История эхолота

Отрывки из книги В.И.Корякина, А.А.Хребтова
"От астролябии к навигационным комплексам"

СКОЛЬКО ФУТОВ ПОД КИЛЕМ

ЛОТОВЫЙ И ЛОТЛИНИ

С необходимостью измерения глубины под килем человек столкнулся во время первых же плаваний. Невидимые подводные камни, рифы, мели всегда доставляли много неприятностей, особенно при подходе к берегу и при плавании в узкостях. Кроме того, не зная глубины, трудно удачно выбрать место постановки судна на якорь и необходимую длину вытравливаемой якорь-цепи.

Самым древним “инструментом” для измерения глубины служил обычный шест из дерева или бамбука длиной около пяти метров. Если опущенный вертикально в воду он не доставал дна, значит проход безопасен. При меньшей глубине надо было проявлять большую осторожность. Для небольших судов далекого прошлого такой оценки глубины было достаточно. Со времени, когда стали пользоваться различными планами входа в бухту или гавань и появилась возможность отмечать на них глубины и выделять безопасные проходы и удобные места стоянок, на шестах стали наносить отметки в единицах длины — в локтях (1 локоть — около 0,4 метра), саженях (1 сажень — около 1,8 метра) или в футах (1 фут — около 0,3 метра).

С появлением более крупных судов стали использовать ручной лот. Он состоял из непосредственно лота (груза) и лотлиния — тонкого троса, к которому он крепился. В качестве груза чаще всего применяли свинцовую или чугунную гирю продолговатой, пирамидальной или конусообразной формы, чтобы лот быстро погружался в воду. Лотлинь разбивался на отрезки определенной длины, которые отделялись друг от друга кожаными или парусиновыми отметками-марками.

Наблюдатель, или лотовый, как его называли, становился на нос судна или специальную площадку, которая предусматривалась на судне для этих целей, и забрасывал груз вперед по ходу судна. Когда лотлинь принимал вертикальное положение, по отметке определяли глубину иод килем.

О таком способе измерять глубины вблизи берега упоминал еще в V в. до н. э. древнегреческий историк Геродот. Здесь уместно отметить, что уже во времена Геродота глубины измеряли не только для того, чтобы обезопасить судно от посадки на мель или выбрать место якорной стоянки, но и для определения своего местоположения. Так, древние греки отмечали, что если при плавании по Средиземному морю по направлению к берегам Египта глубина под килем уменьшалась до 100 саженей (около 183 метров), значит до Александрии остается один день пути.

До начала XVIII в. лоты применялись, как правило, в прибрежной зоне и имели лотлини длиной не более 100—200 метров. В открытом море мореплаватели прошлого измеряли глубины крайне редко. Известны лишь единичные случаи замеров глубин более 1000 метров. Так, во II в. до н. э. грек Посейдон отметил в Средиземном море наибольшую глубину в 1830 метров. Из дневников Колумба известно, что он замерял большие глубины в районе Канарских островов. В 1798 г. с помощью лота, усовершенствованного еще Петром I, штурман А. Пушкарев и горный заседатель Никита Карелин, выполняя промер озера Байкал, зафиксировали глубину в 1238 метров. Мореплаватели В. Скорсби и Дж. Росс в 1818 г. замеряли глубины в Северном ледовитом океане и в Баффиновом заливе соответственно. При этом первый зафиксировал глубину в 1200 саженей (около 2200 метров), а второй — в 1050 (около 1900 метров). Но это были единичные случаи.

Особого интереса к исследованию глубин океана до XIX в. моряки не проявляли, так как полагали, что рельеф морского дна как бы отражает рельеф суши, т. е. считалось, что наибольшие значения глубин соответствуют высотам близлежащих вершин. Среднюю глубину океанов принимали равной среднему возвышению материков.

В начале XIX в. интерес к промерным работам, а следовательно, и к средствам измерения глубин резко возрос. Ученые и мореплаватели поняли, что изучение морей и океанов невозможно без изучения характера рельефа дна и его особенностей. Необходимы были систематические специальные промеры в морях и океанах, а для этого нужны были соответствующие инструменты для измерения больших глубин.

