Культура - Учебники на русском языке - Скачать бесплатно
И.Клюкин.
Удивительный мир звука
Клюкин И. И.
К 52 Удивительный мир звука.-- Л.:Судостроение, 1978.--168 с.
В книге в научно популярной форме описаны разнообразные акустические
явления, происходящие в водной среде. Рассмотрены области применения
современной акустики и возможности их дальнейшего расширения.
Книга рассчитана на широкий круг читателей.
© Издательство "Судостроение", 1978 г,
OCR: Слава Мещеряков
ОТ АВТОРА
Во всех упругих средах и телах могут возникать механические
(акустические) колебания. Они сопровождаются интереснейшими физическими и
иногда физиологическими явлениями.
Области применения акустических колебаний непрерывно расширяются.
Однако едва ли они где-либо так многообразны, как в судовождении и
судостроении. Это -- эхолотирование и поиск подводных объектов, контроль
толщины и качества стальных листов и ультразвуковая очистка, резка и сварка,
и еще многое, многое другое. Часто, впрочем, -- когда идет речь об
уменьшении шума и вибрации, -- борьба с акустическими колебаниями имеет не
меньшее значение, чем их полезное применение.
Из этой книги читатель узнает о парадоксах действий с акустическими
логарифмическими единицами и о своеобразных явлениях на границах
акустических сред; о том, является ли резонатор усилителем или поглотителем
звука; о неожиданных "бытовых" последствиях дифракции и интерференции звука.
Как развиваются ультразвуковая дефектоскопия металлов и ультразвуковая
технология обработки, гидроакустическое зхолотирование и телеметрия, борьба
с обрастанием судов акустическими методами? Зачем нужна акванавту "гелиевая
речь" и каковы ее особенности? Как сделать колебания видимыми, что сулит
цветомузыка человеку, нужна ли борьба с "отходами цивилизации" --
интенсивными шумами? Какова роль акустики в освоении Мирового океана? Что
общего между утренним пением мемнонского колосса и колебаниями трубок
паровых котлов, не повинен ли инфразвук в появлении "летучих голландцев"?
Обо всех этих и многих других вопросах узнает читатель.
Отзывы и пожелания будут приняты с благодарностью. Их следует
направлять по адресу: 191065, Ленинград, ул. Гоголя, 8, издательство
"Судостроение".
* ЧАСТЬ 1 *
Мир, в котором мы живем, удивительно склонен к колебаниям... Колеблются
даже атомы, из которых мы состоим.
Р. Бишоп
ФИЗИЧЕСКАЯ И ТЕХНИЧЕСКАЯ АКУСТИКА
ЗВУКИ В ВОЗДУХЕ
...атмосфера является почти универсальной средой, в которой протекают
звуковые явления...
Рэлей
Мы живем на дне воздушного океана и окружены звуками -- механическими
колебаниями, распространяющимися в любой упругой среде. Воздушная среда нам
нужна не только как средство существования, средство защиты от губительных
космических излучений, но и как звукопровод, позволяющий людям вести речевую
связь, воспринимать сигналы опасности, информацию о местонахождении и
перемещениях живых и неживых объектов, следить за изменением их состояния,
за многими природными явлениями.
Неудивительно поэтому, что человечество с давних времен стремилось
среди прочих свойств атмосферы познать ее акустические свойства. Доступными
каждому средствами, путем наблюдения разницы во времени между появлением
молнии и звуком грома оценили, что скорость распространения звука в воздухе
относительно невелика. В начале XVIII века Ньютон выводит формулу, согласно
которой скорость звука в газе равна корню квадратному из отношения
статического давления газа к его плотности. Лаплас дополнил ее поправкой на
теплоемкость среды. Точное значение скорости звука в воздухе вблизи от
поверхности Земли оказалось чуть больше трети километра в секунду. Скорость,
по теперешним космическим временам, явно небольшая. А по мере увеличения
расстояния от поверхности Земли, ввиду падения атмосферного давления,
плотности и температуры воздуха, от которой также зависит скорость звука,
последняя претерпевает значительные изменения. Для сравнения с другими
средами укажем, что скорость звука в воде -- порядка 1,5 километра в
секунду, в металлах-- примерно 5 километров в секунду, а в породах земной
мантии -- 8 километров в секунду и более.
В наше время развернуты в больших масштабах исследования как
акустических свойств атмосферы, так и иных ее свойств и происходящих в ней
природных явлений акустическими методами.
Продолжают привлекать внимание акустические характеристики грома.
Максимальные спектральные звуковые составляющие в ударах грома находятся, по
данным одних исследователей, в диапазоне частот 50--150 герц, по другим же
данным, достигают 400-- 500 герц. Сила звука, то есть количество звуковой
энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади фронта волны, в
1015 и более раз превышает силу звука человеческого голоса.
Подобные звуковые энергии зарегистрированы еще лишь при сильных извержениях
вулканов, да, быть может, в непосредственной близости от мощнейших ракетных
двигателей. При ядерных взрывах, несомненно, возможны еще более сильные
звуковые волны.
А что сказал бы читатель о "шумовом кольце" в атмосфере, кольце,
диаметр которого может достигать диаметра Земли? По-видимому, пока ничего
существенного, так как первое сообщение о подобном явлении появилось всего
3--4 года назад, и его продолжают обсуждать специалисты. Назвали же его так
и доложили о нем французские акустики Берте и Рокар, исследовавшие
распространение звука в атмосфере при действии взрывных источников. Они
обнаружили в верхних слоях атмосферы на высоте 90 километров звуковой канал,
в котором создается высокая концентрация звуковой энергии с ярко выраженными
нелинейными эффектами.
Наблюдались случаи распространения инфразвуковых волн на дистанцию до
14000 километров, то есть на расстояние более трети земной окружности от
места возбуждения звука. Шумовое кольцо, центр которого находился на одной
вертикали с взрывным источником, расширяясь, ползло вокруг земного шара. В
точке приема сигнал сильно растягивался во времени. Авторами была предложена
и теория шумового кольца.
Другие исследователи обнаружили резонансное взаимодействие различных
звуковых волн, распространяющихся в атмосфере. Оно также носит нелинейный
характер и проявляется на частотах до нескольких десятков герц. Довольно
причудливую зависимость от частоты звука и высоты его распространения в
атмосфере имеют величины километрического затухания звука.
Вообще, нижний слой атмосферы (тропосфера) весьма неоднороден. В нем
имеются слои с различной влажностью и температурой, области турбулентных
вихревых движений, постоянные потоки газовых масс. Все эти факторы
определяют погоду, климат и даже, как установили специалисты по морской
акустике, ухудшают условия работы низкочастотных гидроакустических средств.
Для определения неоднородностей атмосферы применялось (с переменным успехом)
радиолокационное зондирование. Но вот заметили, что рассеяние акустических
волн от турбулентностей в атмосфере во многие тысячи раз превышает рассеяние
электромагнитных колебаний. Так родилось новое направление исследования
тропосферы -- ее акустическое зондирование, или акустическая эхо-локация.
... Идут дни и ночи, проходят недели, а направленные вверх акустические
излучатели непрерывно посылают звуковые импульсы и принимают эхо, отраженные
неоднородностями атмосферы.
Слоистая структура атмосферы на различных высотах, записанная с помощью
звуколокатора.
Записи этих эхо очень наглядны, иногда прослеживаются несколько
находящихся один над другим неоднородных слоев в атмосфере. Подобные
установки действуют в США Канаде, Индии и других странах. Это довольно
солидные сооружения. Так, установка, созданная в Южной Австралии, включает в
себя антенную решетку из восьми десятков динамиков с резонаторами;
электрическая мощность звуковой частоты, подводимая к этим репродукторам,
--около 10 киловатт. Приемная антенна представляет собой большое
параболическое зеркало с рупором; для лучшей передачи улавливаемой энергии
приемному микрофону оно помещено в отдельном углублении в грунте.
Разрабатываются еще более совершенные системы со сканированием (разверткой)
звукового луча по небосводу.
