Текст книги "Звуки в морских глубинах"
Автор книги: Иван Хорбенко
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 5 страниц)
Иван Хорбенко
ЗВУКИ В МОРСКИХ ГЛУБИНАХ
БЕЗМОЛВНЫ ЛИ МОРСКИЕ ГЛУБИНЫ?
Люди прошлых веков представляли себе морские глубины как таинственный «мир безмолвия». Они были правы и не правы. Правы в том, что человек в воде слышит меньше звуков, чем на суше. Не правы в том, что в глубине моря, как и в воздухе, проносится много различных звуков, которые не улавливаются ухом человека, но доступны органам слуха многих животных.
Море живет сложной жизнью. Площадь водной поверхности на нашей планете в два с лишним раза больше, чем площадь суши. Количество видов различных животных в море больше, чем на суше. Шум морского прибоя, грохот подводных извержений передаются в морских глубинах на большие расстояния, чем в воздухе.
Но для человека, не вооруженного приборами, этот мир представляется в действительности «миром безмолвия». До начала XX века почти не изучались законы распространения звука в море, незначительно исследовался только поверхностный слой океана (примерно до глубины 10–15 метров) для нужд мореплавания и рыболовства, в то время как в океане имеются впадины глубиной свыше 11 000 метров.
Интерес к изучению морских глубин и особенно слышимости звуков в морских глубинах проявился в связи с усовершенствованием новых грозных кораблей – подводных лодок, главным преимуществом которых была скрытность.
Началось это так. Шла первая мировая война. 22 сентября 1914 г. три крейсера государства, которое в то время считало себя «владычицей морей», находились в дозоре в Северном море. Внезапно у борта одного из крейсеров возник мощный взрыв, и корабль начал тонуть. Два других крейсера поспешили на помощь, но один из них вскоре разделил участь первого. Третьему пришлось спасать команды с двух крейсеров, но вскоре и он пошел ко дну от такого же таинственного взрыва большой силы. Море было чисто, только обломки погибших кораблей да кое-где головы боровшихся за жизнь людей были видны на поверхности. Не сделав ни одного выстрела, все крейсера погибли, а вместе с ними 1135 человек. Гордые английские крейсера стали добычей маленькой немецкой подводной лодки – они были в течение одного часа торпедированы ею.
С этого момента никто не сомневался в могуществе подводных лодок. Начались лихорадочные поиски средств борьбы с ними.
Правда, подводная лодка того времени, имея преимущество в скрытности, была тихоходным, неповоротливым кораблем под водой и почти беспомощным при всплытии на поверхность против надводных кораблей.
Обнаруженная подводная лодка не представляла большой опасности. Надводные корабли уничтожали ее противолодочными минами и снарядами, сбрасывали на нее глубинные бомбы. Если подводная лодка находилась на небольшой глубине, корабли таранили ее своими форштевнями или килями. Но все это делалось еще «на глазок». В подводном положении лодка оставалась неуловимой.
Не помогали также выставляемые на путях возможного прохода подводных лодок (у входа в бухты, в проливах) противолодочные металлические сети, минные заграждения, так как нельзя их расставить по всему океану.
Не хватало в сложной цепи средств и мер борьбы с подводными лодками, называемых противолодочной обороной (ПЛО), самого главного – надежного обнаружения лодок.
Но и такое средство нашлось. Если подводную лодку нельзя видеть в подводном положении, то ее можно услышать, так как на ней работают механизмы, гребные винты. Стали применять приборы, определяющие направления на подводные шумящие предметы, которые стали называться шумопеленгаторами. Бурно стала развиваться наука о законах прохождения звука в воде, называемая гидроакустикой («гидро» – вода, «акустио» – слышу).
Для развития этой науки много сделал французский ученый физик Ланжевен, работавший вместе с русским военным моряком Шиловским.
Развитие гидроакустики привело к тому, что к началу второй мировой войны на кораблях стали устанавливать гидролокаторы, которые позволяли не только обнаруживать подводную лодку, но и определять до нее расстояние.
