Гідроакустика

ГІДРОАКУ́СТИКА (від гідро… і акустика) — галузь фізики, що ви­вчає закономірності генерації, роз­по­всюдже­н­ня та роз­сіюва­н­ня звуку в воді. Гол. практичне значе­н­ня знань у галузі Г. повʼязане з тим, що звук. хвилі в океанах і морях є єдиним видом сигналів, які можуть роз­по­всюджуватися на значні від­стані з малим затуха­н­ням. Осн. фактором, що ви­значає специф. особливості роз­по­всюдже­н­ня звуку в океані, є зміна величини його швидкості залежно від вертикальної і горизонтальної координат, а також від змін температури, солоності та тиску. Змін­ність значень швидкості звуку зумовлює складність процесу його роз­по­всюдже­н­ня. За рахунок рефракції в океаніч. середовищі формуються зони концентрації звук. енергії або ж виникають зони акустич. тіні, куди звук не проникає. У звʼязку з роз­поділом швидкості звуку по глибині горизонтів з мін. її значе­н­ням за рахунок хвилеводних ефектів в океані формується під­водний звук. канал, де зосереджені звук. хвилі не взаємодіють із дном і поверх­нею океану, чим зумовлюється ефект над­далекого роз­по­всюдже­н­ня звуку. Елементарні ві­домості про Г. зу­стрічаються у записах Леонардо да Вінчі від 1490 (його ідею прослуховува­н­ня під­вод. звуків з допомогою заповненої повітрям трубки використовували до 1-ї світової війни). Перші кількісні вимірюва­н­ня з Г. проведено 1827 в екс­перименті швейцар. фізика Д. Кол­ладона та франц. математика Ш.-Ф. Штурма. Вимірюючи проміжок часу між моментами при­йому світлового сигналу та звуку від під­вод. дзвона, вони ви­значили швидкість звуку в воді з досить високою точністю. Тоді ж, використовуючи метод луни, француз М. Мерсенн ви­значив швидкість звуку в повітрі з точністю до 10 %. Ро­зумі­н­ня того, що звук виникає при взаємодії вібруючого тіла з навколиш. середовищем, є одним із найдавніших достовірних наук. уявлень людства. На від­міну від повітря, де досить легко створити ефективне джерело звуку, при створен­ні такого джерела у воді виникають значні труднощі. Два від­кри­т­тя в 19 ст. дали принципові можливості для створе­н­ня джерел звуку в воді. 1842 Дж. Джоуль встановив, що елементи, виготовлені з певних матеріалів (нікель та сплави на його основі, залізокобальтові та залізоалюмінієві сплави), змінюють свої роз­міри при дії навколиш. магніт. поля — явище магнітострикції. Друге від­кри­т­тя повʼяз. з іменами Ж. і П. Кюрі, які 1880 встановили наявність т. зв. прямого та зворотнього пʼєзоефектів для ряду природних кри­сталів-пʼєзо­електриків (кварц, турмалін, сегнетова сіль та ін.). Суть цих ефектів полягає в появі електр. зарядів на поверх­ні деформованого зовн. силами пʼєзо­електрика (прямий пʼєзоефект) або в зміні роз­мірів пʼєзо­електрика при зміні напруженості навколиш. електр. поля (зворотній пʼєзоефект). Можливості викори­ста­н­ня пʼєзоефекту в Г. роз­ширилися після від­кри­т­тя у 40-х рр. 20 ст. Б. Вулом способу створе­н­ня штуч. пʼєзо­активних матеріалів (т. зв. пʼєзокераміків), що мають більш виражений пʼєзоефект і нині найширше використовуються у виробництві потуж. ви­промінювачів звуку. Уперше зна­н­ня з Г. практично викори­стали на поч. 20 ст. для навігації в прибереж. водах за допомогою під­вод. дзвона, за­стосувавши для ви­значе­н­ня від­стані одночасно генеровані повітряні та під­водні сигнали. Значним досягне­н­ням у роз­витку Г. напередодні 1-ї світової війни стало створе­н­ня при­строїв для знаходже­н­ня під­вод. обʼєктів методом ехолокації. 1912 англієць Л. Річардсон запатентував спочатку метод ехопеленгації в повітрі, а згодом — і у воді. Осн. елементами його системи були спрямоване джерело звуку кілогерцового діапазону та спец. при­ймач, що до­зволяв врахувати зміну частоти звуку при від­бит­ті його від рухомого обʼєкта. Однак сам винахідник не зміг створити функціональну систему. На основі дещо змінених при­строїв практичне викори­ста­н­ня під­вод. ехолокації здійснив Л. Фес­сенден, якому вдалося локаціювати айс­берги на від­стані понад 3 км. Поч. 1-ї світової війни при­скорив дослідж. в Г., одним із важл. на­дбань стало практичне викори­ста­н­ня П. Ланжевеном пʼєзо­електр. ефекту для створе­н­ня ви­промінювачів звуку. У між­воєн. період роз­виток Г., поряд із вдосконале­н­ням при­строїв ви­промінюва­н­ня та при­йому звук. сигналів, знач. мірою повʼяз. з успіхами в галузі електроніки та засобів обробки акустич. сигналів. Крім військ. потреб, роз­виток засобів Г. у між­воєн. період стимулювався потребами цивіл. галузей науки і техніки, зокрема створ. ехолоти для вимірюва­н­ня глибин, системи пошуку рибних скупчень у морі.

