые, в отражателе размещаются на специальных вышках или на навигационных знаках и маяках. Громкоговорители устанавливаются на высоте не менее двух метров над уровнем моря. В рабочей зоне не должно быть искажающих звуковое поле предметов (сооружений, деревьев). Подстилающей поверхностью должен быть отлогий берег, покрытый песком или галькой. Акустические оси громкоговорителей каждой группы должны лежать в плоскости горизонта и под углом 90° друг к другу.

Техническое обслуживание установки заключается в периодических . осмотрах и проверке наличия запасов источников питания. При расчете автономного срока работы установки необходимо учитывать, что потребляемая ею мощность в момент излучения сигнала на основной частоте 400 Гц при напряжении питания 12 В составляет 100 Вт при мощности излучения 50 Вт одним громкоговорителем и 200 Вт при мощности излучения 100 Вт в случае использования в группе двух громкоговорителей. Мощность, потребляемая установкой в момент паузы, составляет: кодовым устройством 1 Вт, каждым звуковым генератором 0,5 Вт. Все профилактические и ремонтные работы установки должны производиться при отключенном питании. Находиться в непосредственной близости от динамических громкоговорителей в зоне основного звукового поля (45° в обе стороны от оси рупора громкоговорителя) во время работы излучателей запрещается.

Звукосигнальная установка УЗД обеспечивает автоматическую подачу звуковых сигналов с заданной характеристикой. Включать и отключать установку можно вручную (непосредственно на установке) или дистанционно (с помощью системы телеуправления или других автоматических устройств.

Пневматическая сирена типа ДСУ

Дизель-компрессорная стационарная сиренная установка типа ДСУ предназначена для подачи звуковых воздушных сигналов в условиях плохой видимости.

Всостав сиренной установки входят следующие основные узлы (рис. 7.11):

—два дизель-компрессорных агрегата, каждый из которых состоит из дизеля 6 и компрессора 5 производительностью 2 м3/мин при давлении 3 кгс/см2;

—два воздушных резервуара (ресивера) 1 и 4, служащих для аккумулирования нагнетаемого компрессором воздуха и питания им звукового аппарата сирены при заданном рабочем давлении и характе-

ристике звука;

— три водяных бака 7 для охлаждения дизелей и компрессоров; два расходных нефтяных бака и два бака для компрессорного и моторного масла (на рис. 7.11 невидны);

четыре пусковых баллона 8 для пуска двигателей;

звуковой аппарат сирены 3;

два механических прерывателя звука 9 (кодовые механизмы), смонтированных каждый на валу компрессора; ,

излучающий рупор 2.

Механическая энергия двигателя с помощью компрессора преобразуется в энергию сжатого воздуха, накапливаемого в воздушных резервуарах.

Энергия сжатого воздуха преобразуется звуковым аппаратом в звуковую энергию. Звуковые волны направляются по конусу в рупор, служащий резонатором звуковых колебаний. Рупор усиливает звук и создает направленность излучения.

Назначение и устройство вышеперечисленных узлов сиренной уста новки не требует особого пояснения.

§ 7.2. ДАЛЬНОСТЬ СЛЫШИМОСТИ ЗВУКОСИГНАЛЬНЫХ УСТАНОВОК

Дальность слышимости звукосигнальных СНО зависит от следующих факторов:

звуковой мощности излучателей и их диаграммы направленности;

условий распространения звука в атмосфере;

условий приема звуковых сигналов на корабле.

Звуковая мощность излучателей и их диаграммы направленности

Звуковая мощность излучателей приводится в паспортных данных звукосигнальной установки. Стандартная звуковая мощность для мощных излучателей измеряется на расстоянии 30 м от источника звука, а для маломощных — на расстоянии 1 м. Причем для широкополосных излучателей мощность дается для средней частоты 1000 Гц.

В зависимости от типа звукового излучателя и тона сигналов звуковая энергия при излучении будет концентрироваться в определенных направлениях. Направленность излучателя определяется величиной телесного угла Ω, в котором излучается наибольшая доля звуковой энергии (рис. 7.12). Мерой телесного угла Ω являются плоские углы αг в горизонтальной и αв в вертикальной плоскостях.

Величина телесного угла, в котором происходит излучение звуковых сигналов, зависит от геометрических размеров излучающей поверхности, длины излучаемой волны и определяется отношением —

λd , где λ — длина звуковой волны; d—-диаметр излучаемой поверхности.

