Дадим краткую характеристику тех полей, энергия которых может быть использована для передачи информации.

В первую очередь следует назвать акустическое поле, порождаемое животными, кораблями, прибрежными и подводными сооружениями, шумами моря различного происхождения (вулканическая деятельность, волнение, перекаты гальки на отмелях и т. д.). Так, идущее по морю судно является источником излучаемых в воду шумов вследствие кавитации воды в районе винтов, гидродинамических сил, возникающих на обшивке корпуса судна вследствие работы главных и вспомогательных судовых механизмов. К этому можно прибавить шум обтекания, сигналы эхолота, эхолокатора и ряд других.

Исторически сложилось так, что основным каналом связи под водой стал гидроакустический канал. Этому способствовали значительные успехи военной гидроакустики, интенсивно развивавшейся в период подготовки и в ходе ведения ряда войн и военных действий на море. В настоящее время гидроакустическими станциями все в большей степени оснащают промысловые, транспортные и пассажирские суда для обнаружения подводных опасностей (например, айсбергов), измерения глубины, поиска косяков рыбы, картографирования дна океана и т. д. Наряду с этим ведутся поиски способов подводной передачи информации за счет иных видов энергии. С другой стороны, наличие у животных гидросферы большого числа механизмов восприятия звука с целью сигнализации, локации, пеленгования, а возможно и навигации, говорит о том, что акустическое информационное поле является одним из наиболее эффективных полей. А раз так, то следует рассмотреть принципы и средства гидроакустики с позиций бионики с тем, чтобы, заимствуя опыт водных животных, максимально повысить эффективность современных гидроакустических судовых станций.

Диапазон колебаний гидроакустических информационных полей чрезвычайно велик и простирается от инфразвуковых (единицы герц) до ультразвуковых колебаний (частотой в десятки и сотни килогерц).

В гидроакустическом канале происходит значительное затухание энергии звуковых колебаний. Это особенно заметно на высоких частотах. Вместе с тем за счет генерирования больших мощностей (до мегаватт), за счет использования гидрологических особенностей океана (подводный звуковой канал, например) при использовании современных гидроакустических средств удается достичь дальности действия акустической связи в сотни и тысячи километров. Так, по данным широкой печати современные гидролокаторы обеспечивают дальность работы свыше 15 км, а шумопеленгаторы – 130–220 км и более. Трудно ожидать, что в животном мире возникала когда-либо необходимость в такого рода сверхдальней связи. Впрочем, этот вопрос еще подлежит исследованию. Пока же кажется очевидным, что внедрение бионики в гидроакустику должно идти по пути повышения эффективности обработки принятой информации, что позволит выделять полезную информацию, замаскированную помехами среды, и решить многие проблемы гидроакустики не повышением мощности излучения, обострением направленности луча и т. д., а за счет значительных резервов, которые открывает перед гидроакустикой современная теория информации, весь информационный аппарат бионики.

Вследствие значительной плотности воды по сравнению с воздухом, затухание звуковых колебаний в воде в 1000 раз меньше, чем в воздухе и в сильной степени зависит от частоты. Звуки высоких частот и ультразвуковые колебания поглощаются средой тем интенсивнее, чем короче длина волны, которая становится соизмеримой с микровключениями воды – воздушными пузырьками, зоо- и фитопланктоном. Наименьшее затухание характерно для волн инфразвукового диапазона и поддиапазона низких (до 1000 гц) звуковых частот.

Повышенная (по сравнению с воздухом) плотность обусловливает и большую скорость распространения звука в воде. Но в конечном итоге это всего лишь 1440 м/сек, что в ряде случаев, например, на больших дистанциях работы гидроакустических станций, оказывается недостаточным. Величина скорости звука в воде несколько варьирует от района к району, что определяется в основном плотностью воды и ее температурой.

Помехой для работы гидроакустических средств являются собственные шумы океана, которые создают постоянный звуковой фон высокой интенсивности. Основными источниками шумов моря считают следующие.

1.     Тепловой шум, обусловленный молекулярным движением в среде, особенно сказывающийся на высоких частотах (выше 50 кгц) в глубокой воде.

2.     Шум поверхности моря, связанный с волнением. Он является доминирующим источником собственных шумов в открытом глубоком море. Уровень шума зависит от состояния моря. Частотный диапазон простирается от 100 гц до 50 кгц.

3.     Биологические шумы, производимые щелкающими креветками и другими морскими животными, скапливающимися в большом количестве и издающими звуки значительной интенсивности.

Так, по расчетам американских акустиков, в начале второй мировой войны акустические мины взрывались не только от шумов проходивших над ними кораблей и судов, но и от проплывавших поблизости рыб рода Opsanus, издававших звуки большой интенсивности и в том же диапазоне, что и корабельные шумы.

Спектральные характеристики биологических шумов зависят от вида животных, создающих данное звуковое поле. Интенсивность (или уровень шума) сильно зависит от времени года и времени суток

4.     Шумы технического происхождения, в том числе от далеких судов, от индустриальных источников и от близлежащих шумных гаваней, часто являются основными источниками помех на частотах ниже 1 кгц.

5.     Шум дождя и близкие штормы.

6.     Береговой шум прибоя, шуршание песка и гальки береговых пляжей.

7.     Шумы течений, обусловленные потоками, протекающими над скалами на дне, и изменениями гидростатического давления, вызываемыми волнами.

8.     Шумы, производимые землетрясениями, вулканами, микросейсмами и отдаленными штормами. (Микросейсмами называются колебания земной поверхности с небольшой амплитудой, вызываемые прохождением циклонов и тайфунов.)

К факторам, затрудняющим работу гидроакустических станций, следует добавить температурные и плотностные слои, микровключения газов и планктона, локальные растворения отдельных веществ, турбулентные движения, течения, специфические микрофлуктуации температуры и многие другие, которые делают гидросферу очень загрязненной и неоднородной в акустическом отношении. Высокий уровень шумов моря, искажения, отражения, поглощения и рассеяния полезных гидроакустических сигналов, их реверберациявоздействие эффекта Допплера, все это приводит к тому, что физические измерения в ряде случаев не позволяют выделить информативную составляющую в случайных флуктуациях входного сигнала гидрофона. Эксперименты с морскими животными показывают, что последние способны воспринимать такой слабый (по сравнению с помехой) гидроакустический сигнал, который специальная аппаратура уже не способна зарегистрировать. Естественно, что изучение механизмов высокоэффективного восприятия гидроакустических сигналов отдельными морскими животными является одной из важнейших задач бионики.

В частности, представляется очень интересным проведение исследований в акваториях, имеющих значительную рефракцию звука. Известно, что дельфины и другие морские животные, имеющие эхолокаторы, эффективно лоцируют пространство и в сложных гидрологических условиях. Фактически речь идет об изучении поведения животных, получающих информацию из криволинейного пространства, искаженного рефракцией, реверберацией и другими факторами. Часто акустические лучи искривляются так, что исключается всякая возможность передачи звука между двумя гидроакустическими станциями, находящимися на некотором, иногда небольшом расстоянии друг от друга. Таким образом, дельфин должен в определенных условиях терять контакт с лоцируемой целью, а в других случаях плыть к ней по кривой, определяемой кривизной рефракции. Но может быть дельфин умеет учитывать гидрологические характеристики бассейна?

Пока что ответа на этот вопрос нет.

Предыдущая глава: Теории систем связи

Следующая глава: Электромагнитный диапазон связи