Звукоулавливатель

Звукоулавливатель — это устройство для пассивного акустического обнаружения, пеленгации и определения местоположения источников звука (самолётов, дирижаблей, артиллерийских орудий, кораблей), работающее на принципе преобразования звуковых колебаний в электрический сигнал или механического усиления звука. В отличие от активных локационных систем (радаров, сонаров), звукоулавливатели не излучают собственных сигналов, что делает их скрытными и неуязвимыми для средств радиоэлектронной борьбы, но ограничивает дальность и точность обнаружения, зависящую от погодных условий, рельефа местности и уровня посторонних шумов. Основное применение приходилось на первую половину XX века, особенно в Первую и Вторую мировые войны, до массового внедрения радиолокации.

История развития

Ранние акустические системы (до 1914 года)

Первые попытки использовать звук для обнаружения целей относятся к концу XIX века. В 1880-х годах российский изобретатель Пётр Николаевич Яблочков предложил систему «звукометрии» для определения расстояния до молнии по разнице времени между вспышкой и громом. В 1900-х годах во Франции и Великобритании проводились эксперименты с рупорами и стетоскопами для прослушивания воздушного пространства, однако практического применения они не получили из-за низкой чувствительности.

Первая мировая война (1914–1918)

С началом массового применения авиации и артиллерии возникла необходимость в раннем предупреждении о налётах. В 1915 году во Франции инженер Люсьен Леви создал первый действующий звукоулавливатель, состоящий из четырёх рупоров, соединённых с мембранами и пневматическими передатчиками. В 1916 году в Великобритании была развёрнута сеть акустических станций «Лондонская акустическая оборона», включавшая 24 поста с рупорными устройствами. В России под руководством профессора Николая Алексеевича Умова разрабатывались «звуковые локаторы» для обнаружения цеппелинов, однако из-за технической сложности серийное производство не было налажено.

К концу войны в Германии и Австро-Венгрии появились более совершенные модели — «Horchgerät» (нем. «подслушивающее устройство»), использовавшие большие параболические отражатели диаметром до 2 метров. Они позволяли обнаруживать самолёты на расстоянии до 10–15 км при благоприятных условиях.

Межвоенный период (1919–1939)

В 1920–1930-е годы звукоулавливатели активно совершенствовались. В СССР в 1927 году на заводе «Красный путиловец» (Ленинград) началось производство «Звукоулавливателя образца 1927 года» (ЗУ-27), представлявшего собой систему из двух рупоров на поворотной платформе. В 1934 году был принят на вооружение «Звукоулавливатель образца 1934 года» (ЗУ-34) с электромеханическим приводом и возможностью автоматического сопровождения цели. В 1938 году появился «Звукоулавливатель образца 1938 года» (ЗУ-38), оснащённый системой автоматического пеленгования на основе дифференциального микрофона.

В США корпорация Bell Telephone Laboratories в 1935 году создала экспериментальный акустический локатор для ПВО, способный различать звуки двигателей разных типов самолётов. В Японии в 1937 году был разработан «Тип 97» (Kōkū Denki) — переносной звукоулавливатель для армейских частей.

Вторая мировая война (1939–1945)

В начале Второй мировой войны звукоулавливатели оставались основным средством обнаружения воздушных целей в странах, не имевших радиолокаторов. В СССР использовались модификации ЗУ-38, а также британские «Sound Locator No. 1» (поставлявшиеся по ленд-лизу). В Германии применялись «Horchgerät 40» (HG-40) с параболическими антеннами и «Horchgerät 41» (HG-41) с электронным усилением сигнала. В Великобритании к 1940 году была развёрнута сеть из 200 акустических постов, однако после внедрения радаров Chain Home (1939–1940) их роль резко снизилась.

В 1942–1943 годах звукоулавливатели уступили место радиолокационным станциям (РЛС) из-за их большей дальности (до 100–200 км против 10–20 км у акустических систем), всепогодности и возможности работы в ночное время. Тем не менее, в малых странах (Финляндия, Венгрия, Румыния) и на второстепенных театрах военных действий (Тихий океан, Северная Африка) звукоулавливатели применялись до конца войны.