Звук может выступать в роли... термометра, причем именно в тех
условиях, когда обычные термометры отказывают. На высоте более 30 километров
молекул в атмосфере уже так мало, что погрешности традиционных термометров,
использующих тепловое движение молекул, резко возрастают. В основу звукового
термометра положена известная из теории и экспериментов зависимость скорости
звука в разреженном газе от температуры газа. Оказалось, что такой термометр
не только гораздо точнее, но практически абсолютно безынерционен. Он
отмечает колебания температуры, длящиеся всего 0,05 секунды, что совершенно
недоступно как ртутным, так и жидкостным термометрам. Будучи помещен на
метеорологический шар-зонд, поднимающийся с довольно большой скоростью,
звуковой термометр успевает фиксировать все флюктуации температуры атмосферы
на различных высотах.
Звуку в атмосфере сейчас находят все больше применений, а ведь до
второй мировой войны единственным его назначением считалась пассивная
локация самолетов и артиллерийских батарей. Для этих целей были созданы
весьма совершенные приборы. Определение местоположения батарей по звукам
выстрелов не снято с повестки дня (ведь батареи не могут быстро перемещаться
с места на место). А вот звуколокация самолетов по мере приближения их к
звуковому барьеру постепенно утратила свое значение. Уже упоминалось, что
звук в воздухе -- "неторопыга" в сравнении, например, с электромагнитными
волнами, и звуколокатор не успевал следить за перемещением самолетов.
Радиолокация здесь постепенно вытеснила звуковую технику.
Казалось бы, последней уже нет возврата в область слежения за
скоростными объектами. Казалось бы... Но вот в журнале Американского
акустического общества за 1966 год появляется статья об успешном звуковом
определении конечных точек траектории и мест приземления вертикально
падающих сверхзвуковых ракет. Дело в данном случае именно в том, что
определяется траектория не пролетающего тела, а тела, заканчивающего свой
путь в пространстве. Используется мощная ударная волна сжатия, конусом
распространяющаяся в воздухе от головной части ракеты. Для улавливания ее
служит база всего лишь из четырех микрофонов, расположенных по углам
квадрата, и счетно-решающего устройства.
Такая аппаратура, конечно, значительно проще и дешевле специальной
радиолокационной аппаратуры слежения.
Так что аэроакустическая техника не отжила свой век; несомненно,
найдутся новые области ее практического применения и будут вскрыты многие не
известные нам доселе явления в воздушной оболочке Земли.
ЗВУКИ В ЗЕМЛЕ
По преданию, Тифон Александрийский во время осады Аполлонии определял
направление неприятельских подкопов с помощью подвешенных в траншее сосудов
-- резонаторов
Подслушивание противника через землю -- таким в течение многих веков
было главное и, видимо, единственное применение подземного звука Так было и
в античные времена, и при осаде Казани Иваном Грозным, и во время первой
мировой войны, когда зарывшиеся в землю друг против друга противники вели из
своих траншей подкопы под вражеские батареи, склады, командные пункты
Пожалуй, чуть усовершенствовалась к этому времени техника, появились первые
приборы -- простейшие геофоны
Свое "военное" назначение акустика сохраняет и теперь, но техника
существенно усовершенствовалась Некая английская фирма сообщила недавно, что
ею разработан сейсмометрический прибор "Гобиас" для распознавания
присутствия движущихся тяжелых машин в радиусе до 15 километров По заверению
фирмы, прибор может отличить шум гусеничных машин от шума колесных машин На
более близких расстояниях он "слышит" также шаги человека и животных
Один из главных природных врагов человека -- землетрясения Множество
сейсмографов, раскиданных по всему свету, фиксируют любые подземные толчки
Некоторые из этих "сейсмосторожей" снабжены автоматикой Так, неподалеку от
Токио, в сейсмоопасном районе, где в год фиксируются многие тысячи подземных
толчков, сейсмосторож, установленный у железнодорожного моста, связан со
светофором на железнодорожном полотне Когда сила толчка превысит
установленную норму, на пути поездов зажигается запрещающий красный сигнал,
а специальная бригада производит осмотр моста.
Итак, первое по времени возникновения направление подземной акустики --
подслушивание кого-либо или чего либо, представляющего опасность, -- было,
есть и, надо полагать, останется на службе человека на вечные времена,
разумеется, постоянно развиваясь и совершенствуясь Но уже властно заявила о
себе другая область геофонии, связанная с изучением структуры коры Земли и
земной мантии Простейшая схема исследований здесь такова В какой либо точке
производится взрыв углубленного в землю заряда, в других же точках,
достаточно удаленных от первой, принимают звуковые сигналы -- как пришедшие
непосредственно от источника звука, так и отраженные от слоев различных
пород
Поистине, однако, скоро сказка сказывается, да не скоро дело делается
Очень трудно бывает разобраться в вакханалии принятых волн К тому же, в
отличие от газовых и жидкостных сред, в которых могут распространяться
только продольные волны, твердой среде присущи еще различные типы поперечных
и поверхностных волн.
Пожалуй, здесь, в этом многообразии колебательных движений, особенно
отчетливо проявляется данное Энгельсом определение физики как механики
Молекул и все же, учитывая различную скорость распространения волн и
некоторые другие признаки, удается по записям геофонов определить структуру
слоев коры Земли и глубину нахождения мантии в данном участке
Постепенно от взрывных источников переходят к электромагнитным и
электродинамическим излучателям звука, в которых можно задавать частоту
излучения Применяются направленные источники колебаний, излучающие в узком
секторе. Это не только экономит энергию, повышает точность измерений, но и,
в случае звукового зондирования у морского дна (при этом звуковые волны
переходят и в породы дна), уменьшает возможность гибели морских обитателей
от интенсивных звуковых колебаний
Впечатляющи результаты сейсмических исследований в Антарктиде За
какой-нибудь десяток-полтора лет изучены структура ее ледяного панциря и
рельеф материка подо льдом Средняя толщина льда в Антарктиде оказалась около
2 километров, а максимальная-- более 4 километров. Подо льдом обнаружены
крупные горные цепи с высотами до 3 километров, а также более чем
километровые впадины ниже уровня моря. Удалось даже установить, что строение
антарктической платформы сходно со строением платформ Южной Америки,
Австралии и Африки. При всех этих исследованиях применялось не только
"прозвучивание" сред в горизонтальном направлении, но и эхозондирование --
процесс, подобный эхолотированию в море и заключающийся в направленном
излучении колебаний и приеме сигналов, отраженных от границ и
неоднородностей среды.
Геоэхозондирование, звуковая геолокация получили за последние
десятилетия широкое распространение для поиска и разведки нефтяных и газовых
месторождений, картирования при поисках каменного угля, железной руды и
россыпных месторождений. Применение звуковой геолокации и сейсморазведки
позволяет получить комплексную картину месторождений полезных ископаемых,
существенно уменьшает объем дорогостоящих работ -- бурения шурфов, которое
ранее делалось почти вслепую, а теперь -- целенаправленно.
А строительство инженерных сооружений, например плотин? Надо, допустим,
определить размеры и конфигурацию скальной платформы, на которую будет
опираться сооружение, -- звуковая геолокация даст наглядную карту глубинных
слоев в требуемом месте.
Даже археологи не избежали соблазна привлечь новые методы разведки. С
помощью звуковой локации на дне Бугского лимана были определены контуры
древней застройки и занесенных илом оборонительных сооружений античного
городища Ольвии.
Чисто акустическое эхозондирование (т. е. зондирование, при котором
акустическая энергия сигналов в среде не переходит в другие виды энергии), в
общем, уже не новость. Но лишь совсем недавно обнаружена возможность
комбинированного зондирования пород в земной среде. "Камни заговорили",
"говорящие сокровища",-- как на сенсацию, реагировали журналисты на это
открытие ученых Института физики Земли АН СССР М. П.Воларович и
Э.И.Пархоменко.