Борьба с подводными лодками перестала быть игрой. В свою очередь подводные лодки, оснащенные гидроакустическими станциями, получили «чуткие уши» и «зоркие глаза». Атаки, уклонения, поиск, маневр – все действия подводных лодок и их противника (охотников за подводными лодками) стали зависеть от показаний гидроакустических приборов, обслуживаемых военно-морскими специалистами – гидроакустиками.
От умелого действия гидроакустика во многом зависит успех боя. Гидроакустик первый обнаруживает противника, по его данным командир корабля принимает решение на бой.
В Великую Отечественную войну советские моряки-гидроакустики проявили смекалку, находчивость и героизм.
Осенью 1943 г. на Северном флоте эскадренные миноносцы сопровождали конвой из Белого моря к Новой Земле. Погода была очень неблагоприятной: волнение моря при силе ветра 7–8 метров в секунду. Шли шестые сутки перехода и борьбы со стихией.
Бессонные ночи, холод, усталость не сломили советских моряков, они готовы были каждую секунду вступить в бой с опасным противником – подводной лодкой. Малейшая оплошность, малейший просчет могли дорого обойтись морякам.
На шестые сутки гидроакустик одного из эскадренных миноносцев обнаружил подводную лодку. Сыграли боевую тревогу, изготовились к бою, началась атака. Тем временем корабли конвоя отвернули от опасного района. Первая атака, за ней вторая, третья, – и подводная лодка противника была уничтожена.
Конец шестых суток застал конвой в нескольких милях, от места назначения. Но вдруг – доклад гидроакустика:
«Прямо по носу – мины!». Конвой меняет курс. Вторая катастрофа предотвращена.
Так мастерство, опыт и выдержка советских гидроакустиков не раз обеспечивали выполнение задания.
В настоящее время подводные лодки – основная ударная сила флота. Это не тихоходные малые корабли только с торпедным вооружением, действующим на несколько километров. Современные атомные подводные лодки имеют большую подводную скорость, могут долго находиться под водой и плавать без пополнения запасов вокруг земного шара.
Кроме торпед, они вооружены ракетами с большим радиусом действия (сотни и тысячи километров) и могут наносить удары по кораблям, побережью и пунктам, расположенным далеко от берега.
Подводная лодка – грозное средство войны, и с ним надо уметь бороться. Самое главное – своевременно обнаружить подводную лодку, находящуюся далеко от побережья в океане, и не дать возможность ей применить свое оружие. Решающая роль в этом принадлежит противолодочной обороне, ведущее место в которой занимает гидроакустика.
Две трети огромной протяженности границ Советского Союза морские и лишь одна треть границ сухопутная. Моряки Военно-Морского Флота зорко стоят на страже морских рубежей нашей Родины. Днем и ночью, в тишь и ненастье, зимой и летом бдительно несут свою почетную и ответственную вахту и наши моряки-гидроакустики.
Но гидроакустика служит не только для военных целей. В мореходстве, изучении морских глубин, строительстве подводных сооружений и в рыболовстве на морских и океанских просторах также нельзя обойтись без гидроакустики.
ЗВУК И СЛУХ
Какие бывают звуки?
Затаите дыхание. Внимательно прислушайтесь. Что вы слышите? Оказывается, вы слышите очень много звуков, о существовании которых и не подозревали.
Человеческое ухо привыкает к постоянным, непрерывно действующим звукам и перестает их замечать.
Часто возникает сомнение, идут ли настольные часы или будильник. Но стоит напрячь внимание, как вдруг вы начинаете слышать звук хода часов, который еще долго будет преследовать ваш слух, пока вы не отвлечетесь и не перестанете его вновь замечать.
Где бы вы ни находились, в любое время суток и года вас окружает многообразный мир звуков: то пронзительно резких, грубых, неожиданных, то осторожных, ласковых, мелодичных, а часто едва уловимых.
Причины возникновения звуков различны. Есть звуки, создаваемые природными явлениями, стихией, и звуки, создаваемые различными механизмами, транспортом, прохожими и т. д. Эти звуки сливаются в общий звук, воспринимаемый ухом как шум. Но есть звуки вполне определенные, например, музыка, пение, разговорная речь одного человека. Если в первых звуках, т. е. шуме, наблюдается беспорядочность, то вторые носят вполне определенный характер.
