Ночная путешественница

Летом в деревне, когда наступают сумерки, можно наблюдать, как мечутся зигзагами летучие мыши, шелестя сухими, угловатыми крыльями. Когда наблюдаешь их стремительный полет в темноте, кажется, что вот-вот они врежутся в ствол дерева или стенку сарая. Но каждый раз, встречая на пути препятствие, летучая мышь стремительно взмывает вверх или круто поворачивает в сторону, продолжая головокружительную погоню за крохотными насекомыми. До глубокой ночи идет эта неутомимая, полная риска охота ночной путешественницы.

Кажется, только чудо спасает ее от верной гибели.

Поистине удивительно, как удается летучей мыши с маленькими, подслеповатыми глазами заметить во тьме препятствие и, не снижая скорости, его обойти.

Это обстоятельство привлекло внимание естествоиспытателей. Самые тщательные исследования убедительно доказали, что зрение у летучей мыши весьма скудное. Она почти слепа. Но как она ориентируется в сложной обстановке и как отыскивает себе добычу — это долгое время оставалось тайной для всех. Никому и в голову не приходило, что летучая мышь намного опередила человека в практическом использовании ультразвука.

Для того чтобы в этом разобраться, оставим пока что мышь в покое. Пусть она продолжает охотиться, мы скоро снова к ней вернемся. Займемся отражением звука, которое называется эхом.

Вы, наверное, знаете, что эхо можно использовать для определения расстояния от источника звука до какого-нибудь препятствия. Это явление давно пытались использовать для определения глубины моря. Для этого в море опускали колокол и измеряли время, которое проходило от удара в колокол до появления отраженного от дна эха. Результаты этих опытов были малоутешительные. Эхо от звука колокола было очень слабое, оно еле-еле было слышно в общем шуме моря.

По этой причине морские глубины по-прежнему определяли лотом, то есть канатом, на конце которого был укреплен грузик.

Правда, звучание колокола было использовано для решения другой весьма важной задачи.

Во время тумана, когда свет маяков плохо виден с корабля, идущего в гавань, велика опасность кораблекрушения. Трудно войти кораблю в узкий пролив бухты без световых сигналов маяка. И тут неожиданно помог звук колокола. Его располагают против пролива на некоторой глубине в центре бухты и заставляют звучать. Звук, распространяясь во все стороны, выходит через пролив в море. Корабль имеет по бортам две слуховые трубы, и время появления в них звука будет, вообще говоря, различным. Если теперь корабль повернуть так, чтобы звук приходил одновременно, то, двигаясь к берегу по этому направлению, он безопасно может пройти пролив и войти в бухту, так как в этом случае идет точно посередине. Слуховые трубы по бортам корабля напоминают уши человека.

Звучание колокола под водой весьма слабое. Звуки большей мощности издает вращающийся диск с отверстиями, через которые продувают воздух. Это устройство звучит одинаково хорошо как в воздухе, так и в воде. Называют его сиреной. По древним сказаниям, мифам, сирены — живые существа, которые жили в воде; песни сирен увлекали корабли мореплавателей на подводные скалы. Так было, по преданию, давным-давно с аргонавтами, которые отправились из Греции в Колхиду искать Золотое Руно.

Спустя несколько десятков лет после первых попыток измерения глубины моря вновь возвратились к эхо. Но на этот раз использовали более мощные источники звука.

Прибор, пригодный для измерения небольших глубин, не более 150 метров, создал в 1912 году немецкий физик Бем. Это был первый эхолот; он принимал отраженный дном звук разорвавшегося на одном из бортов корабля патрона.

В приемник, расположенный на другом борту, поступала только отраженная звуковая волна.

В Америке в это время пользовались эхолотом, который изобрел физик Хейс. Отличался он от эхолота Бема тем, что источник звука посылал короткие сигналы, а приемник принимал прямые сигналы от источника и сигналы, отраженные дном.

Сигнал, отраженный от дна, приходил в приемник позже, чем прямой. Но если они посылались через определенные промежутки времени, то можно было добиться того, что отраженный сигнал приходил в приемник в тот момент, когда приходил какой-нибудь прямой. В этом случае, зная промежуток времени, через который приемником воспринимались прямые сигналы, можно было определить глубину моря.