Пьезоэлектрический эффект таких минералов и веществ, как кварц,
турмалин, сегнетова соль, титанат бария, давно используется в технике. Но
вот оказалось, что ряд горных пород -- кварциты, гнейсы и даже тривиальные
граниты -- способен откликаться электромагнитной волной на упругую волну
взрыва. Для улавливания этой ответной электромагнитной волны служат
простейшие приемники -- металлические стержни, вставленные в землю.
Индуцированный в стержнях электрический ток подводится к усилительному
устройству, связанному с самописцем.
Кварциты часто являются золотоносными, и, таким образом,
акустико-электромагнитное зондирование дает ориентир первичного поиска
золотоискателям.
Но и простейший ультразвуковой эхолот с некоторых пор стал помощником
золотодобытчиков, причем не в море, а на земле. При разработке дренажных
котлованов очень важно бывает знать, сколько еще продуктивного золотоносного
песка осталось и как скоро в том или ином месте котлована черпаки драги
достигнут пустой породы. Нужны достаточно мощные и направленные звуковые
импульсы для того, чтобы проникнуть в слой рыхлого песка до подстилающего
грунта и определить толщину слоя (а заодно и глубину его залегания).
Подобный прибор приходит на золотых и платиновых приисках на смену дедовской
маркшейдерской многометровой рейке или трубе, которую ранее старательно
втыкали в донные слои различных мест котлована.
Соледобытчики, использующие в своей работе метод подземного
выщелачивания, теми же звуколокационными приборами определяют размеры и
конфигурацию солесодержащих включений, размеры пустот и камер, остающихся
после изъятия соли с помощью поверхностных "соляных фонтанов".
Обвалы в шахтах... Эти страшные события могут приводить к гибели людей,
и давно уже во всем мире стали раздумывать, как предугадать возможное
несчастье. Родилась мысль привлечь для этого сейсмоакустические методы и
аппаратуру, значительно более чувствительную, чем человеческий слух, и
способную объективно регистрировать подземные шумы в течение длительного
времени.
Около четверти века назад один из видных советских акустиков М. С.
Анцыферов, занимавшийся до того вопросами архитектурной и электроакустики,
возглавил эту работу. В Институте горного дела имени А.А.Скочинского была
организована соответствующая лаборатория, и начались регулярные акустические
наблюдения в шахтах. Особое внимание обратили на шахты Донбасса, где уже
тогда угледобыча производилась на глубинах до полукилометра. В настоящее же
время осваиваются глубины более километра, а ведь чем больше глубина, тем
выше давление в пластах породы и, следовательно, тем больше вероятность
опасных выбросов газа, угля и других сред
Акустическая эмиссия. Этими словами специалисты сейчас обозначают
звуки, которые предшествуют ряду механических явлений например
растрескиванию и разрушению металлов. Горные акустики изучали мощные
звуковые сигналы, которые, как оказалось, начинает излучать порода, перед
тем как в ней произойдут разломы и разрывы.
Спектр этих акустических импульсов достаточно широк, наиболее
интенсивные составляющие находятся в области частот 300--600 герц. Но вот
беда: спектр шумов в породе при работе отбойных молотков и врубовых машин
примерно одинаков. Значит, надо измерять подземные шумы вдали от забоя, где
производятся работы, а также в ночное и обеденное время.
Всегда ли мощные звуковые импульсы предшествуют выбросам угля и газа?
Требуют ли они, эти импульсы, обязательного удаления шахтеров из забоя?
Оказывается, не всегда были случаи когда работа прерывалась, а динамических
явлений в шахте не происходило. Автор как-то спросил М. С. Анцыферова, часто
ли ему приходилось выступать поневоле в роли пастуха-лжеца из известной
басни, которому впоследствии уже никто не верил. Он ответил
-- Бывало, конечно, и недоверие и даже упреки за невыполнение плана по
вине акустиков. Постепенно все сошлись на том, что лучше и раз, и два, и три
выйти из забоя, чем хоть раз быть засыпанными. Но и мы повысили точность
своих прогнозов.
Какова же она сейчас? Накопленный опыт, использование разработанной
горными акустиками системы статистических критериев повысили надежность
текущего сейсмоакустического прогнозирования опасности динамических явлений
в шахтах до 95-- 98%. Более того, применение направленных систем геофонов
дало возможность определять координаты очагов акустических импульсов, то
есть, по существу, и очагов возможных подземных катаклизмов, больших и
малых.
Службы производственного акустического прогноза подземных динамических
явлений начали работать в шахтах Донбасса с 1965 года. В первый же год
введения служб количество неожиданных динамических явлений сократилось в 3,5
раза, а через 5 лет -- в 20 раз, хотя в этот период протяженность
вибросоопасных зон в шахтах увеличилась вдвое вследствие перехода выработок
на нижележащие горизонты.
В г.Прокопьевске (Кемеровская область) группа ученых под руководством
П. В. Егорова работает над тем, как на основании акустического
прогнозирования вести разработки угля, чтобы уменьшить вероятность "горного
удара".
Неуютен труд шахтных акустиков. Ученые в комбинезонах и касках с
лампочками шлепают по мокрым штольням, иногда ползают в них на коленях,
отыскивая, где бы установить свои геофоны и усилители. Нет-нет, и крепкое
соленое словцо шахтеров, которым помешали, сопровождает действия научных
работников. Но наградой им служит сознание того, что их работа сохранила
жизнь не одному горняку.
Раз уж земная среда проводит звук, то можно не сомневаться, что
подземная акустика найдет еще множество применений.
ЗВУКИ В ВОДЕ
Если ты, будучи на море, опустишь в воду отверстие трубы, а другой
конец ее приложишь к уху, то услышишь идущие вдали корабли.
Леонардо да Винчи
Есть что-то удивительное в том, что почти полтысячелетия назад Леонардо
предвосхитил первоначальное развитие гидроакустики как науки об обнаружении
кораблей в море по звуку. Если не считать первых робких попыток
эхолотирования, то гидроакустика в XX веке развивалась сначала как область
военной науки и техники. Например, в России еще в 1905 году были разработаны
совершенные по тому времени приборы для звуковой связи между погруженными
подводными лодками. К 1912 году относится изобретение К. В. Шиловским и П.
Ланжевеном первого гидролокатора.
В наше время, в период интенсивного освоения Мирового океана,
гидроакустические приборы и методы достигли высокой степени совершенства, а
области применения гидроакустической техники все расширяются.
Разумеется, проще всего было бы отослать читателя к соответствующим
источникам, например к книгам автора по гидроакустике. Но из песни слова не
выкинешь, а потому и в этой книжке, где трактуются самые различные
акустические вопросы, следует сказать несколько слов о звуках под водой,
понимая под этим преимущественно звуки в больших природных водоемах.
Начнем с краткого описания некоторых физических явлений при
распространении звука в море.
Рефракция. Это, как известно, искривление лучей в среде с переменным
показателем преломления. Сплющенная Луна, миражи в пустыне, плавающие в
воздухе острова над морем -- классические примеры оптической рефракции в
воздухе. Акустическую рефракцию в воздухе заметить несколько труднее, но она
тоже имеет место. А вот под водой звуковая рефракция проявляется в любое
время года практически повсеместно.
У гидроакустиков есть хорошее мнемоническое правило: луч, подобно
жаждущему человеку, устремляется в сторону более холодных и менее соленых
слоев воды. Есть, правда, еще один фактор, который труднее втиснуть в рамки
мнемоники. Это гидростатическое давление, зависящее от глубины. От его
величины также меняется скорость звука, а следовательно, и показатель
преломления. В данном случае его изменение таково, что звуковой луч
стремится вверх.
Пожалуй, особенно отчетливо проявляется влияние температуры зимой,
когда верхние слои морской воды более холодные, чем нижние. Луч тогда под
определенным углом устремляется к поверхности моря, отражается от нее, вновь
и вновь приходит к ней, постепенно затухая по мере удаления от источника
звука.
Художник-орнаменталист, пожалуй, мог бы позаимствовать в картинах
подводных звуковых лучей мотивы для своих работ.
