В начале прошлого столетия ученые серьезно заинтересовались распространением звуковых волн в воде. Их интересовало, можно ли раскрыть при помощи звука тайны глубин моря и как это сделать.

Вначале были применены простые по устройству приспособления, называемые гидрофонами. Гидрофон представляет собой металлическую трубу, изогнутую на одном конце под углом 90°. На конце изогнутой части прикреплен рупор с туго натянутой кожей на широкой его части. Опустив конец трубы с рупором в воду, а второй конец приложив к уху, можно слышать звуки, возникающие под водой.

В 1905 г. в Петербурге под руководством инженера Р. Ниренберга проводились первые опыты по созданию гидроакустической аппаратуры. В 1912 г. К. Шиловский предложил устройство, основанное на принципе приема отраженных ультразвуковых сигналов от препятствий.

Первая мировая война послужила толчком в развитии гидроакустики и создании различных гидроакустических приборов. В 1918 г. Ланжевеном совместно с Шиловским был создан первый гидролокатор.

В годы Великой Отечественной войны гидроакустика была уже одним из важнейших средств, обеспечивающих боевые действия кораблей флота.

В послевоенные годы и в настоящее время гидроакустика развивается бурными темпами.

Мы знаем, что скорость света во много раз больше скорости звука. Примеры, подтверждающие этот вывод, часто наблюдаем в повседневной жизни. Взметнулся вверх столб пыли и камней, а через некоторое время слышен звук взрыва. Над заводской трубой появился белый дымок, а когда он почти рассеялся, до нашего слуха донесся звук гудка. И это понятно, так как скорость звука в воздухе всего 330 метров в секунду, то есть в 900 тысяч раз меньше, чем скорость света.

Известно также, что скорость звука изменяется в зависимости от среды, в которой он распространяется. Чем плотнее среда, тем больше скорость звука. В воде она составляет 1450 метров в секунду, а в стали 5050 метров в секунду (рис. 18).

Рис. 18. Распространение звука в различных средах.

Известно, что если приложить ухо к железнодорожным рельсам, то шум идущего поезда слышен задолго до его появления и тем более до возникновения шума в воздухе.

Если представить, что звуки, созданные в Ленинграде одновременно в воздухе, воде и стали, были бы слышны в Москве, то в Москву звук в воздухе прошел бы за 31 минуту, в воде — за 7,2 минуты, а в стали всего за 2 минуты.

Но даже в одной и той же среде скорость звука может быть различна, так как зависит от многих причин (температуры, плотности, солености и т. д.).

Как же измерили скорость звука в воде?

В 1827 г. на Женевском озере впервые были проведены опыты по измерению скорости звука в воде. Две лодки были расположены одна от другой на расстоянии 13 847 метров. На одной из них под днищем был подвешен колокол, а со второй опущен в воду простейший гидрофон.

На первой лодке человек ударил в колокол и одновременно поджег порох (рис. 19, а). На второй лодке человек в момент вспышки пороха запустил секундомер (рис. 19, 6) и стал ждать прихода звукового сигнала от колокола в воде.

Рис. 19. Измерение (скорости звука: а — на первой лодке человек ударил в колокол и поджег порох; б — на второй лодке человек в момент вспышки пороха запустил секундомер.

В момент прихода звука секундомер был остановлен. Зная расстояние и время прохождения звука, вычислили скорость звука в воде, которая оказалась в четыре с лишним раза больше скорости звука в воздухе, т. е. 1450 метров в секунду.

Опытами и теорией установлено, что при увеличении температуры воды на 1 °C скорость звука увеличивается примерно на 0,2 %.

Соленость воды также влияет на скорость звука. С увеличением солености воды на один промилле[1] скорость звука увеличивается на 0,1 %.

В различное время года и в различных морях скорость звука практически колеблется в пределах 1450–1500 метров в секунду.

В конце XIX века русский ученый Ф. В. Петрушевский заметил, что звук на границе двух различных сред, например воздуха и воды, или на границе неоднородности одной и той же среды отражается и преломляется, т. е. меняет направление распространения. Искривление звуковых лучей называется рефракцией.

Если, например, вода имеет различную температуру или соленость, то на границе, разделяющей слои воды с различной температурой или соленостью, звуковой луч изменит свое направление, т. е. преломится, а часть энергии звукового луча отразится (рис. 20).

Рис. 20. Преломление и отражение звукового луча.

Величина преломления луча зависит от различия среды по плотности, температуре и т. д. Чем больше одна среда отличается от другой по температуре или солености, тем больше угол преломления звукового луча. Звуковой луч преломляется потому, что, попав в другую среду, его скорость изменяется.

Чем больше температура воды и ее соленость, тем больше скорость распространения звуковых волн. Звуковые лучи искривляются в сторону тех слоев воды, в которых меньше скорость распространения звука.

Когда звуковой луч проходит из среды I с большей скоростью распространения в среду II с меньшей скоростью распространения, то угол преломления меньше угла падения (рис. 21, a), и наоборот, угол преломления больше угла падения, когда звуковой луч проходит из среды II с меньшей скоростью распространения в среду I с большей скоростью распространения (рис. 21, б).

Рис. 21. Переход звукового луча из одной среды в другую: а — из среды с большей скоростью звука; б — из среды с меньшей скоростью звука.

Летом верхние слои моря нагреваются больше и поэтому звуковые лучи изгибаются вниз (рис. 22, а), а зимой верхние слои моря холоднее нижних и звуковые лучи изгибаются вверх (рис. 22, б).

Рис. 22. Распространение звукового луча: а — летом; б — зимой.

Отражение луча зависит от различия плотности среды, в которой распространяется звук и от которой он отражается. Чем больше разница в плотности двух сред, тем больше энергии будет отражаться. Например, звуковой луч, достигая поверхности воды, полностью отразится, так как разница в плотности воды и воздуха большая. Почти то же самое произойдет, если звуковой луч достигнет дна моря, причем отражение будет наибольшим, если дно каменистое, и наименьшим, если дно илистое.

Морская среда неоднородна не только потому, что слои моря имеют различные соленость и температуру, а и по другим причинам. В морской воде можно обнаружить много пузырьков воздуха и газа, а также твердых частиц во взвешенном состоянии. Летом температура воды повышается, поэтому количество пузырьков больше, чем зимой.

Звуковые волны, распространяясь в море, отражаются от пузырьков воздуха и газа (рис. 23), что при прослушивании вызывает непрерывное звучание, называемое реверберацией.

Рис. 23. Звуковые волны отражаются от пузырьков воздуха, находящихся в воде.