Оба типа эхолотов в техническом отношении были далеки от совершенства.

Прежде всего потому, что эхо от дна можно было уловить только на малых глубинах. На большой глубине звук терялся, так как отраженный сигнал был очень слабым.

Излучатель эхолота должен посылать звук по одному направлению, отдавая всю энергию в «звуковой луч», а не распылять ее по всем направлениям.

Геометрический размер поверхности излучателя, который способен создать «звуковой луч», должен быть в несколько раз больше длины волны излучаемого звука.

Но самая короткая длина волны слышимого звука в воде будет, при условии, что излучатель делает 16 тысяч колебаний в секунду, чуть меньше 10 сантиметров.

Поперечник излучателя «звукового луча» в этом наилучшем случае должен быть около метра. Такой излучатель очень неудобен в обращении, тем более что получение механических колебаний частоты 16 тысяч герц — довольно сложная задача.

Эти причины принципиально не позволяли технически совершенствовать эхолоты.

Эхо от глубокого дна можно было получить, используя звуковые волны, которые лежат за порогом слышимости. Нужен был ультразвук.

Ультразвуковые волны излучаются излучателем малых размеров. Кроме того, ультразвуковую волну легко направить в нужном направлении. Но самое главное заключается в том, что ультразвуковые волны меньше поглощаются водой.

Гидролокатор представляет собой устройство, которое состоит из излучателя колебаний и приемника их. Звуковой луч, посланный излучателем, натыкаясь на препятствие, отражается в обратном направлении и принимается звукоприемником. Улавливая его, определяют расстояние до препятствия. Ощупывая звуковым лучом глубины моря, стало возможным легко определить не только наличие препятствия, но и его форму.

Блок-схема гидролокатора

Лишь после того, как французский ученый Ланжевен предложил использовать ультразвук, гидролокация стала так широко применяться. Об успехах гидролокатора говорит тот факт, что много затонувших кораблей было найдено ультразвуковым лучом.

Так был обнаружен потопленный немцами в первую мировую войну корабль «Лузитания».

Во время морских войн гидролокаторы на надводных кораблях обнаруживают подводные лодки, а гидролокаторы на подводных лодках — надводные корабли. При этом подводной лодке нет надобности всплывать на поверхность моря, осматривать горизонт и тем самым обнаруживать себя. Усовершенствованный гидролокатор позволяет обнаружить препятствие, определить расстояние до него, его положение в море.

Ну, а теперь вернемся поскорее к летучей мыши, которую мы надолго забросили. Ее свободное поведение ночью натолкнуло исследователей на мысль, что летучая мышь обладает локационным устройством.

Запись ультразвуков летучей мыши

И действительно, ученые обнаружили, что их смелые предположения правильны. Летучая мышь пользуется ультразвуком и с помощью локации легко обнаруживает невидимые препятствия. Анатомические исследования летучей мыши показали, что у нее имеется устройство, излучающее через определенные промежутки времени короткие ультразвуковые сигналы, имеется и приемник отраженных сигналов. Меняя длительность промежутка времени при излучении, ей удается определить расстояние до препятствия. Это и объясняет смелость полетов летучей мыши в темноте и ее удачную охоту. Летучую мышь изловили и заставили… спеть. Звуки этой «песни» оказались не чем иным, как короткими импульсами ультразвуковых волн.

Такими же свойствами, как было замечено, обладает и крохотная птичка колибри.

Схема действия гидролокатора

Устройство интереснейшего прибора — ультразвукового дефектоскопа — основано на отражении ультразвукового луча от неоднородностей внутри металла; здесь опять-таки наблюдается своеобразное неслышимое «эхо». Этот прибор был создан впервые профессором Ленинградского политехнического института С. Я. Соколовым. С его помощью можно обнаружить дефекты, расположенные на расстоянии от 5 миллиметров до 3 метров от поверхности металла.

