Звукоулавливатели

Думаю, многие видели в Интернете фотографии странных людей с забавными "ушами". Нашёл в журнале "Радиофронт" (№15 за 1931 год) статью про эти самые "уши".

Фоток в статье почти не было, так что понадёргал из Сети. Единственное, что осталось непонятным. На этих фотках, как я понял, солдаты голландской армии. А РККА такие приборы использовала или нет? Статья ответа не даёт.

Да, возможно про звукосинтез и музыку здесь речи нет, да и статья больше по акустике, но всё равно интересная тема.

Мировая война послужила сильнейшим толчком к развитию целого ряда новых областей военной техники, в том числе военной акустике и звукометрии. Широкое распространение, которое получили в мировую войну артиллерия и военная авиация, заставили военных техников обратиться к акустике, как методу определения местонахождения артиллерии и пути движения самолётов. Помимо того, акустические методы нашли применение в вопросах измерения глубин, обнаружения препятствий, и, наконец, как средство связи между подводными судами.

Ещё во время войны перед акустикой была поставлена на первый взгляд совсем несложная задача: определить направление, из которого приходит звук. Однако эта задача была бы действительно простой, если бы дело сводилось к определению направления таких звуков, которые представляют собой чистый музыкальный тон, длящийся достаточно продолжительное время. Трудность заключается именно в том, что для военных целей важно определять направление звуков, длящихся очень короткое время (звук выстрела, взрыва снаряда), и во всяком случае представляющих собой не чистый музыкальный тон, а низкий и нерегулярный шум (гул мотора самолёта).

Первые попытки в направлении устройства звукоулавливателей сводились к применению больших рупоров, подобных тем, которыми снабжаются теперь наши уличные громкоговорители. Вращая рупор, узкий конец которого соединён резиновой трубкой с специальными раковинами, одетыми на уши слухача, этот слухач может обнаружить направление рупора на звучащий предмет, так как в этом положении звук слышен громче всего. Но этот способ давал совершенно недостаточную для военных целей точность определения направления на батарею или самолёт. Вследствие этого перешли на определение направления звука при помощи разности фаз, получающихся в двух точках оттого, что звук проходит до этих двух точек разный путь и, следовательно, звуковая волна приходит в эти две точки с некоторой разностью фаз.

Этим методом, в сущности, мы пользуемся уже очень давно – именно благодаря разности фаз человек в состоянии определить, правда, довольно грубо, направление, откуда приходит звук.

Сущность всего этого явления заключается в следующем. Пусть звуковая волна распространяется по направлению от А к Б. Вообще звук распространяется от звучащего тела по радиусам во все стороны и значит в однородном пространстве звук, идущий от звучащего тела, представляет собой шаровую волну. Но если источник звука находится очень далеко, то звуковая волна в данном месте будет иметь форму части шаровой поверхности с очень большим радиусом. Поэтому часто шаровая поверхность будет очень мало отличаться от плоскости и мы можем рассматривать звуковую волну, пришедшую от далёко звучащего тела, как плоскую волну. Другими словами это значит, что от звучащего тела до всех точек на некотором отрезке аа1, перпендикулярном к направлению распространения звука, расстояние мы считаем одинаковым и значит в точки а и а1 звуковая волна приходит в одной и той же фазе. Ясно, что до точки а2 волна дойдёт с некоторым сдвигом (опозданием) по фазе по отношению к точке а1, так как она должна для этого пройти путь аа2. Если длина волны есть λ (т.е. за один период звуковая волна распространяется на путь в λ), то сдвиг фаз между точками будет: 2π*(а1*а2)/λ. Таким образом, если мы имеем два каких-либо звукоприёмника и можем сравнивать сдвиг фаз между волнами, действующими на эти звукоприёмники, то мы можем определить и то направление, из которого пришла акустическая волна.

У человека такими двумя звукоприёмниками служат уши. Если голова человека расположена так, что уши находятся в точках а и а1, то звук в оба уха приходит в одной фазе. Если же голова повёрнута по отношению к направлению звука например, так, что одно ухо находиться в точке а1, а другое в точке а2, то звук приходит в оба уха с определённой разностью фаз и по этой разности фаз человек судит (конечно, бессознательно) о направлении, в котором приходит звук. Но из этого рассуждения сразу следует, что мы в сущности не можем определить, приходит ли звук прямо спереди или прямо сзади. В действительности так оно и есть. Если мы и можем в большинстве случаев всё-таки определить приходит ли звук, спереди или сзади то благодаря направляющему действию ушных раковин. Вообще же, именно при определении направления в котором приходит звук, чаще всего ошибается наблюдатель именно в вопросе о том, приходит ли звук прямо спереди или прямо сзади. Чтобы исключить эту ошибку, нужно использовать направляющее действие ушных раковин; для этого рекомендуется после того, как направление звука определено, повернуться на 180? и тогда попытаться определить, приходит ли звук спереди или сзади.