Принято считать, что этот угол ограничивается интенсивностью звука, которая составляет 0,5—0,7 от наибольшей излучаемой в направлении акустической оси.

В звукосигнальных установках используются одиночные излучатели или групповые, которые комплектуются из одиночных двумя способами.

1 способ. Для расширения диаграммы излучения по горизонту одиночные излучатели располагаются таким образом, что их центры находятся в одной горизонтальной плоскости, а акустические оси развернуты на некоторый угол относительно друг друга.

2 способ. Для увеличения дальности действия звукосигнальной установки одиночные излучатели располагаются на определенном расстоянии друг от друга так, что их центры находятся на одной вертикальной линии, а акустические оси ориентированы в одном направлении. Такой групповой излучатель, в состав которого входит два-три синфазно действующих одиночных излучателя, обеспечивает слышимость установки в горизонтальной плоскости в секторе излучения одиночного излучателя.

Для одиночных излучателей соблюдается условие αг = αв, поэтому при расчете угла Ω достаточно определить один из плоских углов, обычно αг.

Для групповых излучателей, центры которых располагаются на одной вертикальной линии при расчете угла определяются оба плоских угла излучения αг и αв, причем угол αг принимается равным горизонтальному углу одиночного излучателя, а угол αв определяется исходя из количества излучателей в группе и расстояния между ними по вертикали.

Телесный угол излучения Ω в стерадианах рассчитывается по формулам:

— для одиночных излучателей

где αг и αв выражены в град.

Для определения углов αг и αв могут быть, использованы диаграммы направленности излучения в. горизонтальной и вертикальной плоскостях, которые обычно прилагаются к формуляру звукосигнальной установки или рассчитываются и строятся по следующей методике.:

Исходные данные для расчетов диаграмм:

Дальнейший расчет проводится в следующей последовательности:

по формулам (7.4в), (7.46), (7.5в) и (7.5г) находят λ, а также вспомогательные величины a, q и b;

находят значения sin а, принимая а равным 3, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 и 87°;

по формуле (7.4а) находят аргумент функции Бесселя;

по графику (рис. 7.13) находят Аα и Аα1 (снятое с графика значение величины Aα1 должно быть уменьшено в два раза);

где Amax - интенсивность звукового поля излучателя в направлении акустической оси. Условно принимается, что это направление определяется углом α = 3°.

Все вычисления сводятся в таблицу (см. табл. 7.1). Исходные данные, а также вспомогательные

10J1 (x) x

11A1a = J1x(x) sinsin δλ

По данным строк 4 и 12 таблицы строятся в полярных координатах в произвольном масштабе диаграммы направленности излучения соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Вид таких диаграмм показан на рис. 7.14.

С диаграмм излучения снимаются углы αг и αв. Оба угла ограничиваются радиус-векторами, по направлению которых интенсивность звукового поля равна 0,7 от ее максимального значения.

По формулам (7.2) и (7.3) вычисляются телесные углы излучения.

При уменьшении температуры воздуха с высотой искривляется траектория звукового луча вверх. Уменьшение температуры с высотой наблюдается в летние дни при нагреве нижних слоев атмосферы от земной поверхности. В этом случае на некотором расстоянии от источника звука может возникнуть явление звуковой тени, при которой звук либо вовсе пропадает, либо слышен весьма слабо (рис. 7Л6,а). В целом это явление приводит к уменьшению дальности слышимости.

При температурной инверсии, наблюдаемой обычно в нижних слоях атмосферы летом в ясные ночи и рано утром, а также часто во время тумана, температура с высотой возрастает, и поэтому траектория звукового луча или путь распространения звуковой энергии искривляется вниз (рис. 7.16, б). При этом явлении наступают сравнительно более благоприятные условия для распространения звука, области звуковой тени, как правило, отсутствуют и дальность слышимости увеличивается.

Подобные же явления наблюдаются при изменении скорости ветра с высотой. При встречном ветре и при возрастании его скорости с высотой траектория звукового луча искривляется вверх, т. е. опять может возникнуть явление звуковой тени и дальность слышимости уменьшится (рис. 7.17). Такое явление довольно часто наблюдается и при ветре над взволнованной поверхностью моря, когда в нижних слоях атмосферы ветер задерживается неровной поверхностью воды и развивает полную скорость по мере увеличения высоты. С подветренной стороны звуковой луч «прижимается» к поверхности моря.

