«Эхолот пишет дно на 50 мет­рах. Но ты ступай осторожно; может быть, это — звукорас-сеивающий слой».

Л. М. Лямшевым еще в 50-х годах было обнару­жено и проанализировано явление усиления гид­ролокационного отражения от пластин в жидкости вследствие возникновения в них продольных волн при падении гидролокацщщного импульса. Работа Л. М. Лямшева докладывалась в Венгерской Акаде­мии наук и получила общее признание. Весьма инте­ресные исследования по теории эхо-локации выпол-

22

ионы в последнее время А. А. Клещевым, У. Нигулом, I,. Л. Шендеровым и другими.

Говоря о создании в нашей стране акустических приборов для подводного обнаружения, нельзя не упомянуть о деятельности профессора Военно-морской академии В. Н. Тюлина. Работая, по существу, в оди­ночку, он еще в 30-е годы сконструировал весьма совершенный по тому времени эхолот и внес вклад в теорию действия шумопеленгаторов. Свою лепту внесли также Л. Я. Гутин, А. М. Тюрин и С. Я. Соко­лов— создатель и руководитель первой в стране ка­федры электроакустики.

Приближались грозные годы Великой Отечествен­ ной войны, и освоение гидроакустической техники нашим подводным флотом было как нельзя более своевременно. Чтобы читатель мог в полной мере ощутить ее роль, приведем два последовавших один 'ла другим эпизода, связанных с подводной лодкой, которой суждено было стать легендарной. .

В начале 1945 года в результате прорыва совет­ских Вооруженных Сил в Восточной Пруссии была окружена громадная курляндская группировка гит­леровских войск. Из отрезанного Данцига, где нахо­дилась немецкая школа подводного плавания, вышел в Киль под усиленным конвоем самый большой не­мецкий лайнер «Вильгельм Густлов» водоизмеще-" нием 25 тысяч тонн. На нем находилось четыре тысячи высококвалифицированных подводников, кото­рых уже ждали в Киле, чтобы укомплектовать ими 70 подводных лодок. Всего же на корабль набилось более шести тысяч человек.

В этом районе патрулировала подводная лодка С-13 под командованием капитана 3-го ранга А. И. JVla-ринеско. В январе на Балтике темнеет рано; к тому же шел снег; рассчитывать можно было только на гидроакустику. Около 8 часов вечера гидроакустик И. Шнапцев доложил о далеком шуме винтов и ука* зал пеленг на группу кораблей. Маринеско применил дерзкий маневр: он зашел со стороны берега и .вы* пустил четыре торпеды по главной цели,'теперь уже отчетливо выделившейся среди кораблей охранения¹.

Лайнер быстро пошел ко дну. Лодке удалось уйти от 'бомбежки и преследования. Узнав о потоплений

морского гиганта, Гитлер"'приказал расстрелять ко­мандира конвоя, в Берлине же во второй раз за время войны был объявлен трехдневный траур (первый раз это было после разгрома фашистских войск под Ста­линградом). В эфир пошло сообщение, что командир G-13 объявлен «личным врагом Германии».

Однако лишь усмешку вызвали эти угрозы у эки­пажа лодки. На борту еще имелись торпеды, и можно было продолжать поиск противника. Прошло десять дней, и снова ночью, и снова гидроакустики обнару­жили шумы большого корабля с охранением и вывели лодку на дистанцию видимости. Новый торпедный залп — и перестал существовать еще один громад­ный транспорт — «Генерал Штойбен». Из находив­шихся на его борту 3600 солдат и офицеров спаслось менее трехсот. Найти в кромешной мгле и отправить на дно моря два гигантских корабля с целой диви­зией гитлеровцев за одну декаду — в этом военном триумфе подводной лодки роль гидроакустиков была не последней.

