Текст книги "Звуки в морских глубинах"
Автор книги: Иван Хорбенко
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 5 страниц)
Неслышимые звуки действуют на организмы
Многочисленные опыты показали, что ультразвук не только оказывает действие на органы слуха, но, например, действует на простейшие живые существа губительно. Так, например, инфузории погибают, если в воде установить источник ультразвука. Уничтожаются ультразвуком многие микроорганизмы, даже такие стойкие, как туберкулезные палочки. Вирусы гриппа под действием ультразвука в течение одного часа понижают свою активность в тысячи раз.
Ультразвук действует и на более сложные организмы. Поместите в аквариум мощный источник ультразвука и вы заметите, что рыбки становятся малоподвижными, а через некоторое время вообще теряют способность двигаться, переворачиваются вверх брюшками и всплывают на поверхность (рис. 11).
Рис. 11. Рыбы проявляют большое беспокойство под действием ультразвука.
Но стоит только убрать источник ультразвука, как рыбки становятся подвижными, как и до начала опыта. Если же увеличить мощность ультразвука, то рыбки погибнут.
Человек, попавший в зону сильного ультразвукового излучения, теряет равновесие и ощущает неприятную тошноту. Если поднести руку к источнику ультразвука, то чувствуется постепенное согревание тела, а через некоторое время кисть руки нагревается настолько, что невозможно терпеть. При малой мощности ультразвук может благоприятно действовать на организм человека. В настоящее время при лечений некоторых заболеваний ультразвук применяется как лечебное средство.
Совсем недавно ученые научно обосновали давно известное явление. Многие больные ревматизмом предсказывают плохую погоду, ссылаясь на боль в суставах.
Ученые провели ряд наблюдений за больными на берегу Черного моря и сделали вывод, что при надвигающемся шторме или урагане издалека приходят инфразвуковые волны, которые и действуют на больного человека.
Эти волны воспринимаются и некоторыми животными. Медузы, например, перед штормом устремляются дальше от берега в открытое море, а ракообразные живые организмы прячутся в песок подальше от воды, чтобы не погибнуть от ударов волн.
Чем создать ультразвук?
Для того чтобы ультразвук стал помощником человека, нужно прежде всего знать, как его создать искусственно.
Замечено, что кристаллы кварца и сегнетовой соли обладают удивительным свойством. Если пластинку, вырезанную из кристалла кварца, сжимать и разжимать, то на ее гранях возникнут электрические заряды, противоположные по знаку (рис. 12).
Рис. 12. Если пластину кварца сжимать и разжимать, то на ее гранях возникнут электрические заряды.
Чем сильнее сжимать пластинку, тем больший заряд возникает на ее гранях. И наоборот, если к этой пластинке подвести напряжение, то она изменит свой размер. Чем больше напряжение, тем больше изменится размер.
При изменении знака приложенного напряжения кварцевая пластинка будет то сжиматься, то разжиматься, иными словами, она будет колебаться в такт с изменением знаков приложенного напряжения. Чем чаще будут изменяться знаки подводимого напряжения, тем быстрее будет колебаться пластинка.
Возникновение электрических зарядов на гранях кварцевой пластинки при механическом воздействии получило название прямого пьезоэлектрического эффекта (рис. 13, а), а изменение размеров пластинки под действием электрических зарядов – обратного пьезоэлектрического эффекта (рис. 13, б).
Рис. 13. Пьезоэлектрический эффект: а – прямой; б – обратный.
Это замечательное свойство кристаллов кварца и сегнетовой соли легло в основу создания источника ультразвуковых колебаний. В чем же физический смысл пьезоэлектричества? В основе пьезоэлектричества лежит явление поляризации диэлектриков, в результате которого под действием электрического поля внутри вещества возникают электрические диполи.
Электрические диполи представляют собой частицы вещества с двумя разноименными зарядами, находящимися один от другого на некотором расстоянии. Электрический диполь можно сравнить с маленьким заряженным конденсатором с разноименными полюсами.
Существуют естественные диэлектрики, которые имеют дипольную структуру и без электрического поля, к ним относятся пьезокристаллы.