В первую очередь взялись, конечно, за усовершенствование обычных лотов. Простой лот для измерения больших глубин не годился. Первым обратил на это внимание Дж. Кларк Росс — начальник экспедиции к Южному полюсу в 1839—1843 гг. Производя промеры глубин в южной части Атлантического океана, он заметил, что когда груз достигает дна, линь продолжает сматываться под силой собственной тяжести, и что на глубинах в 1—2 морские мили рука, контролирующая натяжение линя, уже не ощущает касания дна. Вместе с тем, записывая время прохождения каждой 100-саженной марки, он заметил, что промежутки измеренных интервалов времени составляют постепенно возрастающий ряд и, когда лот достигает дна, эта постепенность нарушается. Однако это открытие мало облегчило задачу измерения больших глубин, поскольку в действительности на падающий линь действует много факторов, которые приводят то к увеличению, то к уменьшению скорости падения груза — течения, снос судна, неравномерность вращения вьюшки, на которую наматывается линь, и т. п. Кроме того, пеньковые и манильские лини часто рвались, грузы терялись, а на настройку нового лота и на сам процесс измерения глубины уходило много времени. Так, для измерения глубины в 1200 метров требовалось около 7 часов.

Изобретательская мысль не заставила себя ждать. За XIX столетие одних патентов на измерители глубины было выдано более ста.

Все изобретения этого периода можно разделить на четыре основных категории: диплоты со сбрасываемым грузом; лоты с вращающимися датчиками; электрические глубомеры; гидростатические лоты.

Диплоты представляли собой лоты, специально предназначенные для измерения больших глубин. Они отличались тем, что имели груз большой массы, лотлини повышенной прочности и вьюшки со специальными приспособлениями для фиксации касания грунта. Грузы диплотов были громоздки и иногда весили несколько сот килограммов. При ударе о дно они с помощью специальных механизмов автоматически сбрасывались, что облегчало подъем лотлиня с большой глубины.

Основные недостатки диплотов состояли в необходимости снижать ход судна до минимального или останавливать его для измерений, в отклонении лотлиня от вертикального направления при качке, в трудности использования.

Вращающиеся лоты основаны на том, что сила давления воды, возникающая при падении груза, заставляет вращаться лопасти у установленного в специальном кронштейне небольшого винта. Число оборотов лопастей соответствует глубине. По такому принципу построен, например, лот Массея, который стали применять на судах в 1850-х гг.

В конце 50-х гг. прошлого столетия лейтенант американского флота Брук усовершенствовал лот Массея, предусмотрев в нем вторую вертушку, которая действовала при подъеме. Это сделало лот точнее и уменьшило сопротивление воды при выборке линя.

Электрический глубомер изобрел воспитанник Петербургского училища правоведения Э. X. Шнейдер. Он был испытан самим изобретателем в 1861 г. и был успешно использован в 1866—1869 гг. при глубоководных промерах Черного моря. Лот опускали на медном кабеле. При ударе о дно отделяющийся груз замыкал электрическую цепь и включал звонок, установленный на судне, что служило сигналом о достижении дна. Преимущество прибора состояло в том, что линь можно было задерживать и вытравливать.

Подобных приборов было изобретено несколько. Различались они между собой лишь небольшими деталями. В частности, к ним относится лот австрийского лейтенанта Беккера, предложенный им в 1868 г.

В конце 1870-х гг. У. Томсон, так много сделавший для мореплавания, изобрел новый лот, основанный на измерении гидростатического давления. Глубомером в его лоте служила стеклянная трубка длиной в 610 миллиметров, один конец которой открыт, а другой наглухо запаян. При погружении трубки в море открытым концом вниз давление воды действует на воздушный столб, заключенный в ней, сжимая его, и он будет тем меньше, чем больше глубина. Для отметки уровня, до которого поднималась вода, внутреннюю поверхность трубки красили. От воды краска смывалась, и граница смыва была отсчетной меткой глубины. Вполне понятно, что эти трубки были пригодны для измерения только одной глубины и были очень неудобны в использовании.

Для сматывания лотлиня Томсон предложил новую конструкцию вьюшки со специальным тормозом и шкалой оборотов барабана.

