И Клюкин - Удивительный мир звука

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.

Пьезоэлектрический эффект таких минералов и веществ, как кварц, турмалин, сегнетова соль, титанат бария, давно используется в технике. Но вот оказалось, что ряд горных пород -- кварциты, гнейсы и даже тривиальные граниты -- способен откликаться электромагнитной волной на упругую волну взрыва. Для улавливания этой ответной электромагнитной волны служат простейшие приемники -- металлические стержни, вставленные в землю. Индуцированный в стержнях электрический ток подводится к усилительному устройству, связанному с самописцем.

Кварциты часто являются золотоносными, и, таким образом, акустико-электромагнитное зондирование дает ориентир первичного поиска золотоискателям.

Но и простейший ультразвуковой эхолот с некоторых пор стал помощником золотодобытчиков, причем не в море, а на земле. При разработке дренажных котлованов очень важно бывает знать, сколько еще продуктивного золотоносного песка осталось и как скоро в том или ином месте котлована черпаки драги достигнут пустой породы. Нужны достаточно мощные и направленные звуковые импульсы для того, чтобы проникнуть в слой рыхлого песка до подстилающего грунта и определить толщину слоя (а заодно и глубину его залегания). Подобный прибор приходит на золотых и платиновых приисках на смену дедовской маркшейдерской многометровой рейке или трубе, которую ранее старательно втыкали в донные слои различных мест котлована.