Гидроакустика — инструмент изучения Мирового Океана

Специальность “Акустические системы и приборы” кажется мне наиболее приемлемой для моего склада ума. Мне нравится поиск, меня привлекает возможность нестандартных решений проблем. Кроме того, можно приобрести навыки научно- исследовательской работы. Мне нравятся физика и математика, и это вовсе не исключает романтики. Без ультразвуковой диагностики невозможна современная медицина, без ультразвуковой обработки— инженерия.

Ультразвук применяется в практике физических, физико-химических и биологических исследований, а также в навигации, подводной связи. Он помогает предсказать возможные землетрясения, служит для передачи полезной информации, борется с вредителями. К примеру, очень часто реальную угрозу представляют птицы: самолетам — когда пернатые скапливаются в зонах аэродромов; электрическим сетям — когда грачи и вороны гнездятся на опорах высоковольтных линий, земледелию — когда расплодившиеся птицы нападают на сады и виноградники; рыбоводству — когда прожорливые чайки истребляют рыбную молодь в мелководных питомниках. Ультразвук помог решить и проблемы, возникающие на птицефабриках. “Бройлер” — генератор звуковых частот выдает в определенном режиме сигналы, которые воздействуют на слух эмбриона, воспринимающего сигналы громкоговорителя как материнские. Разработан и “Синхротемп”, имитирующий “лидера” в кладке. Его “щелчки” заставляют весь выводок дышать в навязанном ему ритме, а следовательно, и вылупляться одновременно. Создан и “Диапазон” — прибор для определения пола у цыплят.

Мы живем в мире акустики, и человечество еще ждут открытия. Считаю, что за акустикой — будущее, и специалисты этой области будут нужны всегда. Очень надеюсь принести пользу людям.

-3-

Глава I

Человек и Океан.

Многовековая история человеческого общества, весь его путь к прогрессу теснейшим образом связаны с океаном — с мореплаванием, с освоением его огромных пищевых, сырьевых, а позже и топливно-энергетических ресурсов. “Очень скоро с Океаном, возможно, будет связана проблема самого существования человечества,”— утверждал известный исследователь морских глубин Жак-Ив Кусто.

“Очень скоро всем нам придется пойти на поклон к богу морей — просить его поделиться с людьми своими богатствами”, “Угроза минерального голода в буквальном смысле заставит человека активно осваивать Океан”,— вторят ему ученые академики — геолог В.И.Смирнов и океанолог Л.М.Бреховских.

А что мы знаем об Океане?

Рельеф суши давно отражен в подробных географических картах, а о рельефе дна огромного пространства Океана до недавнего времени было лишь весьма приблизительное представление. В 1975 году в Советском Союзе был издан геолого- геофизический атлас Индийского океана. В нем много новых подробных карт дна. Океанологами изучен не только рельеф, но и распределение отложений, глубинное строение земной коры, подводные землетрясения, магнитные аномалии. В наши дни Океан изучают разными способами. Трудно исследовать глубины на специальных аппаратах без надежной связи с поверхностью. А радиоволны, служащие нам верой и правдой на Земле и в космосе, гаснут в воде, преодолев лишь десятки-сотни метров. Заменить их пока могут лишь волны акустические.

-4-

Глава II

Чем занимается гидроакустика.

Гидроакустика занимается вопросом генерирования, передачи, приёма и использования природного звука. Поскольку радио- и световые волны в большой степени поглощаются водами океанов, а звуковые волны практически не поглощаются, звук используется для зондирования дна океанов, определения местонахождения различных объектов в океанах, исследования природы донных отложений и как средство связи.

Самым ранним использованием подводного звука была установка под плавучие маяки и бакены колоколов, погруженных в воду. В период плохой видимости звук этих колоколов можно было обнаружить на больших расстояниях при помощи гидрофонов, устанавливаемых в корпусе судна.

В 1912 г. Томас Грин Фессенден разработал электромагнитный источник звука, который позволил осуществить связь между судами путём подводной сигнализации с помощью азбуки Морзе. Разработка эхолота явилась другим примером раннего использования гидроакустики. В 1937 году впервые был применен новый метод измерения глубин, основаный на эффекте звукового сигнала от дна.

Измерения глубин эхолотом изменили прежние представления ученых о рельефе дна океана. Почти все промеры сейчас проводятся эхолотами, а сам метод получил название эхолотирования. Скорость распространения звуковых сигналов обычна равна 1460 м/с ( 800 мор. саженей ). Для точного измерения глубин совершенно необходимо иметь источник колебаний со строго определённой периодичностью посылки звуковых сигналов. В противном случае незначительные отклонения в периодичности посылки сигнала и изменения напряжения питания могут повлиять на синхронность работы самописца, что повлечёт за собой существенные погрешности в определении времени между прямым и отраженным звуковым импульсом на эхограмме.