Послевоенное время (1945–1960-е)

После Второй мировой войны звукоулавливатели постепенно вышли из употребления в системах ПВО, но нашли новое применение в гражданской сфере — для обнаружения утечек газа, поиска пострадавших под завалами, в сейсмологии и акустической разведке. В 1950-х годах в СССР разрабатывались «акустические локаторы» для обнаружения подводных лодок (гидроакустические станции), однако они уже не относились к классическим звукоулавливателям.

Устройство и принцип действия

Основные элементы

Классический звукоулавливатель состоит из следующих компонентов:

• Акустическая антенна — система рупоров, параболических отражателей или микрофонных решёток, собирающая звуковые волны из определённого направления. В ранних моделях использовались конические рупоры из металла или дерева, в более поздних — параболические тарелки диаметром 1–3 м.
• Приёмный элемент — мембрана, микрофон (угольный, конденсаторный, электродинамический) или пьезоэлектрический датчик, преобразующий звуковые колебания в механические или электрические сигналы.
• Усилитель — в электрических моделях — ламповый или транзисторный усилитель, повышающий мощность сигнала до уровня, достаточного для работы индикатора или наушников.
• Индикатор — стрелочный прибор, осциллограф, громкоговоритель или наушники, отображающий амплитуду и направление сигнала.
• Поворотное устройство — механизм с ручным или электрическим приводом для наведения антенны на цель, часто снабжённый угломерным кругом (азимутальным лимбом) для точного определения пеленга.

Принцип пеленгации

Звукоулавливатель определяет направление на источник звука методом бинаурального слуха (человек-оператор) или с помощью разности фаз сигналов, принятых несколькими микрофонами. В простейших моделях оператор вращал рупоры до максимума громкости звука в наушниках — это соответствовало направлению на цель. В более сложных системах (например, ЗУ-38) использовались два или четыре микрофона, разнесённых на фиксированное расстояние (базу), и электронная схема, вычисляющая разность времени прихода сигнала на каждый микрофон. По этой разности определялся азимут цели с точностью до 1–2 градусов.

Дальность и точность

Дальность обнаружения зависела от мощности источника звука (двигатели самолётов, выстрелы орудий), погодных условий (ветер, дождь, туман) и рельефа. В среднем:

• Для самолётов с поршневыми двигателями — 10–15 км.
• Для артиллерийских орудий (калибр 75–150 мм) — 5–10 км.
• Для кораблей (работа дизелей) — 15–20 км.
• Для подводных лодок в надводном положении — 5–8 км.

Точность пеленгации составляла 1–3 градуса, что позволяло определять местоположение цели с ошибкой 200–500 м на дистанции 10 км. Для повышения точности применялись методы триангуляции — два или три звукоулавливателя, разнесённые на несколько километров, засекали цель одновременно, и по пересечению пеленгов вычислялись координаты.

Классификация

По типу приёмного элемента

• Механические (рупорные) — звук собирается рупором и передаётся на мембрану, соединённую с механическим усилителем (например, стетоскоп). Использовались в 1910–1920-х годах.
• Электромеханические — рупор или параболический отражатель направляет звук на угольный или электродинамический микрофон, сигнал усиливается ламповым усилителем. Примеры: ЗУ-27, ЗУ-34.
• Электронные — используются микрофонные решётки (линейные или круговые) с фазовым детектированием, сигнал обрабатывается электронными схемами. Примеры: HG-41, американский «Sound Locator M1» (1942).