В природе кварцы встречаются небольших размеров. Излучатель, сделанный из маленькой кварцевой пластинки, имеет небольшую мощность, в то время как нам необходим мощный источник ультразвука.
Ланжевен предложил маленькие пластинки кварца составлять в виде мозаики (рис. 14), чтобы увеличить площадь излучателя.
Рис. 14. Мозаика, составленная из пластинок кварца.
Однако одна мозаика из кварцевых пластин – это еще не излучатель, а только его сердцевина. Поэтому кварцевую мозаику приклеивают к металлической мембране. Но и это не все. Чтобы кварцевые пластины колебались, а вместе с ними колебалась и мембрана, нужно к излучателю подключить источник высокочастотных колебаний.
Сравнительно недавно научились выращивать кварцы больших размеров лабораторным путем. Пластины из таких кристаллов не нужно склеивать. Но растут кристаллы кварца медленно и дороги в производстве.
Кристаллы сегнетовой соли легко выращиваются искусственно, легко обрабатываются и обладают значительно большим пьезоэлектрическим эффектом, чем кварц. Но сегнетовая соль боится влаги, имеет низкую температуру плавления и обладает малой прочностью.
В природе существует свыше 300 кристаллических веществ, обладающих пьезоэлектричеством, но среди них трудно подобрать пригодные для излучателя звука.
В настоящее время применяют главным образом титанат бария, который получают искусственным путем. Этот материал очень прочен, прост в изготовлении, дешев и обладает хорошими пьезоэлектрическими свойствами.
Для изготовления излучателей ультразвука используют также другое замечательное свойство – магнитострикционный эффект. Он заключается в том, что ферромагнитные материалы (железо, кобальт, никель) и их сплавы, помещенные в переменное магнитное поле, изменяют свои размеры в такт изменению магнитного поля – прямой магнитострикционный эффект.
А если наоборот, сжимать или растягивать стержень из ферромагнитного сплава, то намагниченность стержня будет изменяться, а следовательно, будет изменяться магнитное поле. Это – обратный магнитострикционный эффект.
Магнитострикционный излучатель представляет собой пакет, набранный из тонких никелевых пластин толщиной примерно 0,1 миллиметра. Пакет делается не сплошным, а с прорезями, в которые укладывается обмотка (рис. 15, а).
При пропускании переменного тока по обмотке создается переменное магнитное поле, под воздействием которого пакет то удлиняется, то укорачивается. Если с большей частотой изменять знаки, то пакет будет колебаться с такой же частотой, передавая колебания среде (рис. 15, б).
Рис. 15. Магнитострикционный излучатель: а – принципиальное устройство; б – колебания излучателя передаются среде.
Как уже упоминалось ранее, пьезоэлектричество и магнитострикция имеют прямой и обратный эффекты, а это значит, что излучатель может применяться и как приемник. Учитывая это, принято называть излучатели и приемники преобразователями или вибраторами, которые в зависимости от принципа действия бывают пьезоэлектрическими и магнитострикционными.
Ультразвук в действии
Сейчас ультразвук в нашей жизни играет большую роль. Трудно назвать области промышленности или науки, куда бы он не проникал со стремительной настойчивостью.
Ультразвук применяется в медицине, металлургии, химии, физике, пищевой промышленности, на рыбном промысле и во многих других областях.
Военные моряки многим обязаны ультразвуку. Ни один корабль не выйдет в море без специальных приборов, работа которых основана на использовании ультразвука.
Ультразвуковые волны имеют способность отражаться от всевозможных препятствий. Препятствием для ультразвуковой волны может быть не только какой-либо предмет, но и разнородная среда. Этот принцип использован при разработке дефектоскопов, определяющих качество отлитых металлических деталей. Если короткий импульс ультразвукового сигнала, распространяясь в металлической болванке, встретит на своем пути раковину или трещину, то он отразится в обратном направлении. Чувствительные приборы зафиксируют отраженный импульс, и брак отливки будет обнаружен (рис. 16).
Рис. 16. Ультразвук – браковщик, он легко обнаруживает трещины и раковины внутри отлитых металлических деталей.
Ультразвуком большой мощности можно вырезать любые отверстия в стекле, для этого нужно, чтобы энергия ультразвука излучалась очень узким пучком.