После второй мировой войны гидроакустика на­чала быстро развиваться во всех странах. Точность пеленга на шумящие или отражающие звук подвод­ные объекты достигла долей градуса, дальность дей­ствия станций увеличилась во много раз/Была освое­на пассивная и активная локация в зонах вторичного выхода звуковых лучей к поверхности моря, $^также в зонах тени для прямого сигнала. Американская донная гидроакустическая система «Цезарь», ра­ботающая на низких частотах локации в море, где затухание звука особенно мало, по сообщениям пе­чати, обнаруживает присутствие подводных лодок на расстояние до 400 километров. Появилась разновид­ность гидролокационной системы, в которой обнару­жение иодв^дных объектов производится с помощью разнесенных под зеркальным углом излучателя и приемника гидролокационных сигналов. Здесь тре­буется особая точность во взаимодействии носителей' излучателя и приемника, но такая система себя оп­равдывает, так как сила отражения под зеркальным углом наибольшая, и легче обнаружить объект, снаб­женный защитными средствами,

24

Развертываются глобальные гидроакустические си-< темы. Одна из них под зловещим названием «Мор­ской паук» должна обеспечивать сбор гидроаку­стической информации чуть ли не со всей акватории Тихого океана и передачу ее через гидроакустические Пуи искусственным спутникам, быстро доносящим снсдсния о подводной обстановке в координационные центры, возглавляемые соответствующими отделами Пентагона.

Конечно, во всех этих сообщениях много элемен­тов рекламы. Однако если исключить их, приходится псе же признать, что достижения современной воен­ной гидроакустической 'техники весьма впечатляющи.

Но, пожалуй, еще более властно заявляет о себе мирная гидроакустика. Применения ее до невероят­ности многообразны и становятся все более связаны с бурным освоением Мирового океана.

Эхолот в традиционном исполнении и с традицией-¹ ными функциями меньше других морских акустиче­ских приборов нуждается в представлении. Едва ли найдется морское судно, не имеющее его. А вот эхо­лоты-картографы с автоматической цифровой отмет­кой глубин на карте еще только начинают внедряться на гидрографические суда.

Обычный эхолот для контроля глубин под килем судна породил семейство себе подобных и все же раз­личных как по назначению, так и по степени совер­шенства гидроакустических устройств. Это и приборы с весьма большой мощностью излучения, позволяю­щие получить отметку не только линии дна, но и от» ражающих звук грунтовых пород на достаточно боль-*, шой глубине под поверхностью дна. Это и сканирую­щие зхо-локационные устройства бокового обзора, их не назовешь иначе, как автоматическими топогра* фами дна водоемов. Мелкие выступы дна высотой с полметра, траншеи, кабели на дне — все фиксируется ими на специальной бумаге.

Рыболокаторы тоже достаточно хорошо известны. Кажется, совсем недавно автор описывал в одной из книг живописную выставку «Инрыбпром-68» в Ле­нинграде. Прошло семь лет, и вот опять западная стрелка Васильевского острова была окружена мно­жеством ослепительно белых рыболовецких судов

28

всех стран, и флаги их вместе с флагами расцвечи­вания трепетали над вместительными павильонами. Особенно интересная гидроакустическая поисковая техника на «Инрыбпроме-75» демонстрировалась и советском, японском и немецком разделах выставки. Современный рыбопоисковый гидролокационный ком­плекс следит за косяком рыбы от момента первичного ' его обнаружения до момента попадания в трал. Если рыбное скопление изменило, скажем, глубину своего движения, соответствующее устройство меняет и глу^ бину опускания трала, его раскрытие. Интегрирую­щие приборы позволяют определить суммарный объем встречного рыбного скопления и прогнозиро­вать, таким образом, целесообразность его отлова.. Из многообразных областей применения гидро-^ акустических средств при освоении богатств Миро­вого океана отметим лишь одну, связанную с бурно развивающейся добычей нефти со дна. Совсем не^ давно бурение дна в нефтеносных районах велось лишь в пределах океанского шельфа, т.е. на глуби­нах в несколько сот метров. Первенцем подводного бурения дна в открытом море было судно «Гломар Челленджер»; сейчас таких судов насчитываются де­сятки.

