Гідроакустичний канал зв'язку

Дамо коротку характеристику тих полів, енергія яких може бути використана для передачі інформації. В першу чергу слід назвати акустичне поле, породжене тваринами, кораблями, прибережними і підводними спорудами, шумами моря різного походження (вулканічна діяльність, хвилювання, перекочування гальки на мілинах і т. Д.). Так, що йде по морю судно є джерелом випромінюваних у воду шумів внаслідок кавітації води в районі гвинтів, гідродинамічних сил, що виникають на обшивці корпусу судна внаслідок роботи головних і допоміжних суднових механізмів.

До цього можна додати шум обтікання, сигнали ехолота, ехолокатора та ряд інших. Історично склалося так, що основним каналом зв'язку під водою став гідроакустичний канал. Цьому сприяли значні успіхи військової гідроакустики, інтенсивно розвивалася в період підготовки і в ході ведення ряду воєн і військових дій на морі.

В даний час гідроакустичними станціями все більшою мірою оснащують промислові, транспортні та пасажирські судна для виявлення підводних небезпек (наприклад, айсбергів), вимірювання глибини, пошуку косяків риби, картографування дна океану і т. Д. Поряд з цим ведуться пошуки способів підводного передачі інформації за рахунок інших видів енергії.

З іншого боку, наявність у тварин гідросфери великого числа механізмів сприйняття звуку з метою сигналізації, локації, пеленгування, а можливо і навігації, говорить про те, що акустичне інформаційне поле є одним з найбільш ефективних полів. А раз так, то слід розглянути принципи і засоби гідроакустики з позицій біоніки з тим, щоб, запозичуючи досвід водних тварин, максимально підвищити ефективність сучасних гідроакустичних суднових станцій.

Діапазон коливань гідроакустичних інформаційних полів надзвичайно великий і тягнеться від інфразвукових (одиниці герц) до ультразвукових коливань (частотою в десятки і сотні кілогерц). У гідроакустичному каналі відбувається значне затухання енергії звукових коливань. Це особливо помітно на високих частотах.

Разом з тим за рахунок генерування великих потужностей (до мегават), за рахунок використання гідрологічних особливостей океану (підводний звуковий канал, наприклад) при використанні сучасних гідроакустичних засобів вдається досягти дальності дії акустичного зв'язку в сотні і тисячі кілометрів. Так, за даними широкому друці сучасні гідролокатори забезпечують дальність роботи понад 15 км, а шумопеленгатори - 130-220 км і більше. Важко очікувати, що в тваринному світі виникала коли-небудь необхідність у такого роду наддалекої зв'язку. Втім, це питання ще підлягає дослідженню.

Поки здається очевидним, що впровадження біоніки в гідроакустики має йти шляхом підвищення ефективності обробки прийнятої інформації, що дозволить виділяти корисну інформацію, замасковану перешкодами середовища, і вирішити багато проблем гідроакустики не підвищення потужності випромінювання, загостренням спрямованості променя і т. д., а за рахунок значних резервів, які відкриває перед гідроакустики сучасна теорія інформації, весь інформаційний апарат біоніки.

Внаслідок значної щільності води в порівнянні з повітрям, затухаючих звукових коливань у воді в 1000 разів менше, ніж в повітрі і в сильному ступені залежить від частоти. Звуки високих частот і ультразвукові коливання поглинаються середовищем тим інтенсивніше, чим коротше довжина хвилі, яка стає сумірною з мікровключеннями води - повітряними бульбашками, зоо- і фітопланктоном. Найменша загасання характерно для хвиль інфразвукового діапазону і піддіапазону низьких (до 1000 гц) звукових частот.

Підвищена (у порівнянні з повітрям) щільність обумовлює і велику швидкість поширення звуку у воді. Але в кінцевому підсумку це всього лише 1440 м / сек, що в ряді випадків, наприклад, на великих дистанціях роботи гідроакустичних станцій, виявляється недостатнім. Величина швидкості звуку у воді кілька варіює від району до району, що визначається в основному щільністю води та її температурою.