Следовательно, звуки бывают неорганизованные и организованные. Но даже среди организованных звуков можно уловить сопровождающие их второстепенные звуки. Слушая, например, мелодию граммофонной пластинки, мы улавливаем и шум иглы, скользящей по пластинке. Слушая игру на рояле, мы отмечаем и такие звуки, как скрип педали, стук пальцев о клавиши, шелест нотной бумаги. При пении слышно дыхание исполнителя.
Чтобы услышать второстепенные звуки, нужно сосредоточить свое внимание на этих звуках и несколько отвлечься от основного звука, что мы практически делаем редко.
Что такое звук?
Зазвонил звонок. Вы слышите резкий звук. Что происходит? А все объясняется довольно просто. Молоточек звонка ударяет по металлической чашке, которая колеблется.
Окружающий чашку звонка воздух от ее колебаний то сгущается, то разрежается. Сгущения и разрежения воздуха быстро распространяются все дальше и дальше, наконец достигая органа слуха (рис. 1).
Рис. 1. Колебания чашки звонка создают сгущение и разрежение воздуха.
Таким образом, частицы воздуха под действием колебаний чашки звонка также совершают колебательное движение. В природе можно наблюдать множество примеров колебательного движения. Из них наиболее распространены движение маятника часов, раскачивание качелей (рис. 2), качание груза, подвешенного на спиральной пружине, и т. п.
Рис 2. Раскачивание качелей – пример колебательного движения.
Интересный и в то же время простой опыт можно провести на биллиардном столе.
Расположите все шары на столе в одну линию на расстоянии одного – двух сантиметров один от другого. Затем ударьте кием по первому шару и вы увидите, что волновое движение быстро распространилось от первого шара до последнего, при этом все шары, кроме последнего, остались на месте, не считая небольшого передвижения в пределах одного – двух сантиметров (рис. 3).
Рис. 3. Последний биллиардный шар резко отскочил, в то время как остальные остались на прежнем месте.
Проще объяснить колебательный характер звука можно на примере образования волн на воде при падении камня.
Бросьте камень в воду и внимательно наблюдайте, что произойдет. В месте падения камня возникает углубление, потом возвышение, а затем неожиданно появляются концентрические круги возвышений и впадин. Это волны. Они быстро передвигаются, что можно определить по увеличению размеров окружностей гребней волн.
При этом распространяются волны, а не частицы воды. Для проверки этого вывода бросьте в воду при распространении волн пробку, поплавок или клочок бумаги и вы убедитесь, что брошенный предмет не передвигается, а только поднимается, и опускается (рис. 4), т. е. совершает колебательные движения.
Рис. 4. Плавающий предмет не передвигается по ходу распространения волны, а только опускается и поднимается.
Этот опыт подтверждает, что частицы воды не передвигаются на большие расстояния, а совершают колебательные движения, передавая свою энергию соседним частицам.
Таким образом, возникновение звука при работе звонка можно сравнить с возникновением волн на поверхности воды. Разница только в том, что роль камня выполняет звонок, а роль воды – окружающий воздух.
Проведенные опыты подтверждают и объясняют колебательные движения. Характер же колебаний бывает разный.
При распространении волн на поверхности воды колебания совершаются поперек действия силы, вызвавшей волну. Поплавок на воде то поднимается, то опускается. Поэтому такие волны называются поперечными.
В опыте на биллиарде и сила, вызвавшая колебания, и распространение волн направлены в одну сторону. Такие волны называются продольными.
Какие же колебания по своему характеру более близки к звуковым? Оказывается, продольные колебания биллиардных шаров больше напоминают звуковые волны.