В 1906 г. лейтенант русского флота Толстопятое предложил заменить окраску трубок матированием их внутренней поверхности. В этом случае при опускании в воду глубомера часть матового стекла смачивалась и становилась прозрачной. Оставшаяся сухой матовая часть позволяла произвести отсчет глубины. В этом случае одну и ту же трубку можно было использовать в течение похода несколько раз. Однако по неизвестной причине такие трубки распространения не получили.

Лоты с трубками отличались невысокой точностью, на их показания оказывали влияние изменения барометрического давления, температура, неравномерность смытия краски и другие причины. На каждые 100 метров глубины такие лоты давали ошибку от 7 до 15 метров, которая даже по тем временам считалась большой. Кроме того, для частого измерения глубины требовалось большое количество трубок. Тем не менее лоты Томсона применялись на флотах многих стран, в том числе и России.

В 1906 г. датчанин Клаузенс испытал свой глубомер. Он был основан на тех же принципах, что и гидростатический лот Томсона, но имел перед ним существенные преимущества.

Глубомер представлял собой две сифонообразные стеклянные трубки Аи В, размещенные вертикально и параллельно друг другу в корпусе С. Половины трубок А и В, которые видны на рисунке, внизу закрыты, а другие половины трубок, обращенные назад (на рисунке не показаны), открыты. Диаметр передней части трубок А и В одинаков и составляет 7 мм, диаметр же задней части трубок различен: А — 6 мм, В — 9 мм. Объемы передних и задних половин трубок рассчитаны так, чтобы при погружении их на глубину около 5 саженей весь воздух задней половины трубки А уже был вытеснен водой в переднюю ее половину.

Следовательно, при дальнейшем погружении трубки воздух в передней половине будет сжиматься и через соединительную трубку в нее будет переливаться вода. При подъеме трубки в ней останется перелившаяся вода, по высоте столба которой можно судить о глубине.

Точно так же при глубине около 10 саженей весь воздух из задней половины трубки В будет вытеснен в переднюю; при дальнейшем погружении трубки вода будет переливаться в переднюю половину, и высота столба в ней будет соответствовать глубине. Так как объем задней половины трубки В больше, чем объем трубки А, то при погружении обеих трубок на одну и ту же глубину высота столба воды в трубке В будет меньше, чем в трубке А, и таким образом отсчет по одной трубке можно контролировать по другой.

На корпусе С опытным путем нанесены шкалы глубин, соответствующие высотам столба воды. На трубке А от 5 до 150 саженей, а на трубке В — от 10 до 250 саженей, что позволяет осуществлять контроль глубин до 150 саженей. Для того чтобы после измерений можно было выпустить воду из трубок, предназначен кран D с ручкой Е.

Лот Клаузенса был установлен, в частности, на парусно-паровом судне “Святой Фока”, на котором в августе 1912 г. из Архангельска вышел в свою последнюю экспедицию Г. Я. Седов (1877—1914).

В 1915 г. Россия закупила в Копенгагене у фирмы “Кнудзен” 50 глубомеров Клаузенса. В 20-е гг. петроградским заводом “Гидро-геоприбор” было освоено их серийное производство.

Перед первой мировой войной на судах германского флота и Дании широко применялся лот Гейна, также основанный на измерении гидростатического давления. При изменении глубины давление в камере груза и шланге повышалось и передавалось на манометр, стрелка которого сразу указывала измеренную глубину. Предварительно перед измерениями в камеру накачивался воздух.

В 1912 году Главное Гидрографическое управление испытало два лота Гейне и, получив положительные результаты, закупило еще партию приборов в Германии для установки на броненосные крейсеры "Россия", "Рюрик", "Громобой" и на эсминцы "Казинец", "Украина" и "Гремящий".

ПРЕДОСТЕРЕГАТЕЛИ МЕЛКОВОДЬЯ

В 1891 г. профессор Ламберт, делая доклад по проблемам измерения глубины в Королевской морской академии в Гринвиче, отметил, что 50% всех судов гибнут, разбившись о подводные камни, и в результате посадки на мель. При этом он обратил внимание на то, что почти всегда это происходит между измерениями глубины. Поэтому, заключил профессор, необходим лот, который служил бы “постоянным подводным контролем, не требуя за собой ровно никакого наблюдения”. Затем докладчик представил слушателям конструкцию нового лота — “подводного часового”, предложенного “береговым жителем” Самуэлем Джемсом. Устроен он был так.