В отдельных случаях при совместном воздействии ветра и температуры атмосферы на распространение звуковых колебаний дальность слышимости звукосигнальной установки может резко меняться. Так, например, зафиксирован случай, когда звукосигнальная установка была слышна по направлению ветра на расстоянии 24 миль при ее дальности слышимости в нормальных условиях 5,5 мили.

Условия приема звуковых сигналов на корабле

Слуховое ощущение в человеческом ухе возникает только в том случае, когда сила звука превышает некоторую минимальную величину Iпор, называемую порогом слышимости, которой соответствует определенное звуковое давление Рпор. Порог слышимости зависит от частоты звука и может несколько различаться у разных людей. Изменение порога слышимости звукового сигнала в зависимости от частоты звука показано на рис. 7.18.

Чрезмерно большие амплитуды звуковых колебаний вызывают в ушах болевое ощущение. Эта предельная амплитуда, или обусловленная ею сила звука, называется порогом болевого ощущения, который также зависит от частоты звука.

Условия приема звуковых сигналов на корабле в море во многом определяют дальность действия звукосигнальных средств навигационного оборудования. Важной особенностью восприятия звука является то обстоятельство, что при одновременном воздействии на ухо двух звуковых колебаний (шумового фона и принимаемого сигнала) происходит «заглушение» слабого звука. Это явление, приводящее к уменьшению чувствительности уха к одному звуку при наличии другого, называется маскировкой звука. Для того, чтобы звук был воспринят при наличии другого более сильного звука, необходима большая громкость, чем при отсутствии маскирующего звука. Исходя из этого степень маскирующего действия можно количественно выразить числом децибелл, на которое увеличился порог слышимости одного звука при наличии другого. Эта величина называется маскировочным эффектом.

При прослушивании на корабле сигналов звукосигнальной установки наблюдается довольно вы-

сокий уровень маскировочных шумов, создаваемых энергетическими установками, различными механизмами, вентиляционными устройствами, ветром, волнением и т. д. Маскировочный эффект достигает максимальных значений в том случае, когда частоты основного и маскировочного звуков близки между собой. Знание частотного спектра шумов на корабле или судне позволяет более правильно выбрать оптимальную частоту звукосигнальной установки.

Экспериментальные работы по определению уровней маскировочных шумов на судах различных типов были проведены в ряде стран. Эти измерения проводились, как правило, при пониженной скорости хода судна (примерно до 3/4 полной), что обычно бывает при плавании в тумане. Установлено, что спектральные уровни маскировочных шумов в местах прослушивания звуковых сигналов на судах достигают максимальных значений на низких частотах и уменьшаются с повышением частоты.

Итак, максимальная интенсивность звука в точке приема на некотором расстоянии D от звукосигнальной установки должна быть выше интенсивности звука, соответствующей порогу слышимости. Иными словами, порог слышимости должен быть сдвинут («поднят») на величину, зависящую от интенсивности шумов и некоторых других причин. Связь между указанными параметрами определяется по формуле

(7.6)

где I — минимальная интенсивность звука в точке приема, Вт/м2; Iпор — порог слышимости звукового сигнала, Вт/м2;

N — сдвиг порога слышимости звукового сигнала в точке приема, дБ.

Численные значения величины N в зависимости от частоты излучения f приведены на рис. 7.19.

Расчет дальности слышимости звукосигнальной установки Исходными данными для расчета дальности слышимости звукосигнальной установки являются:

— мощность одиночного излучателя W, Вт;

— частота звуковых колебаний, f, Гц;

— телесный угол излучения Ω, ср;

— температура атмосферы t° С.

Расчет производится по формулам:

где Д — дальность слышимости звукосигнальной установки, мили; п — количество излучателей;

αк — коэффициент километрического поглощения звуковой энергии атмосферой, Нп/км; W —звуковая мощность излучателя звукосигнальной установки, Вт;

Ω —телесный угол излучения излучателя звукосигнальной установки, ср; I — минимальная интенсивность звука в точке приема, Вт/м2;

Iпор — порог слышимости звукового сигнала, Вт/м2;

N — сдвиг порога слышимости звукового сигнала в точке приема, дБ; К и М — вспомогательные величины.

