Echo underwater

Трагическая гибель «Титаника» при столкновении с айс­бергом в 1912 г. вызвала первые попытки изобрести средство обнаружения айсбергов в темноте или в тумане. Но еще в 1959 г. пассажирское океанское судно, оборудованное всеми современными навигационными средствами, утонуло из-за столкновения с айсбергом. Плодовитый изобретатель Хайрем Максим, пытавшийся, между прочим, в конце XIX века построить летательную машину, предло­жил непосредственно воспроизвести навигационные методы летучих мышей в качестве средства обеспечения безопаснос­ти плавания океанских судов. К сожалению, он не знал по-настоящему способы навигации летучих мышей — по той простой причине, что после Спалланцани этим вопросом пре­небрегали. Предположение Максима об использовании ле­тучими мышами принципа эхолокации было правильным, однако он ошибочно считал, что сигналом является звук взмахов их крыльев. Поэтому он рекомендовал оборудовать суда источником звука очень низкой частоты, порядка 15 гц, а устройства для приема этих низкочастотных звуков пред­лагал установить в носовой части корабля. Слабые эхо долж­ны были приводить в действие маленький колокольчик, а сильные — большой гонг, чтобы команда судна могла су­дить о серьезности опасности.

Идея Максима все же была шагом вперед к пониманию механизма навигации летучих мышей, так как здесь впервые была высказана мысль, что в основе загадочной способности летучих мышей летать в темноте лежат звуки, не слышимые человеческим ухом. Однако его идеи не привели к соз­данию практических методов обнаружения айсбергов, и причиной этому были по крайней мере два важных фактора. Во-первых, предложенные им низкие частоты обозначали ис­пользование больших длин волн: частоте 15 гц соответствует длина волны 20 м. В наши дни хорошо известно, что объект, размеры которого значительно меньше длины волны звука, дает лишь очень слабые эхо, но в 1912 г. этому факту еще не придавали должного значения. Если бы ученые не смот­рели свысока на летучих мышей и были ближе знакомы со «спалланцаниевой проблемой», то к 1912 г. удалось бы до­стигнуть больших успехов. Во-вторых, Максим предлагал производить звуковую локацию айсбергов в воздухе, в то время как фактическая опасность грозит кораблю от под­водной части айсберга, которая к тому же больше надвод­ной части. Это последнее соображение заставило других изобретателей изучить возможность использования подвод­ного звука.

Через два или три года после гибели «Титаника» возрас­тающее использование подводных лодок немецким военным флотом заставило ускорить разработку подводных звуко­вых устройств. Сначала ограничивались подслушиванием звуков, исходивших от подводных лодок, главным образом от их двигателей и гребных винтов. До сих пор пассивное подслушивание под водой шума кораблей составляет зна­чительную часть применения подводного звука в военных флотах. Однако в малом масштабе уже к 1918 г., а в гораздо большей степени к 1940 г. научные исследования привели к возможности активного зондирования моря при помощи звуков, позволяющих получить эхо, поддающееся обнару­жению. Основными военными целями были вражеские под­водные лодки, но наряду с разработкой сонара появился и эхолот — прибор для измерения глубины водоема.

Казалось бы, что дно моря — легче обнаруживаемая цель, чем вражеская подводная лодка (или чем рыбешка для дельфина). Однако в течение ряда лет оказывалось, что предложить метод легче, чем его осуществить. В глубоко­водных областях океана эхо даже от дна получалось таким слабым, что при помощи первых моделей сонара его трудно было обнаружить. Но хуже всего приходилось в мелковод­ных и потому наиболее опасных местах. Трудность заклю­чалась в помехе, идущей от корпуса судна: корпус «зве­нел», давал «послезвучание». В результате общая длитель­ность звука превосходила время, потребное для пробега сигнала до дна океана и обратно. Другими словами, здесь возникали трудные задачи различения сравнительно слабого эхо — его отделения от непрекратившегося исходного зву­ка. Приборы столкнулись с теми же трудностями, кото­рые делают слепых менее искусными в эхолокации, чем ле­тучие мыши и дельфины. Технически эта задача была час­тично решена после того, как научились создавать подвод­ные звуки меньшей длительности.