По крайней мере две проблемы при подводном бу­рении решаются с помощью гидроакустики. Первая — удержание дрейфующего судна над скважиной. Гид­роакустические излучатели-маркеры, расположенные на дне около скважины, непрерывно посылают вверх звуковые импульсы.'По этим сигналам на судне оп­ределяют, в какую сторону его сносит относительно скважины, и соответственно приводят в действие те или иные подруливающие устройства. . Вторая задача посложнее. Допустим, необходимо сменить затупившийся бур. Бурильную колонку с но­вым буром опускают ко дну. Но подводные течения относят эту гибкую и длинную колонку в сторону, как относит ветер паутинную нить с висящим над ней пауком. Приводится в действие гидролокационное устройство, находящееся на конце колонки. На даль­них расстояниях от донной скважины излучаемые устройством импульсы имеют относительно большую продолжительность. Это режим поиска. Нащупав по

26

отраженному сигналу скважину, конец колонки начи­нает приближаться к ней. Наступает режим точного наведения. Импульсы учащаются, становятся короче. В момент подхода к скважине срабатывает соответ­ствующее устройство, и колонка погружается в сква­жину.

Освоение океана немыслимо без глубоководных аппаратов, которых уже теперь насчитывается вели­кое множество. Связываются они между собой и с обеспечивающими надводными судами с помощью гидроакустического телефона, определяют рельеф дна и его глубинную структуру с помощью гидролока­ционных «щупалец».

Больше всего при освоении Мирового океана уче­ных беспокоит сохранение его биосферы. Великий акванавт нашего времени Жак-Ив Кусто обратил к человечеству такие слова: «Море сохранит свои бо­гатства только в том случае, если будут соблюдены биологические законы... Пора положить предел роман­тической эпохе «тайн моря». Тайн моря нет, остались насущные проблемы, которые следует разрешить. Мы на пороге новой эры, эры поисков и .исследований!»

Гидроакустические методы и приборы займут в этих поисках достойное место.

ЗВУКИ

•:••-. •:. , . В

КОСМОСЕ?

Мы услышим полет всех планет...

А. Блок

, — Акустика в космосе? Это

что-то новое, — скажет, возможно, иной... акустик, иронически улыбаясь, — ведь в космосе нет достаточ­но плотной газовой среды, в которой могут распро­страняться упругие колебания.

,1„ ,Однако начнем с сигналов из ближнего космоса. Загадочные звуки полярных свечений... Связаны они с перемещениями областей ионизированного газа, но точный механизм их возникновения до сих пор не

27

раскрыт, Иногда они;похожи на ударные звуковые волны от сверхзвуковых самолетов. Наблюдались многократные отражения этих звуков от поверхности Земли и от неоднородностей верхних слоев атмосферы. Искусственные спутники и ракеты. Это уже на­стоящий космос. При прохождении ракеты «Аполлон» над Бермудскими островами на солидной высоте 188 километров, где, казалось бы, плотность атмос­феры ничтожна (в 10⁹ раз меньше, чем у поверхности Земли), неоднократно регистрировались на островах низкочастотные сигналы, также похожие на звуковые удары самолетов.

А что внутри ракет, космических кораблей? Кос­монавт А. Николаев при полете на одном из «Сою­зов» так описывал свои «акустические» впечатления: «При спуске вначале был слышен небольшой шум, свист высокого тона. Этот тон постепенно нарастал и превратился в гул работающего реактивного двига­теля, затем он перешел как бы на форсажный режим работы двигателя самолета с сильным рокотом»...

Как видно,, в космических устройствах могут встречаться вполне «земные» ощущения. Эта бли­зость к земным ощущениям еще усилится при дли­тельных полетах. Будет надоедать космонавтам по­стоянный шум двигателей, работа которых необхо­дима для жизнеобеспечения обитателей ракет и выполнения научных и иных операций. Потребуются разнообразные средства борьбы с шумами и вибра­циями. Те же вибрация и шум, которые сейчас ис­пользуются для диагностики и дефектации механиз­мов, определения степени их работоспособности и надежности, будут сигнализировать о случайных не-* исправностях в орбитальных лабораториях, например при стыковке космических кораблей.

На космических снарядах, в условиях невесомости, будут, как известно, получать новые диковинные сплавы и материалы. Возможно, на помощь придет и ультразвук, смешивающий, раздробляющий малые частицы жидких материалов. Одним словом, земная акустика будет все больше заявлять о себе космопла­вателям. Как не заявить, если уже сейчас в некото­рых странах разрабатываются проекты лунных город­ков на сотни и тысячи человек.

28

Прибор, установленный на поверхности Луны, передает по радио на Землю сведения о затухании звука в лунных породах.