Траектория его напоминает цепь, подвешенную во многих местах к буйкам
на поверхности моря. Условия для подводного обнаружения звука в
поверхностных слоях при этом достаточно хорошие.
В летнее время, когда более холодными являются глубинные слои воды, луч
уходит в глубину. Образуются зоны акустической тени, в которых обнаружение
подводных объектов затруднено. Возможны сопутствующие эффекты. На границе
слоев с резким перепадом температуры может происходить полное внутреннее
отражение, расщепление луча, когда небольшая часть звука проходит под слой
скачка, а другая часть отклоняется кверху. Создаются не только "мертвые
зоны", как иногда именуют флотские акустики зоны акустической тени, но и
зоны фокусировки, усиления звука. В общем, картина распространения звука
может быть очень пестрой.
Звуковые каналы. Совместное влияние температуры, солености воды,
гидростатического давления может быть таким, что на определенной глубине
расположится зона ("горизонт") с минимальной скоростью звука. По этому
горизонту, претерпевая лишь небольшие волнообразные отклонения, звуковой луч
может распространяться на очень большие расстояния. Эта зона дальнего и
сверхдальнего распространения звука условно названа звуковым каналом.
Звуковой канал в океане был открыт американскими акустиками, а в глубоком
море (Черном)--советскими учеными Л. М Бреховских и Л. А. Розенбергом.
За эту работу они удостоены Государственной премии СССР.
Были отмечены случаи распространения звука взрыва небольшой бомбы по
подводному звуковому каналу от берега Австралии до Бермудских островов, то
есть на расстоянии, равном половине окружности Земли. Существуют карты
глубин залегания устойчивого звукового канала в океанах. Как правило, эти
глубины в северных районах меньше, чем в южных. Так, на широте 10° в районе
Маршалловых островов глубина залегания канала близка к 1 километру, а в
районе Алеутских островов она не превышает 100 метров. Но во многих местах
изолинии глубины залегания канала по земной поверхности имеют причудливые
извилистые очертания.
Американский акустик Э. Гамильтон предсказал теоретическую возможность
существования звукового канала также в осадочных породах, выстилающих дно
океана. В 1974 году Р. Урик экспериментально подтвердил это.
Морская реверберация. Словом "реверберация", соответствующим
английскому слову "эхо", обозначают более или менее продолжительное
угасающее звучание звукового сигнала после излучения. В наибольшей степени
это явление обычно связано с отражениями от скоплений газовых пузырьков,
затянутых на некоторую глубину во время штормов или являющихся продуктом
жизнедеятельности планктона. В мелководных районах реверберация может быть
обусловлена отражениями от каменистого дна. Реверберация иногда является
серьезной помехой рыболокации и военно-морской гидролокации, так как она
может маскировать принимаемый полезный эхо-сигнал.
Интересно наблюдать реверберацию, когда она достаточно интенсивна.
Всплески ее то вспыхивают, то гаснут на катодном индикаторе локатора, порой
на расстояниях в несколько километров. Синхронно с этим меняется
реверберация в динамике. Это значит, что гидролокационная посылка
встретилась с каким-то отражающим звук скоплением, а затем проследовала
далее.
Первая отечественная работа по реверберации моря появилась в Журнале
технической физики в 1943 году, в самый разгар Великой Отечественной войны.
Автором ее был военно-морской акустик В. С. Анастасевич. Трудно забыть
впечатление, которое произвела эта статья на молодых акустиков. Неужели
открытое море может звучать, как готический собор? И причина этому --
какие-то пузырьки... (уже известно было, что пузырьки в воде могут поглощать
звук, но о рассеивающих их свойствах мало кто знал).
Исследования реверберации выполнялись Ю.М.Сухаревским. Впоследствии В.
В. Ольшевский дал основы статистической теории реверберации.
Для борьбы с реверберационной помехой используют излучение в узком
секторе, частотную модуляцию сигнала и другие приемы. В общем, если
исключить малые расстояния от гидролокатора, реверберационная помеха
оказывается не такой страшной, как "тривиальные" помехи от шумов морского
волнения, а также от шумов самого корабля, несущего гидролокатор.
Звукорассеивающие слои. Когда однажды исследователи-гидроакустики в
одном из южных районов попробовали устремить луч гидролокатора вниз, то к
своему удивлению обнаружили: дно океана "писалось" на глубине, в несколько
раз меньше действительной. Феномен "поднимающегося и опускающегося дна"
отметили и специалисты по эхолотированию. Ясно было, что существуют какие-то
мигрирующие слои, которые отлично отражают звук, причем в значительно
большей мере, чем его отражает, например, водный слой с температурным
скачком.
Брали пробы воды с глубины этих звукорассеивающих слоев, опускались в
ник в батискафе. Оказалось, что "призрак" морского дна, как и реверберация,
связан с морскими организмами и продуктами их жизнедеятельности. Интересно,
что каждый исследователь находил в отражающих слоях скопления различных
организмов -- от микроскопического биопланктона до медуз и даже более
крупных существ.
Однако, кто бы ни были их "учредители", со звукорассеивающими слоями
приходится считаться военно-морским акустикам, да и персоналу
рыбопромысловых судов, ведущих гидроакустический поиск рыбы.
Из приведенного далеко не полного перечня гидроакустических явлений в
море видно, сколь они разнообразны. Исследования распространения звука в
морях и океанах во всех морских странах расширяются с каждым годом. В СССР
подобные исследования с успехом выполнялись Н. С. Агеевой, В. В. Богородским
(в очень интересной области распространения звука -- во льдах и подо льдами
Арктики), Л. М. Бреховских, Р. А. Вадовым, В. П. Глотовым, В. С.
Григорьевым, Н. А. Грубником, Ф. И. Кряжевым, В. Ильичевым, Ю. П. Лысановым
и многими другими. В последние годы большой группой авторов под руководством
академика Л.М. Бреховских создана капитальная монография "Акустика океана",
удостоенная в 1976 году Государственной премии СССР. В 1977 году Л. М.
Бреховских награжден золотой медалью великого физика Рэлея.
Интересен анализ процесса отражения звука от объектов произвольной
формы. Публикации по этому вопросу не сходят со страниц журнала
Американского акустического общества (статьи Джангера, Хиклинга, Дулитла и
других). Авторы статей утверждают, что можно классифицировать объект по
характеру отражения звука от него.
Л. М. Лямшевым еще в 50-х годах было обнаружено и проанализировано
явление усиления гидролокационного отражения от пластин в жидкости
вследствие возникновения в них продольных волн при падении гидролокационного
импульса. Работа Л. М. Лямшева докладывалась в Венгерской Академии наук и
получила общее признание. Весьма интересные исследования по теории
эхо-локации выполнены в последнее время А. А. Клещевым, У. Нигулом, Е. Л.
Шендеровым и другими.
Говоря о создании в нашей стране акустических приборов для подводного
обнаружения, нельзя не упомянуть о деятельности профессора Военно-морской
академии В. Н. Тюлина. Работая, по существу, в одиночку, он еще в 30-е годы
сконструировал весьма совершенный по тому времени эхолот и внес вклад в
теорию действия шумопеленгаторов. Свою лепту внесли также Л. Я Гутин, А М.
Тюрин и С. Я. Соколов-- создатель и руководитель первой в стране кафедры
электроакустики.
Приближались грозные годы Великой Отечественной войны, и освоение
гидроакустической техники нашим подводным флотом было как нельзя более
своевременно. Чтобы читатель мог в полной мере ощутить ее роль, приведем два
последовавших один за другим эпизода, связанных с подводной лодкой, которой
суждено было стать легендарной.
В начале 1945 года в результате прорыва советских Вооруженных Сил в
Восточной Пруссии была окружена громадная курляндская группировка
гитлеровских войск. Из отрезанного Данцига, где находилась немецкая школа
подводного плавания, вышел в Киль под усиленным конвоем самый большой
немецкий лайнер "Вильгельм Густлов" водоизмещением 25 тысяч тонн. На нем
находилось четыре тысячи высококвалифицированных подводников, которых уже
ждали в Киле, чтобы укомплектовать ими 70 подводных лодок. Всего же на
корабль набилось более шести тысяч человек.