К 1950 г., однако, эхолот был усовершенствован и дове­ден до такой степени надежности, что он стал почти необхо­димым навигационным прибором. Чувствительность его настолько повысилась, что он стал давать сигналы «ложного дна» между кораблем и настоящим дном. Обнаружение «ложного дна» на двух-трех глубинах выше истинного дна было поражающим открытием, но вскоре рыбаки, исполь­зовавшие эхолоты, стали замечать, что в некоторых слу­чаях «ложное дно» оказывалось отражением от косяка рыб.

Вслед за этим почти везде в открытом океане на глубинах в несколько сотен футов были замечены таинственные слои, дававшие слабое эхо рассеянного звука. Их назвали глубо­ководными рассеивающими слоями; как обнаружилось впо­следствии, эти слои перемещаются вверх и вниз в утренние и вечерние сумерки. Этот факт послужил ключом к выясне­нию их природы. Проводя систематический лов сетями, оке­анографы давно заметили, что большие популяции креветок и других мелких морских животных живут на глубинах, куда солнечный свет почти не проникает. При этом оказа­лось, что в полдень они держатся на большей глубине, чем в полночь. Это указывает на массовое перемещение в верти­кальном направлении: вверх по вечерам и снова вниз на рассвете. Оказалось, что записи глубины рассеивающих слоев как раз согласуются с таким поведением жи­вотных.

Как только этот факт был установлен, эхолот сделался ценным орудием биологических исследований, так как те­перь при его помощи стало возможным точное изучение вер­тикальных перемещений животных. Само собой разумеется, что отражения от глубоких рассеивающих слоев ничего не могут сказать о том, какие виды животных их создают, так что и до сих пор не известно с достоверностью, дают ли эхо в основном креветки,  рыбы или, возможно, головоногие.

Во время второй мировой войны сонары с успехом приме­нялись для эхолоцирования вражеских подводных лодок. В одном типе сонара имеется передающий гидрофон, или под­водный громкоговоритель, излучающий звук мощностью 600 ватт. Заметим, для сравнения, что в тихом помещении минимальная слышимая мощность звука при частоте, отвечающей наибольшей чувствительности слуха, равна 10^-16 ватт на 1 см²;громкий крик вблизи создает мощность 10^-4 ватт на 1 см². Таким образом, сонар передает в океан звуковую мощность, соответствующую 6 000 000 громким крикам. Эти мощные лоцирующие звуки излучаются в виде коротких импульсов длительностью в одну или две де­сятых секунды. Частота системы может быть выбрана произ­вольно в пределах от 10 000 до 26 000 гц.Так как скорость звука в морской воде равна примерно 1500 м/сек, то длина волны такого звука будет составлять от 5,8 до 15 см, а дли­на всего звукового сигнала в пространстве будет составлять от 150 до300 м.

Используемый в этой системе диапазон частот лежит частично за пределами человеческого восприятия, поэтому требуется  какое-нибудь   устройство   для  преобразования этих звуков в слышимые. Быть может, вы знаете, что такое «разностный тон», или «тон частоты биений», замечаемый при одновременном звучании двух почти сов­падающих нот. Так, если частота одной ноты равна 500 гц, а второй 600 гц, то можно услышать еще третью ноту часто­ты 100 гц. Для этой цели в электрической цепи сонара соз­дается местная частота, которая, комбинируясь с частотой приходящего эхо, дает слышимый разностный тон. Напри­мер, эхо частоты 22 000 гц вместе с местной частотой 23 000 гц дадут слышимый тон частоты 1000 гц. Поскольку исходный звук очень короткий, то и разностный тон также получится очень коротким и будет звучать как «пинг». Этот звук стал настолько привычным для моряков противолодочной обороны, что звуковая локация получила у них название «пингирования»).