На конце металлического линя крепился не просто груз, а устройство, напоминающее бумажного змея. Такой “змей” из деревянных щитов в форме крыши буксировали на определенной глубине. Его крепление с линем было устроено таким образом, что при касании грунта натяжение линя ослабевало и “змей” всплывал, что было сигналом об уменьшении глубины под килем до значений, меньших, чем вытравленная длина линя. Такой лотлинь буксировался на определенной глубине и не только предупреждал об опасности, но и помогал отыскивать нужные глубины, например для установки вех и других отличительных знаков. Использовался он на глубинах до 50 метров при скорости судна до 15 узлов.

Лот не был громоздким. В письме профессору Ламберту изобретатель сообщал: “Увеличение размеров щита я остановил тогда, когда я, человек не сильный... мог вполне свободно пользоваться изобретенным мною прибором совершенно один, в самый сильный шторм”.

Использовались щиты двух родов: черный — для глубин до 30 сажен (около 55 метров) и красный — для глубин до 45 сажен (около 80 метров). Оба “змея” имели одинаковые размеры и массу, но угол в вершине крыши, а следовательно, и угол наклона “змея” у них был разный.

Для установки “змея” на заданную глубину на лебедке с линем был предусмотрен специальный счетчик, указывающий число саженей вытравленного линя.

“При наличии такого аппарата,— утверждал профессор Ламберт,— были бы предупреждены несчастья с гибелью судна английского флота “Серпен” у мыса Финистерре и крушение “Сити оф Ром” у западного берега Ирландии, несмотря на частое определение глубины”.

В 1892 г. “подводный часовой” Джемса был закуплен Россией и установлен на броненосце “Петр Великий” для испытаний. После их завершения вице-адмирал С. О. Макаров писал в своем заключении: “Произведенные на броненосце “Петр Великий” испытания лота Джемса, в которых я принимал личное участие, убедили меня в том, что этот лот может принести огромную пользу как для безопасности плавания наших судов, так и для исследования фарватеров. Кроме того, лот Джемса вполне заменяет лот Томсона, а потому я полагаю, что можно теперь же принять за правило отпускать на суда впредь исключительно лоты Джемса и лоты Томсона постепенно заменять лотами Джемса”.

По рекомендации С. О. Макарова, лоты Джемса были закуплены в Англии и установлены на кораблях разных проектов, в том числе на крейсере “Аврора”.

Интересно отметить, что похожий лот-предостерегатель был изобретен и в России техником Ершовым. Однако назначенная комиссия, проведя его испытания в районе Свеаборга (в настоящее время г. Суоменлинна в Финляндии), пришла к заключению, что он по своей надежности уступает лоту Джемса.

По такому же принципу, что и лот Джемса, был устроен лот шведа Шестранда. Создан он был в первом десятилетии XX в. В отличие от лота Джемса в нем предупреждение о достижении заданной глубины под килем судна производилось автоматически с помощью специального звонка, который находился в спусковом аппарате-вьюшке и срабатывал при резком ослаблении натяжения линя, т. е. при касании грунта.

Лоты Джемса и Шестранда могли использоваться не только в качестве “подводных часовых”, предупреждавших об опасности, но и в качестве обычных измерителей глубины. В этом случае “змей” погружали в воду и травили понемногу линь до тех пор, пока контрольный рычаг не ударялся о дно. Сигнальный звонок давал знать, что лот достиг дна, а отсчет по шкале вьюшки указывал вертикальную глубину погружения “змея”.

Иногда лоты-предостерегатели дополнительно комплектовали тяжелой металлической трубкой, в которую вставляли стеклянную трубку Томсона. Низ металлической трубки заливали свинцом, образующим выемку, куда вкладывали сало, смешанное с толченым мелом, или твердое мыло, предварительно размятое в руках. При ударе лота о морское дно частицы грунта — песок, ракушки, камешки приставали к этой массе и тем самым позволяли после подъема лота на палубу определять характер грунта.

