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 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 — pppa.ru. 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.
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.
Читайте также: Морфологические элементы почвы это
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 — pppa.ru. 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.
Соледобытчики, использующие в своей работе метод подземного выщелачивания, теми же звуколокационными приборами определяют размеры и конфигурацию солесодержащих включений, размеры пустот и камер, остающихся после изъятия соли с помощью поверхностных «соляных фонтанов». Обвалы в шахтах. Эти страшные события могут приводить к гибели людей, и давно уже во всем мире стали раздумывать, как предугадать возможное несчастье. Родилась мысль привлечь для этого сейсмоакустические методы и аппаратуру, значительно более чувствительную, чем человеческий слух, и способную объективно регистрировать подземные шумы в течение длительного времени.
Акустическая эмиссия. Этими словами специалисты сейчас обозначают звуки, которые предшествуют ряду механических явлений например растрескиванию и разрушению металлов. Горные акустики изучали мощные звуковые сигналы, которые, как оказалось, начинает излучать порода, перед тем как в ней произойдут разломы и разрывы. Спектр этих акустических импульсов достаточно широк, наиболее интенсивные составляющие находятся в области частот 300-600 герц. Но вот беда: спектр шумов в породе при работе отбойных молотков и врубовых машин примерно одинаков. Значит, надо измерять подземные шумы вдали от забоя, где производятся работы, а также в ночное и обеденное время.
Всегда ли мощные звуковые импульсы предшествуют выбросам угля и газа? Требуют ли они, эти импульсы, обязательного удаления шахтеров из забоя? Оказывается, не всегда были случаи когда работа прерывалась, а динамических явлений в шахте не происходило. Лучше и раз, и два, и три выйти из забоя, чем хоть раз быть засыпанными. Но чпециалисты повысили точность своих прогнозов. Какова же она сейчас? Накопленный опыт, использование разработанной горными акустиками системы статистических критериев повысили надежность текущего сейсмоакустического прогнозирования опасности динамических явлений в шахтах до 95-98%. Более того, применение направленных систем геофонов дало возможность определять координаты очагов акустических импульсов, то есть, по существу, и очагов возможных подземных катаклизмов, больших и малых.
Неуютен труд шахтных акустиков. Ученые в комбинезонах и касках с лампочками шлепают по мокрым штольням, иногда ползают в них на коленях, отыскивая, где бы установить свои геофоны и усилители. Нет-нет, и крепкое соленое словцо шахтеров, которым помешали, сопровождает действия научных работников. Но наградой им служит сознание того, что их работа сохранила жизнь не одному горняку.
Раз уж земная среда проводит звук, то можно не сомневаться, что подземная акустика найдет еще множество применений.
Звуковые волны
Звуковые волны или звук – это колебания частиц, распространяемые волнообразно в какой-либо среде – газообразной, жидкой или твёрдой, – которые воспринимаются органами слуха животных.
Когда мы изучаем свет, то убеждаемся не только в том, что он существует вне нас, но сверх того еще и в том, что нам необходимо иметь глаза для восприятия света, иначе мы и не подозревали бы о нем. Всё вокруг нас погружается в темноту, когда мы закрываем глаза. Точно так же для нас не существовало бы мира звуков, если бы у нас не было органа слуха, который воспринимает их.
Итак, мы называем звуком то, что мы чувствуем нашим слуховым аппаратом. Но явления внешнего мира для нас имеют характер звуковых только с того момента, когда они дошли до наших ушей. Закрыв уши пальцами, мы не услышим разговора, хотя он и продолжается около нас.
- Звуковые волны, как и свет, представляет собою действие на нас специальных волнообразных движений. Явления, общие для всех родов волнообразного движения, будут иметь место и в свете, и в звуке, хотя существуют огромные различия между тем и другим родом волнообразных движений.
- Звуковые волны отличаются от света тем, что волнообразные движения происходят не в межзвездном пространстве, а в материальной среде. Такою средою, большею частью, служит воздух. Но ею может быть также всякий газ или смесь газов, ею могут быть и жидкости, как вода, и твердые тела. Там же, где нет обычной материи, не может быть и звука.
Из этого следует, что как бы ни были грандиозны звуковые явления, происходящие на Солнце и Луне, они не могут произвести такого шума, который мог бы быть услышан у нас на Земле, потому что за пределами нашей атмосферы, между Землей и небесными телами, нет обычной материи.
Источники звуковых волн
Мы говорим, что звук есть волнообразные движения или колебания. Каждый, кто видел или чувствовал то, что происходит, когда рождается звук, тотчас согласится с этим. Так, например, если крепко натянуть нить и потом быстро ударить по ней, то можно видеть, как она заколеблется. И услышать при этом небольшой музыкальный звук. То же самое будет наблюдаться в звучащей фортепианной струне или в колоколе. И мы можем ощущать эти колебания, если дотронемся до них.