В этом районе патрулировала подводная лодка С-13 под командованием
капитана 3-го ранга А. И. Маринеско. В январе на Балтике темнеет рано, к
тому же шел снег; рассчитывать можно было только на гидроакустику. Около 8
часов вечера гидроакустик И. Шнапцев доложил о далеком шуме винтов и указал
пеленг на группу кораблей. Маринеско применил дерзкий маневр: он зашел со
стороны берега и выпустил четыре торпеды по главной цели, теперь уже
отчетливо выделявшейся среди кораблей охранения.
Лайнер быстро пошел ко дну. Лодке удалось уйти от бомбежки и
преследования. Узнав о потоплении морского гиганта, Гитлер приказал
расстрелять командира конвоя, в Берлине же во второй раз за время войны был
объявлен трехдневный траур (первый раз это было после разгрома фашистских
войск под Сталинградом). В эфир пошло сообщение, что командир С-13 объявлен
"личным врагом Германии".
Однако лишь усмешку вызвали эти угрозы у экипажа лодки. На борту еще
имелись торпеды, и можно было продолжать поиск противника. Прошло десять
дней, и снова ночью, и снова гидроакустики обнаружили шумы большого корабля
с охранением и вывели лодку на дистанцию видимости. Новый торпедный залп --
и перестал существовать еще один громадный транспорт -- "Генерал Штойбен".
Из находившихся на его борту 3600 солдат и офицеров спаслось менее трехсот.
Найти в кромешной мгле и отправить на дно моря два гигантских корабля с
целой дивизией гитлеровцев за одну декаду -- в этом военном триумфе
подводной лодки роль гидроакустиков была не последней.
После второй мировой войны гидроакустика начала быстро развиваться во
всех странах. Точность пеленга на шумящие или отражающие звук подводные
объекты достигла долей градуса, дальность действия станций увеличилась во
много раз. Была освоена пассивная и активная локация в зонах вторичного
выхода звуковых лучей к поверхности моря, а также в зонах тени для прямого
сигнала. Американская донная гидроакустическая система "Цезарь", работающая
на низких частотах локации в море, где затухание звука особенно мало, по
сообщениям печати, обнаруживает присутствие подводных лодок на расстоянии до
400 километров. Появилась разновидность гидролокационной системы, в которой
обнаружение подводных объектов производится с помощью разнесенных под
зеркальным углом излучателя и приемника гидролокационных сигналов. Здесь
требуется особая точность во взаимодействии носителей излучателя и
приемника, но такая система себя оправдывает, так как сила отражения под
зеркальным углом наибольшая, и легче обнаружить объект, снабженный защитными
средствами.
Развертываются глобальные гидроакустические системы. Одна из них под
зловещим названием "Морской паук" должна обеспечивать сбор гидроакустической
информации чуть ли не со всей акватории Тихого океана и передачу ее через
гидроакустические буи искусственным спутникам, быстро доносящим сведения о
подводной обстановке в координационные центры, возглавляемые
соответствующими отделами Пентагона.
Конечно, во всех этих сообщениях много элементов рекламы. Однако если
исключить их, приходится все же признать, что достижения современной военной
гидроакустической техники весьма впечатляющи.
Но, пожалуй, еще более властно заявляет о себе мирная гидроакустика.
Применения ее до невероятности многообразны и становятся все более связаны с
бурным освоением Мирового океана.
Эхолот в традиционном исполнении и с традиционными функциями меньше
других морских акустических приборов нуждается в представлении. Едва ли
найдется морское судно, не имеющее его. А вот эхолоты-картографы с
автоматической цифровой отметкой глубин на карте еще только начинают
внедряться на гидрографические суда.
Обычный эхолот для контроля глубин под килем судна породил семейство
себе подобных и все же различных как по назначению, так и по степени
совершенства гидроакустических устройств. Это и приборы с весьма большой
мощностью излучения, позволяющие получить отметку не только линии дна, но и
отражающих звук грунтовых пород на достаточно большой глубине под
поверхностью дна. Это и сканирующие эхо-локационные устройства бокового
обзора, их не назовешь иначе, как автоматическими топографами дна водоемов.
Мелкие выступы дна высотой с полметра, траншеи, кабели на дне -- все
фиксируется ими на специальной бумаге.
Рыболокаторы тоже достаточно хорошо известны. Кажется, совсем недавно
автор описывал в одной из книг живописную выставку "Инрыбпром-68" в
Ленинграде. Прошло семь лет, и вот опять западная стрелка Васильевского
острова была окружена множеством ослепительно белых рыболовецких судов всех
стран, и флаги их вместе с флагами расцвечивания трепетали над
вместительными павильонами. Особенно интересная гидроакустическая поисковая
техника на "Инрыбпроме-75" демонстрировалась в советском, японском и
немецком разделах выставки. Современный рыбопоисковый гидролокационный
комплекс следит за косяком рыбы от момента первичного его обнаружения до
момента попадания в трал. Если рыбное скопление изменило, скажем, глубину
своего движения, соответствующее устройство меняет и глубину опускания
трала, его раскрытие. Интегрирующие приборы позволяют определить суммарный
объем встречного рыбного скопления и прогнозировать, таким образом,
целесообразность его отлова.
Из многообразных областей применения гидроакустических средств при
освоении богатств Мирового океана отметим лишь одну, связанную с бурно
развивающейся добычей нефти со дна. Совсем недавно бурение дна в нефтеносных
районах велось лишь в пределах океанского шельфа, т.е. на глубинах в
несколько сот метров. Первенцем подводного бурения дна в открытом море было
судно "Гломар Челленджер"; сейчас таких судов насчитываются десятки.
По крайней мере две проблемы при подводном бурении решаются с помощью
гидроакустики. Первая -- удержание дрейфующего судна над скважиной.
Гидроакустические излучатели-маркеры, расположенные на дне около скважины,
непрерывно посылают вверх звуковые импульсы. По этим сигналам на судне
определяют, в какую сторону его сносит относительно скважины, и
соответственно приводят в действие те или иные подруливающие устройства.
Вторая задача посложнее. Допустим, необходимо сменить затупившийся бур.
Бурильную колонку с новым буром опускают ко дну. Но подводные течения
относят эту гибкую и длинную колонку в сторону, как относит ветер паутинную
нить с висящим над ней пауком. Приводится в действие гидролокационное
устройство, находящееся на конце колонки. На дальних расстояниях от донной
скважины излучаемые устройством импульсы имеют относительно большую
продолжительность. Это режим поиска. Нащупав по отраженному сигналу
скважину, конец колонки начинает приближаться к ней. Наступает режим точного
наведения. Импульсы учащаются, становятся короче. В момент подхода к
скважине срабатывает соответствующее устройство, и колонка погружается в
скважину.
Освоение океана немыслимо без глубоководных аппаратов, которых уже
теперь насчитывается великое множество. Связываются они между собой и с
обеспечивающими надводными судами с помощью гидроакустического телефона,
определяют рельеф дна и его глубинную структуру с помощью гидролокационных
"щупалец".
Больше всего при освоении Мирового океана ученых беспокоит сохранение
его биосферы. Великий акванавт нашего времени Жак-Ив Кусто обратил к
человечеству такие слова: "Море сохранит свои богатства только в том случае,
если будут соблюдены биологические законы... Пора положить предел
романтической эпохе "тайн моря". Тайн моря нет, остались насущные проблемы,
которые следует разрешить. Мы на пороге новой эры, эры поисков и
исследований!"
Гидроакустические методы и приборы займут в этих поисках достойное
место.
ЗВУКИ В КОСМОСЕ?
Мы услышим полет всех планет..
А.Блок
-- Акустика в космосе? Это что-то новое, -- скажет, возможно, иной...
акустик, иронически улыбаясь, -- ведь в космосе нет достаточно плотной
газовой среды, в которой могут распространяться упругие колебания.