Интересную конструкцию предостерегателя глубин предложил в 1898 г. русский врач и изобретатель С. П. Мунт. “Привилегия” на его изобретение была кроме России заявлена в Германии, Австро-Венгрии, Франции, Испании, Италии, США и Англии.

Лот Мунта (см. рисунок) состоял из двух рычагов 4 и б, соединенных шарниром 5, пружинного буфера 2 с пальцем 5, входящего в гильзу 7, контактного устройства / и звонка на мостике судна. Рычаг 4 представлял собой мягкую стальную полосу, которая при касании грунта загибалась вверх и толкала палец 3. Последний через буферное устройство замыкал контакты электрической цепи, что приводило к срабатыванию звонка, сигнализирующего об опасности.

Изобретатель, подавая заявку на свое устройство, подчеркивал следующие его достоинства: полную автоматизацию, непрерывность работы, надежность и простоту конструкции, что делало его дешевым и доступным для всех судов. Все это так, но у автоматического лота системы Мунта был очень серьезный недостаток, перечеркивающий его достоинства,— он был пригоден лишь при измерении очень небольших глубин.

Наряду с рассмотренными схемами, нашедшими практическое применение, были предложения и нереальные и просто фантастические. Одно из них все же стоит упомянуть, поскольку оно имеет отношение к русскому фрегату.

В 1858 г. лейтенант американского флота Е. Б. Гант предложил инструмент для непрерывного измерения глубины. Он состоял из мешка, изготовленного из тонкого растягивающегося материала, к которому подсоединяли резиновый шланг. Другой конец шланга привинчивали к динамометру, “подобному прибору, измеряющему давление пара в котлах”. Мешок помещали в железное шарообразное тело с отверстиями и двумя крыльями для обеспечения устойчивости. После накачки воздухом он должен был опускаться на лине на дно и буксироваться за судном. При изменениях глубины, по мнению изобретателя, будет меняться давление в мешке, а это, в свою очередь, должно сказываться на показаниях динамометра. Динамометр перед измерениями должен был тщательно выверяться по контрольной глубине.

Это изобретение интересно тем, что по нему неким профессором Бэтсилдреном был изготовлен “без всякого вознаграждения за труды” опытный образец для фрегата “Генерал-адмирал”, построенного в США для русского флота. Сам изобретатель также не взял ничего за свое изобретение и пожертвовал его “для пользы науки”.

Дальнейшая судьба этого прибора, к сожалению, неизвестна. Но можно с уверенностью сказать, что первые же испытания показали его непригодность. Во-первых, чтобы динамометр почувствовал изменение давления, надо, чтобы перепад глубин был достаточно большим, а во-вторых, при буксировке в реальных условиях “железная оболочка” непременно цеплялась бы за любые неровности дна и следовал бы неизбежный обрыв линя.

Из всех известных предостерегателей глубины наибольшее применение нашли только приборы Джемса и Шестранда. Их использовали на многих судах вплоть до 30—40-х гг. нашего столетия. На смену им пришли ультразвуковые измерители глубины — эхолоты.

УЛЬТРАЗВУК ПРОНИКАЕТ В ГЛУБИНЫ

История эхолота теснейшим образом связана с развитием гидроакустики. О том, что звук хорошо распространяется в воде, люди знали очень давно. 500 лет назад великий Леонардо да Винчи писал: “Если вы остановите свой корабль и опустите один конец длинной трубки в воду, а другой ее конец приложите к уху, вы услышите корабли на большом расстоянии”. Он же . обратил внимание на то, что звук распространяется с определенной скоростью: “Увидев вспышку молнии, можно с помощью слуха узнать расстояние до места удара грома”.

В наблюдениях Леонардо его современники не усмотрели практической пользы, поскольку зрительно корабли обнаруживались значительно раньше, чем по слабому звуку, исходящему от парусных или гребных судов того времени.