Читайте также: Агропроизводственная характеристика дерновой почвы
Мы также знаем, что при ударе по стеклу оно издает звук, который прекращается, если прикосновением пальца прекратить его колебания. Все эти явления служат доказательством того, что известные колебания производят звук. Каждый раз, когда колеблется колокольчик, стакан или струна, воздух получает от них легкие удары. В нем образуется ряд волн, доходящих до нашего уха, вот почему мы и слышим звук.
Нетрудно доказать, что воздух проводит звуковые волны. Для этой цели производят следующий опыт: под стеклянный колпак воздушного насоса помещают электрический звонок, заставляют его непрерывно звенеть. Затем начинают насосом выкачивать воздух.
Когда уменьшается количество воздуха под колпаком, мы видим звонок так же хорошо, как и раньше, потому что свет распространяется, когда воздуха нет. Но звук делается все тише и наконец совершению прекращается. Колебания звонка продолжают совершаться, но так как вокруг него больше нет воздуха, то он не может производить те волны. которые мы называем звуковыми. Если же воздух начинает снова входить под колпак, то звук восстанавливается. Этот простой опыт показывает нам не только то, что воздух служит проводником звука, но и то, что сила звука в значительной степени зависит от состояния воздуха.
Когда у нас появляется возможность сравнить скорость света со скоростью звука, то мы находим между ними огромное различие. Но видим огонь и дым при стрельбе из отдаленной пушки на несколько секунд раньше звука от ее выстрела. Свет распространяется так быстро, что даже значительное расстояние, на котором находится от нас действующее орудие, он проходит в какую-нибудь тысячную долю секунды; тогда как звук распространяется гораздо медленнее, и скорость его распространения при таком опыте очень легко вычислить.
Распространение звуковых волн
Возьмем несколько бильярдных шаров и положим их прямой линией на бильярдном столе так, чтобы они касались друг друга. Затем возьмем еще шар и покатим его так, чтобы он ударил в шар, лежащий на конце ряда. Тогда каждый из шаров в ряду будет попеременно сжиматься и производить давление на следующий за ним, в результате чего шар, находящийся на другом конце ряда, отскочит от него.
Каждый шар ряда здесь попеременно сжимается и расширяется. То же самое случается и в воздухе, когда звук проходит через него. Мы можем представить себе, что волну принуждают двигаться частицы воздуха, ударяющие одна о другую при своих движениях взад и вперед, точно так, как эти бильярдные шары.
Скорость звука
Скорость света одинакова при всех условиях, насколько это можно было изучить. А скорость звука изменяется в значительной степени с изменением условий, при которых он распространяется в воздухе. Большое счастье для музыкального искусства заключается в том, что скорость звука изменяется только в незначительной степени с изменением высоты его или силы.
Было бы очень затруднительно слушать издали музыку, если бы звуки различных инструментов оркестра доходили до нашего слуха в разное время, в то время как композитор имел в виду, что они будут слышаться одновременно. Или, если бы мотив, разыгрываемый одной частью оркестра, доходил до нашего слуха раньше того, что играет другая часть оркестра, или позже.
1. Скорость звука в воздухе
Обычная скорость звука в воздухе считается около 331 метра (То есть около трети километра) в секунду. Когда температура воздуха поднимается, он становится более упругим и тогда прохождение звука через него совершается быстрее.
Скорость звука увеличивается с повышением температуры воздуха, если плотность его остается той же самой.
Если мы примем во внимание зависимость скорости звука от упругости проводящей его среды, то нам будет понятно, почему звук проходит значительно быстрее в жидкостях, чем в газах, и еще быстрее в твердых телах.
2. Скорость звуковых волн в твёрдых телах
Звуковые волны распространяются в твёрдых телах быстрее, чем в воздухе. Железо, когда оно в твердом состоянии, обладает большею упругостью, чем воздух, и звук проходит в нем почти в семнадцать раз быстрее, чем в воздухе
Нельзя смешивать скорость распространения звука в воздухе или в какой-либо другой среде с высотой тона. Она у музыкального звука зависит от числа колебаний в секунду, и чем их больше, тем выше тон.
Звук, как мы сказали, проходя через железо, достигает нашего уха в семнадцать раз быстрее, чем когда он проходит через воздух; высота же его тона остается той же самой в обоих случаях, потому что число колебаний в секунду остается одно и то же, хотя звук через железо проходит значительно быстрее.
3. Скорость звука в разных средах
- Хлор – 206 м/сек
- Углекислый газ – 259м/сек
- Кислород – 316 м/сек
- Водород – 1 284м/сек
- Неон – 435 м/сек
- Метан – 430 м/сек
- Воздух – 331 м/сек
- Стекло – 4 800 м/сек
- Литий – 6 000 м/сек
- Алмаз – 12 000 м/сек
- Железо – 5 950 м/сек
- Золото – 3 240 м/сек
Читайте также: Диффенбахия почва состав почвы
Сила звука
Когда мы начнем исследовать силу звука на разных расстояниях, то найдем, что первый закон, относительно его, тот же, что и для света. И насколько нам известно, этот закон верен не только относительно волнообразных движений, но и такого явления, как тяготение.
