Гидроакустический датчик

Гидроакустический датчик — это устройство, предназначенное для приёма и преобразования акустических (звуковых) колебаний в водной среде в электрический сигнал. Относится к классу электроакустических преобразователей и является основным элементом гидроакустических систем, используемых в навигации, связи, рыбопоиске, военном деле и научных исследованиях океана. В зависимости от принципа действия гидроакустические датчики могут работать как в режиме приёма (гидрофоны), так и в режиме излучения (гидроизлучатели), а также совмещать обе функции (приёмоизлучающие датчики).

История

Первые попытки использования звука для обнаружения объектов под водой относятся к началу XX века. В 1912 году, после гибели «Титаника», возникла потребность в средствах обнаружения айсбергов. В 1915 году французский физик Поль Ланжевен совместно с русским инженером Константином Шиловским разработал первый гидроакустический датчик на основе пьезоэлектрического эффекта. Это устройство, названное эхолотом, позволило посылать ультразвуковые импульсы и принимать отражённые сигналы. В 1917 году Ланжевен создал первый гидрофон для приёма звуков под водой, что стало основой для развития гидроакустики.

В 1930-е годы гидроакустические датчики начали активно применяться в военно-морских флотах для гидроакустического наблюдения и обнаружения подводных лодок. В СССР в 1932 году был создан первый отечественный гидроакустический датчик — пьезокерамический гидрофон, разработанный в Центральном научно-исследовательском институте «Гидроприбор». В послевоенные годы, с развитием электроники и материаловедения, гидроакустические датчики стали компактнее, чувствительнее и надёжнее. В 1960-х годах появились многолучевые эхолоты и гидролокаторы бокового обзора, использующие массивы датчиков.

Классификация

Гидроакустические датчики классифицируются по нескольким признакам.

По принципу действия

• Пьезоэлектрические — основаны на пьезоэлектрическом эффекте (прямом или обратном). При механической деформации пьезоэлемента (например, из кварца, титаната бария или цирконата-титаната свинца) возникает электрический заряд, и наоборот — под действием электрического поля элемент деформируется. Наиболее распространённый тип.
• Магнитострикционные — используют магнитострикционный эффект: изменение размеров ферромагнитного материала (никеля, пермаллоя, ферритов) под действием магнитного поля. Применяются в мощных излучателях.
• Электродинамические — работают по принципу электромагнитной индукции: катушка с током перемещается в магнитном поле, создавая звуковое давление. Используются редко, в основном в низкочастотных системах.
• Конденсаторные — основаны на изменении ёмкости конденсатора под действием звукового давления. Требуют внешнего источника напряжения, обладают высокой чувствительностью, но сложны в эксплуатации.

По режиму работы

• Гидрофоны — только приёмники акустических сигналов. Преобразуют звуковое давление в электрический сигнал.
• Гидроизлучатели — только излучатели акустических сигналов. Преобразуют электрический сигнал в звуковые колебания.
• Приёмоизлучающие датчики — способны работать как на приём, так и на излучение. Являются основой активных гидролокаторов.

По частотному диапазону

• Низкочастотные (до 1 кГц) — используются для дальней связи и обнаружения, проникают на большие глубины.
• Среднечастотные (1–50 кГц) — применяются в гидролокаторах средней дальности, рыбопоисковых эхолотах.
• Высокочастотные (50–500 кГц) — обеспечивают высокое разрешение, используются в гидролокаторах бокового обзора, подводных видеокамерах.
• Ультразвуковые (свыше 500 кГц) — для медицинских и научных целей, например, в гидроакустических профилографах.

Устройство и характеристики

Типичный гидроакустический датчик состоит из чувствительного элемента (пьезокерамической пластины или цилиндра), акустической защиты (согласующего слоя), корпуса (обычно из нержавеющей стали или титана) и электрического кабеля. Для защиты от коррозии и обрастания корпус покрывают специальными составами.

