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