В МИРЕ НАУКИ И ТЕХНИКИ

GRAHAM CHEDD
SOUND
From Communication to Noise Pollution
Garden City, New York
Doubleday Science Series
Doubleday and Co., Inc.
1970
ГРЭХЭМ ЧЕДД
ЗВУК
Перевод с английского
Г. И, Кузнецова
Под редакцией и с предисловием
С. Б. Гуревича
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР» МОСКВА 1975
534
435
Чедд Г.
435 Звук. Пер. с англ. Г. И. Кузнецова. Ред. и
предисл. С. Б. Гуревича. М., «Мир», 1975.
206 с. с илл. (В мире науки и техники)
О звуке написано немало — капитальные труды и мо-
нографии, научно-популярные книги и учебники. Но аме-
риканский популяризатор науки Грэхэм Чедд сумел по-
новому, интересно и доходчиво рассказать о старых
проблемах и последних открытиях в области акустики. Что
такое звук, какова его природа, почему одни звуки раз-
дражают, а другие вызывают приятное ощущение — обо
всем этом можно узнать из книги Чедда.
Книга рассчитана на широкие круги читателей, инте-
ресующихся новыми достижениями науки и техники.
20404-171
041 (01 )-75
171 -75
534
Редакция научно-популярной
и научно-фантастической литературы
© Перевод на русский язык, «Мир», 1975.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Предлагаемая вниманию читателя книга посвя-
щена проблемам, интересующим как специалистов, так
и читателей, не имеющих специального образования.
Это не удивительно: все мы живем в мире звука и,
естественно, различные его проявления — особенно
шум — волнуют едва ли не каждого. Но для многих
может оказаться совершенно неожиданным то, что
звук находит столь важное применение в научных ис-
следованиях, технике, промышленности — от медицин-
ской диагностики до промышленного лова рыбы. Об
этом и рассказывается в книге Г. Чедда.
Кратко остановившись на природе звука и осо-
бенностях его возникновения и восприятия человеком,
автор поднимает такие интересные проблемы, как
распознавание и синтез речи, улучшение акустических
свойств концертных залов, запись и воспроизведение
звука. Значительное внимание уделено использованию
звука под водой — генерации подводного звука, под-
водной связи и гидролокации.
Широко известно, что высокочастотный звук —
ультразвук — явился основой для создания множества
приборов, успешно работающих в производстве и в
науке. Две главы, посвященные ультразвуку, отра-
жают две характерные возможности его применения:
в качестве носителя энергии и носителя информа-
ции. Особенно эмоционально излагает автор важную
5
проблему шума как одного из факторов загрязнения
окружающей среды.
В книге затронуты и некоторые новые проблемы,
например акустическая голография. К сожалению, ав-
тор обошел вниманием ряд других интересных вопро-
сов, связанных с использованием звука в физике, в ча-
стности как инструмента для исследования структуры
и свойств кристаллов, отклонения и сканирования све-
тового луча и т. д.
Несомненно, читатель с интересом ознакомится
с этой книгой.
С. Гуревич
1.	Что такое звук?
«Если в лесу упало дерево, но никого не было ря-
дом, кто бы слышал звук его падения, то существо-
вал ли звук?» В восемнадцатом веке этот вопрос за-
нимал умы многих ученых. Ответить на него можно
и положительно и отрицательно в равной степени.
Причина такой неоднозначности кроется в том, что
слово «звук» относится к категории слов, имеющих
двойственное значение. И чтобы разрешить загадку
восемнадцатого века, нужно условиться, что же счи-
тать звуком — физическое явление (распространение
колебаний в воздухе) или ощущение слушателя. Пер-
вое по существу является причиной, второе — след-
ствием; первое определение понятия «звук» — объек-
тивное, второе — субъективное.
Однако как бы мы ни рассматривали звук, объек-
тивно или субъективно, с физической или физиологи-
ческой точек зрения, он обладает энергией (рис. 1).
В первом случае звук действительно представляет
собой поток энергии, текущий подобно речному по-
току. Такой звук может изменять среду, через которую
он проходит, и сам изменяться ею. Во втором случае
под звуком мы понимаем те ощущения, которые воз-
никают у слушателя в результате воздействия звуко-
вой волны (через слуховой аппарат на мозг). Этому
звуку присущи разнообразные формы энергии. Благо-
даря ему мы познаем совершенно новые, не восприни-
маемые глазом свойства окружающей нас среды.
Слыша звук, человек может испытывать радость или
страх, например в зависимости от того, был ли то
смех ребенка или волчий вой. Самые разнообразные
эмоции вызывают у нас тот сложный комплекс звуков,
7
Рис. 1. Визуализация звуковой энергии.
Обычные звуковые волны могут создавать в различных веществах, напри-
мер в вязкой жидкости {веерку) и в мягкой глине {внизу), красивые узоры.
который мы называем музыкой. Важно отметить, что
звуки составляют основу речи, которая служит основ-
ным средством общения в человеческом обществе.
И наконец, существует такая специфическая форма
звука, как шум. Он особенно велик при больших ско-
плениях людей; здесь он может вызывать различные
болезненные ощущения и даже, в крайних случаях,
необратимые повреждения слуха.
