Книга рассчитана на широкий круг читателей, V к 22. 32 31805-066 048(01)-78

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 продол-6

Наблюдались случаи распространения инфразву-ковых 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, распро-,;
страняющихся в атмосфере. Оно также носит нели­
нейный характер и проявляется на частотах до не­
скольких десятков герц. Довольно причудливую
зависимость от частоты звука и высоты его распрост­
ранения в атмосфере имеют величины километриче-
ского 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 нерднороДНостей 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 акусти-^еское зондирование, или акустическая эхо-локация. , ... Идут дни и ночи, проходят недели, а направ­ленные вверх акустические излучатели непрерывно посылают звуковые импульсы и принимают эхо, от-

Слоистая структура атмосферы на различиют высотах, записанная с помощью звуколокатора.,

раженные неоднородностями атмосферы. Эапвстг этих
эхо очень наглядны, иногда прослеживаются несколь­
ко находящихся один над другим неоднородных слоев
в атмосфере. Подобные установки действуют в США,
Канаде, Индии и других странах. Это довольно со­
лидные сооружения. Так, установка, созданная в
Южной Австралии, включает в себя антенную решет-'
ку из восьми десятков динамиков с резонатора-ми;
электрическая мощность звуковой частоты, подводи­
мая к этим репродукторам,—около 10 киловатт. При­
емная антенна представляет со^ой большое парабо­
лическое зеркало с рупором; для лучшей передачи
улавливаемой энергии приемному микрофону оно по­
мещено в отдельном углублении в грунте. Разра­
батываются еще более совершенные системы со
сканированием (разверткой) звукового луча по небо­
своду. •'••..*•

Звук может выступать в роли... термометра, при* чем именно в тех условиях, когда обычяые термомет* ры отказывают. На высоте более 30 километров молекул в атмбсфере уже так мало, что погрешности традиционных термометров, использующих тепловое движение молекул, резко возрастают. В основу зву-" кового термометра положена известная из теории и экспериментов зависимость скорости звука в разре­женном газе от температуры газа. Оказалось, что такой термометр не только гораздо точ-нее, но прак­тически абсолютно безынерционен. Он отмечает коле­бания температуры, длящиеся всего 0,05 секунды, что совершенно недоступно как ртутным, так и жидкост-

6

ным термометрам. Будучи помещен на метеорологи­ческий шар-зонд, поднимающийся с довольно боль­шой скоростью, звуковой термометр успевает фикси­ровать все флюктуации температуры атмосферы на различных высотах.

Казалось бы, последней уже нет возврата в об» ласть 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 .сверхзвуке'-*^ вых ракет. Дело в данном случае именно в том, что; определяется траектория не пролетающего тела, а-, тела, заканчивающего свой путь в пространстве. Ио*^к пользуется мощная ударная волна сжатия, конусом распространяющаяся в воздухе от головной части ракеты. Для улавливания ее служит база всего лищьГ из четырех микрофонов, расположенных по углаз^ 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 из* вестные нам доселе явления в воздушной оболочке Земли.

0

ЗВУКИ

в,

ЗЕМЛЕ

Подслушивание противника

через землю —таким в течение многих веков было главное и, видимо, единственное применение подзем-¹ нбго 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 «Тобйас» для -распознавания присутствия движущихся тяжелых ма­шин в радиусе до 15 километров. По заверению фир­мы, прибор может отличить шум гусеничных маши» от шума колесных машин. На более близких расстоя­ниях он «слышит» также шаги человека и животных.

Один из главных природных врагов человека-
землетрясения. Множество сейсмографов, раскидан­
ных по всему свету, фиксируют любые подземные¹
толчки. Некоторые из этих «сейсмосторожей» снабже­
ны автоматикой. Так, неподалеку от Токио, в сейсмо-
опасном районе, где в год фиксируются многие
тысячи подземных толчков, сейсмосторож, установлен^
ный у железнодорожного моста, связан со светофо⁰
ром на железнодорожном полотне. Когда сила толч­
ка превысит установленную норму, на пути поездов
зажигается запрещающий красный сигнал, а специ­
альная бригада производит осмотр моста. ; iiv i

•fcf ' •

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 ещё различные типы поперечных и поверхностных волн.

Пожалуй, здесь, в этом многообразии колебатель­ных движений, особенно отчетливо проявляется дан-нре Энгельсом определение физики как механики молекул. И все же, учитывая-различную скорость рас­пространения волн и некоторые другие признаки, уда­ется по записям геофонов определить структуру сдоев 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-пол-тора лет изучены структура ее ледяного панциря и рельеф материка, подо, льдом. Средняя толщина льда

и

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 неоднородноетей среды.

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 9 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 Олъвии.

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 обна* ружена возможность комбинированного зондирования пород в земной среде. «Камни заговорили», 5^го* ворящие сокровища»,— как на сенсацию, реагирова­ли журналисты на это открытие ученых Института

!0ики Земли AHGGCP М. П.Воларович и Э. И. Пар­хоменко.

., Пьезоэлектрический эффект таких минералов и шеществ, как кварц, турмалин, сегнетова соль, тита-И9Т 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 варыва. Для улавливания этой ответной электромагнитной волны служат простейшие приемники — металличе­ские стержни, вставленные в землю. Индуцйррвднный 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 некото* рых 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 екфро 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 звуколока-ционными приборами определяют размеры и конфи­гурацию солесодержащих включений, размеры пустот и камер, остающихся после изъятия соли с помощью поверхностных «соляных фонтанов», г 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 сей* смоакустические 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 давле-,ние в пластах породы последовательно, тем больше .вероятность опасных выб.роеов газа, угля и дру­гих сред.

Акустическая эмиссия. Этими словами специ­алисты сейчас обозначают звуки, которые предше­ствуют ряду механических явлений, например рае-трескиванию и разрушению металлов. Горные акусти-. ки 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 находят¹-ся 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. Анцыфе-рова, часто ли ему приходилось выступать поневоЛе в роли пастуха-лжеца .из известной басни, котором^ .впоследствии уже никто не верил. Он ответил: . — Бывало, конечно, и недоверие и даже упреки за невыполнение плана по вине акустиков. Постелен-

и

Усиление уровня и увеличение количества звуковых импульсов,

фиксируемое геофоном, служит сигналом опасности. Если не

удалить людей из шахты, то возможна их гибель вследствие

выброса угля и газов.

но 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, ис-' пользование разработанной горными акустиками си­стемы статистических критериев повысили надеж­ность текущего сейсмоакустического прогнозирования опасности динамических явлений в шахтах до 95— 68%. Более того, применение направленных систем геофонов дало возможность определять координаты очагов акустических импульсов, то есть, по существу, и очагов возможных подземных катаклизмов, боль^ ших и малых.

Службы производственного акустического прогно-|а₍ 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 б лет —в 20 раз, хотя в этот период протяженность

15

выбросоопасных зон в шахтах увеличилась вдвое вследствие перехода выработок на нижележащие горизонты.

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 ра* ботйиков. 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

ВОДЕ

Леонардо да Вяачи

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 эхолотиро-вания, 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 погруженншли подводаьши 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 чита_г теля 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 гидро* Статическое давление, зависящее от глубины. От его величины также меняется скорость звука, а следо­вательно, и показатель преломления. В данном слу­чив его изменение таково, что звуковой луч стре* Митей шверх.

Пожалуй, особенно отчетливо проявляется влия­ние температуры зимой, когда верхние слои морской •оды 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