Однако начнем с сигналов из ближнего космоса. Загадочные звуки полярных
свечений... Связаны они с перемещениями областей ионизированного газа, но
точный механизм их возникновения до сих пор не раскрыт. Иногда они похожи на
ударные звуковые волны от сверхзвуковых самолетов. Наблюдались многократные
отражения этих звуков от поверхности Земли и от неоднородностей верхних
слоев атмосферы.
Искусственные спутники и ракеты. Это уже настоящий космос. При
прохождении ракеты "Аполлон" над Бермудскими островами на солидной высоте
188 километров, где, казалось бы, плотность атмосферы ничтожна (в
109 раз меньше, чем у поверхности Земли), неоднократно
регистрировались на островах низкочастотные сигналы, также похожие на
звуковые удары самолетов.
А что внутри ракет, космических кораблей? Космонавт А. Николаев при
полете на одном из "Союзов" так описывал свои "акустические" впечатления:
"При спуске вначале был слышен небольшой шум, свист высокого тона. Этот тон
постепенно нарастал и превратился в гул работающего реактивного двигателя,
затем он перешел как бы на форсажный режим работы двигателя самолета с
сильным рокотом" ..
Как видно, в космических устройствах могут встречаться вполне "земные"
ощущения. Эта близость к земным ощущениям еще усилится при длительных
полетах. Будет надоедать космонавтам постоянный шум двигателей, работа
которых необходима для жизнеобеспечения обитателей ракет и выполнения
научных и иных операций. Потребуются разнообразные средства борьбы с шумами
и вибрациями. Те же вибрация и шум, которые сейчас используются для
диагностики и дефектации механизмов, определения степени их
работоспособности и надежности, будут сигнализировать о случайных
неисправностях в орбитальных лабораториях, например при стыковке космических
кораблей.
На космических снарядах, в условиях невесомости, будут, как известно,
получать новые диковинные сплавы и материалы. Возможно, на помощь придет и
ультразвук, смешивающий, раздробляющий малые частицы жидких материалов.
Одним словом, земная акустика будет все больше заявлять о себе
космоплавателям. Как не заявить, если уже сейчас в некоторых странах
разрабатываются проекты лунных городков на сотни и тысячи человек.
Прибор, установленный на поверхности Луны, передает по радио на Землю
сведения о затухании звука в лунных породах.
А что делается снаружи космического корабля, непосредственно вблизи его
борта? Уже сейчас здесь действует акустика, работает структурный звук.
Выставленная за борт металлическая мембрана воспринимает удары несущихся
навстречу микрометеоритов, кусочков космического вещества. Каждый удар
частицы о мембрану возбуждает ее колебания, данные о которых с помощью
индукционного или иного датчика поступают внутрь корабля на счетную
электронную схему либо передаются радиоустройством на Землю. Этим способом
канадские ученые оценили значения микрометеоритной активности в функции от
высоты ракеты над Землей.
Луна, планеты солнечной системы и их естественные спутники. Здесь --
раздолье для акустиков-геофизиков, а на тех планетах, где есть атмосфера, --
и для атмосферных акустиков. Установленное на Луне американскими
астронавтами устройство позволило сделать интереснейшее открытие: время
реверберации (послезвучания) колебаний в породах лунного грунта приближается
к минуте. Луна звучит, как церковный колокол! Пока еще не дано объяснения
этому явлению.
Была измерена и скорость распространения звука в лунных породах.
Когда-то великий насмешник, мастер парадоксов и иронических сентенций Эразм
Роттердамский писал, что "...луна состоит из заплесневелого сыра..." Два
европейских геофизика не пожалели времени на то, чтобы измерить скорость
продольных волн в ... сырах из Италии, Швейцарии, США, Норвегии. Возможно,
как о курьезе, они сообщили, что скорость звуковых волн в этих сырах (от 1,6
до 2,1 километра в секунду) соответствует нижнему пределу скорости
распространения звука в лунных породах.
Несомненно, уже в ближайшее время будут досконально изучены
акустические свойства пород на поверхности Венеры и Марса. А в атмосфере
Венеры с ее чудовищной плотностью возможно существование звуков огромной
интенсивности.
Плазма -- одно из состояний упругого вещества. Уже производились опыты
по возбуждению механических звуковых колебаний в плазменных шнурах
установок, в которых имеются условия для возникновения термоядерной реакции.
Поэтому когда при исследовании пятен на Солнце были обнаружены колебания
низкой частоты с длиной волны порядка 2500 километров и на основании
некоторых данных было высказано предположение, что эти волны имеют звуковое,
а не магнитное происхождение, то эта версия не встретила у ученых особых
возражений.
Как видим, в акустических проблемах в космосе уже сегодня нет
недостатка. Первую страницу космической акустики можно считать открытой. Но
пытливый ум исследователей углубляется в совсем уже не изведанные просторы
мироздания. Один японский журнал в 1973--1974 годах опубликовал цикл статей
о генерации звука ни много ни мало как в первичной турбулентности...
расширяющейся Вселенной; едва ли кто-нибудь задумывался раньше о возможности
сочетания акустики и космогонии.
ЗВУКОВАЯ ЭНЕРГИЯ УШЛА,
А ГРОМКОСТЬ ЗВУКА ВОЗРОСЛА??
По-видимому, отзвук (эхо) существует всегда, но не всегда отчетливо
выражен
Аристотель. О душе
Говоря об удивительном в мире звука, нельзя обойти вниманием
своеобразные, кажущиеся на первый взгляд парадоксальными явления на границах
сред с сильно разнящимися акустическими сопротивлениями.
Хотя мы не хотели бы докучать читателю формулами, но без нескольких
простейших определений основных акустических величин все же не обойтись.
Когда волна продольная, то есть направление колебаний частиц среды совпадает
с направлением распространения волны, то переменное (звуковое) давление в
ней р связано с колебательной скоростью частиц v выражением
р = Zv,
где коэффициент пропорциональности Z представляет собой акустическое
сопротивление среды, равное произведению плотности среды на скорость
распространения звука в ней (не путать со значительно меньшей по величине
v!). Электроакустики склонны именовать приведенное выражение "акустическим
законом Ома", хотя оно появилось раньше работ Ома. "Удобнее запоминать", --
утверждают они. Может быть, это и справедливо для современного общества, в
которое электротехника внедрилась весьма широко.
Вторая формула относится к определению интенсивности или, что то же,
силы звука, представляющей собой поток звуковой энергии через единицу
площади фронта волны в единицу времени:
J=0,5p2/Z=0,5v2Z
Вооруженные этими двумя начальными буквами акустической азбуки,
приступим к интересующему нас вопросу о явлениях на границах разнородных
сред.
Пусть звук произвольной частоты падает по нормали из среды с малым
акустическим сопротивлением (например, воздушной) на границу среды с большим
акустическим сопротивлением (вода, кирпичная кладка и т. п.). Одним из
интересных, хотя, быть может, еще и не поражающих нас феноменов, является
то, что в эту вторую среду передается переменное (звуковое) давление, почти
вдвое превышающее звуковое давление в первой среде.
Несложный физико-математический вывод подтвердил бы это. Но, быть
может, читателя убедит совсем уж простая демонстрация (имеющая, согласимся,
скорее мнемонический, чем физический характер). Демонстратор, которым может
быть всякий лектор, обходится самыми что ни на есть элементарными средствами
(их можно было бы назвать подручными, если бы вместо рук здесь не
фигурировали ноги). Человек, на время перевоплотившийся в звуковую волну
(почему бы и не вообразить такое?), быстро приближается в комнате к
капитальной стене. У нее он мгновенно поворачивается кругом, изображая
теперь уже отраженную волну. Но чтобы не удариться о стену какой-либо
чувствительной частью тела, он упирается в нее подошвой ноги. Ясно, что
материал стены испытывает при этом довольно значительный импульс давления,
которое распространяется с определенной скоростью от места возмущения.
Акустическое сопротивление воды приблизительно в 3600 раз больше
акустического сопротивления воздуха. И здесь следует ожидать увеличения
звукового давления по сравнению с давлением в воздушной среде. М. А.
