СЛУШАЯ ОКЕАН
ЮТ 1986 №7
Вы обращали, наверное, внимание: по отношению к морям, океанам слово "тайна" употребляется столь же часто, как и по отношению к космосу. Это не случайно. Исследования океана очень и очень трудны. И хотя знания об этой стихии все время копятся, непонятного и сегодня очень много.
В чем же трудности? Ведь с борта исследовательского судна можно опустить на любую глубину приборы и определить состав морской воды, соленость, скорость и температуру течений. Следить за жизнью обитателей моря помогают глубоководные телекамеры. Есть и батискафы, в которых можно опускаться на огромные глубины.
Все это так. Но море изменчиво. И если так называемые стационарные течения, день изо дня, год от года следующие в одном направлении и на одной глубине, действительно изучить относительно просто, то как быть с возмущениями воды, возникающими и исчезающими в течение нескольких часов? Как исследовать кольцевые подводные вихри, порождающие, по мнению ученых, циклоны или антициклоны, изменяющие погоду на всем земном шаре? Ведь времени на то, чтобы "нащупать" их, зондируя приборами глубины, просто нет. Даже следить за движением косяков рыбы, чтобы давать четкие команды рыболовецким судам, непросто и дорого. Для этого приходится содержать чуть не целый воздушный флот, причем эффективность его не столь уж велика, так как обнаружить с воздуха косяк можно лишь на относительно небольшой глубине. Поэтому уже давно ученые ищут метод, который позволил бы получить подробную и цельную картину явлений, происходящих в море, а не только отрывочные данные, полученные в точках, куда исследовательские суда опустили свои измерительные приборы.
Конечно, заманчивее всего было бы просветить толщу воды каким-либо излучением, наподобие того, как рентгеновский аппарат просвечивает бетонные панели домов, показывая на фотопленке все их дефекты. Но в воде рентгеновские лучи затухают, не пробежав и десятка метров. Столь же быстро затухают и радиоволны. Так что и радиолокатор под водой оказался бы слеп. Быстро рассеиваются и световые лучи. Остается звук...
Специалисты давно знают, что звук распространяется в воде на значительные расстояния. Но пригоден ли он для использования в подводном локаторе?
Так устроен подводный "динамик".
Чтобы ответить на этот вопрос, ученые из Института общей физики АН СССР поставили такой эксперимент: на подводной части исследовательского судна закрепили излучатель звука - массивный металлический цилиндр с двумя крышками-мембранами и электромагнитом внутри. К обмоткам электромагнита подключили генератор напряжения звуковой частоты, и судно вышло в открытое море.
Вот еще одна из загадок океана: чем дальше уходит судно от берега, тем больше амплитуда звука, который принимает гидролокатор.
Шло время. Судно уходило все дальше, а установленный возле берега гидрофон уверенно принимал его сигнал. Даже 400 километров расстояния почти не ослабили звуковую нить, связывающую судно с берегом,- гидрофон по-прежнему отчетливо принимал звук излучателя.
Получилось, что возле берега можно принимать звуковое эхо процессов, происходящих в море и за тысячи километров от гидрофона. Это и попробовали сделать, но, прослушав сигналы гидрофона, которые в другом эксперименте на протяжении нескольких суток подряд записывал магнитофон, ученые обнаружили нечто не поддающееся расшифровке: на магнитной ленте оказалась хаотичная смесь всех возможных звуков, от инфранизких до ультравысоких. Разобраться в подобной звуковой каше не помогла бы никакая ЭВМ.
Стало ясно, что прослушивать море бесперспективно. Нужно его зондировать, именно прощупывать собственным звуком, наподобие того, как это делает локатор. Впрочем, впрямую принцип, на котором работает локатор, физикам не подходил. Вы знаете, наверное, что локатор посылает в небо радиосигналы и улавливает их отражение. Можно было предположить, что косяк рыбы в воде тоже способен отразить попавший на него звуковой сигнал - плотность его отличается от плотности воды. Но кольцевой вихрь или течение скорее всего не отразят звук или отразят очень слабо. Вода ведь и есть вода, и звуку безразлично, спокойна она или движется. Поэтому излучатель звука и гидрофон решили разнести на расстояние в десятки километров. Расчет был на то, что возмущения воды или тот же косяк рыбы, оказавшийся между ними, хоть немного, но помешают звуку распространяться в воде, исказят его амплитуду или фазу. А чтобы в усилитель гидрофона не попадали посторонние сигналы, в него решили встроить фильтр, очень точно настроенный на частоту излучателя звука.
Далее следовало подумать о полной схеме звукового зондирования моря. И здесь физики прежде всего вспомнили об эффекте Доплера.
Вы наверняка не раз сталкивались с этим эффектом. Вспомните: когда к станции приближается электричка, гудок ее выше, нежели когда она прошла мимо. Это происходит потому, что вначале скорости звука и электрички складываются, звук летит быстрее, и частота его для неподвижного наблюдателя становится выше. Затем скорость электрички уже вычитается из скорости звука. Частота его снижается.
Для широкополосного приемника звука, как наше ухо, это неважно. Но если он настроен только на частоту гудка, как гидрофон на частоту излучателя, то ни более высокая, ни более низкая частоты слышны не будут. Поэтому излучатель звука решили установить на дне моря неподвижно, а не на судне, которое своим движением могло бы изменить частоту.
Одного гидрофона для точного анализа было, как рассудили ученые, недостаточно. Чтобы перекрыть как можно большее пространство, приемников звука нужно хотя бы несколько десятков. Тогда удастся не только зарегистрировать косяк рыбы или кольцевой вихрь, но и следить за их перемещениями. То есть можно будет создать некую пространственную картину возмущений в море и выяснять, что эти возмущения вызвало.
Долго можно рассказывать, как готовили аппаратуру для эксперимента - встраивали в гидрофоны специальные предварительные усилители, способные и слышать слабые сигналы, и не "глохнуть" от слишком сильных, как искали варианты защиты их от давления воды и от коррозии, как выбирали наиболее интересный с точки зрения науки участок моря... Сложностей при подготовке было немало. Поджидали они ученых и во время эксперимента.
После того как излучатель звука и полсотни гидрофонов на общем кабеле погрузили на дно моря и включили все приборы, вместо ожидаемого сигнала исследователи увидели на экране осциллографа пятьдесят сигналов с различными фазами - все гидрофоны работали не вместе, а вразнобой.
На этом рисунке хорошо видно, как разнятся фазы сигналов из-за того, что кабель с гидрофонами уложен не точно по радиусу.
Причина оказалась простой: для того чтобы все гидрофоны работали, как говорится, в унисон, расстояние от каждого из них до излучателя звука должно быть одинаково. Тогда все сигналы придут на них в одной фазе. Но ведь на стометровую глубину кабель не уложить идеально ровно, с точностью до микронов. Как он ляжет на дно - дело случайности.
И все же гидрофоны удалось заставить работать в одной упряжке. Физики выравняли фазы с очень высокой точностью, разработав специальные электронные фазосдвигающие устройства. И теперь стационарная трасса - так назвали специалисты свой подводный звуковой локатор - уже дает информацию. Сейчас теоретики анализируют ее, отыскивая закономерности, которые позволят точно определить, что означает то или иное искажение сигнала, какому явлению в море оно соответствует.
В перспективе такие трассы ученые думают установить на всех морях и океанах. И недалеко, видимо, время, когда тайн у них станет намного меньше.
А. ФИН, инженер