В самом деле, воздух можно представить состоящим из частиц, которые могут перемещаться под действием каких-либо сил. Если, например, компрессор нагнетает в баллон воздух, то отдельные частицы его сжимаются равномерно. Но если в воздухе заставить колебаться какое-либо тело с большей частотой, то частицы воздуха вокруг тела будут сгущаться или разрежаться одновременно с колебаниями тела. Сгущение и разрежение будут передаваться подобно случаю с биллиардными шарами соседним частицам. При определенном числе сгущений и разрежений воздуха в секунду наше ухо их воспринимает как звук. Сами сгущения и разрежения образуют звуковые волны. В местах сгущения давление повышается, а в местах разрежения – понижается (рис. 5).
Рис. 5. Изменение давления воздуха в звуковой волне.
Если образовать график изменения давления, он будет иметь вид синусоиды.
Количество звуковых волн, наблюдаемых в какой-либо точке пространства в течение одной секунды, называется частотой. Частота может быть различна. Она является одним из признаков, по которым мы отличаем один звук от другого. Чем больше частота колебаний, тем больше высота звука, т. е. звук имеет более высокий тон. Чем меньше по размерам колеблющееся тело, тем более высокий тон звука оно издает.
Коснитесь вначале тонкой струны гитары, затем толстой и вы услышите различие в тоне (высоте) звучания этих струн. Тонкая струна издаст звук более высокого тона (большей частоты), толстая струна – более низкого тона (меньшей частоты). Частота измеряется в герцах. Если, например, тело колеблется с частотой 200 колебаний в секунду, то говорят, что частота колебаний тела 200 герц.
Второй отличительный признак звуков – их интенсивность, т. е. сила звучания. Интенсивности звука соответствует ощущение громкости. Ударьте вначале слегка в медный колокол или в другой металлический висящий предмет, затем ударьте с большей силой. Вы услышите разные звуки: первый тихий, спокойный, а второй сильный, резкий, несмотря на то что по высоте тона они будут одинаковы. Интенсивность звука зависит от амплитуды, т. е. размаха колебаний источника.
Если металлическую пластину, зажатую в тиски, слегка оттянуть одним пальцем и отпустить, то она будет колебаться с определенной частотой, имея небольшую амплитуду колебаний (рис. 6, а). Если же пластину оттянуть сильно всей кистью и отпустить, то она будет колебаться с той же частотой, но амплитуда ее колебаний будет значительно больше (рис. 6, б), а следовательно, и интенсивность звука, издаваемого ею, будет тоже больше.
Третьим отличительным признаком звуков является тембр.
Рис. 6. Понятие об амплитуде колебаний: а – слабые колебания – малая амплитуда; б – сильные колебания – большая амплитуда.
Одинаковые звуки по высоте тона и по интенсивности могут звучать по-разному. Это объясняется тем, что основной звук сопровождается второстепенными звуками, которые всегда выше по частоте. Второстепенные звуки называются обертонами. Они и позволяют отличать один звук от другого, если даже эти звуки одинаковы по высоте тона. Они как бы дают определенную окраску звуку. Тембр звука определяет сложность, состав звука.
Звуковые волны можно различать также по их длине, т. е. по расстоянию между сгущениями пли разрежениями воздуха (см. рис. 5). Длина волны – величина, обратная частоте: чем больше частота, тем меньше длина волны и наоборот.
Какие звуки слышит человек?
Затаив дыхание и внимательно прислушавшись вы услышите много других звуков, которых не слышали раньше. Однако есть много таких звуков, которые мы не слышим даже при большом напряжении слуха. Они называются неслышимыми звуками.
Человеческое ухо способно воспринимать звуковые колебания с частотой от 16 до 20 000 колебаний в секунду (герц). Дети воспринимают звук большей частоты – до 22 000 герц, старые люди слышат звук с частотой не выше 16 000—18 000 герц. Вне пределов человеческого слуха остаются звуки, частота которых меньше 16 герц (эти звуки называются инфразвуками), и звуки, частота которых превышает 20 000 герц (эти звуки называются ультразвуками).
Инфразвуки и ультразвуки как раз и относятся к неслышимым звукам.
Ультразвуки издают многие насекомые и некоторые животные. Кроме того, ультразвуки можно создать специальными устройствами, описанию которых в основном и посвящена настоящая книга.
Как было сказано, человеческое ухо различает звуки как по частоте, так и по интенсивности.