А что делается снаружи космического корабля, непосредственно вблизи его борта? Уже сейчас здесь действует акустика, работает структурный звук. Вы­ставленная за борт металлическая мембрана воспри­нимает удары несущихся навстречу микрометеори­тов, кусочков космического вещества. Каждый удар частицы о мембрану возбуждает ее колебания, дан­ные о которых с помощью индукционного или иного датчика поступают внутрь корабля на счетную элек­тронную схему либо передаются радиоустройством па Землю. Этим способом канадские ученые оценили .шачения микрометеоритной активности в функции от высоты ракеты над Землей.

Луна, планеты солнечной системы и их естествен­ные спутники. Здесь — раздолье для акустиков-гео­физиков, а на тех планетах, где есть атмосфера,—и для атмосферных акустиков. Установленное на Луне лмсриканскими астронавтами устройство позволило сделать интереснейшее открытие: время реверберации

в»

(иослемнучания) колебаний в породах лунного грунта приближается к минуте. Луна звучит, как церковный колокол! Пока еще не дано объяснения этому явле­нию.

Была измерена и скорость распространения звука и лунных породах. Когда-то великий насмешник, ма­стер парадоксов и иронических сентенций Эразм Рот­тердамский писал, что «...луна состоит из заплесне- * целого сыра...» Два европейских геофизика не пожа­лели времени на то, чтобы измерить скорость продольных волн в... сырах из Италии, Швейцарии, США, Норвегии. Возможно, как о курьезе, они сооб­щили, что скорость звуковых волн в этих сырах (эт 1,6 до 2,1 километра в секунду) соответствует киж^ нему пределу скорости распространения звука в лун­ных породах.

Несомненно, уже в ближайшее время будут до­сконально изучены акустические .свойства пород на поверхности Венеры и Марса. А в атмосфере Венеры с ее чудовищной плотностью возможно существова­ние звуков огромной интенсивности.

Плазма — одно из состояний упругого вещества. Уже производились опыты по возбуждению механи­ческих звуковых колебаний в плазменных шнурах установок, в которых имеются условия для возникно­вения термоядерной реакции. Поэтому когда при ис­следовании пятен на Солнце были обнаружены колебания низкой частоты с длиной волны по­рядка 2500 километров и на основании некоторых данных было высказано предположение, что эти вол­ны имеют звуковое, а не магнитное происхождение/ то эта версия не встретила у ученых особых возра­жений.

Как видим, в акустических проблемах в космосе уже сегодня нет недостатка. Первую страницу косми­ ческой акустики можно считать открытой. Но пытли­ вый ум исследователей углубляется в совсем уже не изведанные просторы мироздания. Один японский журнал в 1973—1974 годах опубликовал цикл статей о генерации звука ни много ни мало как в первичной турбулентности... расширяющейся Вселенной; едва ли кто-нибудь задумывался раньше о возможности соче­ тания акустики и космогонии, ', за

ЗВУКОВАЯ

ЭНЕРГИЯ УШЛА,

А ГРОМКОСТЬ ЗВУКА

ВОЗРОСЛА??

По видимомy, отзвук (эхо) существует всегда, но не всегдаa отчетливо выражен.

Аристотель. О душе

Говоря об удивительном в

мире звука, нельзя обойти вниманием своеобразные, кажущиеся на первый взгляд парадоксальными яв­ления на границах сред с сильно разнящимися аку­стическими сопротивлениями.

Хотя мы не хотели бы докучать читателю форму­лами, но без нескольких простейших определений основных акустических величин все же не обойтись. Когда волна продольная, то есть направление коле­баний частиц среды совпадает с направлением рас­пространения волны, то переменное (звуковое) дав­ление в ней р связано с колебательной скоростью ча­стиц v выражением

P = Zv,

где коэффициент пропорциональности Z представляет собой акустическое сопротивление среды, равное произведению плотности среды на скорость распро­странения звука в ней (не путать со значительно меньшей по величине V!). Электроакустики склонны именовать приведенное выражение «акустическим законом Ома», хотя оно появилось раньше работ Ома. «Удобнее запоминать», — утверждают они. Мо­жет быть, это и справедливо для современного об­щества, в которое электротехника внедрилась весьма широко.