Методика расчета

1. По графику рис. 7.18 определяют значение порога слышимости звукового сигнала IПОР.

2.По графику рис. 7.19 определяют значение сдвига порога слышимости N в зависимости от прослушиваемой частоты звукового сигнала.

3.По формуле (7.9) вычисляют минимальную интенсивность звука в точке приема I.

4.По графику рис. 7.15 находят значение коэффициента километрического поглощения звука αк.

5.По формуле (7.8) находят значение вспомогательной величины М и определяют lg M. ;

6.По графику рис. 7.20 находят вспомогательную величину К.

7.По формуле (7.7) вычисляют ориентировочную дальность слышимости звукосигнальной установ-

ки.

§ 7.3. ОБОРУДОВАНИЕ ПОБЕРЕЖЬЯ ЗВУКОСИГНАЛЬНЫМИ УСТАНОВКАМИ И РЕЖИМ ИХ РАБОТЫ

Звукосигнальные средства навигационного оборудования, как стационарные, так и плавучие, используются для ограждения подводных и надводных навигационных опасностей, опознания береговой черты, обозначения подходных и поворотных точек на фарватерах и рекомендованных путях, а также для обеспечения плавания в плохую видимость при входе в каналы или порты. Методика их расстановки на побережье и режим работы должны удовлетворять ряду специфических требований.

Выбор места установки звукосигнальных средств

Навигационные опасности, как правило, ограждаются одиночными стационарными или плавучими звукосигнальными установками. Для опознания береговой черты звукосигнальные установки размещаются на маяках. Исходными данными для выбора места их установки являются:

положение и характер навигационной опасности (подводная, надводная, соединяющаяся с берегом, отдельно лежащая);

высота берега над уровнем моря в районе навигационной опасности;

расстояние от границ опасности до кромки фарватера или до рекомендованного пути;

наибольшая осадка кораблей и судов, плавающих по данным фарватерам или рекомендованным путям;

гидрометеорологическая обстановка в оборудуемом районе (количество дней с туманами по месяцам, преобладающие ветры и т. д.). Прибрежные навигационные опасности ограждаются стационарными звукосигнальными средствами таким образом, чтобы сектор их слышимости полностью охватывал участок расположения этой опасности, при этом место звукового излучателя необходимо выбирать возможно ближе к середине опасности.

Для обеспечения надежности ограждения опасности необходимо, чтобы дальность слышимости звукового сигнала обеспечивала мореплавателю прием звуковых сигналов еще на подходе к участку расположения опасности (рис. 7.21).

Исходя из навигационных требований необходимая дальность слышимости Д рассчитывается по

d — среднее удаление рекомендованного пути от берега на участке расположения навигационной опасности, мили;

α — угол сектора, в пределах которого данная звукосигнальная установка своей дальностью слышимости должна охватывать часть рекомендованного пути, град.

При оборудовании проливной зоны или залива звукосигнальные установки с целью увеличения их дальности слышимости размещаются на том берегу, с которого преимущественно дуют ветры в период туманов.

Вслучае, если навигационная опасность расположена на таком удалении от звукосигнальной установки, что возможна потеря слышимости звукового сигнала, дополнительно к береговому средству необходимо выставить гудящий буй с пассивным радиолокационным отражателем.

При использовании звукосигнальных установок для оборудования входа в порт или базу, расположенных в глубине залива, окаймленного высокими берегами, кроме условий, изложенных выше, необходимо выбранное место проверить путем установки транспортабельной звуковой установки, например УЗД. Причем, желательно такую проверку повторить несколько раз при различных состояниях атмосферы. Большая дальность слышимости, ее постоянство, отсутствие реверберации и одинаковая громкость звуковых сигналов на одинаковых удалениях в заданном секторе будут решающими факторами при определении искомого места для расположения звуковых излучателей.

При выборе места для установки излучателей звукосигнальной установки необходимо учитывать ряд требований.

С целью уменьшения потерь и достижения наибольшей дальности действия звуковых сигналов излучатели должны располагаться возможно ближе к урезу воды. При этом подстилающая поверхность должна быть однородной, т. е. на пути распространения звуковых сигналов не должно быть островов, мысов или кос, так как наличие их создает вертикальные перемещения воздуха ввиду различной степени нагревания солнцем поверхности суши и воды, что ухудшает условия распространения звуковых сигналов.