Наконец, ясно, что человек не может сколько-нибудь надежно судить о том, приходит ли звук прямо спереди или спереди и сверху. А как раз этот вопрос является весьма существенным при подслушивании самолетов. Таким образом, человеческие уши принципиально являются вполне пригодным аппаратом для определения направления, в котором приходит звук, но практическая пригодность этого аппарата весьма сомнительна.

Все эти недостатки того естественного «звукоулавливателя», которым вооружен каждый человек, были учтены при разработке конструкций специальных звукоулавливателей, предназначенных для определения направления, из которого пришел звук. Прежде всего, легко поправить дело в смысле увеличения точности определения направления для низких частот. Для этого достаточно разнести «уши», т. е, звуковоспринимающие аппараты на большое расстояние. Действительно, если расстояние аа1 сделать больше, то и расстояние аа3 при том же угле а соответственно увеличится, а вместе с тем увеличится и сдвиг фаз между точками а и а2. Это значит, что вращая оба звукоулавливателя до того положения, когда фазы в обоих будут одинаковы, мы тем точнее определим это положение, чем больше расстояние аа1. Если это расстояние взять достаточно большим, то даже при длинных звуковых волнах (низких звуках) можно достаточно точно определить положение, соответствующее совпадению фаз в обоих звукоулавливателях. Итак, первый недостаток «естественного звукоулавливателя» устраняется сравнительно просто.

Другой недостаток — возможность ошибок в смысле направления вперед или назад — устраняется тем, что звукоулавливающие приборы снабжаются большими рупорами, дающими сильное направленное действие. Наконец, третий недостаток «естественного звукоулавливателя» невозможность определить, приходит ли звук прямо спереди или спереди и сверху, также может быть устранен. Для этого нужно установить не два звукоулавливающих аппарата, а четыре, таким образом, чтобы два из них лежали на одной горизонтальной прямой, а два других на перпендикулярной ей прямой. Тогда первые два по положению совпадения фаз дадут возможность определить направление в горизонтальной плоскости, а вторые два по тому же признаку дадут возможность определить направление в вертикальной плоскости. Как ясно видно из всего сказанного выше, эти направления определяются как перпендикуляры к прямым, соединяющим каждую пару звукоулавливателей в таком положении, когда фазы звуковой волны в двух звукоулавливателях каждой пары совпадают.

Таким образом звукоулавливатель должен состоять из четырех рупоров, расположенных так, что линии, соединяющие центры каждой из пары рупоров, взаимно перпендикулярны. В узких концах рупоров расположены какие-либо звукоулавливающие аппараты, с помощью которых можно определить совпадение фаз звуковых волн, попадающих в оба рупора. В качестве таких аппаратов можно применять опять-таки человеческие уши, т. е. снабдить узкие концы рупоров наушниками, которые одеваются на уши слухача. Мы получаем таким образом обычный слуховой аппарат человека, с той лишь разницей, что уши человека широко «расставлены» и сильно «вытянуты». Слухач вращает звукоулавливатель до тех пор, пока он не получит ощущения, что звук слышен прямо спереди. Это соответствует совпадению фаз звуковой волны у отверстия рупоров, и значит источник звука расположен на прямой, перпендикулярной к линии, соединяющей центры обоих рупоров. Но у человека только два уха, и поэтому вторую пару рупоров должен устанавливать второй слухач. Оба слухача работают независимо и устанавливают направление - один, в горизонтальной, а другой в вертикальной плоскости. Вместе эти оба показания дают возможность определить направление на источник звука.

Если расположить два таких звукоулавливателя на некотором расстоянии друг от друга, то каждый из них даст направление на источник звука, а пересечение этих двух направление (совершенно так же как и при радиопеленгировании) даст возможность определить не только направление, но и точку, в которой расположен звучащий предмет.

Эта система звукоулавливателей дает возможность определять направление, в котором лежит источник звука, с очень большой точностью (до 1˚—2˚), но только при условии, что звук длится достаточно долго и во всяком случае, что он резко выделяется из всех других звуков. При одновременной стрельбе многих орудий или одновременным приближении многих самолетов, работа слухачей чрезвычайно затрудняется; они перестают выделять необходимый звук из других его сопровождающих, и определение направления становится почти невозможным. Поэтому пришлось для этих случаев усложнить устройство звукоулавливателей и перейти от субъективных методов наблюдения к объективным, т.е. заменить слухачей специальными регистрирующими приборами.