Исакович в своем курсе акустики указывает на температурные и иные явления,
препятствующие удвоению давления во второй среде. То или иное увеличение
звукового давления все же наблюдается экспериментально.
Но раз возросло давление, то увеличилась и громкость звука, ибо
слуховые аппараты большинства живых существ реагируют именно на величину
звукового давления, а, например, не звуковой энергии. Таким образом, дан
ответ на одну из частей заголовка главы, хотя можно признать, пожалуй, что
ничего особенно удивительного мы пока еще не узрели.
Это удивительное усматривается из сопоставления полученного результата
с величиной звуковой энергии, прошедшей во вторую среду. Вторая из
приведенных выше формул сразу дает нужный ответ. Пусть звуковое давление
увеличится даже в 2 раза, тогда числитель в выражении интенсивности звука
возрастет в 4 раза. Но ввиду того что знаменатель одновременно уменьшится в
тысячи раз, звуковая энергия во второй среде будет ничтожной. Так, в воду из
воздуха проходит лишь малая доля процента энергии падающей волны, а,
например, в скалу, в бетонный массив -- и того меньше. Звуковая энергия,
таким образом, почти полностью отражается от границы раздела среды с большим
акустическим сопротивлением.
Может возникнуть вопрос, почему ныряльщиков не оглушают крики с берега?
Их спасают от звуковой перегрузки изолирующие звук воздушные пробки, всегда
остающиеся в слуховом проходе погруженного в воду человека. Да и рыбы, не
имеющие подобных звукоизоляторов, воспринимают отчетливо лишь звуки в
пределах достаточно узкого конуса. При угле падения более 13° происходит
полное отражение звука от поверхности воды.
Рассмотрим еще, хотя бы для контраста, что делается на границе
рассматриваемой среды с другим параметром колебательного процесса --
колебательной скоростью частиц. На это даст ответ средняя часть второй
формулы. Поскольку в среду передалась ничтожная часть звуковой энергии, а
акустическое сопротивление среды весьма велико, это может быть лишь при
ничтожной колебательной скорости, значение которой в правой части формулы
входит множителем в выражение акустического сопротивления.
И здесь можно провести аналогию с мечущимся по комнате лектором. При
всем желании он не в состоянии раскачать ногой кирпичную стену, то есть
колебательная скорость во второй среде близка к нулю.
У любознательного читателя мог бы возникнуть еще вопрос: а что будет
наблюдаться при обратном переходе звука -- из среды с весьма большим
акустическим сопротивлением в среду с малым акустическим сопротивлением?
На границе среды с большим акустическим сопротивлением звуковое
давление почти удваивается (хотя в нее переходит лишь ничтожная часть
звуковой энергии). Кричать над поверхностью воды -- верный способ распугать
рыб, слуховой аппарат которых, как и у большинства живых существ, реагирует
на величину звукового давления.
Можно показать, что и в этом случае перейдет лишь ничтожная часть
звуковой энергии, но здесь уже колебательная скорость во второй среде будет
близка к удвоенному значению, а звуковое давление в ней близко к нулю. Вот
почему до нас не доносится в воздухе звук от удара одного камня о другой
(хотя ныряльщик, проделывающий это, сам слышит довольно интенсивный шум,
несмотря даже на изолирующие воздушные пробки в ушах),
А что же наш демонстратор, может ли он предложить для этого случая
какую-либо "мнемоническую модель"? Если он прикрепит вертикально к ножкам
стола лист плотной бумаги (которая в данном случае будет изображать первую
среду -- с большим акустическим сопротивлением) и его нога, по-прежнему
представляющая звуковую волну, прорвет этот лист, то ясно, что скорость ноги
в момент прорыва возрастет, но поскольку за листом нога встречает воздушную
среду, не оказывающую никакого сопротивления, то нет и условий для
возникновения давления в этой среде.
Вот какие метаморфозы звуковой волны возможны на границах разнородных
сред.
КОГДА РЕЗОНАТОР УСИЛИВАЕТ
И КОГДА ОСЛАБЛЯЕТ ЗВУК
Резонанс -- резкое возрастание амплитуд... колебаний, наступающее при
приближении частоты... внешнего воздействия к частоте одного из нормальных
колебаний, свойственных данной колебательной системе.
Физический словарь
Некто смотрел из укрытия, как два льва вцепились в тело друг друга. На
момент он отвернулся и когда вновь взглянул на место боя, то увидел, что
противники исчезли: они съели друг друга. На земле виднелись лишь оставшиеся
от них хвосты...
Из современной сказки
Кому не известно, что такое резонанс? "Резонанс -- это когда сильно
мотает",-- сказал один студент, не подозревая, впрочем, что излагает
житейским языком определение физического словаря. Интеллигент с большим
читательским стажем уже приведет пример вредных последствий резонанса:
"Знаете, почему разрушился Египетский мост в Петербурге? Потому, что
воинская часть, проходившая по нему, не сменила команды "в ногу". Произошла
усиленная вибрация, и вот..."
Мы, в свою очередь, приведем еще один, менее известный пример
последствий резонанса. 2 марта 1905 года утром в день предстоявшего
заседания II Государственной думы обвалился потолок в главном зале
Таврического дворца. Причина -- работа небольшого электровентилятора на
чердаке, включенного для проветривания зала перед заседанием Думы,
Александр Грин, которого знают как автора романтических и
приключенческих повествований, был не чужд и жанру сатиры. Через несколько
дней после описанного события в одной из столичных газет появилась его
"Элегия", написанная в манере стихотворения Лермонтова "Когда волнуется
желтеющая нива". Сатира Грина начиналась так:
Когда волнуется краснеющая Дума
И потолок трещит при звуке ветерка...
Концовка тоже созвучна лермонтовским строкам:
...Тогда смиряется души моей тревога;
И затаив мечты о воле и земле,
И истребив морщины на челе,
Сквозь потолок я вижу бога! ...
Это едва ли не единственная стихотворная ода резонансу, хотя и
порожденная главным образом политическими причинами.
Но почему же все-таки мост не обрушивается и потолок не трещит в
отсутствие резонанса? В простейшей упругоинерционной системе выше или ниже
частоты резонанса сопротивления колебательному движению упругого или
соответственно инерционного элемента достаточно велики. Лишь на частоте
резонанса эти взаимно противодействующие сопротивления таинственным для
непосвященного образом "съедают" друг друга (совсем как сказочные львы в
эпиграфе), и остается лишь "хвостик" -- сопротивление трения, которое всегда
меньше сопротивления упругости и массы. Амплитуда колебаний системы
увеличивается во много раз, что и может привести к печальным последствиям.
О явлениях резонанса в механических системах уже говорилось выше.
Перейдем к устройству, в котором осуществляется резонанс акустических
элементов. Это простейший резонатор Гельмгольца -- сосуд, подобный колбе.
Воздушная пробка в горле сосуда является акустическим элементом массы,
внутренняя полость резонатора -- элементом упругости. При резонансе
увеличиваются колебания воздушной пробки, в такт этому возрастает
колебательное давление во внутренней полости резонатора по сравнению с
давлением в свободном поле. Звуковую энергию для усиленных колебаний
резонатор отбирает из окружающего его звукового поля.
Если к полости резонатора подвести трубку, другой конец которой
приложить к уху, то можно убедиться в усиливающем действии резонатора. Такое
устройство применялось для помощи людям с ослабленным слухом. Наборы
резонаторов использовались в первых анализаторах звуковых спектров. Каждый
из резонаторов был настроен на свою частоту и выделял в сложном звуковом
спектре соответствующую спектральную составляющую.
Пещера с узким наружным входом тоже служит резонатором. Он усиливает
звуки особенно низких частот; туристы и спелеологи знают, как сильно
отдаются удары грома в подобных пещерах.
Впрочем, для осуществления резонанса совсем не обязательно иметь узкий
и длинный вход. Резонатором может служить любая достаточно глубокая ниша,
пусть даже одинакового поперечного сечения. Дальняя, примыкающая к жесткой
стенке часть ее служит упругостью, а объем, граничащий с наружным
пространством, -- массой. Переход от массы к упругости здесь более плавный,
чем в колбообразном сосуде.