Сначала выясним, какова же допустимая разница в количестве колебаний, чтобы ухо человека отличало один звук от другого по частоте, т. е. по тону.
Для звуков с частотой 500 герц достаточно, чтобы разница в количестве колебаний двух звуков равнялась одному колебанию. В этом случае мы сможем отличать звук с частотой, например, 450 герц от звука с частотой 451 герц.
Чем больше частота звука, тем большая разница нужна в числе колебаний двух звуков, чтобы отличить один звук от другого. При частоте звука 2000 герц мы различим звуки, если разница между ними будет равна пяти колебаниям. По мере увеличения частоты эта разница будет увеличиваться.
Мы привели средние цифры, так как несмотря на то что органы слуха у всех людей устроены одинаково, способность различать звуки по тону у людей разная.
Музыканты, как правило, лучше различают звуки по тону. Некоторые опытные музыканты обладают таким природным слухом, что могут различать два тона, отличающиеся один от другого на долю одного колебания.
Еще более удивительны способности человеческого слуха, когда требуется отличить один звук от другого по интенсивности, т. е. по громкости.
Число звуков, различимых по громкости, очень зависит от частоты. Наиболее хорошо воспринимаемые звуки по частоте лучше различаются и по громкости.
При частоте 32 герца по громкости различаются три звука, при частоте 125 герц – 94 звука, а при частоте 1000 герц – 374. Но это увеличение не беспредельно. Начиная с частоты 8000 герц, число различимых звуков по громкости начинает уменьшаться, например, при частоте 16 000 герц можно различать только 16 звуков.
Человеческое ухо очень чувствительно к различным звукам и может уловить более полумиллиона звуков, отличающихся один от другого по тону и громкости, не считая различий звука по тембру.
Человек обладает еще одной замечательной способностью, он может определить направление на источник звука, используя бинауральный эффект (бинауральный означает двуухий).
Бинауральный эффект состоит в том, что оба уха человека воспринимают звук не одновременно, а со сдвигом по фазе. Если источник звука справа от нас, то к правому уху звук приходит раньше, чем к левому (рис. 7).
Рис. 7. К правому уху звук приходит раньше, чем к левому.
Если же источник звука расположен точно в прямом направлении (впереди или сзади), то к обоим ушам звук приходит одновременно и сдвига фаз не будет. Это и позволяет человеку определить, где находится источник звука.
Бинауральный эффект зависит еще и от другой причины. Если источник звука находится справа, то правым ухом человек будет слышать звук более громкий, чем левым, так как левое ухо от источника звука закрыто головой.
Но необходимо отметить, что различие по громкости восприятия звуков левым и правым ухом наблюдается только при высоких частотах (коротких волнах), а при более низких частотах (длинных волнах) звук будет огибать голову, почти не ослабляясь.
Органы слуха человека различают запаздывание между приходом звука к одному уху относительно другого примерно на 0,00003 секунды. Такая чувствительность органов слуха позволяет человеку определять направление на источник звука с точностью 3–4 угловых градуса.
Справедливо говорят, что ухо и глаз – самые чувствительные органы человека.
Какие звуки слышат животные?
Еще в старину человек подметил у многих животных удивительную способность слышать то, что не слышит человек. Он иногда приписывал это сверхъестественным силам, обожествлял некоторых зверей. В настоящее время можно ответить на этот вопрос научно.
Многие опыты подтвердили, что некоторые животные, птицы и насекомые не только издают, но и слышат звуки, частота которых превышает 20 000 герц, т. е. слышат ультразвуки. Собаки, например, обладают очень хорошим слухом, они слышат звуки с частотой до 40 000 герц.
Очень давно, когда еще не знали о существовании ультразвука, люди заметили, что собаки воспринимают какие-то звуки, которые человек не слышит. Это и натолкнуло людей впервые применить такие звуки на практике.
Браконьеры во время охоты подавали сигналы специальными свистками, звуки от которых не воспринимались человеческим ухом, но хорошо улавливались собакой. Это делалось для того, чтобы в случае необходимости подозвать к себе собаку, избежав встречи со сторожем.