У часи «холодної війни» поява ракет. атом. під­вод. човнів стала сильним стимулом для роз­витку Г., створе­н­ня і по­стійне удосконале­н­ня систем контролю за ними було важл. компонентом заг. стратег. проти­стоя­н­ня між СРСР і США. У післявоєн. період в СРСР засн. «Морфіз­прилад» (1949, Ленін­град, нині С.-Петербург; гол. установа з пром. виробництва в галузі Г.), Акустич. ін­ститут (1953, Москва), Ін­ститут прикладної фізики (м. Нижній Новгород) АН СРСР та ін. Значні зуси­л­ля були затрачені для створе­н­ня ефектив. пасив. систем пошуку під­вод. цілей за акустич. ви­промінюва­н­ням (одними з елементів таких систем є надводні радіо­гідро­акустичні буї та гідро­акустичні станції), систем шумопеленгува­н­ня, що пере­кривали великі території (напр., Антлант. узбереж­жя США). Заг. тенденція до викори­ста­н­ня низьких частот зна­йшла втіле­н­ня і при роз­роблен­ні актив. гідро­акустич. систем, одним із наслідків чого стало зро­ста­н­ня габаритів і маси (до декількох десятків тонн) ви­промінювачів акустич. енергії. Від­повід­но до військ. потреб на поч. 80-х рр. в США та СРСР роз­ширено про­грами роз­витку гідро­акустич. систем, які разом з ін. засобами пошуку під­вод. цілей мали забезпечити практичну про­зорість Світ. океану, однак глобальні політ. зміни кін. 80 — поч. 90-х рр. при­звели до згорта­н­ня цих про­грам. Роз­виток Г. також спрямований на роз­вʼяза­н­ня про­блем користува­н­ня ресурсами Світ. океану. Звуки низьких частот широко використовують у технологіях пошуку корисних копалин і при ви­вчен­ні структури океаніч. дна. Такі системи працюють за принципом актив. гідролокації, в якості при­ймальних антен використовують т. зв. гнучкі видовжені антени довжиною до декількох кілометрів. Широке викори­ста­н­ня в сучас. практиці мають гідролокатори бокового спо­стереже­н­ня, які мають ви­промінювачі інтенсив. високочастотного звуку зі спец. характеристикою спрямованості ви­промінюва­н­ня, завдяки чому здатні чітко роз­пі­знавати дрібні деталі в профілі дна. З допомогою високочастотних гідролокаторів можна пере­рахувати мешканців моря міліметрових роз­мірів, а звуками низьких частот можна пере­дати інформацію за тисячі кілометрів.

Всебічний роз­виток Г. в Україні роз­почався 1956, коли на базі факультету кіноінженерів Київ. політех. ін­ституту організовано під­готовку за фахом Г. У значній мірі перші кроки і подальший роз­виток Г. в Україні повʼяз. з імʼям М. Карновського, зуси­л­лями якого та ін. науковців Ін­ститут пере­творився на провід­ний центр під­готовки гідро­акустиків і упродовж багатьох років мав єдиний в СРСР спеціаліз. електро­акустич. ф-т. Від­тоді ж діє Гідро­приладів Київський державний науково-дослідний ін­ститут. Провід­ну роль у створен­ні багатьох зразків нової техніки ві­ді­грав гол. кон­структор Ін­ституту О. Алещенко.

Під­готовку у галузі Г. здійснюють також Київ. університет, Одес. політех. університет; значний внесок у реалізацію багатьох практич. проектів здійснили вчені НАНУ (від­діле­н­ня математики, інформатики, механіки, фізики). Накопичено потенціал, який до­зволяє вважати Україну однією з провід­них держав світу в царині створе­н­ня та викори­ста­н­ня сучас. гідро­акустич. техніки.

Фотоілюстрації

×

❮ ❯

Завантажити статтю