Скорость звука в океане
Не все звуковые колебания, которые наблюдаются в природе, слышит ухо человека. Оно воспринимает как звук только те колебания, которые лежат в области частот от 16—20 раз в секунду и до 16— 20 тысяч колебаний в секунду. Все, что выходит за пределы этих колебаний, человек не слышит. Если частота ниже 16—20 колебаний в секунду, то ее называют инфразвуком. Если частота выше 16—20 тысяч колебаний в секунду, ее называют ультразвуком.
В воде звук распространяется значительно «быстрее, чем в воздухе. Его скорость равна в воде приблизительно 1500 метрам в секунду, т. е. она в 5 раз больше, чем в воздухе. Частицы воды, лежащие на пути звуковой волны, приходят в колебательное движение, и энергия звука постепенно ослабевает. Особенно сильно поглощается звуковая волна, когда она встречает на своем пути пузырьки газов. Эти пузырьки попадают из воздуха, но особенно много их может образоваться из кислорода, выделенного водорослями.
При встрече звуковых волн с газовым пузырьком происходит сильное сжатие и растяжение пузырька. При сжатии пузырек нагревается, а при растяжении он должен настолько же и охлаждаться. Но на деле происходит несовершенный теплообмен между пузырьком и окружающей водой. В результате энергия звуковой волны переходит в тепловую и поглощается.
При колебании пузырька размера, соответствующего определенной частоте волны, размах сжатия и растяжения пузырька увеличивается, и он отбирает еще больше энергии из окружающего звукового поля. Например, для частоты в 16 тысяч колебаний размер такого резонирующего пузырька будет 0,04 сантиметра. Таким образом, даже мелкие пузырьки газа являются мощными поглотителями звуковой энергии. При низких частотах, например, при 30 колебаниях в секунду, размер резонирующего пузырька будет 22 сантиметра. Так как такие большие пузыри редко образуются и не могут долго находиться в толще воды, то условия прохождения звукового сигнала, посланного на низких частотах, будут значительно лучше, чем на высоких.
Скорость распространения звука зависит от температуры и солености воды. Чем они выше, тем быстрее распространяется звук. Так, при увеличении температуры воды на скорость распространения звука увеличится на 4 метра в секунду. При увеличении солености на 1%о скорость звука увеличится только на 1 метр в секунду. Поэтому в Черном море, которое сильно опреснено и имеет более холодные воды, чем Средиземное, звук идет медленнее на 40 метров в секунду, чем в последнем. В однородной среде звук распространяется прямолинейно. Поэтому после сильного шторма в поверхностных, хорошо перемешанных водах дальность распространения звука повышается. Но воды моря обычно состоят из слоев воды с различной температурой и соленостью. В такой «слоистой» среде звуковой луч, пущенный вдоль слоя, загибается в сторону менее соленой и особенно в сторону более холодной воды, то есть в среду, где он распространяется с меньшей скоростью.
Звуковой луч напоминает «путника в пустыне» — он стремится к прохладе и более пресной воде.
Летом, когда глубинные воды более холодны, звуковые лучи будут загибаться ко дну, а дойдя до него, отразятся вверх. На пути к поверхности звуковые лучи опять начнут загибаться и так далее, пока не угаснут. Зимою поверхностные воды сильно охлаждаются. Наступает период выравненных температур. Это создает однородную среду. Тогда звуковой луч пойдет прямее, а следовательно, звуковой сигнал можно услышать на большем расстоянии от источника. Если зимой поверхностные воды холоднее глубинных или имеют меньшую соленость, то звуковой луч направится к поверхности и, отразившись от границы раздела вода — воздух, пойдет дальше в воде, но только путь луча от источника звука до приемника будет значительно короче, потому что звуку не приходится пробегать всю толщу воды от поверхности до дна, как летом.
С глубиной скорость распространения звука увеличивается за счет гидростатического давления. Это приводит к созданию особо благоприятных условий для дальнего распространения звука. В таких случаях говорят о наличии «звукового канала». В нем звук может распространяться более чем на 8 тысяч километров. Благодаря дальности и быстроте распространения звука можно услышать подводные извержения вулкана, землетрясение, просто взрывы, совершенные на очень большом расстоянии. При этом звук придет намного скорее, чем волна воды, вызванная даже мощным колебанием. Зная направление пришедшего звука и определив тем самым его местоположение, можно оповестить население о скором приближении больших волн, часто угрожающих жизни и хозяйству жителей побережий.