Перешкодою для роботи гідроакустичних засобів є соб державні недержавні шуми океану, які створюють постійний звуковий фон високої інтенсивності. Основними джерелами шумів моря вважають наступні:

1. Тепловий шум, обумовлений молекулярним рухом в середовищі, особливо простежується на високих частотах (вище 50 кГц) в глибокій воді.

2. Шум поверхні моря, пов'язаний з хвилюванням. Він є домінуючим джерелом власних шумів у відкритому глибокому морі. Рівень шуму залежить від стану моря. Частотний діапазон простирається від 100 гц до 50 кГц.

3. Біологічні шуми, вироблені клацають креветками та іншими морськими тваринами, що скупчуються у великій кількості і видають звуки значної інтенсивності. Так, за розрахунками американських акустиків, на початку другої світової війни акустичні міни вибухали не тільки від шумів проходили над ними кораблів і судів, але і від пропливали поблизу риб роду Opsanus, які видавали звуки великої інтенсивності і в тому ж діапазоні, що і корабельні шуми. Спектральні характеристики біологічних шумів залежать від виду тварин, що створюють дане звукове поле. Інтенсивність (або рівень шуму) сильно залежить від пори року і часу доби

4. Шуми технічного походження, у тому числі від далеких судів, від індустріальних джерел і від довколишніх галасливих гаваней, часто є основними джерелами перешкод на частотах нижче 1 кГц.

5. Шум дощу і близькі шторми.

6. Береговий шум прибою, шурхіт піску і гальки берегових пляжів.

7. Шуми течій, обумовлені потоками, що протікають над скелями на дні, і змінами гідростатичного тиску, що викликаються хвилями.

8. Шуми, вироблені землетрусами, вулканами, мікросейсмами та віддаленими штормами. (Мікросейсмами називаються коливання земної поверхні з невеликою амплітудою, що викликаються проходженням циклонів і тайфунів.)

До факторів, що ускладнюють роботу гідроакустичних станцій, слід додати температурні і плотностні шари, мікровключення газів і планктону, локальні розчинення окремих речовин, турбулентні руху, течії, специфічні мікрофлуктуаціі температури і багато інших, які роблять гідросферу дуже забрудненої і неоднорідною в акустичному відношенні. Високий рівень шумів моря, спотворення, відбиття, поглинання і розсіяння корисних гідроакустичних сигналів, їх реверберація впливання ефекту Допплера, все це призводить до того, що фізичні вимірювання в ряді випадків не дозволяють виділити інформативну складову у випадкових флуктуаціях вхідного сигналу гідрофону.

Експерименти з морськими тваринами показують, що останні спо-собнимі сприймати такий слабкий (у порівнянні з перешкодою) гідроакустичні-ський сигнал, який спеціальна апаратура вже не здатна зареєструвати. Природно, що вивчення механізмів високоеф-ного сприйняття гідроакустичних сигналів окремими морськими тваринами є одним з найважливіших завдань біоніки.

Зокрема, представляється дуже цікавим проведення досліджень в акваторіях, що мають значну рефракцію звуку. Відомо, що дельфіни та інші морські тварини, що мають ехолокатори, ефективно лоцирується простір і в складних гідрологічних умовах. Фактично мова йде про вивчення поведінки тварин, одержують інформацію з криволінійного простору, спотвореного рефракцією, ревербераційою та іншими факторами.

Часто акустичні промені викривляються так, що виключається всяка можливість передачі звуку між двома гідроакустичними станціями, що знаходяться на деякій, іноді невеликій відстані один від одного. Таким чином, дельфін повинен в певних умовах втрачати контакт з лоцируємою метою, а в інших випадках плисти до неї по кривій, яка визначається кривизною рефракції. Але може бути дельфін вміє враховувати гідрологічні характеристики басейну?