Всекторе, обеспечиваемом звуковыми сигналами, не должно быть высоких местных предметов (скал, строений, высоких деревьев и т. п.), так как они будут препятствовать распространению звука и за ними будут наблюдаться области пониженной громкости звуковых сигналов, или так называемые области звуковых теней.

Звуковые излучатели должны быть подняты от основания своей опоры на высоту не менее 6—8 м, но не больше 30—40 м над уровнем водной поверхности. Подъем звуковых излучателей на большую высоту, как показывает опыт эксплуатации звукосигнальных установок, не приводит к увеличению дальности слышимости звуковых сигналов, а в отдельных случаях даже снижает ее.

Размещая звуковые излучатели на маячном сооружении вместе с другой аппаратурой, необходимо иметь в виду, что вблизи от излучателей, даже с тыльной стороны, находится звуковое поле значительной величины, под действием которого может нарушаться герметичность соединений другой аппаратуры и пайка схем электрических приборов.

Кроме перечисленных выше требований, соблюдение которых имеет целью создать наиболее благоприятные условия для распространения звуковых сигналов, при выборе места установки звукосигнального средства необходимо также учесть удобство расположения здания звукосигнальной установки

сточки зрения строительных, эксплуатационных и бытовых особенностей. К ним относятся: наличие местной электросети, линий связи, местных строительных материалов и дорог для их доставки, источников пресной воды, бытовых условий для личного состава и т. д.

Необходимо также иметь в виду, что расстояние, разделяющее здание наутофонной установки и звуковые излучатели, не должно превышать трех километров, в противном случае будет наблюдаться слишком большое падение напряжения в линии питания и ее придется оборудовать проводами большого сечения.

Что касается требований, предъявляемых к монтажу оборудования наутофонных установок, то они ничем не отличаются от общих действующих норм монтажа электромеханического оборудования.

Режим работы звукосигнальной установки

Звукосигнальные средства, как стационарные, так и установленные на плавучих маяках, начинают действовать при появлении тумана и понижении видимости до 3 миль. Включаются они с помощью автоматического датчика видимости или вахтенным маяка, ведущим постоянное наблюдение за состоянием видимости. Фактическая видимость определяется по специальным ориентирам, расстояние до которых заранее измерено.

Длительность звучания звукосигнальной установки должна быть короткой и частой, что облегчает звуковое восприятие и определение направления на нее. Оптимальными параметрами характеристик звуковых сигналов являются:

—общий период звучания от 15 до 60 с, в течение которого должно быть не менее двух посылок звука;

—наименьшая продолжительность звучания 1,5 с, причем в сложных сигналах, содержащих более двух посылок, короткие звучания должны чередоваться с более продолжительными;

—частота звучания наутофонных установок 300—500 Гц, звукосигнальных средств малой дальности действия (УЗД) от 200 до 1000 Гц.

Особое внимание при установке характеристик звуковых сигналов должно быть уделено тому, чтобы одинаковые характеристики не повторялись в пределах побережья протяженностью до 30 миль. Характеристики звукосигнальных установок, расположенных на меньшем удалении друг от друга, должны резко отличаться друг от друга и быть удобными для опознавания.

Проверка звукосигнальной установки

Работа звукосигнальной установки проверяется при вводе ее в действие, а также при установке новой аппаратуры, изменении режима ее работы и обнаружении новых навигационных опасностей в рабочем секторе действия установки.

Проверка включает в себя измерение характеристики сигнала, определение сектора слышимости и выявление мертвых зон.

В пределах всего рабочего сектора звук сигнала должен отчетливо прослушиваться и быть ровным по тону. Отдельные посылки разной продолжительности должны хорошо распознаваться и позволять определить полную характеристику подаваемых сигналов.

Дальность действия звукосигнальной установки должна перекрывать навигационную опасность или фарватер на определенном протяжении, однако в объявленном секторе не следует добиваться установления, а тем более объявления в «Извещениях мореплавателям» наибольшей дальности слышимости, поскольку величина ее непостоянна и меняется под влиянием гидрометеорологических факторов.

Наблюдения за дальностью действия звукосигнальной установки целесообразно проводить в условиях пониженной видимости (туман, снегопад) и при ветре в ее сторону.