При выборе наивыгоднейшей частоты подводного звука для получения эхо применяются те же общие соображения, которые оправдываются в случаях эхолокации у летучих мышей и у слепых людей. Желательно использовать ко­роткие звуковые сигналы, так как тогда излучение звука окончится до возвращения эхо. Это значит, что звуковой сигнал не может состоять из слишком низких частот, иначе за время излучения сигнала был бы совершен только один или два цикла колебаний. Даже подводные лодки представ­ляют собой небольшую цель, так что если их размеры ока­жутся меньше длины волны, то это приведет к уменьшению эхо. Далее, всегда имеющийся в море шумовой фон более интенсивен на низких частотах. С другой стороны, при рас­пространении звука в воде, как и в воздухе, с повышением частоты растут потери энергии вследствие поглощения зву­ка. У летучих мышей наиболее удовлетворяющий их аппарат для эхолокации выработался в процессе эволюции, но человек, конструируя сонар, должен учесть совместное дей­ствие всех этих факторов; оказалось, что наилучшим ком­промиссным решением является выбор рабочих частот эхо­локации как раз в диапазоне 10 000—26 000 гц.

Многие виды летучих мышей, наиболее успешно при­меняющих эхолокацию, пользуются звуковыми сигналами, частота которых быстро меняется за время каждого корот­кого сигнала; в связи с этим интересно отметить, что конст­рукторы разработали аналогичную систему, улучшающую работу сонара. В одном из образцов частота сигнала изменялась непрерывно от значения, на 800 гц превышающе­го среднюю частоту, до значения, на 800 гц меньшего этой частоты. Такое изменение частоты происходит, как и у «час­тотно-модулирующих» летучих мышей, внутри каждого от­дельного звукового сигнала. При приеме эхо это изменение частоты можно услышать как изменение частоты разностно­го тона. В одном типичном варианте сонара частота сигнала, а значит и частота эхо, изменялась от 20 800 гц до 19 200 гц. При местной частоте 19 000 гц частота разностного тона из­менялась от 1800 до 200 гц, что давало характерный звук «уииууоу». Одно из преимуществ этого метода состоит в том, что многочисленные эхо от корпуса судна и поверх­ности воды проходят к каждому моменту различные расстоя­ния и поэтому приходят к приемному гидрофону с различны­ми частотами. Это позволяет отличить по слуху полезный звук эхо от подводной лодки от шумового фона ревербера­ции. Желаемое эхо имеет характерное звучание, в то время как мешающая реверберация — это нерегулярная непосто­янная смесь разных частот. Вероятно, летучим мышам их частотно-модулированные звуковые сигналы дают такое же преимущество.

Заметим, что небольшое изменение частоты эхо по срав­нению с местной частотой может сильно изменить высоту слышимого разностного тона. В связи с этим в сонаре дру­гого типа применяют постоянную частоту сигнала, а опера­тор следит за малыми изменениями высоты разностного то­на, вызываемыми движением цели относительно источника звука. Эти изменения высоты (так называемыйэффект Доплера) можно использовать и для определения относи­тельного движения цели. Между прочим, повышение звука свистка приближающегося поезда объясняется именно эф­фектом Доплера.

Для того чтобы уяснить себе возникновение эффекта Доп­лера, рассмотрим конкретный пример. Предположим, что корабль, оборудованный сонаром и идущий в восточном направлении со скоростью 10 м/сек, посылает звуковой сиг­нал частоты 20 000 гц длительностью 0,1 секунды, т. е. ис­пускает в общей сложности 2000 звуковых волн. Упростим наши расчеты, принимая, что скорость звука в морской воде точно равна 1500 м/сек. Если бы судно оставалось неподвиж­ным, то сигнал занял бы в воде участок длиной 1500*0,1 = 150 м.  Но судно идет со скоростью  10 м в секунду, и за время, требуемое для излучения сигнала, содержащего 2000 звуковых волн, т. е. за 0,1 секунды, оно переместится на 1 ж. Так как излучающий гидрофон догоняет излученный сигнал и за 0,1 секунды пройдет 1 ж, то цуг волн, составляю­щих сигнал, вместится в участок длиной всего 149 м вместо 150 м. Это не повлияет на скорость звука в морской воде, так что проплывающий мимо дельфин услышал бы сигнал, состоящий из 2000 волн, занимающих участок длиной 149 м и бегущих, как и любые другие звуковые волны, со скоро­стью 1500 м/сек. Весь сигнал пройдет мимо дельфина за 149/1500=0,099 секунды, и частота составитпоэтому 2000 волн за 0,099 секунды, или 20 202 гц. Другими словами, для дельфина в воде излученный сигнал имеет большую час­тоту, так как корабль двигался вперед во время излучения. Скорость же звука зависит исключительно от среды, в кото­рой он распространяется, но не от скорости источника звука.

