Файл: Нечаев П.А. Электронавигационные приборы учебник.pdf

тельно, и в точном выражении для глубины под вибраторами сохра­ няется однозначная зависимость между измеряемым эхолотом проме­ жутком времени и искомой глубиной Я.

Ознакомление с принципом акустического измерения глубин по­ зволяет вполне обоснованно перечислить те достоинства и недостатки, которыми он обладает.

Главнейшими достоинствами эхолотов являются следующие.

Б ы с т р о т а п р о м е р а . Время, потребное на измерение глу­ бины, составляет доли секунды.

Н е п р е р ы в н о с т ь и з м е р е н и я ( о т с ч е т а ) г л у ­ б и н . Если ручным лотом на измерение одной глубины потребуется примерно 2—3 мин, то навигационный эхолот дает в среднем несколь­ ко сотен глубин в минуту. Если считать, что скорость измерения глу­ бин эхолотом составляет 450 измерений в минуту, то на ходу в 6 узлов

Большая скорость измерения глубин в сочетании с автоматической их регистрацией позволяет с помощью эхолота очень тщательно ис­ следовать конфигурацию дна.

Указанные достоинства акустического способа измерения глубин обусловливают большую безопасность плавания судов, снабженных эхолотами.

Наличие эхолота на судне становится особенно важным при плавании в узкостях и в мелководных районах.

Одним из достоинств эхолота является также возможность его ис­ пользования для опознания места судна по глубинам для контроля счислимого места судна.

Однако, как всякий прибор, эхолот обладает рядом недостатков, осложняющих его установку на судне и эксплуатацию. Главными из этих недостатков являются следующие.

Установка вибраторов большинства эхолотов требует прорези днища судна, что затрудняет осмотр, ремонт и замену вибраторов на плаву. Поэтому эти работы обычно выполняют во время стоянки судна в доке.

Относительная сложность устройства прибора требует надлежа­ щего ухода и грамотной его эксплуатации.

Отсутствие механического контакта между судном и грунтом при измерении глубин позволяет судить о характере грунта лишь прибли­ женно — по характеру его отражающей способности.

320

§ 67. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ИХ ОСОБЕННОСТИ. НАПРАВЛЕННОЕ ДЕЙСТВИЕ ВИБРАТОРОВ

Все современные навигационные эхолоты являются ультразвуко­ выми. Это означает, что вибратор-излучатель эхолота посылает, а ви­ братор-приемник соответственно принимает акустические колебания ультразвуковых частот. Применение ультразвука для целей измере­ ния глубин обусловливается рядом особенностей ультразвуковых ко­ лебаний, что и определяет эксплуатационные преимущества ультразву­ ковых эхолотов по сравнению со звуковыми.

Природа звуковых и ультразвуковых колебаний

Звуковые и ультразвуковые колебания одинаковы по своей приро­ де. Как те, так и другие представляют собой механические колебания частиц среды, обладающей упругостью. Под ультразвуковыми коле­ баниями понимают упругие колебания, частота которых лежит за верх­ ним пределом слышимости человеческого уха, т. е. примерно превы­ шает 16 кГц.

Обычно в подводной акустике используют следующий способ обра­ зования акустических волн. В упругую среду помещается источник этих волн, представляющий собой колеблющееся тело. Это тело, непосредственно соприкасаясь своей колеблющейся поверхностью с частицами среды, создает в последней смещения частиц, что, в свою очередь, изменяет давление в этой среде. Изменение состояния среды — сжатие или разрежение — передается, в силу упругих свойств среды, последовательно от частицы к частице. Тем. самым создается процесс распространения акустических волн, исходящих от источника. Если в области, где обнаруживается действие источника, поместить другое тело, способное совершать колебания под действием изменения внеш­ него давления, то тело это будет повторять движение, созданное ис­ точником, и тем самым будет происходить прием акустических коле­ баний.

В воде, так же как и в воздухе, практически могут возникать толь­ ко п р о д о л ь н ы е а к у с т и ч е с к и е в о л н ы , в которых ко­ лебания частиц среды происходят в направлении распространения волны.