Схема работы отражательного дефектоскопа

Дефектоскоп Соколова — небольшой, весьма точный прибор. На экране этого прибора, напоминающем телевизионный, можно определять расстояние от поверхности металла до имеющихся внутри него дефектов. Дефектами в металле могут быть раковины, образующиеся при отливке, трещины и т. п. Дефектоскопом удобно проверять и готовые изделия. Однако дефектоскоп лишь позволяет определить наличие дефекта и найти расстояние до него от поверхности, что, естественно, не может во всех случаях удовлетворить потребности производства. Иногда необходимо точно знать форму и размер дефекта. Профессор С. Я. Соколов создал другой замечательный прибор — ультразвуковой микроскоп, при помощи которого стало возможным увидеть изъян, который обнаружен дефектоскопом. Ультразвуковой луч ощупывает дефект внутри металла, а на экране, как в телевизоре, можно видеть его изображение, форму и размеры.

Вот какие возможности скрываются в самом обыкновенном эхо! Один из героев Марка Твена коллекционировал различные места, отличавшиеся диковинными отражениями звуков. Но какую замечательную коллекцию составили бы приборы, использующие это всем известное явление, если бы их собрать все вместе!

 

Архитектурная акустика

Архитектурная акустика занимается изучением законов распространения звука в помещениях.

Это очень сложная и интересная наука.

Сколько различных историй и легенд о таинственных голосах, о зловещем шепоте рассказывается повсюду!

В статье «Звук», которую написал сэр Джон Гершель для Британской энциклопедии, рассказан такой интересный случай.

В одном из соборов на острове Сицилия шепот исповедующихся в грехах верующих был хорошо слышен в противоположной стороне храма.

Случайно это место было обнаружено одним из верующих, который не только сам подслушивал тайну исповеди, но и приглашал развлекаться своих друзей. Это развлечение, однако, неожиданно прекратилось. Но произошло это не потому, что исповедь стала плохо слышимой. Злые языки говорят, что однажды герой этого рассказа вместе со своими друзьями подслушал кое-что о самом себе, и ему стало совсем не до смеха.

На одном из южных островов Азии имеется колодец глубиной 70 метров и шириной 4 метра. Стенки его выложены гладкой плиткой. Если бросить в колодец даже иголку, то слышно, как она ударяется о воду.

А шепот, разносящийся на десятки метров!..

Вот, например, в Крыму, на побережье Черного моря, в Никитском ботаническом саду, на одной из аллей, есть такое место, где еле произнесенный шепот хорошо слышен в долине виноградника, спускающегося к морю. Но зато там совершенно не слышен громкий голос говорящих в долине. Все эти особенности поведения звука можно объяснить, если внимательно проследить за его распространением.

Архитектурная акустика занимается вопросами распространения, поглощения и изоляции звука в зданиях.

В чем заключается различие распространения звука в закрытом помещении от распространения в свободной атмосфере?

В закрытом помещении звук источника отражается от стен, потолка, пола, наполняя собой все помещение. Звук, идущий от источника, называют прямым — он раньше всех отраженных приходит к слушателю.

Отраженные звуки, если они приходят к слушателю на шесть сотых секунды позже основного, воспринимаются им как эхо.

Эхо следует одно за другим, постепенно замирая. Поэтому ухо после прямого звука слышит постепенно замирающий гул.

Такое послезвучание называют реверберацией.

Благодаря реверберации помещения обладают гулкостью.

Время реверберации должно находиться в строгих пределах. Если оно велико — это влечет за собой потерю четкости и разборчивости речи. При малом времени реверберации в помещении так же тяжело говорить и петь, как на открытом воздухе, ибо в этом случае запаздывающие звуки незначительно усиливают прямой звук.

Эти две причины обусловливают некоторое среднее время реверберации, при котором наличие отражений не создает помех в четкости и разборчивости, а, с другой стороны, делает звук приятным.

Для помещений средних размеров такое время не должно быть меньше 0,6 секунды, но и не больше чем 1,3 секунды.

Примером помещения с хорошими акустическими свойствами является Колонный зал Дома союзов в Москве. Построил его архитектор М. Ф. Казаков в 1784 году.

Попытаемся теперь уяснить, как же происходит отражение звука.

