Шумопеленгаторная станция является неизлучающим пассивным средством наблюдения, позволяющим обнаружить шумящий объект на воде и под водой и определить направление на него.
Основным достоинством шумопеленгаторной станции является абсолютная скрытность ее работы. Поэтому наибольшее распространение шумопеленгаторные станции получили именно на подводных лодках, для которых скрытность является залогом боевого успеха.
На подводных лодках, использовавшихся во время второй мировой войны шумопеленгаторная станция состояла из следующих основных блоков: базы приемников 1, компенсатора 2, усилителя 3, фильтра 4, телефонов или громкоговорителя 5.
В базу приемников 7 входит от восьми до нескольких десятков приемников, основным элементом которых является кристалл сегнетовой соли или стержень из ферромагнитного материала,, предназначенный для преобразования приходящей к базе звуковой энергии в электрическую на принципе пьезоэлектрического или магнитострикционного эффектов.
Кристалл набирается из тонких пластинок сегнетовой соли. Между пластинками прокладывается тонкая металлическая фольга - электрод 2. Пластинки и металлические прокладки
складываются вместе. Получившийся пакет зажимается между корпусом приемника 3 и его мембраной 4. Давление приходящей звуковой волны передается от мембраны на кристалл, на боковой поверхности которого образуются электрические заряды — разность потенциалов. Последняя снимается с помощью электродов 2 и выводится по проводам через сальник 5 в корпусе приемника.
Приемники в базе расположены по окружности, эллипсу или линейно. База приемников размещается в днище носовой части подводной лодки. Провода от приемников базы заводятся через специальный сальник в прочный корпус подводной лодки, где присоединяются к выходу компенсатора 2.
Компенсатор предназначен для сложения электрических напряжений, возникающих во всех приемниках базы в одну результирующую э. д. с. одной фазы. Звуковая волна приходит неодновременно ко всем приемникам. Сначала — к первому приемнику, потом ко второму и восьмому, далее к третьему и седьмому, к шестому и четвертому, и наконец, к пятому, как к самому удаленному от первого приемника.
Компенсатор восполняет сдвиг по времени между моментами прихода звуковой волны к разным приемникам базы, задерживая электрические колебания, возникшие в первых приемниках относительно последующих. Ясно, что компенсатор более всего задерживает электрические колебания, возникающие в приемниках, расположенных в базе диаметрально противоположно, например, в первом и пятом.
Компенсатор состоит из большого числа отдельных электрических цепей, в каждую из которых входит конденсатор и 1 катушка самоиндукции. Электрические цепи соединены последовательно и образуют общую задерживающую цепь компенсатора.
Из основ электротехники известно, что если к электрической цепи, состоящей из конденсатора и катушек самоиндукции, подается переменное электрическое напряжение, то на выходных зажимах напряжение оказывается сдвинутым по фазе по отношению к подаваемому напряжению. На этом свойстве и основана работа задерживающей цепи компенсатора. Для простоты объяснения работы компенсатора рассмотрим задержку электрического напряжения, возникшего, в первом приемнике относительно пятого, не беря в счет наличие в базе других шести приемников. Токи от электрических напряжений, возникших в первом и пятом приемниках, проходят задерживающую цепь и затем складываются в телефонах
Т. Подвижным контактом К можно подключать к приемникам большее или меньшее число отдельных электрических цепей, состоящих из конденсаторов и катушек самоиндукции. Чем больше цепей подключено, тем больший сдвиг фаз возникает
между напряжениями на входе и выходе компенсатора. Ввиду того что к первому приемнику звуковая волна приходит раньше, чем к пятому, электрическое напряжение в пятом приемнике отстает по фазе от напряжения в первом приемнике. Необходимо «задержать» ток, возникший от электрического напряжения первого приемника, с таким расчетом, чтобы токи от обоих приемников (первого и пятого) пришли к телефонам вместе в одной фазе.
