ЗВУКИ В ВОДЕ

Если ты, будучи на море, опустишь в воду отверстие трубы,
а другой конец ее приложишь к уху, то услышишь идущие вдали корабли.
Леонардо да Винчи

http://class-fizika.narod.ru/s3-2.htm

Есть что-то удивительное в том, что почти полтысячелетия назад Леонардо предвосхитил первоначальное развитие гидроакустики как науки об обнаружении кораблей в море по звуку. Если не считать первых робких попыток эхолотирования, то гидроакустика в XX веке развивалась сначала как область военной науки и техники. Например, в России еще в 1905 году были разработаны совершенные по тому времени приборы для звуковой связи между погруженными подводными лодками. К 1912 году относится изобретение К. В. Шиловским и П. Ланжевеном первого гидролокатора.

В наше время, в период интенсивного освоения Мирового океана, гидроакустические приборы и методы достигли высокой степени совершенства, а области применения гидроакустической техники все расширяются.

Разумеется, проще всего было бы отослать читателя к соответствующим источникам, например к книгам автора по гидроакустике. Но из песни слова не выкинешь, а потому и в этой книжке, где трактуются самые различные акустические вопросы, следует сказать несколько слов о звуках под водой, понимая под этим преимущественно звуки в больших природных водоемах.

Начнем с краткого описания некоторых физических явлений при распространении звука в море.
Рефракция. Это, как известно, искривление лучей в среде с переменным показателем преломления. Сплющенная Луна, миражи в пустыне, плавающие в воздухе острова над морем - классические примеры оптической рефракции в воздухе. Акустическую рефракцию в воздухе заметить несколько труднее, но она тоже имеет место. А вот под водой звуковая рефракция проявляется в любое время года практически повсеместно.
У гидроакустиков есть хорошее мнемоническое правило: луч, подобно жаждущему человеку, устремляется в сторону более холодных и менее соленых слоев воды. Есть, правда, еще один фактор, который труднее втиснуть в рамки мнемоники. Это гидростатическое давление, зависящее от глубины. От его величины также меняется скорость звука, а следовательно, и показатель преломления. В данном случае его изменение таково, что звуковой луч стремится вверх.

Пожалуй, особенно отчетливо проявляется влияние температуры зимой, когда верхние слои морской воды более холодные, чем нижние. Луч тогда под определенным углом устремляется к поверхности моря, отражается от нее, вновь и вновь приходит к ней, постепенно затухая по мере удаления от источника звука.

Художник-орнаменталист, пожалуй, мог бы позаимствовать в картинах подводных звуковых лучей мотивы для своих работ.
Траектория его напоминает цепь, подвешенную во многих местах к буйкам на поверхности моря. Условия для подводного обнаружения звука в поверхностных слоях при этом достаточно хорошие.

В летнее время, когда более холодными являются глубинные слои воды, луч уходит в глубину. Образуются зоны акустической тени, в которых обнаружение подводных объектов затруднено. Возможны сопутствующие эффекты. На границе слоев с резким перепадом температуры может происходить полное внутреннее отражение, расщепление луча, когда небольшая часть звука проходит под слой скачка, а другая часть отклоняется кверху. Создаются не только "мертвые зоны", как иногда именуют флотские акустики зоны акустической тени, но и зоны фокусировки, усиления звука. В общем, картина распространения звука может быть очень пестрой.

Звуковые каналы. Совместное влияние температуры, солености воды, гидростатического давления может быть таким, что на определенной глубине расположится зона ("горизонт") с минимальной скоростью звука. По этому горизонту, претерпевая лишь небольшие волнообразные отклонения, звуковой луч может распространяться на очень большие расстояния. Эта зона дальнего и сверхдальнего распространения звука условно названа звуковым каналом. Звуковой канал в океане был открыт американскими акустиками, а в глубоком море (Черном)--советскими учеными Л. М Бреховских и Л. А. Розенбергом.
За эту работу они удостоены Государственной премии СССР.

Были отмечены случаи распространения звука взрыва небольшой бомбы по подводному звуковому каналу от берега Австралии до Бермудских островов, то есть на расстоянии, равном половине окружности Земли. Существуют карты глубин залегания устойчивого звукового канала в океанах. Как правило, эти глубины в северных районах меньше, чем в южных. Так, на широте 10° в районе Маршалловых островов глубина залегания канала близка к 1 километру, а в районе Алеутских островов она не превышает 100 метров. Но во многих местах изолинии глубины залегания канала по земной поверхности имеют причудливые извилистые очертания.

Американский акустик Э. Гамильтон предсказал теоретическую возможность существования звукового канала также в осадочных породах, выстилающих дно океана. В 1974 году Р. Урик экспериментально подтвердил это.

Морская реверберация. Словом "реверберация", соответствующим английскому слову "эхо", обозначают более или менее продолжительное угасающее звучание звукового сигнала после излучения. В наибольшей степени это явление обычно связано с отражениями от скоплений газовых пузырьков, затянутых на некоторую глубину во время штормов или являющихся продуктом жизнедеятельности планктона. В мелководных районах реверберация может быть обусловлена отражениями от каменистого дна. Реверберация иногда является серьезной помехой рыболокации и военно-морской гидролокации, так как она может маскировать принимаемый полезный эхо-сигнал.