Одними из первых, кто измерил скорость звука в воде, были швейцарский физик Даниэль Колладон и французский математик Шарль Штурм. В 1827 г. они производили опыты на Женевском озере. Зажигая порох и одновременно производя удар в подводный колокол, они измеряли промежуток времени между вспышкой света и приходом звука от колокола в удаленную точку, расстояние до которой было точно известно. В результате было установлено, что звук при температуре воды 8 °С распространяется со скоростью 1412,1 м/с, что было недалеко от истины (в настоящее время в расчетах скорость звука в воде принимается равной 1500 м/с при температуре +15°С и солености 34°/Оо).

Первые основы теории звука были заложены еще в 1687 г. И. Ньютоном в его “Математических принципах естествознания”, затем они были развиты лордом Рэлеем (Дж. Стратт) в книге “Теория звука” (1877), П. П. Петрушевским в книге “Звуковые сигналы” (1882), в работах Н. Е. Жуковского, Б. Б. Голицына, В. Я. Альтберга.

Теоретические исследования подготовили почву к практическим шагам измерения расстояний с помощью звука, распространяющегося в воде. Сам принцип определения глубины с помощью звука был предложен еще в 1807 г., однако уровень техники того времени не позволял реализовать его, и к нему вернулись лишь спустя 100 лет.

Первый звуковой эхолот предлагалось построить по следующей схеме (см. рисунок). В корпусе судна с обоих его бортов устанавливают два микрофона. Для измерения глубины рядом с судном взрывается небольшая бомбочка 4. Микрофон 3 фиксирует момент взрыва, а микрофон 2 принимает отраженный от дна сигнал. Оба микрофона соединены с индикатором 7, являющимся измерителем времени между посылкой и приемом сигнала.

Вся проблема состояла в том, как измерить очень короткий промежуток времени. Ведь 15 м звук проходит в воде в среднем за 0,01 с. Значит, если глубина составляет 150 м, то надо зафиксировать интервал времени
где Н — глубина, м; с — скорость звука, м/с.

Легко убедиться, что малейшая ошибка в измерении времени приводит к большим погрешностям в глубине.

Одним из первых идею использовать для регистрации глубины вращающийся диск высказал немецкий физик Бёхм. Он предложил следующую конструкцию (см. рисунок).

В момент взрыва бомбочки сигнал от микрофона 3 подключал электрическую батарейку к электромагниту 4. Электромагнит при прохождении через него тока отпускал стопор спиральной пружины, в результате чего зеркало, находящееся на другом ее конце, начинало вращаться. В момент прихода на микрофон 2 отраженного от дна сигнала срабатывал тормоз 7, стопоря вращение пружины. Зеркало останавливалось. Отсчет глубины снимался со шкалы по зайчику светового луча, который формировался колли-метором 5.

В 1919 г. французский гидрограф Марти предложил вместо бомбочки использовать укрепленную наклонно к корпусу судна винтовку, которая с помощью электоропривода выстреливала в воду через равные промежутки времени. При ударе пули о поверхность воды возникала звуковая волна. Отразившись от дна, волна поступала на приемный микрофон. Регистрация глубин осуществлялась с помощью вращающегося барабана, обернутого закопченной бумагой.

Аналогичный эхолот в это же время был предложен в Англии, но вместо винтовки там использовали молот, который с помощью электромагнита периодически ударял в корпус судна.

Всем этим эхолотам был присущ общий недостаток — они работали в звуковом диапазоне частот, а звук, как известно, распространяется во все стороны одинаково. Вследствие этого к приемнику мог приходить сигнал не от дна под килем, а от близрасположенных объектов, например скал берега при прохождении узкостей. Для точного измерения глубин нужен был узконаправленный луч акустической энергии. Эту задачу удалось решить благодаря ряду предшествующих открытий.

В 1842 г. Дж. Джоуль (1818—1889) открыл и количественно оценил магнитострикционный (от лат. strictio — стягиваю, сжимаю) эффект, заключающийся в деформации ферромагнитного материала (кобальт, никель, железо и их сплавы) под воздействием изменяющегося магнитного поля.

В 1862 г. итальянский физик Э. Виллари описал обратный эффект — изменение намагниченности ферромагнитного тела при его деформации.