Объективные методы наблюдения прежде всего увеличивают точность наблюдений и ускоряют процесс определения направления. При объективных методах уши человека заменяются какими-либо звукочувствительными приборами – обычно микрофонами, чувствительными к низким частотам. Микрофонные токи, созданные подпадающими на микрофон звуками, пропускаются через специальный прибор, так называемый шлейф-осциллограф, записывающий в точности всю кривую звуковых колебаний, попавших на тот или другой микрофон. Сравнивая записи отдельных микрофонов, можно по ним определить сдвиг фаз между звуковыми волнами, приходящими к обоим микрофонам, и таким образом, определить направление, в котором лежит источник, звука. Запись при помощи осциллографа удобна потому, что она позволяет произвести определение направлений даже в том случае, когда звук длится очень короткое время (например, звук орудийного выстрела или разрыва снаряда). При субъективных наблюдениях для определения направления требуется довольно много времени и по одному выстрелу, например, определить направление, в котором лежит стреляющее орудие, почти никогда не удастся.

Но помимо этого преимущества осциллографическая запись дает и еще одно. В случае наличия не одного, а многих однородных звуков, например, при стрельбе многих батарей или полете многих самолетов, человеческое ухо редко бывает в состоянии из всех этих звуков выделить один и тот же звук при различных наблюдениях, так как звуки эти очень похожи один на другой. Однако это отличие, недостаточное для человеческого уха, обычно все же позволяет в записях осциллографа различить звуки, созданные одним и тем же источником. Между звуками выстрела однотипных орудий, или шумом двух однотипных самолетов, все же существуют некоторые индивидуальные отличия, которые связаны с некоторыми различиями в форме кривой звука, записываемой осциллографом. Поэтому, по «почерку» орудий, из всего множества орудий, находящихся на данном участке фронта, обычно удаётся выделить во всех записях одно и то же орудие, и даже о точном его расположении, если наблюдения производятся из двух различных пунктов.

Конечно, осциллограф – прибор сложный, и применять его на передовых позициях не очень удобно. Но дело облегчается тем, что обычно с точки зрения военной техники, интерес представляют медленные звуковые колебания, а чем медленнее колебания, тем легче записать их на осциллограф и тем проще получается конструкция осциллографа.

Звукоулавливатели, предназначенные для наблюдения за самолетами, должны не только определить направление на самолет, но и обнаружить сам самолёт. Для этого звукоулавливатель связывается с специальным зенитным прожектором при помощи особого компаратора (уравнителя), работающего по принципу электрических компенсационных приборов. Этот компаратор позволяет устанавливать прожектор как раз в том направлении, которое определено звукоулавливателем. В последнее время делаются даже попытки автоматизировать это устройство.

Помимо звукоулавливателей описанного нами типа, для противоартиллерийской и противосамолётной разведки применяются также акустические зеркала, сделанные из материала, хорошо отражающего звуки. Принцип действия этих приборов вкратце заключается в следующем. Звук, падающий от источника, отражается зеркалом и отраженный звук действует па звукоприёмный аппарат. Определяя характер звукового поля отраженной волны при помощи звукоулавливающего аппарата и зная точно форму акустического зеркала, можно достаточно точно определить направление, из которого пришел звук, падающий на зеркало. Однако эти зеркала имеют один существенный недостаток. Для того, чтобы отражение происходило бы по определенному закону, и чтобы измерения были достаточно точны, нужно, чтобы размер зеркала был достаточно велик по сравнению с длиной волны. А так как с точки зрения военной техники интерес представляют именно низкие звуки, т. е. длинные волны, то приходится делать очень большие зеркала, диаметром в несколько метров, что, конечно, очень усложняет работу с этим приборами, особенно в военной обстановке.

Описанными нами противосамолётными и противоартиллерийскими звукоулавливателями не ограничивается применение звукометрии в военной технике. Обнаружение подземных работ неприятеля по прокладке минных галерей, обнаружение препятствий (мин) в воде и движения подводных лодок и т. д., все эти вопросы решает более или менее удачно звукометрия и вообще военная акустика. Но области, в которых нашла себе применение акустика в военной технике, настолько широки, что описать все эти применения в кратком очерке не представляется возможным. Поэтому мы ограничились только вопросами звукометрии, рассказав, как столь «мирная» область физики, как акустика, которая до войны находила себе применение (и то очень скромное) преимущественно лишь в вопросах музыки, стала теперь одним из весьма и весьма существенных отделов военной техники.