Интересно наблюдать реверберацию, когда она достаточно интенсивна. Всплески ее то вспыхивают, то гаснут на катодном индикаторе локатора, порой на расстояниях в несколько километров. Синхронно с этим меняется реверберация в динамике. Это значит, что гидролокационная посылка встретилась с каким-то отражающим звук скоплением, а затем проследовала далее.

Первая отечественная работа по реверберации моря появилась в Журнале технической физики в 1943 году, в самый разгар Великой Отечественной войны. Автором ее был военно-морской акустик В. С. Анастасевич. Трудно забыть впечатление, которое произвела эта статья на молодых акустиков. Неужели открытое море может звучать, как готический собор? И причина этому - какие-то пузырьки... (уже известно было, что пузырьки в воде могут поглощать звук, но о рассеивающих их свойствах мало кто знал).

Исследования реверберации выполнялись Ю.М.Сухаревским. Впоследствии В. В. Ольшевский дал основы статистической теории реверберации.
Для борьбы с реверберационной помехой используют излучение в узком секторе, частотную модуляцию сигнала и другие приемы. В общем, если исключить малые расстояния от гидролокатора, реверберационная помеха оказывается не такой страшной, как "тривиальные" помехи от шумов морского волнения, а также от шумов самого корабля, несущего гидролокатор.

Звукорассеивающие слои. Когда однажды исследователи-гидроакустики в одном из южных районов попробовали устремить луч гидролокатора вниз, то к своему удивлению обнаружили: дно океана "писалось" на глубине, в несколько раз меньше действительной. Феномен "поднимающегося и опускающегося дна" отметили и специалисты по эхолотированию. Ясно было, что существуют какие-то мигрирующие слои, которые отлично отражают звук, причем в значительно большей мере, чем его отражает, например, водный слой с температурным скачком.
Брали пробы воды с глубины этих звукорассеивающих слоев, опускались в ник в батискафе. Оказалось, что "призрак" морского дна, как и реверберация, связан с морскими организмами и продуктами их жизнедеятельности. Интересно, что каждый исследователь находил в отражающих слоях скопления различных организмов - от микроскопического биопланктона до медуз и даже более крупных существ.
Однако, кто бы ни были их "учредители", со звукорассеивающими слоями приходится считаться военно-морским акустикам, да и персоналу рыбопромысловых судов, ведущих гидроакустический поиск рыбы.

Из приведенного далеко не полного перечня гидроакустических явлений в море видно, сколь они разнообразны. Исследования распространения звука в морях и океанах во всех морских странах расширяются с каждым годом. В СССР подобные исследования с успехом выполнялись Н. С. Агеевой, В. В. Богородским (в очень интересной области распространения звука - во льдах и подо льдами Арктики), Л. М. Бреховских, Р. А. Вадовым, В. П. Глотовым, В. С. Григорьевым, Н. А. Грубником, Ф. И. Кряжевым, В. Ильичевым, Ю. П. Лысановым и многими другими. В последние годы большой группой авторов под руководством академика Л.М. Бреховских создана капитальная монография "Акустика океана", удостоенная в 1976 году Государственной премии СССР. В 1977 году Л. М. Бреховских награжден золотой медалью великого физика Рэлея.

Интересен анализ процесса отражения звука от объектов произвольной формы. Публикации по этому вопросу не сходят со страниц журнала Американского акустического общества (статьи Джангера, Хиклинга, Дулитла и других). Авторы статей утверждают, что можно классифицировать объект по характеру отражения звука от него.
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 гидролокационного импульса. Работа Л. М. Лямшева докладывалась в Венгерской Академии наук и получила общее признание. Весьма интересные исследования по теории эхо-локации выполнены в последнее время А. А. Клещевым, У. Нигулом, Е. 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 Отечественной 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 за 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" водоизмещением 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. Маринеско. 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 указал пеленг на группу кораблей. Маринеско применил дерзкий маневр: он зашел со стороны берега и выпустил четыре торпеды по главной цели, теперь уже отчетливо выделявшейся среди кораблей охранения.

Лайнер быстро пошел ко дну. Лодке удалось уйти от бомбежки и преследования. Узнав о потоплении 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 С-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, а 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 расстоянии до 400 километров. Появилась разновидность гидролокационной системы, в которой обнаружение подводных 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.
Развертываются глобальные гидроакустические системы. 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 буи искусственным спутникам, быстро доносящим сведения о подводной обстановке в координационные центры, возглавляемые соответствующими отделами Пентагона.

Конечно, во всех этих сообщениях много элементов рекламы. Однако если исключить их, приходится все же признать, чтодостижения 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 традиционными 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 отражающих звук грунтовых пород на достаточно большой глубине под поверхностью дна. Это и сканирующие эхо-локационные устройства бокового обзора, их не назовешь иначе, как автоматическими топографами 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 всех стран, и флаги их вместе с флагами расцвечивания трепетали над вместительными павильонами. Особенно интересная гидроакустическая поисковая техника на "Инрыбпроме-75" демонстрировалась в 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 глубину опускания трала, его раскрытие. Интегрирующие приборы позволяют определить суммарный объем встречного рыбного скопления и прогнозировать, таким образом, целесообразность его отлова.
Из многообразных областей применения гидроакустических средств при освоении богатств Мирового океана отметим лишь одну, связанную с бурно развивающейся добычей нефти со дна. Совсем недавно 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 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 мест.