В 1880 г. братья Кюри открыли пьезоэлектрический (от греч. пьезо — давлю) эффект — возникновение электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварц, сегнетовые соли, турмалин) при их механической деформации.

В 1912 г. американец Р. Фессенден, находясь под впечатлением гибели “Титаника”, столкнувшегося с айсбергом, в результате чего погибло 1198 человек, разработал и испытал пригодный для практического применения гидроакустический излучатель, действующий на расстоянии до двух миль.

Эти теоретические разработки и открытия подготовили возможность создания первого ультразвукового эхолота. Он был запатентован в 1920 г. русским ученым и изобретателем К. В. Шиловским и французским ученым П. Ланжевеном, который в 1929 г. был избран почетным членом АН СССР.

Испытания эхолота проводились в течение нескольких лет в проливе Ла-Манш и в Средиземном море и полностью подтвердили правильность выбранных технических решений. С этого момента начинается этап развития ультразвуковых эхолотов,

позволяющих автоматически и непрерывно, при любой погоде и на разных скоростях измерять любые глубины Мирового океана. В Советском Союзе работы над эхолотами начались в начале 30-х гг. Уже в 1934 г. под руководством В. Н. Тюлина, впоследствии доктора технических наук профессора, на Ленинградском заводе “Водтранспри-бор” был создан первый отечественный звуковой эхолот, а в 1937 г. начался серийный выпуск ультразвуковых эхолотов типов ЭЛ и ЭМС. Перед Великой Отечественной войной были изготовлены опытные образцы эхолотов нового типа НЭЛ, рассчитанные на измерение глубин до 1000 метров. Были также проведены испытания глубоководного эхолота для измерения глубин до 5000 метров.

В послевоенные годы разработан ряд новых типов отечественных эхолотов, в том числе для промерных работ. Они позволили с высокой точностью осуществить картографирование дна больших районов океанов, морей и шельфа.

В настоящее время на отечественных судах для обеспечения навигационной безопасности плавания устанавливают эхолоты унифицированного ряда НЭЛ-М, состоящего из разных моделей, обеспечивающих надежное измерение глубины на судах любого водоизмещения — от катеров до супертанкеров.

Схема, поясняющая принцип действия эхолота НЭЛ-МЗА, приведена на рисунке. Двигатель / равномерно вращает барабан 10 с электротермической бумагой (на ней пишется эхограмма 9) и замкнутую бесконечную ленту 3, на которой закреплены проволочное перо 2 и кулачок 4. Перо и кулачок расположены на ленте так, что когда перо проходит “нуль” на шкале глубин 13, кулачок замыкает контакты 5, запуская импульсный генератор 6. Формируемые им электрические колебания ультразвуковой частоты подаются на излучающую антенну 7, где преобразуются в импульс механических колебаний, передаваемых водной среде. Одновременно сигнал об излучении поступает на токопроводящую шину 14 и через нее на перо 2, в результате чего на токопроводной бумаге прожигается отметка //, соответствующая моменту излучения (нулю отсчета глубины). Отраженные от дна акустические колебания, поступая на антенну 7, которая после излучения переключается на прием, приводят к возникновению на ее обмотках ЭДС. Возникший сигнал через усилитель 8 вновь поступает на шину 14 и через нее на перо 2, которое за время прохождения сигнала до дна и обратно переместилось в новое промежуточное положение. На бумаге появляется еще одна отметка, соответствующая глубине 12. Поскольку эхограмма непрерывно движется с помощью лентопротяжного механизма 10 поперек шкалы глубин, на ней вычерчивается профиль дна.

Наряду с самописцами в эхолотах типа НЭЛ-М применяются и цифровые указатели глубины (ЦУГ). В ЦУГ используется преобразователь “время — цифра”, в котором промежуток времени между моментом посылки зондирующего импульса ЗИ излучающей антенной И и моментом приема эхо-сигнала преобразуется в пропорциональное соответствующей глубине число счетных импульсов. Принцип работы ЦУГ заключается в следующем (см. рисунок).

