СОДЕРЖАНИЕ

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКА

Так уже упоминалось, звуковые волны могут распространяться в воздухе, газах, жидкостях и твердых телах. В безвоздушном пространстве звуковые волны не возникают.

В этом легко убедиться на простом опыте. Если электрический звонок поместить под воздухонепроницаемый колпак, из которого откачан воздух, звука мы не услышим. Но как только колпак наполнится воздухом, возникнет звук.

Колебательное движение от частицы к частице передается со скоростью, которая зависит от свойства среды. Известно, что если приложить ухо к железнодорожным рельсам, то шум идущего поезда будет слышен задолго до его появления. В древние времена воины прикладывали ухо к земле и таким образом обнаруживали конницу противника значительно раньше, чем она появлялась в поле зрения.

А известный ученый Леонардо да Винчи еще в XV веке писал: «Если ты, будучи на море, опустишь в воду отверстие трубы, а другой конец ее приложишь к уху, то услышишь шум от кораблей, очень удаленных от тебя».

Если бы мы, находясь в Москве, могли крикнуть так громко, чтобы звук долетел до Ленинграда, то нас услышали бы там только через полчаса, а если бы звук на это же расстояние распространялся в стали, то он был бы принят через две минуты.

Чем выше упругость среды, тем с большей скоростью распространяется в ней звук. Скорость распространения звука в каучуке, например, составляет 50, в воздухе — 330, в воде — 1450, а в стали — 5000 м в секунду.

Первые измерения скорости распространения звука были проведены в XVII веке Миланской академией Наук. На одном из холмов установили пушку, а на другом расположился наблюдательный пункт. Прежде чем начать опыт, измерили расстояние между наблюдательным пунктом и пушкой. В момент выстрела на наблюдательном пункте по вспышке засекли время. Когда услышали звук выстрела, также засекли время. Разность во времени между вспышкой и приемом сигнала позволила вычислить скорость распространения звука в воздухе, которая оказалась равной 330 м в секунду.

Скорость распространения звука в воде впервые была измерена в 1827 г. на Женевском озере. Две лодки расположили одна от другой на расстоянии 13 847 м. На первой лодке под днищем был подвешен колокол, а со второй опущен в воду простейший гидрофон. На первой лодке человек ударил в колокол и одновременно поджег порох, на второй наблюдатель в момент вспышки запустил секундомер и стал ждать прихода звукового сигнала от колокола. В момент прихода звука секундомер был остановлен. Зная расстояние и время прохождения звука, вычислили скорость его распространения в воде, которая оказалась в четыре с лишним раза больше скорости звука в воздухе— 1450 м в секунду.

Одна и та же среда может находиться в различных состояниях, иметь разные физические и химические характеристики. Естественно, что это влияет на скорость распространения звука. Когда мы говорим, что в воде звук распространяется со скоростью 1450 м в секунду, это вовсе не означает, что в любой воде и при любых условиях. С повышением температуры и солености воды, а также с увеличением глубины скорость звука возрастает.

Характер распространения акустических колебаний в воде зависит от значений скорости звука в каждой точке пространства. Изменение траекторий акустических лучей также обусловлено пространственными изменениями поля скорости звука. На распространение акустических сигналов, кроме того, влияет состояние поверхности и дна моря. Искажения фронта акустической волны (траектории акустического луча) и потери энергии при отражении и рассеянии на границах среды являются основными причинами значительного отличия сигнала в точке приема от излученного. Степень изменения спектрально-энергетических характеристик сигнала в точке приема во времени зависит от многих факторов: географических координат района, времени года и суток, состояния водных масс, волнения поверхности Моря, рельефа дна, глубины погружения излучателя и приемника звука, расстояния между ними и др.

Встречая на своем пути препятствие, звуковые волны отражаются от него по строго определенному правилу— угол отражения равен углу падения. Звуковые волны, идущие из воздуха, почти полностью отразятся от поверхности воды вверх, а звуковые волны, идущие от источника, находящегося в воде, будут отражены от ее поверхности вниз. Вот почему мы практически не слышим звуков, рождающихся в воде. Подводные звуковые волны отражаются и от дна. Причем если дно каменистое, то отражение будет значительным, если песчаное, или тем более илистое,— отражение будет меньше, а поглощение больше.

Проникая из одной среды в другую, звуковые волны отклоняются от своего первоначального направления, т. е. преломляются. Причем угол преломления может быть либо больше, либо меньше угла падения; это зависит от того, из какой в какую среду проникает звук. Если скорость звука во второй среде больше, чем в первой, то угол преломления больше угла падения, и наоборот (рис. 3).

Рис. 3. Преломление звуковых лучей: а — при переходе в среду с большей скоростью распространения звука; б — при переходе в среду с меньшей скоростью распространения звука

Звуковые волны распространяются в виде расходящейся сферической волны. Звуковая сферическая волна заполняет все больший объем, так как колебания частиц воздуха, вызванные источником звука, передаются все большей массе воздуха. Однако с увеличением расстояния колебания частиц воздуха все более ослабевают. Известно, что для увеличения дальности передачи звук" необходимо концентрировать в заданном направлении. Так, например, чтобы лучше было нас слышно, мы прикладываем ладони ко рту или пользуемся рупором. В этом случае звук будет ослабляться меньше, а звуковые волны распространяться дальше.

