Удивительный мир звука - Клюкин Игорь Иванович
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.
