Страница 7 из 14
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.
Как далеко слышен звук в воде?
Мы в своей повседневной жизни привыкли к восприятию звуков на различных расстояниях. Мы говорим громче или тише в зависимости от того, на каком расстоянии находится от нас собеседник. Если он находится на значительном расстоянии, то приходится повышать голос до крика.
Но существует предел дальности распространения звука в воздухе, и этот предел зависит от многих причин. В лесу, например, можно услышать звуки на большем расстоянии, чем в городе, ночью лучше слышно, чем днем. А какова дальность распространения звука в море?
Дальность распространения звука в море зависит прежде всего от того, как сильно уменьшается интенсивность звука с расстоянием. С увеличением расстояния от источника звука интенсивность звуковых колебаний уменьшается прежде всего за счет расширения фронта волны, а также за счет поглощения и рассеяния звуковой энергии.
Неоднородность среды, как уже было сказано, способствует поглощению и рассеянию звука, что приводит к затуханию звука, а следовательно, к уменьшению дальности его распространения.
Значительное влияние на дальность распространения звука оказывает рефракция. Чем больше разнородность среды, тем больше искривляется звуковой луч, тем меньше дальность распространения звука. Количество неоднородностей в воде различно и зависит от времени года, иногда даже от времени суток.
Установлено, что зимой дальность распространения звука больше, чем летом. Это происходит потому, что условия среды, т. е. распределение температуры слоев, таковы, что звуковой луч не загибается вниз ко дну, а, загибаясь вверх, распространяется вдоль поверхности.
Замечено также, что летом после большого шторма дальность распространения звука увеличивается. Объясняется это тем, что слои воды с различной температурой перемешиваются и среда становится более однородной.
Но в море бывают случаи, когда звуковая энергия в воде распространяется в десятки и сотни раз дальше, чем обычно. Это бывает тогда, когда существует так называемый подводный звуковой канал, создаваемый природой.
Явление распространения звуковой энергии в подводном звуковом канале объяснено советским ученым Л. М. Бреховских.
Подводный звуковой канал возникает чаще всего в океане и представляет собой область глубин, где скорость звука вначале уменьшается, а достигнув минимума, начинает возрастать (рис. 25).
Рис. 25. Распространение звука в подводном звуковом канале.
Верхняя и нижняя границы подводного звукового канала представляют глубину с равными скоростями звука. За ось канала принимается глубина с наименьшей скоростью звука. Звук будет распространяться дальше, если источник звука будет находиться на оси подводного звукового канала.
Очень большая дальность распространения звука в канале объясняется тем, что звуковые лучи проходят большие расстояния, претерпевая полное внутреннее отражение от верхней и нижней границ звукового канала, не выходя за его пределы. Распространяется звук вдоль оси звукового канала.
Когда в таком звуковом канале была взорвана бомба весом 1,8 килограмма, взрыв был слышен на расстоянии 4200 километров вместо 20–30 километров, если бы бомба была взорвана в обычных условиях.
Другой, более характерный, опыт был проведен в районе Австралии. Звук от взрыва бомбы весом 22,5 килограмма был слышен на расстоянии 19 200 километров. Звук прошел этот путь за 3 часа 43 минуты. Но необходимо учесть, что дальность распространения звука в море зависит не только от среды, но и от мощности источника звука, направленности и длины волны. Чем больше мощность, направленность и длина волны, тем больше дальность распространения звука.
Эффект Допплера
Каждый из вас, вероятно, обращал внимание на изменение тона звука гудка быстро приближающегося паровоза. Тон звука повышается с приближением паровоза и понижается по мере его удаления.
Чем больше скорость сближения с источником звука, тем изменение тона звука заметнее.
При движении наблюдателя к источнику звука или, наоборот, источника звука к наблюдателю ухо наблюдателя воспринимает в единицу времени большее число звуковых волн, чем если бы источник звука и наблюдатель были неподвижны относительно один другого.
Чем больше скорость сближения, тем больше волн воспринимает ухо, тем чаще будет колебаться барабанная перепонка и, следовательно, тем выше будет тон воспроизводимого звука.
Явление изменения тона звука при движении источника звука или наблюдателя называется эффектом Допплера.
Эффект Допплера существует и в море. В гидроакустике он играет очень важную роль.
Звук, отраженный от какого-либо предмета, например от подводной лодки, будет иметь определенный тон. Такой же тон будет иметь отраженный звук от пузырьков воздуха в воде, т. е. тон реверберации. Но если предмет, от которого отражаются волны, будет сближаться с приемником, то тон отраженного звука (тон эха) будет повышаться, а тон реверберации останется прежним. На основании этого можно сделать очень важный вывод: если мы заметим, что тон эха от подводного предмета повышается по сравнению с тоном реверберации, значит, предмет перемещается и, более того, он перемещается в сторону сближения, а если тон эха понижается, следовательно, предмет идет на удаление. Если же тон эха не изменится — предмет либо стоит на месте, либо перемещается перпендикулярно направлению от приемника на предмет. Эффект Допплера можно проиллюстрировать рисунком, называемым «розой Допплера» (рис. 26).