А как обучить собаку выполнять команду, поданную неслышимыми звуками? Оказывается, это совсем нетрудно, необходима только небольшая дрессировка.
Вам, вероятно, приходилось наблюдать в цирке «грамотных» собак, умеющих складывать, вычитать и даже умножать числа (рис. 8).
Рис. 8. «Грамотная» собака решает арифметические задачи, в этом ей помогает ультразвук.
Иные могут подумать, что собаки на самом деле решают задачи. Но это не так. Все значительно проще. Собаке подают ультразвуковой сигнал в тот момент, когда она находится в районе нужной цифры. Собака берет зубами цифру, которая находится ближе к ней. Эта цифра и есть результат арифметической задачи, которую быстро решил дрессировщик.
Более интересную загадку природы представляет собой летучая мышь. Известно, что летучая мышь свободно ориентируется в темноте и не наталкивается на препятствия. Кроме того, она, имея плохое зрение, на лету обнаруживает и ловит насекомых, не видя их. Как же она это делает? Оказывается, и летучей мыши помогает ультразвук.
Во время полета летучая мышь издает ультразвуки с частотой 5—20 импульсов (коротких посылок) в секунду. Отразившиеся от препятствий импульсы воспринимаются летучей мышью, что позволяет ей свободно летать, не наталкиваясь на такие предметы, как ветка дерева, телеграфный провод и даже тонкая нитка (рис. 9).
Рис. 9. В полной темноте летучая мышь ориентируется совершенно свободно, она обнаруживает на своем пути даже очень маленькие препятствия.
Для объяснения этой удивительной способности летучей мыши были проведены специальные опыты. Было замечено, что если на пути летучей мыши попадались мягкие предметы (ковер, бархатные шторы и т. п.), то она наталкивалась на них, потому что мягкие предметы, поглощая ультразвуковые импульсы, слабо отражают их. Поэтому летучая мышь «не видела» этих предметов и натыкалась на них.
Опыты продолжали. Поочередно лишали летучую мышь зрения, обоняния, осязания, вкуса и слуха. И что же выяснилось? Оказывается, лишенная зрения летучая мышь продолжала свободно ориентироваться среди предметов. При лишении обоняния, осязания и вкуса ничего не изменилось. Но когда мышь лишили слуха, она стала совершенно беспомощной и ничего «не видела».
Для большей убедительности проделали еще один опыт. Летучая мышь издает звуки ртом. А что если лишить ее голоса или закрыть рот? Исследования показали, что это равноценно тому, что лишить летучую мышь слуха.
Итак, загадка летучих мышей была раскрыта, проводимые исследования навели на мысль применить ультразвук для пользы человека.
Так, например, были созданы специальные ультразвуковые излучатели, которые устанавливались у водоемов пресной воды. Это было сделано для отпугивания чаек, которые загрязняли водоемы. Ультразвуковые колебания являлись как бы бдительными сторожами, не допускающими чаек к водоему.
Много интересного об ультразвуке можно узнать, изучая некоторых животных. Морская свинка, сова, серая мышь, барсук воспринимают ультразвуковые колебания с частотой до 100 000 герц. А белые мыши не только подают и воспринимают, но и «разговаривают» между собой ультразвуковыми сигналами.
Морские млекопитающие – киты и дельфины – обладают чрезмерно хорошим слухом. Дельфины издают и воспринимают звуки в широком диапазоне с частотой от 150 до 150 000 герц, а киты до 30 000 герц. Эти животные переговариваются между собой, а дельфины очень болтливы и даже имеют свой «словарь».
Многочисленные наблюдения показали, что дельфины используют звук не только для переговоров, но, как и летучие мыши, для обнаружения рыб и препятствий (рис. 10).
Рис. 10. Морские животные и рыбы пользуются ультразвуком.
Недавно изобрели любопытный прибор для борьбы с мышами и крысами. Стало известно, что кошка издает ультразвуки, которые хорошо слышат мыши и крысы, но не слышат люди. Если прибор, издающий «кошачьи» звуки, установить в квартире, то мыши и крысы в панике разбегаются в разные стороны.