Медики при помощи ультразвука ставят диагнозы заболеваний мозга человека. Обычные рентгеновские лучи плохо проходят через кость черепа, а для ультразвука кость не является препятствием.
Ультразвуком очищают воздух от пыли, копоти и других загрязняющих веществ. Для этого в районе заводской трубы устанавливают источник ультразвука, при помощи которого копоть и дым быстро рассеиваются, опускаясь на землю. Это объясняется тем, что под действием ультразвуковых волн частицы копоти, сталкиваясь между собой, соединяются. Соединившиеся частицы увеличиваются в весе и оседают вниз.
Известно, что маслянистые жидкости не растворяются в воде. Но иногда очень нужно получить такой раствор в виде смеси – эмульсии. Ультразвук разбивает масло на такие мелкие частицы, что смесь воды с маслом выглядит в виде раствора.
Продовольственные продукты дольше сохраняют свежесть, если их облучить ультразвуком. Ультразвуком можно уничтожать накипь в паровых котлах, не вскрывая их.
В Программе КПСС указывается, что все большее место в технологии производства в ближайшие два десятилетия наряду с радиоэлектроникой и полупроводниками займет также ультразвук.
Возможности ультразвука очень велики, все его достоинства не перечесть. Остановимся только на одном замечательном свойстве – способности распространяться направленно при сравнительно небольших размерах излучателей.
Направленность излучения зависит от соотношения длины волны колебаний и размеров излучателя. Если длина волны больше размеров излучателя, излучение будет ненаправленным (рис. 17, а), и наоборот, если длина волны меньше размеров излучателя, излучение будет направленным (рис. 17, б).
Рис. 17. Направленность звука: а – длина волны больше размеров излучателя – ненаправленное распространение; б – длина волны меньше размеров излучатели – направленное распространение.
Чтобы обычные звуки, например звуки музыки, излучались направленно, нужно иметь излучатель размером в несколько метров.
Ультразвуковые волны значительно короче обычных, звуковых волн, поэтому для направленного излучения ультразвука размеры излучателя могут быть от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров.
Направленность излучения будет тем больше, чем больше соотношение размеров излучателя и длины волны, т. е. с увеличением размеров излучателя направленность излучения повышается.
Излучатели небольших размеров легче изготовить и проще разместить на корабле, поэтому ученые выбрали именно ультразвук при создании гидроакустических приборов.
ЧТО ТАКОЕ ГИДРОАКУСТИКА?
Из истории
Акустика – область физики, изучающая звуки, их природу, образование, распространение и восприятие. Гидроакустика – отрасль акустики, занимающаяся изучением звуковых явлений в воде.
Современный военный корабль, как надводный, так и подводный, без гидроакустических приборов небоеспособен. Гидроакустика – это «уши» корабля, а для подводной лодки – и ее «глаза».
Еще в 1490 г. известный мыслитель и ученый Леонардо да Винчи заметил возможность прослушивания подводных шумов, опустив один конец трубы в воду, а другой приложив к уху.
В начале прошлого столетия ученые серьезно заинтересовались распространением звуковых волн в воде. Их интересовало, можно ли раскрыть при помощи звука тайны глубин моря и как это сделать.
Вначале были применены простые по устройству приспособления, называемые гидрофонами. Гидрофон представляет собой металлическую трубу, изогнутую на одном конце под углом 90°. На конце изогнутой части прикреплен рупор с туго натянутой кожей на широкой его части. Опустив конец трубы с рупором в воду, а второй конец приложив к уху, можно слышать звуки, возникающие под водой.
В 1905 г. в Петербурге под руководством инженера Р. Ниренберга проводились первые опыты по созданию гидроакустической аппаратуры. В 1912 г. К. Шиловский предложил устройство, основанное на принципе приема отраженных ультразвуковых сигналов от препятствий.
Первая мировая война послужила толчком в развитии гидроакустики и создании различных гидроакустических приборов. В 1918 г. Ланжевеном совместно с Шиловским был создан первый гидролокатор.
В годы Великой Отечественной войны гидроакустика была уже одним из важнейших средств, обеспечивающих боевые действия кораблей флота.