Ослабление звука связано с тем, что звуковая волна, постепенно теряет энергию. Происходит так называемое поглощение звуковой волны средой. Нетрудно заметить, что степень поглощения опять-таки определяется свойствами среды. В более вязкой среде, например, в вате, каучуке, поглощение больше. Однако оно во многом зависит также и от частоты. Чем больше частота звука, тем больше поглощение. Например, звук частотой 10 000 Гц поглощается в 100 раз больше, чем звук частотой 1000 Гц. Орудийный выстрел вблизи кажется нам оглушающе резким, издали — более мягким, глухим. Это объясняется тем, что звук от выстрела пушки содержит в себе как низкие, так и высокие частоты, а звуки высоких частот поглощаются в воздухе больше, чем звуки низких частот. Находясь далеко от стреляющей пушки, мы слышим звуки более низких частот, а звуки высоких не доходят до нас — они поглощаются.

Еще более наглядный пример, подтверждающий это явление, — звучание удаляющегося оркестра. Сначала пропадают высокие звуки флейт и кларнетов, затем средние — корнетов и альтов, и, наконец, когда оркестр будет уже совсем далеко, слышен только большой барабан. То же самое происходит и с ультразвуками. Впервые на это обратил внимание русский физик П. Н. Лебедев.

Большое влияние на дальность распространения звука оказывает рефракция, т. е. искривление звуковых лучей. Чем разнороднее среда, тем больше искривляется звуковой луч.

В море (в зависимости от мощности источника звука) дальность распространения звука, как правило, равна десяткам или сотням километров. Но бывают случаи, когда звук распространяется на расстояние до нескольких тысяч километров. Это связано с возникновением так называемого подводного звукового канала.

Явление распространения звуковой энергии в подводном звуковом канале объяснено советскими учеными Л. М. Бреховских и Л. Д. Розенбергом.

Подводный звуковой канал возникает чаще всего в океане. Это область глубин, где скорость звука вначале уменьшается, а достигнув минимума, начинает возрастать. Физически это обусловливается большой зависимостью скорости распространения звука в морской воде от ее температуры, солености и гидростатического давления. С глубиной скорость звука уменьшается, но лишь до тех пор, пока понижается температура воды. Достигнув определенного уровня, скорость начинает возрастать из-за повышения гидростатического давления. Верхние и нижние границы звукового канала имеют глубину с равными скоростями звука. За ось канала принимается глубина с наименьшей скоростью распространения звука.

Сверхдальнее распространение звука в канале объясняется тем, что звуковые лучи, почти полностью отражаясь от верхней и нижней границ звукового канала (рефрагируя), не выходят за его пределы, т. е. концентрируются и распространяются вдоль оси звукового канала.

«Чтобы лучше понять это, — объясняет Л. М. Бреховских, — вспомните, как ведет себя уставший путник. Он предпочитает держаться теневой, более прохладной стороны, нести на своих плечах как можно меньше груза и двигаться с минимальной скоростью. Ведь только при этом он сможет пройти максимальное расстояние. Звуковой луч в морской воде подобен этому путнику. Выйдя из источника, он уходит вверх от оси звукового канала. Чем выше, тем теплее, и луч заворачивает вниз, «в холодок», и углубляется до тех пор, пока не начинает «ощущать» тяжесть повышающегося гидростатического давления».

В США явление сверхдальнего распространения звука в подводном звуковом канале использовали для создания спасательной системы «Софар». С кораблей или самолетов, терпящих бедствие, сбрасывают небольшие бомбочки весом от 0,5 до 2,5 кг, которые взрываются на глубине залегания оси звукового канала. Береговые станции системы принимают звуковой сигнал и определяют место взрыва с довольно высокой точностью.

Американские ученые проделали в Атлантическом океане следующий эксперимент, подтверждающий влияние среды на дальность распространения звука. На глубине 500 м были взорваны полуторакилограммовые заряды тринитротолуола. Спустя некоторое время взрыв зафиксировали приборы на Бермудских островах, удаленных от места взрыва на 4500 км. Подобный взрыв в воздухе слышен всего на расстоянии 4 км, а в лесу не более 200 м.

Центр подводных исследований военно-морских сил США в 1974 г. проводил в Атлантическом океане исследование глубины звуковых каналов и скорости звука на оси канала, а также звуковой пеленгации и локации. По накопленным океанографическим данным определялись сезонные изменения, влияющие на распространение звука в каналах звуковой пеленгации и локации. Вычисленные с большой точностью значения скорости звука совпали с данными, полученными в опытах с дальним распространением звука.

В зарубежной печати в последние годы появляются сообщения, касающиеся различных вопросов передачи информации по гидроакустическому каналу. Повышенный интерес к этому вопросу объясняется необходимостью использования средств с гидроакустическим каналом, а также все возрастающим количеством подводных лодок, глубоководных аппаратов, подводных «домов» и лабораторий, аквалангистов, автоматических средств поиска и добычи полезных ископаемых, для которых необходим постоянный и надежный обмен сведениями через водную среду на большие расстояния.

Сложность использования гидроакустического канала в море определяется условиями распространения гидроакустических сигналов и изменчивостью характеристик помех в точке приема. Как подчеркивается в работах по исследованию условий распространения звука в море, пространственные неоднородности морской среды вызывают рефракцию траекторий звуковых лучей, а наличие границ — отражение и рассеяние гидроакустических сигналов. В результате возникает многолучевость распространения, которая приводит к амплитудным, частотным и фазовым искажениям сигнала в точке приема, запаздываниям, затягиванию и замиранию импульсов. Указанные причины обусловливают ошибки в передаваемых сообщениях и заставляют уменьшать скорость передачи информации.

Одной из важнейших задач акустики моря считается прогнозирование ожидаемых значений параметров гидроакустических сигналов в точке приема. Оно осуществляется в интересах проектирования гидроакустических станций и повышения эффективности их использования в море. Во многих практических случаях главной задачей становится прогнозирование ожидаемой дальности действия средств гидроакустического наблюдения и расчет пропускной способности канала связи.