Основные характеристики:

• Чувствительность — отношение выходного электрического сигнала к звуковому давлению (измеряется в мкВ/Па или дБ относительно 1 В/мкПа). Для гидрофонов типична чувствительность от -200 до -180 дБ.
• Рабочий частотный диапазон — полоса частот, в которой датчик сохраняет заданные характеристики. Обычно указывается в кГц.
• Диаграмма направленности — зависимость чувствительности от направления прихода звуковой волны. Может быть всенаправленной (круговая) или узконаправленной (веерная, игольчатая).
• Максимальное рабочее давление — глубина погружения, при которой датчик сохраняет работоспособность. Для глубоководных датчиков достигает 1000–3000 м.
• Электрическая ёмкость — важна для согласования с усилителем. Обычно составляет от 100 пФ до 10 нФ.

Применение

Гидроакустические датчики используются в различных областях.

Военное дело

В военно-морских флотах гидроакустические датчики являются основой систем гидроакустического наблюдения. Они устанавливаются на кораблях, подводных лодках, а также на донных станциях (стационарные гидроакустические системы). Применяются для обнаружения подводных лодок, мин, торпед, а также для навигации и связи. В России гидроакустические датчики разрабатываются и производятся, в частности, на предприятиях концерна «Океанприбор» (Санкт-Петербург).

Гражданское судоходство и рыболовство

Эхолоты и гидролокаторы, оснащённые гидроакустическими датчиками, используются для измерения глубины, поиска косяков рыбы, обнаружения препятствий. В рыбопромысловом флоте применяются многолучевые эхолоты с частотой 50–200 кГц, позволяющие получать детальную картину подводной обстановки.

Научные исследования

Гидроакустические датчики используются в океанологии для изучения рельефа дна, течений, морских организмов. Сейсмические исследования на шельфе также проводятся с помощью гидроакустических систем — профилографов и сейсмокос, содержащих массивы датчиков. В России такие работы ведутся, в частности, в Институте океанологии имени П. П. Ширшова РАН.

Подводная связь

Гидроакустические датчики обеспечивают голосовую и цифровую связь между подводными объектами и надводными судами. Стандартные системы работают в диапазоне 8–16 кГц, дальность связи достигает 10–20 км.

Примеры

• Гидрофон типа «Г-1» — советский пьезокерамический гидрофон, разработанный в 1950-х годах. Чувствительность -190 дБ, рабочий диапазон 10–100 кГц.
• Гидроакустический датчик «ДГ-1» — современный российский датчик для гидролокаторов бокового обзора. Частота 200 кГц, глубина до 500 м.
• Многолучевой эхолот «SeaBat 7125» (производство США) — использует массив из 256 пьезокерамических датчиков, обеспечивает одновременное получение до 512 лучей.

Интересные факты

• Первый в мире гидроакустический датчик, созданный Ланжевеном, использовал кварцевые пластины, вырезанные из природного кристалла. Чувствительность была крайне низкой, но устройство позволило зафиксировать отражение ультразвука от айсберга на расстоянии 2 км.
• В 1960-х годах в СССР была разработана гидроакустическая система «Арктика», предназначенная для обнаружения подводных лодок подо льдами. Датчики этой системы работали на частоте 1–3 кГц и могли передавать сигнал на расстояние до 100 км.
• Современные гидроакустические датчики могут работать на глубинах до 11 000 м (Марианская впадина), что достигается за счёт использования титановых корпусов и специальных герметиков.

Критика и ограничения

Основным недостатком гидроакустических датчиков является сильная зависимость их работы от гидрологических условий: температуры, солёности, течений, наличия взвешенных частиц. В тёплых водах и вблизи поверхности звук распространяется хуже, чем в холодных глубинных слоях. Кроме того, пьезокерамические датчики подвержены старению и деградации при длительном воздействии высокого давления. В военных применениях существует проблема маскировки: излучаемые сигналы могут быть засечены противником.

Источники

• Ланжевен П. Гидроакустика: история и развитие. — М.: Наука, 1975.
• Гидроакустические системы: учебное пособие / под ред. В. И. Кашина. — СПб.: Изд-во СПбГУ, 2005.
• Справочник по гидроакустике / под ред. А. П. Евтюхова. — М.: Судостроение, 1988.
• Материалы концерна «Океанприбор» (Санкт-Петербург), 2020–2023.
• ГОСТ Р 52921-2008 «Датчики гидроакустические. Общие технические условия».