Любая бутылка, не заполненная жидкостью,-- тоже резонатор; убедиться в
этом нетрудно. Один современный английский акустик, в частности, рассмотрел
ее резонансные свойства в монографин "Акустика винной бутылки". Несмотря на
игривое название, это -- серьезная научная работа, возможно, не столь
значительная, как творение великого Кеплера "Стереометрия винных бочек", но
уже не уступающая исследованию почти нашего современника Ч. Бойса "Мыльные
пузыри", которое считается классическим.
Итак, резонатор усиливает звук, это совершенно ясно, не правда ли?
Однако, как бы это странно ни звучало для некоторых, резонатор прежде
всего... поглощает, то есть ослабляет звук. Противоречие здесь кажущееся.
Все дело в том, о каком параметре колебательного процесса вести речь. Да, в
полости резонатора усиливается в той или иной степени звуковое давление. Но
при этом в нем всегда поглощается определенная звуковая энергия. В какой-то
мере в этом смысле резонатор можно сравнить с электрическим трансформатором.
Во вторичной обмотке повышающего трансформатора увеличивается электрическое
напряжение по сравнению с напряжением в первичной обмотке. Но в то же время
трансформатор, к сожалению, поглощает часть электрической энергии вследствие
нагрева обмоток, вихревых токов в сердечнике и т. п.
Электрики стараются, насколько возможно, уменьшить эти потери. То же
делали и акустики, создавая резонаторы с очень высокой добротностью для
выделения отдельных составляющих в спектре анализируемого звука. Но вот
кому-то пришла в голову идея увеличить поглощение в акустическом резонаторе
с целью ослабления звука вблизи резонатора. Так родилось новое направление в
теории и технике звукопоглощения -- резонансное звукопоглощение.
Целый ряд ученых в разных странах отдал ему дань: в СССР -- С. Н.
Ржевкин, М. С. Анцыферов, В. С. Нестеров и другие, в США -- У. Мак Нэйр, в
Англии -- Е. Пэрис, в Дании -- Ф. Ингерслев. Резонансное звукопоглощение
осуществляется в более или менее узкой области относительно низких частот.
Можно расширить ее, применив набор резонаторов, настроенных на различную
частоту. Но если потребуется ослаблять звук на более высоких частотах,
придется применить поглотители другого рода, о которых еще будет сказано
ниже.
Как же практически осуществлять устройство резонансного поглощения для
ослабления звука в помещениях? Неужели вмазывать в стены колбо- или
бутылкообразные сосуды? Нет, современная строительная практика нашла более
удобные конструкции. На некотором расстоянии от стены или потолка помещения
устанавливается более или менее толстый перфорированный лист. Отверстия в
листе играют роль горлышек резонаторов Гельмгольца, а пространство между
листом и стенкой -- роль полостей.
Теперь возникает следующий вопрос: где разместить дополнительный
звукопоглощающий элемент, увеличивающий потери в резонаторе? В районе
горлышка резонатора колебательная скорость частиц среды наибольшая и,
следовательно, наибольшими будут потери на трение. Здесь и помещают слой
волокнистого материала или толстой ткани, который с успехом выполняет
функцию поглотителя звука.
Такими или подобными системами резонансного поглощения можно
оборудовать стены или потолки помещений. Вместо перфорированных панелей
иногда устанавливают наборы вертикальных реек с зазором относительно друг
друга. Получается так называемый щелевой резонансный поглотитель, которому
можно придать очень красивый вид, соответствующий современным архитектурным
тенденциям.
Известно, что для хорошего восприятия музыки и речи зал должен иметь ту
или иную степень гулкости; акустики в этом случае говорят о "времени
реверберации помещения". Время реверберации можно менять, устанавливая
дополнительные звукопоглотители, в том числе резонансные.
Сам зал, собственно, это тоже резонатор. Но, в отличие от резонирующих
сосудов, у него много собственных частот. Чаще требуется, как только что
сказано, заглушать колебания на этих частотах, но иногда зал сам по себе
оказывается заглушенным в той или иной области частот; для более полного
звучания музыки, вокальной речи требуется выделить эти области частот.
Встает вопрос о "поддерживаемом" резонансе зала. Такой поддерживаемый с
помощью электроакустической аппаратуры резонанс осуществлен, например, в
зале Ройял Фестиваль Холл в Лондоне.
Колбообразные сосуды, различные ниши и впадины, даже, наконец, целые
помещения, -- все это как-то еще сообразуется с представлением о резонансных
системах. Но есть резонаторы и там, где трудно это предположить. Что бы вы
сказали о пузырьке воздуха или газа в жидкости, например, в стакане с
нарзаном? Немецкий акустик Э. Мейер, первый лауреат золотой медали имени
великого физика Рэлея, открыл это еще в 30--40-е годы. Упругим элементом в
резонирующем пузырьке служит объем газа, а инерционным -- масса воды,
участвующая в колебаниях внешней поверхности пузырька. Принимая в 1971 году
от Английского акустического общества медаль имени Рэлея, Мейер в ответной
речи сообщил, что звукопоглощающие пузырьки в жидкости, делающие "глухим"
звеневший до этого хрустальный бокал с шипучим шампанским, подсказали ему
идею подводного звукопоглотителя из слоя пластмассы с внутренними воздушными
полостями. Он не преминул отметить, что подобный гидроакустический
звукопоглотитель, названный им "Альберихом", использовался на гитлеровских
подводных лодках для защиты от обнаружения их гидролокаторами союзников.
В последнее время румынский ученый Грумезэску много занимался вопросами
взаимодействия резонирующих систем со звуковым полем. Плодом работ
Грумезэску явился прочитанный им на одном из последних конгрессов по
акустике пространный доклад, название которого мы почти дословно повторили в
заголовке этого раздела. Из доклада читатель может узнать еще и о других
интересных примерах усиления и поглощения звука различными резонаторами,
ЧТО ВЗЯТЬ ДЛЯ ИЗОЛЯЦИИ ЗВУКА:
ВАТНОЕ ОДЕЯЛО ИЛИ КРОВЕЛЬНОЕ ЖЕЛЕЗО?
Тебе удивляться нимало не надо,
Что сквозь преграды, глазам
ничего не дающие видеть,
Звуки доходят до нас и
касаются нашего слуха.
Лукреции Кар. О природе вещей Кн.4
Массу стенки увеличим в
десять раз --
Втрое-вчетверо шум снизится у нас
(Предлагается в качестве хороводной )
Раскроем цитированное в эпиграфе творение римского
философа-материалиста и писателя Лукреция, Если извлечь из этого творения
все высказывания, касающиеся звука, то можно из них одних составить
небольшую, но полную интересных наблюдений книгу по акустике. И приведенное
нами извлечение как бы убеждает читателя: да, не нужно удивляться, даже
каменные стены могут пропускать звук.
До поры до времени человечество как-то мирилось с этим. Но по мере
роста "акустической загрязненности" среды, увы, неизменно сопутствующего
развитию цивилизации, усилилась необходимость исследовать процесс
прохождения звука через различные ограждения и научиться по возможности
препятствовать этому процессу.
Интуитивно можно было предполагать, что в явлении изоляции, то есть
"непропускания", звука значительную роль играет масса любой строительной
конструкции -- стенки, пола и т. п. А. Шох дал этому строгое доказательство.
Но одно дело физические величины-- звуковое давление, звуковая энергия,
проходящие через стенку, и совсем другое дело -- имеющий при этом место
физиологический эффект, т.е. снижение ощущения громкости шума за стенкой. Во
второй части книги физиологической акустике будет уделено достаточное
внимание, здесь же мы отметим лишь, что при учете снижения громкости шума в
дело неизбежно вмешивается логарифмический закон. А этот закон в вопросах
звукоизоляции ведет к довольно серьезным последствиям с точки зрения массы
|
