И Клюкин - Удивительный мир звука

Клюкин И И

Удивительный мир звука

И.И.Клюкин

Удивительный мир звука

Рецензент -- чл. -кор. АН СССР В. В. Богородский

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.

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.