В послевоенные годы и в настоящее время гидроакустика развивается бурными темпами.
Скорость звука в воде
Мы знаем, что скорость света во много раз больше скорости звука. Примеры, подтверждающие этот вывод, часто наблюдаем в повседневной жизни. Взметнулся вверх столб пыли и камней, а через некоторое время слышен звук взрыва. Над заводской трубой появился белый дымок, а когда он почти рассеялся, до нашего слуха донесся звук гудка. И это понятно, так как скорость звука в воздухе всего 330 метров в секунду, то есть в 900 тысяч раз меньше, чем скорость света.
Известно также, что скорость звука изменяется в зависимости от среды, в которой он распространяется. Чем плотнее среда, тем больше скорость звука. В воде она составляет 1450 метров в секунду, а в стали 5050 метров в секунду (рис. 18).
Рис. 18. Распространение звука в различных средах.
Известно, что если приложить ухо к железнодорожным рельсам, то шум идущего поезда слышен задолго до его появления и тем более до возникновения шума в воздухе.
Если представить, что звуки, созданные в Ленинграде одновременно в воздухе, воде и стали, были бы слышны в Москве, то в Москву звук в воздухе прошел бы за 31 минуту, в воде – за 7,2 минуты, а в стали всего за 2 минуты.
Но даже в одной и той же среде скорость звука может быть различна, так как зависит от многих причин (температуры, плотности, солености и т. д.).
Как же измерили скорость звука в воде?
В 1827 г. на Женевском озере впервые были проведены опыты по измерению скорости звука в воде. Две лодки были расположены одна от другой на расстоянии 13 847 метров. На одной из них под днищем был подвешен колокол, а со второй опущен в воду простейший гидрофон.
На первой лодке человек ударил в колокол и одновременно поджег порох (рис. 19, а). На второй лодке человек в момент вспышки пороха запустил секундомер (рис. 19, 6) и стал ждать прихода звукового сигнала от колокола в воде.
Рис. 19. Измерение (скорости звука: а – на первой лодке человек ударил в колокол и поджег порох; б – на второй лодке человек в момент вспышки пороха запустил секундомер.
В момент прихода звука секундомер был остановлен. Зная расстояние и время прохождения звука, вычислили скорость звука в воде, которая оказалась в четыре с лишним раза больше скорости звука в воздухе, т. е. 1450 метров в секунду.
Опытами и теорией установлено, что при увеличении температуры воды на 1 °C скорость звука увеличивается примерно на 0,2 %.
Соленость воды также влияет на скорость звука. С увеличением солености воды на один промилле[1]1
Один промилле соответствует одному грамму соли, растворенной в одном литре воды. Океанская вода имеет соленость примерно 35 промилле, вода Черного моря – около 18 промилле, обычная питьевая вода – несколько промилле.
[Закрыть] скорость звука увеличивается на 0,1 %.
В различное время года и в различных морях скорость звука практически колеблется в пределах 1450–1500 метров в секунду.
Звук отражается и преломляется
В конце XIX века русский ученый Ф. В. Петрушевский заметил, что звук на границе двух различных сред, например воздуха и воды, или на границе неоднородности одной и той же среды отражается и преломляется, т. е. меняет направление распространения. Искривление звуковых лучей называется рефракцией.
Если, например, вода имеет различную температуру или соленость, то на границе, разделяющей слои воды с различной температурой или соленостью, звуковой луч изменит свое направление, т. е. преломится, а часть энергии звукового луча отразится (рис. 20).
Рис. 20. Преломление и отражение звукового луча.
Величина преломления луча зависит от различия среды по плотности, температуре и т. д. Чем больше одна среда отличается от другой по температуре или солености, тем больше угол преломления звукового луча. Звуковой луч преломляется потому, что, попав в другую среду, его скорость изменяется.
Чем больше температура воды и ее соленость, тем больше скорость распространения звуковых волн. Звуковые лучи искривляются в сторону тех слоев воды, в которых меньше скорость распространения звука.
Когда звуковой луч проходит из среды I с большей скоростью распространения в среду II с меньшей скоростью распространения, то угол преломления меньше угла падения (рис. 21, a), и наоборот, угол преломления больше угла падения, когда звуковой луч проходит из среды II с меньшей скоростью распространения в среду I с большей скоростью распространения (рис. 21, б).