На точном научном языке закон о силе звука излагается так:
Сила звука изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от его источника
Таким образом можно коротко и ясно выразить, например, ту мысль, что если мы удаляемся от источника звука на расстояние, которое в три раза больше прежнего, то сила звука уменьшится при этом не в три, а в девять раз: девять есть квадрат трех. Квадратом числа называется число, полученное от перемножения его на самого себя.
Когда этот закон применяется к силе света или тяготения, то нам не приходится считаться с какими-либо условиями, которые могут повлиять на них. Но если речь идёт о звуке, то дело обстоит несколько иначе. На звук влияет плотность той среды, в которой он проходит; в морозную ночь воздух очень плотен, почему нам и дышится тогда легче, звук же будет в это время слышен сильнее. С другой стороны, звук ружейного выстрела высоко в горах ослабляется, потому что воздух там редок. Это явление напоминает нам опыт со звонком под колпаком воздушного насоса.
Отражение звука
Когда мы наблюдаем, как волны моря или озера ударяют в крутой берег, мы видим, что они отражаются от него и отскакивают назад. Если поверхность берега ровная и вертикальная, то мы видим, что волны отражаются от нее точно так же, как мяч от стены. Если звук есть действительно волнообразное движение, то мы всегда можем ожидать, что и он будет так же отражаться, как водяные волны, и нам часто приходится убеждаться в этом.
Всякие движущиеся волны могут отражаться от преград на их пути; это совершается как при свете, так и при морских волнах. Есть законы отражения, которые одинаково приложимы к этим различным явлениям.
- Первый из них говорит, что угол падения волны равен углу ее отражения: это значит, что угол, под которым волна достигает поверхности, точно такой, под которым волна удаляется от нее в другую сторону. Точно такое же явление происходит при бросании мяча в стену. Если мы бросим мяч в стену в перпендикулярном направлении, то в таком же направлении он отскочит от нее; если мы бросим мяч вкось, он так же вкось отскочит. А в том случае, когда стена плоская и на мяче нет никаких неровностей и если при этом мы можем измерить угол, под которым мяч падает на стену, и тот, под которым он отскакивает от нее, то всегда найдем, что оба эти угла равны.
- Второй: плоскость, в которой волна приближается, всегда та же самая, по которой она удаляется от отражаемой ее поверхности. Предположим, например, что звук движется по поверхности листа бумаги и на краю листа ударяется в перпендикулярную к нему стену. Он отразится не только под тем же углом, под которым приближался, а пойдет назад опять в плоскости листа бумаги, не уклоняясь ни вверх, ни вниз.
Природа грома
Мы все хорошо знаем, что на открытом воздухе звук кажется нам не таким, как в закрытом помещении. И наш голос в разных местах звучит различно. Все эти явления зависят от особенностей отражения звука в разных местах.
Самым лучшим способом для доказательства отражения звука может служить эхо. Мы можем довольно простым способом определить скорость звука, стоит только нам произвести звук на некотором расстоянии от отражающей его поверхности и заметить, как быстро мы услышим эхо.
Лучшим примером отражения звука, производящего эхо, являются раскаты грома, случающиеся во время грозы:
- Гром — это сотрясение воздуха, образующее звук
- Он происходят благодаря тому, что молния проходит от облака к облаку или от облака к земле.
- Если нет эха, то мы слышим просто единичный удар грома, соответствующий одной мгновенной причине, производящей его
- Когда же мы слышим раскаты грома, мы просто слышим эхо одного и того же удара, отражающегося много раз от облаков к земле
Волны Рэлея
Если мы наполним резиновый шар или выпуклый диск углекислым газом, то заметим, что он действует на звук точно так, как зажигательное стекло на световые лучи. Звуковые волны отклоняются газом, находящимся в шаре, так что они все собираются в одном пункте, находящемся по другую сторону шара точно так, как лучи солнца могут быть собраны на кусок бумаги в одну точку зажигательным стеклом.
Это видно из хорошо известного опыта, произведенного замечательным английским ученым, лордом Рэлеем. Опыт этот заключается в том, что нас ставят против часов на таком расстоянии, чтобы не слышать их тиканья. Если после этого гуттаперчевый шар, наполненный углекислым газом, будет помещен между нами и часами, то, находясь на том же самом расстоянии, мы услышим часы. Это происходит вследствие того, что углекислый газ преломляет звуковые волны и фокусирует их в одной точке.
- Свежие записи
- Как избавиться от мошек в цветах комнатных растений
- Что добавить в воду чтобы цветы дольше стояли
- Какие цветы сочетаются друг с другом на клумбе
- Жмых от кофе как удобрение для комнатных цветов
- Белый липкий налет на комнатных цветах как избавиться
- Правообладателям
- Политика конфиденциальности