Скорость распространения акустических

колебаний

Частицы всякой упругой среды обладают массой, которая и опре­ деляет их инерционные свойства. В силу инерции частиц среды рас­ пространение колебательного движения в ней будет происходить с определенной для данной среды скоростью, зависящей от физических свойств среды — от ее упругости и плотности — и не зависящей от частоты колебаний. Это означает, что звуковые и ультразвуковые

колебания будут распространяться в данной среде с одинаковой скоростью.

Теоретически величина скорости с распространения акустической волны в среде определяется выражением

или, для жидкой среды,

с - л / Х

V ХР

где Е — модуль1 объемной упругости, н • м-2;

X — коэффициент сжимаемости — величина, обратная модулю объемной упругости в жидкой неограниченной среде;

р — плотность среды, кг-м“3;* Последняя формула называется формулой Лапласа.

Отражение и проникновение акустических колебаний

Известно, что при падении акустической волны на границу раздела двух сред часть энергии отражается от этой границы и остается в пре­ делах первой среды, другая же часть проходит во вторую среду.

Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что

Произведение скорости распространения акустических колебаний в некоторой среде на плотность той же среды называется у д е л ь ­ н ы м а к у с т и ч е с к и м с о п р о т и в л е н и е м с р е д ы . Удельное акустическое сопротивление представляет характеристи­ ческую для каждой среды величину.

Интенсивность акустической волны, отраженной от границы раз­ дела, определяется величиной отношения удельных акустических со­ противлений данных сред. Если граничащие среды имеют одинаковые удельные акустические сопротивления рхСх та р2с2, то отражение отсутствует, а это означает, что акустическая энергия целиком пере­ ходит во вторую среду. В этом случае происходит полное проникнове­ ние акустической энергии через границу раздела.

Если же удельные акустические сопротивления граничащих сред сильно отличаются друг от друга, т. е. если р ^ > р2с2 или р2с2 >

1 Модуль объемной упругости представляет величину, которая характери­ зует упругие свойства среды: чем меньше относительное изменение объема при заданной силе, тем больше модуль объемной упругости среды. Для воды модуль объемной упругости приблизительно равен 2-109 н/ма, для воздуха— около 1,4-106*н/м2. Обращаем внимание на то, что модуль объемной упругости для воды чрезвычайно велик; отсюда следует, что вода представляет среду, практически несжимаемую.

322

> piCi, то вся акустическая энергия, падающая на границу раздела сред, целиком отразится от границы раздела. Следовательно, в том случае, когда граничащие среды имеют сильно отличающиеся акусти­ ческие сопротивления, граница их раздела будет «непрозрачна» для акустических колебаний: энергия, отразившись от второй среды, целиком останется в первой среде. Таким образом, именно неравен­ ство удельных акустических сопротивлений является причиной отра­ жения энергии от границы раздела. В связи с этим особый практиче­ ский интерес представляет случай перехода акустической энергии из воздуха в воду или из воды в воздух. В табл. 14 приведены приблизи­ тельные числовые значения для плотности, скорости распространения акустических колебаний и удельного акустического сопротивления для воды и воздуха.

Из таблицы видим, что удельное акустическое сопротивление воды в 3500 раз больше удельного акустического сопротивления воздуха. Это означает, что граница вода — воздух практически «непрозрачна» для акустической энергии: из воды в воздух или из воздуха в воду акустическая энергия практически не проходит — она полностью от­ ражается.

Приведенные основные положения о законах отражения и проник­ новения позволяют сделать следующие выводы:

а) количество акустической энергии, отраженной от границы раз­ дела, зависит от физических свойств граничащих сред — от их акусти­ ческих сопротивлений;

б) акустическое сопротивление среды, представляя собой произве­ дение плотности среды на скорость распространения звука в ней, не зависит от частоты распространяющегося колебания.

Эти два вывода означают, что законы отражения и проникновения одинаковы для звука и ультразвука.

Поглощение акустических колебаний

Известно, что сила звука ослабевает с увеличением расстояния Это значит, что любой источник звука будет иметь ограниченный ра­ диус действия. Причиной этого является то, что всякая реальная зву­ копроводящая среда обладает свойством поглощения вследствие вяз­ кости и теплопроводности.