Борис Сергеев - Живые локаторы океана
Окружающий мир полон неслышимых для нас звуков. Однако огорчаться не стоит. Длительное шумовое воздействие способно вызвать серьезные заболевания органов слуха и центральной нервной системы. Человек создал вокруг себя такой шумный мир, что сам от этого страдает. Большинство машин и механизмов, кроме низкочастотного грохота и шума, производят еще и ультразвуки, к счастью, не мешающие нам спать.
Эти коварные волны хотя и не воспринимаются человеческим ухом, тем не менее при определенной интенсивности могут быть опасны дли нашего здоровья.
Для успешной эхолокации необходимо знать скорость звука. Артиллерийская стрельба позволила заметить, что звук достаточно тихоходен, а затем помогла с высокой точностью измерить скорость его распространения. Члены Французской академии наук, проводившие эксперимент, расположили на холмах на расстоянии около 30 км одна от другой две пушечные батареи. Пушки палили два раза в час, а наблюдатели определяли, через сколько времени после вспышки орудийного выстрела их ушей достигал звук. Оказалось, что 30 км звук покроет примерно за две минуты. Чтобы обежать земной шар по экватору, звуку потребуется больше суток.
Скорость распространения звуковых волн не связана ни с причиной, их породившей, ни с их частотой. Она зависит главным образом от характера и состояния среды, в которой распространяются волны. В воде звук бежит в четыре с лишним раза быстрее, чем в воздухе. За секунду он покрывает более полутора километров. Если в воде распространяются волны с частотой колебания 20 000 раз в секунду, то на протяжении полутора километров (расстояние, которое звук в воде пробежит за одну секунду) должно уложиться 20 000 волн. При частоте колебаний 100000 раз в секунду их должно уложиться в 5 раз больше. Следовательно, длина волн будет в 5 раз меньше. Таким образом, ультразвуковые колебания порождают миниволны, инфразвуковые – макси, а волны слышимого нами диапазона относятся к разряду мидиволн. Галилей первый удостоверился, что высота звука зависит от длины его волны.
Проводя опыты со звучащим в воде бокалом, он обратил внимание на то, что, если высота звука становилась на октаву выше, рябь делалась в два раза мельче.
Длина звуковой волны находится в пропорциональной зависимости от скорости звука. Чем большее расстояние за единицу времени пробежит звук, тем длиннее должны быть волны.
Поэтому при одинаковой частоте звуковая волна, распространяясь в воздухе, будет в 4,5 раза короче, чем в воде. Например длина волны ультразвука с частотой 50 кГц (т. е. 50000 колебаний в секунду) в воздухе равна 6,8 мм, а в воде 31 мм.
Важной характеристикой звука является его интенсивность. Барабанная перепонка начинает колебаться за счет энергии, переносимой от источника звука с помощью звуковых волн. Чем больше амплитуда звуковых волн, чем значительнее переносимая ими энергия, тем интенсивнее, сильнее звуки.
Необходимо помнить, что сила звука, количество энергии, которую несут звуковые волны, никак не отражается на скорости их распространения. В этом легко убедиться. Рябь от брошенного в воду камня, разбегаясь от места его падения, постепенно затухает, но ее скорость остается постоянной. Это знал еще Галилей. Присутствуя на церковных богослужениях, он продолжал оставаться физиком. Наблюдая, как в соборе раскачиваются люстры, он заметил, что, какой бы ни была амплитуда их движения, период колебания оставался постоянным. Ученый не мог принести в храм водяные часы, которыми обычно пользовался. Подобного кощунства церковь бы не простила. Пришлось прибегнуть к подручным средствам. Прибором для измерения времени стало сердце. Не убежденный в совершенстве собственного хронометра, он компенсировал его неточность количеством экспериментов. У Галилея хватило терпения сделать тысячу измерений и убедиться в своей правоте[3].
Что происходит со звуковой волной, когда она встречает на своем пути препятствие? Вернемся к луже, куда мы бросили камень. Тонкие былинки, торчащие из воды, практически не мешают разбегаться круговым волнам. Толстые стебли тростника уже являются для волн помехой, а торчащий из воды камень разрывает кольцо. За ним вода не морщинится рябью.
Подобным образом ведут себя и звуковые волны. Если их длина меньше препятствия, они от него отразятся, а позади возникнет звуковая тень. Звук туда не проникнет. Звуковая волна, изменившая направление своего движения, и есть эхо.
Чтобы получить эхо от мелких предметов, особенно в воде, нужно использовать ультразвуковые посылки с очень короткой звуковой волной.
Характер звуковых волн зависит от их длины. Величина звукоизлучателей слышимых нами звуков обычно незначительна в сравнении с длиною излучаемых звуковых волн. В этом случае звуковые волны разбегаются от излучателя во все стороны. Иные взаимоотношения возникают при генерации ультразвуков. Здесь габариты излучателей могут быть существенно больше длины волны излучаемого звука. Такой излучатель будет порождать плоские волны. Они распространяются в направлении, перпендикулярном к плоскости излучателя.
Возникает звуковой луч – узкий пучок звуковых волн. Он позволяет сконцентрировать всю энергию звука на нужном направлении, послать звуковую посылку дальше и получать более громкое эхо. Интенсивность звука резко возрастает по мере увеличения частоты колебаний. Генерировать ультразвуки, обладающие высокими энергиями, проще, чем слышимые звуки такой же силы. Поэтому при эхолокации выгодно использовать ультразвук.
У ультразвука есть и обратная сторона. Он очень быстро затухает. Чем выше частота звука, тем быстрее идет его поглощение. При увеличении частоты в 10 раз затухание будет происходить в 100 раз быстрее, а следовательно, резко сократится расстояние, на которое он распространится. И все-таки для эхолокации выгоднее применять ультразвук, чем более низкие звуки, так как последние трудно генерировать узким пучком. Распространяясь во все стороны, более низкий, слышимый нами звук не только поглощается средой, но и рассеивается все в большем объеме. В результате его интенсивность быстро падает и он затухает. Учитывая, что затухание ультразвуков в воде происходит в 1000 раз медленнее, чем в воздухе, можно с уверенностью сказать, что водные животные для эхолокации должны обязательно пользоваться ультразвуком.
Однако такой локатор может служить только для зондирования ближайшего пространства. Для дальней ориентации он не годится.
Откуда что берется
Когда жизнь еще только зарождалась, звуковая обстановка на нашей планете была довольно однообразной. Иногда громыхал гром или посвистывал ветер. Кое-где тишину нарушали срывающиеся со скал водопады, шум морского прибоя да грохот вулканов. Кого тогда на Земле могли интересовать эти звуки? Только когда появились высокоразвитые животные, научившиеся активно передвигаться, странствовать по белу свету и пожирать друг друга, на Земле появились «интересные» звуки. Это были звуки биологического происхождения. Их создавали сами животные, и, естественно, они содержали известную информацию о самих источниках звука. Подобной информацией стоило заинтересоваться.