Прежде всего следует заметить, что процесс отражения зависит от формы отражающей поверхности, которая разделяет две среды, — скажем, от формы стены.

Если она гладкая, то размеры имеющихся на ней шероховатостей меньше, чем расстояние между двумя слоями, в которых происходит сжатие или разрежение (это расстояние называют длиной звуковой волны). В этом случае происходит зеркальное отражение.

Но если шероховатости сравнимы с длиной звуковой волны, падающей на поверхность раздела, то звуковая волна рассеивается во все стороны. В этом случае говорят, что отражение диффузное.

Закон зеркального отражения звука весьма прост: угол падения звуковой волны равен углу отражения.

Когда звуковая волна достигает поверхности раздела, происходит не только отражение, но и преломление звука — проникновение колебаний через поверхность раздела во вторую среду. При этом звук изменяет направление распространения. Поэтому и говорят, что звук преломляется.

Интенсивность звука, отраженного поверхностью раздела и преломленного, то есть прошедшего через нее, зависит от граничащих сред.

Особый интерес представляет тот случай, когда интенсивность отраженного звука равна интенсивности падающего. Это полное отражение. Явление полного отражения можно наблюдать только в том случае, если звук попадает в среду, где скорость его распространения больше. Существование полного отражения приводит к весьма интересному явлению, которое иногда наблюдается в море.

Звук попадает в подводную ловушку — «мышеловку», из которой он не имеет возможности выбраться ни вниз, ко дну моря, ни вверх, к свободной поверхности.

И все это происходит из-за полного отражения на верхней и нижней поверхности слоя воды, простирающегося на сотни километров.

Явление это называется сверхдальним распространением звука.

Сверхдальнее распространение происходит благодаря тому, что скорость звука в воде различна на разных глубинах. А в толще моря существует слой, у которого скорость звука постоянна, но она меньше, чем в слоях, расположенных выше и ниже его.

Из такого слоя звук выбраться не может, так как, доходя до верхней его части, он должен переходить в слои, где скорость его должна быть больше, а это значит, что существует возможность полного отражения при падении под некоторым большим углом. После полного отражения от верхней части слоя звук достигает его нижней части и тоже отражается. Так он все дальше и дальше удаляется от источника, испытывая многократно полное отражение, и не выходит из слоя до тех пор, пока его интенсивность из-за поглощения не уменьшится настолько, что он становится неслышимым. Но это произойдет на расстоянии сотен километров от источника, если, разумеется, по дороге слой по каким-либо причинам не разрушится.

В Тихом и Атлантическом океанах наблюдали сверхдальнее распространение на расстояниях более тысячи километров.

Наличие таких слоев весьма благоприятно для подводной сигнализации и затрудняет обнаружение подводных лодок.

Но вернемся к архитектурной акустике, задача которой сводится к подбору наилучшего времени реверберации. Это достигают выбором материала для облицовки и украшения стен, а также соотношением длины, ширины и высоты помещения. Но, кроме этого, особенно важным является поглощение звука в помещении.

Поглощением называют ослабление интенсивности звуковой волны, уменьшение ее энергии.

В стенах квартир и учреждений имеются специальные материалы, увеличивающие поглощение.

Весьма остроумным приемом воспользовались для увеличения поглощения русские ученые. Внутри стен устроили полости с маленькими отверстиями. Столб воздуха внутри такой полости обладает собственной частотой колебаний.

Если на стену, в которой имеются такие полости, падает звуковая волна, частота колебаний которой совпадает с собственной частотой столба воздуха в полости, то появляется резонанс.

Энергия падающей волны расходуется на поддержание этих колебаний, и благодаря этому отражение от стенки ничтожно,

Такое устройство называют резонансным звукопоглотителем. Впервые разработал его профессор МГУ С. Н. Ржевкин.

Законы отражения звука делают возможным вести изыскания в недрах земли полезных ископаемых, нефти и газа.

Для этого посылают звук в глубину земных недр, и там, где он встречает границу раздела сред, то есть, где залегают пласты ископаемых, происходит отражение. Отраженный сигнал улавливают и подсчитывают глубины залегания полезных ископаемых.