Генератор зондирующих импульсов ГЗИ вырабатывает зондирующие импульсы, поступающие к импульсному генератору ЯГ, соединенному с излучателем Я, и триггеру управления ТУ, который выдает в схему совпадения СС разрешающий сигнал цдя поступления счетных импульсов СИ от генератора счетных импульсов ГСИ на счетную декаду СД. При поступлении десяти счетных импульсов на СД десятых долей вырабатывается импульс, соответствующий 1 метру, он подается на СД единиц и т. д. Отраженный от дна импульс поступает на приемную антенну П и через усилитель У подается на ТУ. Триггер управления снимает разрешающий сигнал, и счет импульсов прекращается. Одновременно импульс ТУ включает цифровое табло ЦТ и подсчитанный в двоичном коде результат преобразовывается дешифраторами Д в десятичный код, который отображается на цифровых индикаторах.

Преимущества ЦУГ перед самописцами в отсутствии движущихся деталей и в более высокой точности. Однако в отличие от самописцев документирования информации они не осуществляют.

Особенностью моделей НЭЛ-М 1 и НЭЛ-М2, устанавливаемых на крупнотоннажных и научно-исследовательских судах, является возможность подключения к ним до четырех высокочастотных антенн. Они обеспечивают определение глубины в разных точках судна, что особенно необходимо при прохождении крупными судами узкостей, каналов, фарватеров и при швартовке.

На пульте управления, входящем в комплектации НЭЛ-М 1 и НЭЛ-М2, есть дополнительный переключатель на четыре положения: Н (нос), ЛБ (левый борт), ПБ (правый борт), К (корма). Судоводитель, устанавливая переключатель на панели пульта в одно

из положений, может по цифровому указателю наблюдать значение глубины под судном в соответствующем месте.

В конструкциях современных эхолотов нашли отражение и идеи, заложенные в ранее используемых предостерегателях глубины. Чтобы не осуществлять постоянное наблюдение за показаниями индикаторов, в схемах эхолотов предусмотрены приборы сигнализации заданной глубины (ПСГ). Они предназначены для подачи светового или звукового сигнала при выходе судна на глубину, заранее установленную оператором. Принцип действия ПСГ заключается в сравнении промежутка времени от момента излучения до приема отраженного от дна сигнала с заданным интервалом

времени, соответствующим глубине, установленной оператором. В ПСГ обычно предусмотрена возможность его переключения на сигнализацию о выходе на заданное значение как при движении судна с больших глубин на меньшие, так и наоборот. Опасные глубины устанавливаются либо в виде дискретного значения, либо в виде диапазона глубин.

Современное эхолотостроение в мире достигло высокого уровня. Широкое применение в схемах микропроцессорной техники позволяет снижать габариты приборов и повышать уровень автоматизации процессов измерений. В частности, в некоторых схемах предусматриваются автоматическое переключение диапазонов и ввод различных поправок (на изменение скорости распространения акустических колебаний в воде, осадку судна, вертикальное перемещение его на волнении и т. nv). В некоторых конструкциях эхолотов применяют специальные схемы, позволяющие отсеивать всевозможные помехи от полезных сигналов. Наиболее сложные системы способны передавать информацию о глубине в ЭВМ автоматизированного управления судном и в батиметрические системы, обеспечивающие определение места судна по рельефу дна.

Принцип действия батиметрических систем основан на определении места судна путем сравнения глубин, полученных с помощью эхолота, с профилями глубин, зафиксированными на карте.

Наряду с навигационными эхолотами, предназначенными для обеспечения безопасности плавания, выпускаются специальные приборы для поиска рыбы, промерных, геологоразведочных работ и др. Такие эхолоты имеют многоцветные телевизионные экраны, которые позволяют получить информацию не только о профиле дна, но и о качестве грунта, глубине ила, его плотности и т. п. (по цветности изображения). В исследовательских эхолотах предусмотрена возможность менять масштаб изображения и выделять на экране наиболее интересующие исследователей зондируемые участки дна. Такие эхолоты рассчитаны, как правило, на несколько рабочих частот, что позволяет измерять глубины в самых разных диапазонах. Создаются и многолучевые эхолоты, которые одновременно записывают рельеф морского дна в различных направлениях. В некоторых эхолотах предусмотрены устройства для непосредственного нанесения измеренных глубин на морские карты.

Продолжение следует...