Разовьем наш пример еще немного и предположим, что этот звуковой сигнал отразится от подводной лодки, движущейся также со скоростью 10 м/сек, но в западном направлении, навстречулоцирующему кораблю. Сигнал, занимавший пространство в 149 м при встрече с дельфином, теперь сократится еще больше за 0,1 секунды, в течение ко­торой будет происходить его набегание на приближающуюся подводную лодку. Отражаясь обратно от цели, он сократит­ся еще один раз; оба раза сокращение сигнала произойдет в том же отношении 149/150.

Не каждый сразу сообразит, почему при отражении от подводной лодки сигнал сокращается дважды, но мыслен­ное видоизменение физической ситуации может здесь по­мочь. Предположим, что сигнал не сразу отразился в виде эхо, но был принят на подводной лодке и записан на ленту магнитофона, а спустя некоторое время полученная запись была снова излучена в воду. Но лодка продолжала двигать­ся относительно воды как во время записи сигнала, так и ЕО время вторичной его передачи; поэтому сокращение проис­ходило и в том и в другом случае. Теперь будем уменьшать задержку времени между записью сигнала и его вторичным излучением. Это нисколько не повлияет на сокращение уча­стка, занимаемого звуковыми волнами, и по-прежнему сигнал будет сокращаться дважды независимо от того, ве­лико время задержки или мало. Значит, время задержки можно взять сколь угодно малым, и мы вернемся к исход­ному случаю мгновенного отражения.

Теперь дельфин услышит в воде эхо, содержащее 2000 звуковых волн и занимающее участок длиной лишь около 147 м. Если быть очень придирчивым, то можно сказать, что 150* 149/150*149/150*149/150 будет   несколько  больше,  чем 147.   Но это, конечно, очень малая разница, а я обещал по возмож­ности упрощать выкладки.

Наконец, наши 2000 звуковых волн достигают гидрофона лоцирующего корабля, который по-прежнему движется вперед со скоростью 10 м/сек, и сокращение длины сигнала повторяется в последний раз. В результате время, необходи­мое для приема этих 2000 волн, окажется меньше, чем время, требуемое для их передачи. Разность этих времен состав­ляет 0,1—0,1(149/150)⁴ , или приближенно 0,03 секунды.

Эффект Доплера можно описать несколько проще, если рассматривать только относительное движение сонара и цели. В нашем случае эти точки приближались друг к другу со скоростью 20 м/сек.Длина сигнала принимаемого эхо сократилась на величину, пропорциональную квадрату от­ношения скорости сближения к скорости звука. Ясно, да­лее, что если бы судно и подводная лодка удалялись друг от друга, то эффект Доплера действовал бы в обратном направ­лении и в результате частота эхо понизилась бы.

Возвращаясь к нашему примеру, найдем, что принимае­мое на лоцирующем корабле эхо будет иметь    частоту 20 000*(149/150)⁴,т. е. около 20 540 гц. Если теперь, ком­бинируя эхо с сигналом местной частоты в 19 000 гц, полу­чить слышимый разностный тон, то его частота будет равна 1540 гц, вместо 1000 гц в случае, когда оба корабля непо­движны.

В разобранном примере был взят уж очень крайний слу­чай быстрого сближения кораблей; но и на практике оказы­вается, что операторы системы сонар могут по разностному тону узнать, когда лодка поворачивает и даже когда она увеличивает или уменьшает свой ход. Хотя мы значительно меньше понимаем то, что происходит в мозгу летучей мыши или дельфина, чем работу сонара, разумно предположить, что аналогичное сравнение частот излучаемого звука и его эхо может быть использовано и животным для обнаружения движения летящего насекомого или плывущей рыбы. Воз­можно, что летучие мыши-подковоносы, издающие звуковые сигналы постоянной частоты, могут в большей степени поль­зоваться эффектом Доплера, чем «частотно-модулирующие» летучие мыши, но даже эти последние, по-видимому, в мень­шей степени меняют частоту сигнала, настигая насекомое, чем во время своего обычного полета, когда они, вероятно, добиваются только обнаружения насекомого.

• ← Sonar and Radar
• Application of echo for geological surveys →