Для этого мы должны ввести с помощью контакта К в цепь первого приемника максимальное число отдельных электрических цепей, а в цепь пятого приемника— минимальное. Этим самым мы компенсируем сдвиг фаз между токами, возникший в результате неодновременного прихода звука к приемникам.
Момент отсутствия сдвига фаз между токами от разных приемников базы отмечается в телефонах звуком максимальной громкости. По количеству электрических цепей, включенных на компенсаторе для получения звука максимальной громкости, можно судить об угле, под которым звуковые лучи приходят к базе приемников. Так, например, если количество включенных цепей равно нулю, то звук приходит в направлении, перпендикулярном линий, соединяющей первый и пятый приемники.
В современных шумопеленгаторных станциях подвижной контакт
К, связан со стрелкой прибора отсчета направления (курсового угла) на цель.
С выхода компенсатора электрические колебания поступают на вход усилителя 3, где они возрастают по амплитуде в десятки и сотни тысяч раз (в зависимости от коэффициента усиления усилителя). Если приемники работают в ультразвуковом диапазоне частот, то усилитель, кроме того, и преобразует колебания из ультразвуковых в звуковые.
Фильтр 4 пропускает только определенную полосу частот. При этом низкие частоты обеспечивают большую дальность шумопеленгования, высокие частоты более защищены от помех, возникающих от собственного хода подводной лодки, и обеспечивают более высокую точность определения направления на шумящий объект. Обычно точность пеленгования такими шумопеленгаторами лежит в пределах 2 - 3°.
С помощью телефонов или громкоговорителей 5 гидроакустик прослушивает шум корабля-цели.
На американских дизельных подводных лодках установлены шумопеленгаторные станции «УК» и «УР». Приборная часть первой из них расположена в боевой рубке лодки, вторая—в торпедном отсеке.
При выходе подводных лодок в торпедную атаку эти станции определяют направление на цель и сторону ее движения. Все данные передаются гидроакустиком специальной группе управления торпедной стрельбой.
В последние годы наряду с максимальным методом шумопеленгования, который мы рассмотрели, стал широко применяться фазовый метод. Этот метод основан на фиксации разности времени прихода звука от цели к двум приемникам или к двум группам
приемником. Если перпендикуляр к базе двух приемников точно направлен на источник шума, то звуковые волны достигают обоих приемников одновременно. В обмотках
магнитострикционных приемников появляются напряжения сигнала, равные по фазе и амплитуде. Эти напряжения подаются на вход двухканального усилителя, имеющего два входных трансформатора.
В одном трансформаторе оба напряжения складываются и суммарное напряжение усиливается каналом суммы усилителя. В другом трансформаторе одно напряжение вычитается из другого, а разностное напряжение подается для усиления в канал разности усилителя. Из канала суммы напряжение подается на вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки, а из канала разности — на горизонтально отклоняющие пластины.
Ввиду того, что в рассматриваемом случае напряжения обоих приемников равны по амплитуде и фазе, разностное напряжение равно нулю и на экране трубки будет видна вертикальная прямая линия.
Если повернуть базу приемников влево или вправо от направления на источник шума, то звуковые колебания достигнут обоих приемников неодновременно. Напряжения сигнала, возникающие в приемниках, будут отличаться по фазе. Чем больше угол поворота базы, тем больше разность времени в
прохождении звуковых колебаний к приемникам и тем больше сдвинуты по фазе напряжения левого и правого приемников
Ил и Ип. Амплитуды напряжений останутся одинаковыми, так как разность хода неизмеримо меньше расстояния от базы до источника звука.
При сложения и вычитании двух равных по величине напряжений, сдвинутых по фазе на некоторый угол альфа суммарное
Ue и разностное Vp напряжения всегда будут сдвинуты между собой по фазе на угол 90°. Эти напряжения будут подаваться на вход канала суммы b канала разности усилителя.
