И.И.Клюкин
Удивительный мир звука
Рецензент -- чл. -кор. АН СССР В. В. Богородский
В книге в научно популярной форме описаны разнообразные акустические явления, происходящие в водной среде. Рассмотрены области применения современной акустики и возможности их дальнейшего расширения.
Книга рассчитана на широкий круг читателей.
ОТ АВТОРА
Во всех упругих средах и телах могут возникать механические (акустические) колебания. Они сопровождаются интереснейшими физическими и иногда физиологическими явлениями.
Области применения акустических колебаний непрерывно расширяются. Однако едва ли они где-либо так многообразны, как в судовождении и судостроении. Это -- эхолотирование и поиск подводных объектов, контроль толщины и качества стальных листов и ультразвуковая очистка, резка и сварка, и еще многое, многое другое. Часто, впрочем, -- когда идет речь об уменьшении шума и вибрации, -- борьба с акустическими колебаниями имеет не меньшее значение, чем их полезное применение.
Из этой книги читатель узнает о парадоксах действий с акустическими логарифмическими единицами и о своеобразных явлениях на границах акустических сред; о том, является ли резонатор усилителем или поглотителем звука; о неожиданных "бытовых" последствиях дифракции и интерференции звука.
Как развиваются ультразвуковая дефектоскопия металлов и ультразвуковая технология обработки, гидроакустическое зхолотирование и телеметрия, борьба с обрастанием судов акустическими методами? Зачем нужна акванавту "гелиевая речь" и каковы ее особенности? Как сделать колебания видимыми, что сулит цветомузыка человеку, нужна ли борьба с "отходами цивилизации" -интенсивными шумами? Какова роль акустики в освоении Мирового океана? Что общего между утренним пением мемнонского колосса и колебаниями трубок паровых котлов, не повинен ли инфразвук в появлении "летучих голландцев"? Обо всех этих и многих других вопросах узнает читатель.
Отзывы и пожелания будут приняты с благодарностью. Их следует направлять по адресу: 191065, Ленинград, ул. Гоголя, 8, издательство "Судостроение".
* ЧАСТЬ 1 *
Мир, в котором мы живем, удивительно склонен к колебаниям... Колеблются даже атомы, из которых мы состоим.
Р. Бишоп
ФИЗИЧЕСКАЯ И ТЕХНИЧЕСКАЯ АКУСТИКА
ЗВУКИ В ВОЗДУХЕ
...атмосфера является почти универсальной средой, в которой протекают звуковые явления...
Рэлей
Мы живем на дне воздушного океана и окружены звуками -- механическими колебаниями, распространяющимися в любой упругой среде. Воздушная среда нам нужна не только как средство существования, средство защиты от губительных космических излучений, но и как звукопровод, позволяющий людям вести речевую связь, воспринимать сигналы опасности, информацию о местонахождении и перемещениях живых и неживых объектов, следить за изменением их состояния, за многими природными явлениями.
Неудивительно поэтому, что человечество с давних времен стремилось среди прочих свойств атмосферы познать ее акустические свойства. Доступными каждому средствами, путем наблюдения разницы во времени между появлением молнии и звуком грома оценили, что скорость распространения звука в воздухе относительно невелика. В начале XVIII века Ньютон выводит формулу, согласно которой скорость звука в газе равна корню квадратному из отношения статического давления газа к его плотности. Лаплас дополнил ее поправкой на теплоемкость среды. Точное значение скорости звука в воздухе вблизи от поверхности Земли оказалось чуть больше трети километра в секунду. Скорость, по теперешним космическим временам, явно небольшая. А по мере увеличения расстояния от поверхности Земли, ввиду падения атмосферного давления, плотности и температуры воздуха, от которой также зависит скорость звука, последняя претерпевает значительные изменения. Для сравнения с другими средами укажем, что скорость звука в воде -- порядка 1,5 километра в секунду, в металлах-- примерно 5 километров в секунду, а в породах земной мантии -- 8 километров в секунду и более.
В наше время развернуты в больших масштабах исследования как акустических свойств атмосферы, так и иных ее свойств и происходящих в ней природных явлений акустическими методами.
Продолжают привлекать внимание акустические характеристики грома. Максимальные спектральные звуковые составляющие в ударах грома находятся, по данным одних исследователей, в диапазоне частот 50--150 герц, по другим же данным, достигают 400-- 500 герц. Сила звука, то есть количество звуковой энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади фронта волны, в 1015 и более раз превышает силу звука человеческого голоса. Подобные звуковые энергии зарегистрированы еще лишь при сильных извержениях вулканов, да, быть может, в непосредственной близости от мощнейших ракетных двигателей. При ядерных взрывах, несомненно, возможны еще более сильные звуковые волны.
А что сказал бы читатель о "шумовом кольце" в атмосфере, кольце, диаметр которого может достигать диаметра Земли? По-видимому, пока ничего существенного, так как первое сообщение о подобном явлении появилось всего 3--4 года назад, и его продолжают обсуждать специалисты. Назвали же его так и доложили о нем французские акустики Берте и Рокар, исследовавшие распространение звука в атмосфере при действии взрывных источников. Они обнаружили в верхних слоях атмосферы на высоте 90 километров звуковой канал, в котором создается высокая концентрация звуковой энергии с ярко выраженными нелинейными эффектами.
