В России придумали телефон для разговоров под водой: как он работает и кому полезен

Инженер Затекин сообщил об изобретении телефона, работающего под водой

Фото: Shutterstock.

Смог над водой, но сможет ли под водой? – шутили в 1970-х водолазы (тогда еще не «дайверы»), переиначивая популярную рок-композицию Smoke on the water. Сказано прямо про подводную связь. Корабли и лодки общаются по радио, а под водой связи просто нет, разве что условные знаки пальцами и искусство понимать друг друга с полуслова (если рассмотришь товарища в глубинах). Теперь есть.

Научный коллектив выпускников МФТИ, МГТУ им. Н. Э. Баумана и РГУ им. Косыгина представил подводный телефон: дайверы смогут говорить друг с другом голосом. Причем звук передается непосредственно через воду. О том, как такое удалось, KP.RU рассказал руководитель проекта Дмитрий Затекин.

УСЛЫШЬ МЕНЯ

Вода отлично передает звук, и этим пользуются подводные обитатели. Проблема в том, что люди – не подводные обитатели, и просто говорить у них не получится, захлебнутся.

Тогда – радио! С ним все немного сложно. Обычное радио просто глохнет, правда, довольно глубоко в бездны океанов проникают очень длинные радиоволны. Этот эффект используют для связи с подводными лодками. Но длинные волны – это очень большие (вы даже не представляете, насколько большие) антенны, и колоссальные мощности, чтобы волну излучить. К такой радиостанции часто прилагается полноценная электростанция. Подводник с собой такое «оборудование» носить, конечно, не будет.

Есть еще интересные решения – например, применяют ультразвук, но в целом все печально. Хотя те же киты слышат друг друга на расстоянии сотен километров, человек не слышит ничего.

ГОЛОС ДРУГА

Система, предложенная россиянами, компактна и высокотехнологична. Допустим, дайвер что-то говорит. Микрофон, прислоненный непосредственно к горлу, захватывает голос, а специальный алгоритм очищает от помех, и шифрует в «цифру». Затем цифровой акустический сигнал излучается в воду, и летит себе, со скоростью звука в воде, до абонента. Там «цифра» снова становится звуком, и голос товарища уютно звучит в наушниках.

Работает это все до расстояния в километр. Этого достаточно для профессиональных подводно-технических работ, на «плантациях» аквакультуры, а, в перспективе и в любительском дайвинге (пока телефон для частных лиц дороговат), говорит Дмитрий Затекин.

- Натурные испытания уже успешно проведены в условиях бассейна с участием профессионального водолаза; сейчас технология дорабатывается, после чего планируется полноценное пилотирование в реальных условиях эксплуатации, - рассказывает он.

КАК В ДЕТСКИХ РОБОТАХ, ТОЛЬКО СЕРЬЕЗНЕЕ

Главный вопрос, конечно: ребята, как вам удалось натолкать столько электроники в крошечный объем, буквально внутрь шлема. Еще же и батарейки нужны.

- Это стало возможным благодаря быстрому развитию одноплатных компьютеров. Еще пару лет назад такое решение было бы затруднено из-за высоких требований к вычислительным ресурсам. Сегодня же существуют мощные и энергоэффективные процессоры на базе Arm Cortex-A76 с потреблением всего около 15 Вт, которые легко размещаются на плате размером меньше кредитной карты. Мы используем специальную OEM-версию такого одноплатного компьютера, лишённую лишних пользовательских интерфейсов, что позволяет дополнительно минимизировать размеры и энергопотребление устройства. На этом компьютере запущена наша оптимизированная нейросетевая модель, цифровая обработка сигналов и сервисные алгоритмы, - поясняет Дмитрий Затекин.

С одноплатными компьютерами сталкивались многие, у кого дети ходят в кружки робототехники. «Народные» платы Arduino – собственно, это оно. Но, конечно, в дешевых устройствах все на дохлых проводках, и работает через раз. Здесь другой уровень.

Другой вопрос – а как звук, пусть даже в виде цифры, излучается в воду? Все делает гидроакустический модем, поясняет Дмитрий Затекин.

- Передающее устройство представляет собой гидроакустический модем на базе пьезокерамического цилиндра, герметично залитого полиуретановым компаундом. На цилиндр подается модулированный электрический сигнал, в результате чего возникает акустическая волна в воде. Устройство второго дайвера принимает эту акустическую волну с помощью аналогичного пьезокерамического цилиндра, который преобразует механические колебания обратно в электрический сигнал, после чего сигнал демодулируется электроникой и переводится в цифровой вид, - говорит инженер.

ПОЧИРИКАЕМ НА ПАРУ

Попытки передавать звук, цифрой или аналоговой волной, уже предпринимались. Что оказалось? Помехи. Рефракция и рассеивание – все это работает и для света, но у света длина волны короткая, смириться можно. Звук же затухает в ноль или искажается до полной неразборчивости.

На Западе споткнулись и о другую трудность: цифровые устройства «виснут», потому что звук идет не мгновенно, в отличие от света (скажем, ему требуется 2 секунды, чтобы преодолеть 1,5 километра). Приемное устройство ждет ответа, не получает, или, хуже, получает что-то искаженное, и говорит, нет связи.

Как наши-то справились? Оказалось, применили то, что радиолюбители называют «хирп», или «чириканье». Это особый способ кодирования сигнала, который используют, когда связь совсем из рук вон.

- Проблема помех решается за счёт использования специальной линейно-частотной модуляции с прямым расширением спектра (Chirp Spread Spectrum). Этот тип модуляции зарекомендовал себя как наиболее устойчивый к шумам, переотражениям сигнала, доплеровскому эффекту и перепадам температуры воды (термоклинам). Благодаря этому обеспечивается надёжная передача даже в сложных подводных условиях, - говорит Дмитрий Затекин.

ЗВУКИ ГЛУБИН

Почему вообще выбрали звук? Кодировать голос «чириканьем» - ну, это смело, и в голову не каждому придет. Есть же инерция мышления, что такие-то вещи характерны только для радио, какие-то для акустики, а тут причудливая смесь.

- Под водой эффективной средой для передачи является только звук, поэтому мы выбрали именно гидроакустику. Главным минусом этого подхода является относительно низкая скорость передачи (около 67 бит/с) по сравнению, например, с радиосвязью, где скорости достигают нескольких гигабит в секунду, - рассказывает Дмитрий Затекин.

То есть видеофайл не передашь. Но мы и не собираемся. Наша цель – обеспечить разговор. А голоса, если не упираться в Hi-End и оперное пение, требуют не сказать, чтобы особо мощного канала связи. Частотный диапазон можно сделать узким, разборчивость от этого не упадет. Говорили же во времена оны по проводным телефонам с угольными микрофонами, где разброс частот мизерный, и прекрасно друг друга понимали.

Испытания, как говорил Дмитрий, уже проводили, устройство понравилось. Дайверы говорят, что гаджет прекрасно совмещается с подводной «снарягой», звук хороший, можно говорить сразу с многими, что еще нужно.

Ну и хорошо. Морей и водоемов у России много, штука очень полезная.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Живая вода - не сказки: появилась новая версия о происхождении жизни на Земле

СЛУШАЙТЕ ТАКЖЕ

Жизнь в космосе: физик рассказал, как зарождается жизнь во Вселенной, как космические льды можно создать в земных условиях и как звучат кометы (подробнее)