В двухканальном усилителе имеется устройство (фазосдвигающая ячейка), которое сдвигает оба напряжения по отношению друг к другу на угол 90°. Вследствие этого на выходе каналов суммы, и разности напряжения всегда будут в фазе или в противофазе. Таким образом, при повороте приемников на некоторый угол на выходах усилителя появляется два напряжения, не равные нулю и не одинаковые по величине, но либо совпадающие по фазе, либо сдвинутые на180°. При помощи этих напряжений, приложенных к отклоняющим пластинам электронно-лучевой трубки, на ее экране появляется наклонная прямая линия. Угол наклона линии зависит от соотношения амплитуд напряжений. Если амплитуды равны, то угол наклона будет 45° (равнодействующий вектор). Если одно из напряжений равно нулю, то линия располагается соответственно вертикально или горизонтально. Сторона наклона ее показывает, в какую сторону относительно истинного направления на цель повернута ось акустической базы.
Таким образом, для того, чтобы определить направление на источник звука (запеленговать), достаточно установить базу в таком положении, при котором на экране трубки будет видна вертикальная прямая линия. Угол поворота базы, при котором линия строго вертикальна, и будет курсовым углом на цель.
В одном из образцов шумопеленгаторных станций в качестве акустической системы применена цилиндрическая база из 132 магнитострикционных приемников. Пеленгование осуществляется не ее вращением, а путем электрической компенсации разности, времен прихода к приемникам звуковых колебаний. Для этого между акустической системой и усилительно-индикаторной частью включаются звенья задерживающей цепи из емкостей и индуктивностей, которые обеспечивают соответствующее запаздывание электрических сигналов.
Вращая штурвал компенсатора и наблюдая за линией на экране для определения направления на цель, гидроакустик вводит в схему такое количество задерживающих звеньев, которое полностью компенсирует разность хода сигналов от различных приемников. Для каждого направления прихода звука полная компенсация будет только при одном определенном положении стрелки компенсатора, совпадающем с точным пеленгом (курсовым углом) на цель.
Появление на экране вертикальной линии соответствует точному направлению.
В некоторых типах шумопеленгаторов предусмотрено устройство для автоматического сопровождения цели (АСЦ). В его состав входит акустическая система, блок формирования характеристики направленности (компенсатор), полосовой фильтр, индикатор, а также узлы и элементы, обеспечивающие автоматическое сопровождение цели. АСЦ работает
по обычному принципу простейшей кибернетической схемы.
При отклонении лепестка направленности шумопеленгатора от направления на цель на какой-то угол в схеме возникает сигнал ошибки, пропорциональный углу отклонения (рассогласования). После усиления сигнал поступает на элементы системы слежения и далее на исполнительный двигатель. Двигатель, связанный механически с компенсатором, начинает, вращаться, поворачивая лепесток направленности таким образом, чтобы сигнал ошибки довести до нуля. Когда лепесток, будет точно направлен на цель, сигнал ошибки исчезнет и двигатель перестанет вращаться. При новом отклонении оси излучения от цели двигатель снова начинает работать, и весь цикл повторяется. Автоматическое сопровождение цели значительно облегчает работу гидроакустика, которому в этом случае для пеленгований ее не нужно вращать штурвал компенсатора,
Дальность действия шумопеленгаторов значительно увеличилась за последние годы и достигла в иностранных флотах 30 миль (55 км) и более. Как видно из печати увеличение дальности получено за счет перехода к низкочастотному диапазону работы, применения новых методов обработки сигналов, основанных на приложении к гидроакустике корреляционной техники. Ведутся работы по изысканию оптимальных вариантов размещения акустических систем.
Так, на подводной лодке «Тридфайн» 86 приемников шумопеленгатора расположены в виде круговой базы, диаметром, 3,4 м. Высота каждого приемника 0,9 м. База смонтирована на палубе впереди боевой рубки подводной лодки. В качестве пьезоэлектрического материала применен титанат бария.
На подводной лодке «Флайнг Фиш» вдоль борта установлена, линейная база шумопеленгатора с длиной 61 м, а на палубе вокруг рубки — эллиптическая база. Большая ось эллипса 15 м, малая — 7,3 м.