Вооруженные этими двумя начальными буквами акустической азбуки, приступим к интересующему

31

Вторая формула относится к определению интен­сивности или, что то же, силы звука, представляю­щей собой поток звуковой энергии через единицу пло­щади фронта волны в единицу времени:

нас вопросу '^го- явлениях на границах разнородных

сред.

Пусть звук произвольной частоты падает по нор­мали из среды с малым акустическим сопротивлением '.(например, воздушной) на границу среды с большим акустическим сопротивлением (вода, кирпичная клад­ка и т. п.). Одним из интересных, хотя, быть может, еще и не поражающих нас феноменов, является то, что в эту вторую среду передается переменное (зву­ковое) давление, почти вдвое превышающее звуковое давление в первой среде.

Несложный физико-математический вывод под­твердил бы это. Но, быть может, читателя убедит совсем уж простая демонстрация (имеющая, согла-. симся, скорее мнемонический, чем физический харак­тер). Демонстратор, которым может быть всякий лек­тор, обходится самыми что ни на есть элементарными средствами (их можно было бы назвать подручными, если бы вместо рук здесь не фигурировали ноги). Че­ловек, на время перевоплотившийся в звуковую волну '(почему бы и не вообразить такое?), быстро прибли­жается в комнате к капитальной стене. У нее он мгновенно поворачивается кругом, изображая теперь уже отраженную волну. Но чтобы не удариться о стену какой-либо чувствительной частью тела, он упи­рается в нее подошвой ноги. Ясно, что материал стены испытывает при этом довольно значительный импульс давления, которое распространяется с опре­деленной скоростью от места возмущения.

Акустическое сопротивление воды приблизительно в 3600 раз больше акустического сопротивления воз­духа. И здесь следует ожидать увеличения звукового давления по сравнению с давлением в воздушной сре­де. М. А. Исакович в своем курсе акустики указывает на температурные и иные явления, препятствующие удвоению давления во второй среде. То или иное уве­личение звукового давления все же наблюдается экс­периментально.

Но раз возросло давление, то увеличилась и гром­кость звука, ибо слуховые аппараты большинства живых существ реагируют именно на величину зву­кового давления, а, например, не звуковой энергии. Таким образом, дан ответ на одну из частей заго-

32

'ловка главы, хотя можно признать, пожалуй, что ни-.Чего особенно удивительного мы пока еще не узрели.

Это удивительное усматривается из сопоставления полученного результата с величиной звуковой энер­гии, прошедшей во вторую среду. Вторая из приве­денных выше формул сразу дает нужный ответ. Пусть звуковое давление увеличится даже в 2 раза, тогда числитель в выражении интенсивности звука возра­стет в 4 раза. Но ввиду того что знаменатель одно­временно уменьшится в тысячи раз, звуковая энергия во второй среде будет ничтожной. Так, в воду из воз­духа проходит лишь малая доля процента энергии падающей волны, а, например, в скалу, в бетонный массив — и того меньше. Звуковая энергия, таким об-., разом, почти полностью отражается от границы раз­дела среды с большим акустическим сопротивлением.

Может возникнуть вопрос, почему ныряльщиков не оглушают крики с берега? Их спасают от звуковой перегрузки изолирующие звук воздушные пробки, всегда остающиеся в слуховом проходе погруженного в воду человека. Да и рыбы, не имеющие подобных звукоизоляторов, воспринимают отчетливо лишь зву­ки- в пределах достаточно узкого .конуса. При угле падения более 13° происходит полное отражение звука от поверхности воды.

Рассмотрим еще, хотя бы для контраста, что де­лается на границе рассматриваемой среды с другим параметром колебательного процесса — колебатель­ной скоростью частиц. На это даст ответ средняя часть второй формулы. Поскольку в среду передалась ничтожная часть звуковой энергии, а акустическое сопротивление среды весьма велико, это может быть лишь при ничтожной колебательной скорости, значе­ние которой в правой части формулы входит множи­телем в выражение акустического сопротивления.

И здесь можно провести аналогию с мечущимся па комнате лектором. При всем желании он не в со­стоянии раскачать ногой кирпичную стену, то" есть колебательная скорость во второй среде близка к нулю.

У любознательного читателя мог бы возникнуть еще вопрос: а что будет наблюдаться при обратном переходе звука — из среды с весьма большим

33

2 И, И. Клюкик