популярно о природе звука

Принципы подводной акустики

С увеличением плотности среды последняя становится более прозрачной для звуковых волн и менее прозрачной для электромагнитных. В вакууме электромагнитные волны распространяются на большие расстояния, тогда как звук там вообще не может существовать. Плотность воздуха такова, что электромагнитные волны распространяются в нем более эффективно, чем звуковые. Например, радиоволны проходят сотни и даже тысячи километров. Звуковые же - самое большее лишь несколько километров, а область распространения звуков обычной речи вообще ограничена несколькими метрами. Когда плотность среды, увеличиваясь, достигает плотности воды, картина коренным образом меняется. В чистой воде дальность распространения радиоволн составляет несколько метров, световых - порядка сотен метров, звуковые же волны проходят километры, а в некоторых особых случаях - десятки, сотни и даже тысячи километров.

С помощью звуковых волн мы можем определять в воде не только направление на объект, но и его местоположение с достаточно хорошей точностью. Степень разрешения зависит от длины звуковой волны: чем она меньше, тем выше разрешение. Однако применение сверхкоротких звуковых волн, сравнимых по длине со световыми, слишком невыгодно. Скорость звука в морской воде в зависимости от температуры, глубины и концентрации солей изменяется в пределах от 1440 до 1500 м/с. В этом случае при частоте 30 Гц длина волны составляет около 50 м, а при 1 МГц - порядка нескольких миллиметров. Такие сверхкороткие звуковые волны (их длина волны все еще в 50 000 раз больше длины световой волны) могут обеспечить прекрасное разрешение, но обычно они не применяются для обнаружения объектов, так как интенсивно поглощаются в воде.

На практике для подводных работ, как правило, используют звуковые волны с частотой порядка 30 кГц и длиной волны около 5 см. «Видение» под водой с помощью звуковых волн такой частоты не может основываться целиком на том же принципе, благодаря которому мы видим предметы в повседневной жизни (освещение предмета и восприятие глазом с предварительной фокусировкой линзой - хрусталиком - отраженных лучей). «Осветить» предмет звуковыми лучами нетрудно - достаточно лишь применить мощные источники звука. Гораздо труднее создать соответствующую линзу - ее диаметр должен быть в несколько тысяч раз больше длины волны. Так, для звука с частотой около 30 кГц он будет составлять около 1000 м.

Работа систем обнаружения объектов под водой, сонаров (абревиатура sound navigation and ranging, то есть звуковая навигация и измерение расстояний) основана на методе эхолокации. Этот метод был разработан еще во время первой мировой войны. Он применялся для обнаружения подводных лодок с помощью коротких импульсов звуковых колебаний, которые посылались под воду. Достигая объекта, импульс отражался от него и возвращался (несколько ослабленным) назад к источнику, где его регистрировали. Зная время перемещения импульса к объекту и обратно и скорость распространения звука в воде, можно с большой точностью определить расстояние до объекта, что, несомненно, очень ценно, поскольку обычное визуальное наблюдение в таких случаях полностью исключается.