Особенностями распространения звука в воде широко пользуются различные водные обитатели. Далеко в море разразился шторм, но человек, стоя на берегу, не слышит (по воздуху) его шума. Зато в воде идет своеобразная подготовка к приходу штормовых волн. Рыбки отплывают в море, крабики прячутся под камни. Они .восприняли звуки шторма, быстро распространившиеся в воде. Успехи гидроакустики доказали неправильность поговорки «нем как рыба». Большинство рыб, рачков и других обитателей моря хорошо слышат и «разговаривают». Но многие издают ультразвуки, и поэтому человек их не слышит. Но их можно обнаружить специальными гидроакустическими приборами. Вероятно, обнаружение с помощью звуков, издаваемых различными морскими животными, и восприятия отраженного эхо помогает им отыскать пищу или спасаться от врагов в темных глубинах океана. Ведь глазами здесь ничего не увидишь на большом расстоянии.
В процессе эволюции организмов водные обитатели, приспособляясь к условиям существования, естественно, ‘использовали замечательные особенности далекого и быстрого распространения звука. Слабое проникновение света в воду «сделало» их близорукими, т. е. невидящими на большом расстоянии, но зато хорошо видящими на близком. Хорошее распространение звуковых волн привело в борьбе за существование водных животных, к использованию этих особенностей природы моря. Пользуясь звуковыми волнами, обитатели больших глубин, которые из-за бедности пищи этих слоев воды живут очень разреженно, разыскивают друг друга.
С помощью приборов можно переводить ультразвуковой «разговор» рыб и других животных на частоты, воспринимаемые человеком. Такой «концерт» весьма своеобразен, поскольку каждый из его участников издает свои звуки. Многие морские животные издают звуки, хорошо слышимые человеком. Имеются «поющие» рыбы — сциены, щелкающие рачки — альфеусы. Известная поговорка «ревет как белуга» — относится к звукам, которые издает дельфин-белуха, на севере часто называемый белугой. Издают звуки и хорошо слышат дельфины и киты. По определенным звукам собираются они в стаи. Самки находят своих детенышей. Некоторые звуки их пугают. Этим пользуются черноморские рыбаки-дельфиноловы. Они стучат камнями, бьют в рельсу. Шум, вызываемый охотниками, помогает им загонять стаю дельфинов в сети. Звуком .можно даже приманивать китообразных, что открывает новые способы промысла.
Среди рыбаков Малайского архипелага существует особая специальность рыбного слухача. Слухач плывет на лодке впереди артели. Время от времени он ныряет и слушает под водой шум двигающейся стаи рыб. По его сигналу с промысловых лодок спускают сеть.
Натолкнувшись на препятствие, звук отражается. Этим широко пользуются для определения глубины места. Специальные приборы — эхолоты — посылают звук ко дну. Судно не успеет далеко отойти за те несколько секунд, пока отраженное от дна звуковое эхо не придет к поверхности и будет обнаружено приемником эхолота. Зная время, прошедшее от посылки звука до его приема, и скорость его распространения при данных условиях температуры и солености воды, легко определить глубину места. Имеются и такие эхолоты, которые записывают на бумажной ленте глубину дна по всему пути следования корабля.
Звуковые лучи, проникая в воду, отражаются не только от дна, но и от скопления рыб и других животных. Чем больше стая рыб, тем больше от нее отражение. Можно определить таким образом распределение стай рыб или найти китов. Встретив большое скопление мелких организмов, звук рассеивается на этих мелких объектах. Если встреченное «облако» планктона достаточно велико, то лучи хотя и будут рассеиваться, но сумма отраженной звуковой энергии будет достаточна для обнаружения скопления планктона. В морях и океанах мигрирующие массы планктона или рыб создают такие слои рассеяния и отражения. В разные часы суток благодаря перемещению рачков, планктона или рыб эти слои рассеяния и отражения находятся на различной глубине. За это их называют «призрачным», или «ложным», дном.
Отражением звука от плавающих в воде предметов широко пользуются теперь рыбаки и моряки. Суда, снабженные специальными гидроакустическими приборами, легко находят места скопления рыб. А так как стаи рыб разных видов дают различную запись на ленте, то можно определить и их видовой состав. Этому помогает еще и подслушивание звука, поскольку каждый вид «говорит» по-разному. С помощью звуковых сигналов можно осуществлять связь между судами, обнаруживать подводные лодки, определять местоположения судна, выяснять толщину донных отложений и вести различные исследовательские и технические работы в море.
|
|
Читайте в рубрике «Вода океана»: |