Большинство применяемых сейчас эхолотов снабжено встроенными стабилизаторами частоты посылки сигналов, что обеспечивает стабильное управляющее напряжение самописцам; в результате достигается почти 100% точность измерения. Метод эхолотирования не позволяет с такой же точностью получать

-5-

абсолютные глубины, поскольку скорость прохождения звука через толщу воды для разных глубин различна. Тем не менее повторное

зондирование при изменении частоты сигналов должно показать те же самые величины.

Ошибки иного рода при эхолотировании ( в старых моделях эхолотов ) происходят из-за того, что луч, посылаемый эхолотом, распространяется не в виде узкого вертикального пучка, а в виде конуса с телесным углом около 30 °. В результате в тех случаях, когда проводится зондирование крутых склонов, сигнал обычно отражается от ближайшей к судну точки на склоне, а не от

поверхности дна строго под судном. Эхолот измеряет глубину воды под корпусом судна путём хронометрирования эха коротких звуковых импульсов, отражающихся от дна океана. Первоначально основными задачами гидроакустики были обнаружение подводных лодок, определение дальности распространения звука и т.д. В настоящее время гидроакустика является

областью прикладных и научных исследований. Преломление и отражение звука используются геофизиками и морскими геологами для использования глубинной структуры океанического дна ( сейсмическое профилирование ) и составления карт дна океанов ( измерения эхолотом ). Биологи моря изучают звуки, издаваемые различными формами морской фауны.

Скорость распространения звука равна квадратному корню из отношения сжимаемости морской воды к её плотности и в океанах зависит от температуры, солёности и давления (глубины ). Основное влияние на скорость звука оказывает температура. Скорость звука в морской воде колеблется от 1450 до 1570 м/c; она увеличивается с увеличением температуры на переменную величину, составляющую примерно 4,5 м/c на 1°С; она также увеличивается на 1,3 м/c по мере возрастания солёности воды на 1 0/00 , и, наконец, она увеличивается с глубиной на 1,70 м/c на 100 м.

Применения электронных методов для акустических и сейсмических исследований, а также для изучения магнетизма, сил тяжести теплового потока на океанической коре имеет громадное значение для быстрого развития морской геологии.

Развитие эхолотирования побудило специалистов, занимающихся морскими подводными съёмками составить весьма подробные карты континентальных шельфов и склонов.

В 50-е годы существеным вкладом в развитие морской геологии явились разработка и использование сейсмического

-6-

профилирования методом отраженных волн, что позволило изучить характер структур и формаций, залегающих под поверхностью океанического дна. Этим методом были исследованы многие континентальные склоны на земном шаре; бесчисленные профили пересекли все океаны, что обеспечило поступление огромного потока информации.

Акустические приборы, буксируемые вблизи морского дна, обеспечивают получение более точных профилей рельефа, чем те, которые получали с помощью приборов, установленных на надводных судах. Метод бокового сканирования, использующий бортовые или погружные буксируемые приборы ( геосонары ), дают возможность охватить широкие полосы дна по обе стороны от движущегося судна, благодаря чему можно получить трёхмерную картину рельефа дна.

Значительный прогресс в повышении точности определения местоположения судов достигнут благодаря таким нововведениям, как спутниковая навигация и триангуляция с помощью системы погружаемых буев, снабженных акустическими приборами ( транспондерами ). С большим успехом применяются и другие электронные навигационные устройства, а также судовые компьютеры, системы накопления, хранения и обработки данных.

-7-

Глава III

Методы измерения глубин.

До 1920 г. все промеры глубин осуществлялись таким образом: в воду опускали груз, подвешенный на конце линя; когда груз достигал дна (этот момент отмечался на лине ), линь с грузом выбирали и замеряли длину линя. После 1870 г. верёвочный линь, растяжение которого сказывалось на результатах измерения, был заменён металлическим тросом. Для получения истинной глубины дна необходимо, чтобы положение троса в момент замера было близко к вертикальному. Промеры с помощью металлического троса также весьма затруднительны, даже при использовании скоростных лебёдок и высокоманевренных судов, спуск груза с которых может проводиться при почти вертикальном положении троса. Глубоководный промер этим способом занимает часы.

