3. Гідроакустичні станції повітряної розвідки

Гідроакустика – наука про явища, що відбуваються у водному середовищі, пов'язані з випромінюванням, прийомом і розповсюдженням акустичних хвиль. В даний час гідроакустика грає велику роль в забезпеченні бойової діяльності флоту.

Гідроакустичні прилади використовуються для цілей навігації, підводного зв'язку, гідроакустичного нагляду. Широке застосування гідроакустика знаходить в системі протичовнової оборони. Наявність гідроакустичних засобів нагляду дозволяє знаходити підводні човни супротивника, вести за ними безперервний нагляд і визначати елементи руху цілі.

В гідроакустиці використовуються хвилі звукового, ультразвукового і інфразвукового діапазонів. До звукового діапазону відносяться коливання з частотою від 16 Гц до 20 кГц. Коливання з частотою менше 16 Гц називаються інфразвуковими, а з частотою 20-100 кГц – ультразвуковими.

Акустичні коливання можуть розповсюджуватися тільки в пружних середовищах. Передачу коливань в такому середовищі обумовлюють пружні зв'язки між окремими її частинками.

Середовище, в якому відбуваються акустичні коливання, називається хвильовим або акустичним полем. Параметрами, що характеризують акустичне поле, є:

- зсув частинки, що коливається ;

- коливальна швидкість (тобто приватна похідна від зсуву за часом) ';

- акустичний тиск p (за одиницю тиску в системі СІ прийнятий ньютон на квадратний метр, часто також використовується одиниця, яка називається баром: 1 бар = 105 Н/м²);

- інтенсивність, або сила звуку I.

Під інтенсивністю звуку розуміється кількість звукової енергії, що проходить за 1 секунду через майданчик 1 см², перпендикулярно до напряму розповсюдження хвилі. На практиці для вимірювання інтенсивності звуку користуються децибелами.

Для випадку плоскої хвилі між коливальною швидкістю ' і акустичним тиском p в будь-якій точці поля існує такий зв'язок:

,

де ρ – густина середовища в г/см²;

с – швидкість розповсюдження звуку.

Добуток с називається акустичним опором середовища, який є параметром, що характеризує властивості середовища. Для даного середовища він є величиною постійною.

Акустичні коливання, що виникають у водному середовищі, математично описуються хвильовим рівнянням:

.

З цього рівняння визначається один з його параметрів у будь-який момент t для будь-якої точки звукового поля x.

Джерелом акустичних коливань є всяке тіло, що коливається в пружному середовищі з певною частотою і збуджує в цьому середовищі звукові хвилі. Процес збудження звукових хвиль в навколишньому середовищі називається випромінюванням, а поверхня джерела, що знаходиться в безпосередньому контакті з середовищем, називається випромінюючою поверхнею.

В процесі коливального руху випромінюючої поверхні джерела в середовищі виникають сили, протидіючі коливальному руху випромінюючої поверхні. Ці сили, обумовлені надмірним тиском, визначають так звану реакцію середовища.

Якщо площа випромінюючої поверхні рівна S₁, то у будь-який момент часу t величина сили реакції середовища F_S, діюча на поверхню випромінювання, дорівнює:

де p – звуковий тиск на випромінюючій поверхні.

При падінні звукової хвилі на поверхню тіла кінцевих розмірів хвиля частково розсіюється і частково поглинається цим тілом. Якщо поверхня тіла не поглинає звук, то вона є тільки джерелом розсіювання звукової енергії падаючої хвилі. В цьому випадку навкруги тіла створюється звукове поле, яке називається полем розсіяної хвилі. Воно характеризується величиною інтенсивності I_p в будь-якій точці середовища, розташованого на відстані Д від тіла (з плоскою поверхнею):

,

де I – інтенсивність падаючої хвилі;

S – площа поверхні плоского тіла;

 – довжина акустичної хвилі.

Таким чином, виникає відображений звуковий сигнал (луна-сигнал).

В реальних умовах поверхня, що відображає, не є площиною, тому по одному якому-небудь напряму розповсюджується тільки частина відображеної енергії.

Сума площ всіх ділянок поверхні, віддзеркалення від яких відбувається по одному напряму, називається ефективною поверхнею S_еф, величина якої, як і в радіолокації, залежить від розмірів і конфігурації цілі, що відображає.

Здатність різних об'єктів відображати звукові хвилі звичайно оцінюють величиною, званою силою цілі T. Сила цілі виражається через радіус сфери R_е, віддзеркалення від якої еквівалентне віддзеркаленню від об'єкту. Вона вимірюється в децибелах і визначається за формулою:

Якщо звукова хвиля при своєму розповсюдженні потрапляє на поверхню розділу двох середовищ, то вона частково відображається і частково поглинається або заломлюється. Віддзеркалення і заломлення звукової хвилі відбувається за законами, аналогічними законам оптики:

- проміння падаючої і відображеної хвиль лежить в одній площині, перпендикулярній поверхні, що відбиває;

- кут падіння хвиль рівний куту віддзеркалення.

Коефіцієнт віддзеркалення звукових хвиль визначається за формулою:

де p₁с₁ – акустичний опір першого середовища;

p₂с₂ – акустичний опір другого середовища.

Прийом акустичних хвиль є процесом перетворення акустичної енергії, що приходить від якого-небудь джерела, в інший вид енергії, звичайно в електричну енергію.

Для прийому акустичних хвиль в гідроакустиці застосовуються спеціальні механічні або електромеханічні системи, які називаються приймачами.