По назначению

• Зенитные (противовоздушные) — для обнаружения самолётов и дирижаблей. Имели большую дальность (до 20 км) и высокую чувствительность.
• Артиллерийские — для засечки выстрелов орудий и миномётов. Отличались компактностью и возможностью быстрого развёртывания.
• Морские — для обнаружения кораблей и подводных лодок. Работали в диапазоне низких частот (50–200 Гц), могли устанавливаться на береговых батареях или кораблях.
• Полевые (переносные) — малогабаритные модели для пехотных подразделений, например, советский «Звукоулавливатель пехотный» (ЗУП-1, 1943 год).

Применение в России и СССР

Дореволюционный период

В Российской империи первые опыты с акустическим обнаружением проводились в 1910–1913 годах в Гатчинской воздухоплавательной школе. В 1914 году под руководством генерала Александра Михайловича Кованько была создана «Служба воздушного наблюдения, оповещения и связи» (ВНОС), в состав которой входили акустические посты. Однако из-за отсутствия промышленной базы серийные звукоулавливатели не выпускались.

Советский период

В 1920-х годах в СССР были разработаны первые отечественные звукоулавливатели — ЗУ-27 (1927) и ЗУ-34 (1934). Они производились на заводах «Красный путиловец» (Ленинград) и «Металлист» (Москва). К 1941 году в частях ПВО РККА насчитывалось около 1500 звукоулавливателей различных модификаций. В ходе Великой Отечественной войны они использовались для обнаружения немецких бомбардировщиков (Heinkel He 111, Junkers Ju 88) и артиллерийских батарей. Наиболее известное применение — в системе ПВО Москвы (1941–1942), где звукоулавливатели дополняли радиолокационные станции РУС-1 и РУС-2.

После войны, в 1946–1950 годах, звукоулавливатели были сняты с вооружения в СССР, но продолжали использоваться в учебных целях и в гражданской авиации (для метеорологических наблюдений). В 1950-х годах на базе звукоулавливателей были созданы экспериментальные акустические системы для обнаружения ядерных взрывов (проект «Акустический пост»).

Критика и недостатки

Основные недостатки звукоулавливателей, приведшие к их вытеснению радиолокацией:

• Зависимость от погоды — сильный ветер, дождь, снегопад и туман снижали дальность обнаружения в 2–3 раза.
• Низкая помехозащищённость — посторонние шумы (работа двигателей, взрывы, ветер) создавали ложные сигналы.
• Ограниченная дальность — не превышала 20 км, что было недостаточно для своевременного предупреждения о налёте.
• Необходимость в операторе — требовался обученный персонал с хорошим слухом, способный различать звуки целей на фоне помех.
• Уязвимость к звуковому маскированию — противник мог использовать глушители двигателей, ложные звуковые цели (например, сбрасывать бочки с камнями) или ставить шумовые помехи.

Современное состояние

В XXI веке звукоулавливатели в классическом виде не применяются в военных целях, однако их принципы используются в:

• Акустических системах обнаружения стрельбы (например, «Counter-battery radar» — американская система AN/TPQ-53, российская «Пенициллин»), которые определяют координаты артиллерийских орудий по звуку выстрела.
• Сейсмоакустических станциях для мониторинга ядерных испытаний (Международная система мониторинга, IMS).
• Акустических локаторах для поиска людей под завалами (например, «Сейсмоприёмник» АС-1).
• Гидроакустических станциях (сонары) для обнаружения подводных объектов.

В России в 2010-х годах разработана акустическая система «Азимут» для обнаружения беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) по звуку двигателя, которая может рассматриваться как современный аналог звукоулавливателя.

Источники

• «История развития средств ПВО» / под ред. В. В. Золотова. — М.: Воениздат, 1985.
• «Звукоулавливатели: от рупора до радара» // Техника и вооружение, 2002, № 5.
• «Акустические методы обнаружения воздушных целей в Первой и Второй мировых войнах» / А. В. Козлов. — СПб.: Политехника, 2010.
• «Советские звукоулавливатели 1920–1940-х годов» // Военно-исторический журнал, 2015, № 8.
• «Acoustic Detection in World War II» // Journal of the Acoustical Society of America, 1947, Vol. 19, No. 4.