Существует еще один метод для получения картины поверхности дна по обе стороны от маршрута судна, состоящий в использовании гидролокатора, аналогичного устройствам, применяемым для обнаружения подводных лодок. Луч этого излучателя направлен вниз под небольшим углом от поверхности океана.

Сейсмическое профилирование методом отражения волн (МОВ) сходно с эхолотированием, однако здесь вместо высокочастотных используются низкочастотные импульсы упругих волн, которые в меньшей степени поглощаются при прохождении через слои осадков и коренных пород морского дна. Границы между слоями осадочных пород получаются в виде полос, лежащих под донной поверхностью и выражающихся уплотнением записи. Это даёт возможность выявить строение осадочных слоёв, определить глубину залегания фундамента и других важных границ раздела океанической коры. Также с помощью сейсмических исследований было установлено, что под океанами, как и под континентами имеется поверхность раздела, ниже которой звуковые волны распространяются со скоростью, несколько превышающей 8 км/сек, тогда как выше этой поверхности скорость распространения их более низкая.

Академик Л. Бреховских разработал подробную теорию распространения звуковой энергии, которую он назвал “подводным звуковым каналом”, и и 1976 году его вместе с коллективом авторов монографии “Акустика океана” наградили Государственной

-8-

премией. Эксперименты проводились на научно-исследовательских судах “Сергей Вавилов” и “Петр Лебедев”, первых плавучих лабораториях, специально приспособленных для этого.

Аналогичное открытие сделали и американцы. Впрочем, их работы проводились в обстановке строжайшей секретности , а результаты не публиковались, вероятно, из-за военной направленности исследований.

Дальность действия подводных каналов поразительна! Звук от подводного взрыва полуторакилограммового заряда в Атлантике зафиксировали приборы на Бермудских островах, находящихся в 4500 км от места эксперимента. В воздухе такой взрыв был бы слышен на расстоянии не больше 4 км, а в лесу — не больше 200 м. С помощью волноводов в настоящее время фиксируются ядерные испытания .

Это явление привело специалистов к принципиально новой идее акустической спасательной службы: достаточно взорвать сигнальную гранату, чтобы мгновенно определить место аварии или катастрофы и организовать помощь.

Кроме того, акустический волновод оказался очень полезным и для метеорологов: подводные приемники, оказывается, могут улавливать шумы из эпицентра урагана, бушующего за сотни километров от станции. Следя за направлением и громкостью этих зауков, в принципе нетрудно рассчитать и курс урагана, перехватить отзвуки грозного цунами, что особенно важно для жителей прибрежных районов — ведь от Чили до Гавайских островов волна цунами идет 10 ч, а от Чили до Японии — 20ч. Сущая черепаха по сравнению со своим звуковым сопровождением!

-9-

Заключение.

Не исключено, что океанские акустические коммуникации играют роль своеобразной нити Ариадны для некоторых морских животных, например, для дельфинов. Наши водные братья по разуму обладают таким чувствительным звуколокатором, что наверняка куда раньше принимают предепреждения о сейсмических катастрофах, подводных извержениях, цунами и ураганах, чем современная аппаратура, созданная человеком. Но, несомненно, наступит час, когда и мы будем столь же хорошо посвящены в тайны голубого континента!

Мне очень хочется быть причастным к этим открытиям, вот почему я выбрал факультет “Акустические системы и приборы” — дорогу к изучению Мирового Океана.

-10-

Список литературы:

1. Океанографическая энциклопедия. Под ред. канд. геогр. наук Мироненко З. И., Ковель Л. В. “Гидрометеоиздат”, 1974 г.

2. Шепард Ф. П. Морская геология. Перевод с английского Филатова С., под ред. канд. геол.-минер. наук Ласточкина А. Н. Ленинград, “Недра”, 1976 г.

3. Аксенов А., Чернов А. Человек и океан. Москва, “Международная библиотека”, 1979 г.

4. Ермолаев Г. Морская лоция. Москва, “Транспорт”, 1975 г.

5. Советский энциклопедический словарь. Под ред. Прохорова А. М. Москва, “Советская энциклопедия”, 1984 г.

6. Климова. В. Радиоволна сообщает о болезни. Журнал “Техника — молодежи” № 4, 1985 г.

7. Глущенко Н. Нас понимают и слушаются нас. Журнал “Техника — молодежи” № 8, 1983 г.

8. Малаев А. Акустика и ... куры. Журнал “Техника — молодежи” № 2, 1982 г.

9. Юша Ю. Загадка горы Кинмей. Журнал “Техника — молодежи” № 2, 1980 г.

10. Родиков В. Свет и звук в природных волноводах. Журнал “ Техника — молодежи” № 6, 1979 г.