Рис. 21. Переход звукового луча из одной среды в другую: а – из среды с большей скоростью звука; б – из среды с меньшей скоростью звука.
Летом верхние слои моря нагреваются больше и поэтому звуковые лучи изгибаются вниз (рис. 22, а), а зимой верхние слои моря холоднее нижних и звуковые лучи изгибаются вверх (рис. 22, б).
Рис. 22. Распространение звукового луча: а – летом; б – зимой.
Отражение луча зависит от различия плотности среды, в которой распространяется звук и от которой он отражается. Чем больше разница в плотности двух сред, тем больше энергии будет отражаться. Например, звуковой луч, достигая поверхности воды, полностью отразится, так как разница в плотности воды и воздуха большая. Почти то же самое произойдет, если звуковой луч достигнет дна моря, причем отражение будет наибольшим, если дно каменистое, и наименьшим, если дно илистое.
Реверберация и эхо
Морская среда неоднородна не только потому, что слои моря имеют различные соленость и температуру, а и по другим причинам. В морской воде можно обнаружить много пузырьков воздуха и газа, а также твердых частиц во взвешенном состоянии. Летом температура воды повышается, поэтому количество пузырьков больше, чем зимой.
Звуковые волны, распространяясь в море, отражаются от пузырьков воздуха и газа (рис. 23), что при прослушивании вызывает непрерывное звучание, называемое реверберацией.
Рис. 23. Звуковые волны отражаются от пузырьков воздуха, находящихся в воде.
Непрерывность звучания объясняется тем, что пузырьки находятся близко один от другого и волны не могут отражаться от каждого пузырька в отдельности. Звуковые волны отражаются вначале от пузырьков, расположенных в непосредственной близости от излучателя. При дальнейшем распространении звуковой волны отраженные сигналы приходят от пузырьков, находящихся на все большем расстоянии.
Естественно, что от пузырьков, находящихся на большем удалении, отраженные сигналы слабее, поэтому звучание реверберации постепенно замирает.
Если звуковая волна на своем пути встретит какое-либо упругое препятствие, то от него отраженный сигнал будет сильнее реверберации. Этот отраженный сигнал принято называть эхом. Отраженный звуковой сигнал, т. е. эхо, можно наблюдать не только в море, но и воздухе, если крикнуть в ущелье (рис. 24) или хлопнуть в ладоши в большом пустом помещении.
Рис. 24. Эхо.
Звук затухает
Интенсивность звука в море уменьшается (звук затухает) по мере удаления акустических волн от источника. Это происходит в результате расширения фронта волны, поглощения и рассеяния звуковой энергии. На больших расстояниях звук в воде настолько слабеет, что перестает быть слышимым.
Мы уже знаем, что звуковая волна представляет собой колебательное движение частиц. Энергия частиц передается от частицы к частице не целиком, так как часть энергии расходуется на теплообразование. Превращение частиц звуковой энергии в тепловую называется поглощением звуковой энергии. С повышением частоты поглощение звуковой энергии увеличивается.
Ослабление интенсивности звука в море связано также с явлением реверберации. Неоднородность среды, наличие пузырьков газа, неровности дна моря и т. д. приводят к тому, что часть звуковой энергии отражается в различные стороны – рассеивается. Поэтому отражение звуковых волн от неоднородностей называется рассеянием.
Все сказанное справедливо при изучении интенсивности звуковой энергии на больших удалениях от источника звука. Для малых расстояний основная причина ослабления звука – расширение фронта волны.
При сферической волне частицы среды колеблются по фронту волны в сферической поверхности. Чем больше расстояние от источника звука, тем больше сферическая поверхность, а следовательно, больше частиц участвует в колебании. Это приводит к уменьшению амплитуды колебаний частиц, а значит, к уменьшению величины звукового давления.
Затухание звука существенно зависит от частоты. С повышением частоты увеличивается поглощение звука. Поэтому в современных гидроакустических приборах стремятся использовать низкие частоты, при которых поглощение звука уменьшается, а следовательно, и затухание будет меньше.