Анализ звука с позиций субъективного восприятия
более сложен, чем при объективной оценке. В этой
книге мы попытаемся рассмотреть звук с обеих точек
зрения, причем именно субъективной трактовке звука
будет уделено повышенное внимание.
ВОЛНОВАЯ ПРИРОДА ЗВУКА
В среде, которая обладает массой и упругостью,
любое механическое возмущение создает звук, неза-
висимо от того, слышим мы его или нет. Чтобы по-
нять, почему для распространения звука нужна среда,
обладающая массой и упругостью, рассмотрим сле-
дующую аналогию.
Представьте себе длинный ряд несцепленных же-
лезнодорожных вагонов, стоящих близко друг к другу
на прямом пути участка сортировочной станции. Ло-
комотив подходит к первому вагону, толкает его и
отходит назад. Поскольку вагон имеет массу, и локо-
мотив сообщил ему скорость, вагон приобретает
теперь некоторый импульс. Пройдя несколько санти-
метров, первый вагон сталкивается со вторым и пере-
дает импульс ему. Второй вагон в свою очередь стал-
кивается с третьим, третий с четвертым и т. д. Таким
образом, вдоль состава распространяется волна уда-
ров.
В нашем примере мы предполагали, что в резуль-
тате каждого столкновения импульс полностью пере-
дается от одного вагона к другому. Поэтому вагон,
передав импульс, должен после столкновения остано-
виться или в крайнем случае чуть-чуть продвинуться
вперед. Принятая нами модель не имеет никакого
отношения к распространению звука. Из-за последо-
вательных толчков вся система в целом сместится
на небольшое расстояние, то есть здесь как бы
9
происходит передача массы. Звук же является пото-
ком энергии.
Введем теперь в нашу систему отсутствовавшую
в ней упругость. Привяжем каждый вагон резиновым
канатом к железнодорожному полотну. Тогда после
очередного смещения в результате толчка вагон под
действием силы натяжения каната (ее величина про-
порциональна смещению) вновь возвратится в перво-
начальное положение. В нашей модифицированной си-
стеме каждый вагон совершает колебательное движе-
ние около точки закрепления. Такое движение обычно
называют простым гармоническим колебанием. Перво-
начальный импульс, сообщенный локомотивом пер-
вому вагону, будет и в данном случае передаваться
вдоль всего состава, вызывая теперь колебательное
движение каждого вагона. Если бы мы смогли поддер-
живать непрерывное колебательное движение первого
вагона (а это зависит от искусства машиниста), то
получили бы серию волн столкновений, распростра-
няющихся вдоль состава. И если состав достаточно
длинный, то картина волнового движения окажется
устойчивой.
Некоторые характеристики такой колебательной
системы можно оценить количественно. В первую оче-
редь это относится к величине максимального смеще-
ния каждого вагона от первоначального положения.
Она называется амплитудой колебаний. Если рассмот-
реть распределение величины смещения каждого ва-
гона от первоначального положения в данный момент
времени вдоль состава, то мы получим кривую, изо-
браженную на рис. 2. Смещения вагонов по направ-
лению импульса отложены выше горизонтальной ли-
нии, а смещения в противоположную сторону — ниже.
Данная кривая представляет собой обычную сину-
соиду. Пики на ней, поскольку они соответствуют
максимальному смещению каждого вагона относи-
тельно его первоначального положения, и есть ампли-
туда колебательного движения.
Подобную кривую можно получить, если вместо
смещения каждого вагона взять относительное рас-
стояние между соседними вагонами. Пики на такой
кривой будут соответствовать моментам столкновений,
а впадины — наибольшей удаленности вагонов друг
10
Рис. 2. Пр-остог гармоническое колебание.
Верхняя кривая —смещение вагонов от первоначального положения в дан-
ный момент времени. Расстояние между пиками Л —длина волны колеба-
тельного движения. Нижняя кривая —изменение скорости молекул воз-
духа в звуковой волне.
от друга. Каждая серия столкновений, распростра-
няющихся вдоль состава, представлена на кривой
пиком одной из синусоидальных волн, движущихся
вдоль горизонтальной оси. Расстояние между после-
дующими волнами столкновений и есть расстояние
между соседними пиками синусоиды, изображенной
на рис. 2. Обычно это расстояние называют длиной
волны колебательного движения.
Каждая волна столкновений распространяется
вдоль состава с некоторой скоростью, величина кото-
рой зависит от массы вагонов и упругости резиновых
канатов, удерживающих вагоны в первоначальном по-
ложении. Зная длину волны и скорость ее распростра-
нения, можно сказать, сколько волн проходит через
данную точку в единицу времени. Число таких волн
и будет характеризовать частоту колебательного дви-
жения.
Перейдем теперь от нашей грубой модели к рас-
смотрению распространения звука в воздухе. Воздух
(смесь газов) состоит из большого количества отдель-
ных молекул, которые движутся хаотически с боль-
11
ши ми скоростями, беспрерывно сталкиваясь друг
с другом и твердыми частицами, если таковые име-
ются в воздухе. Какую бы одиночную молекулу мы ни
выбрали для наших наблюдений, нам не удастся об-
наружить силы, которая возвращала бы ее в исходное
положение. Но если мы будем проводить наблюдения
за произвольно выбранной группой молекул, то убе-
димся, что она стремится остаться в некотором стати-
стически среднем положении. Так же, как на каждый
вагон (его можно рассматривать состоящим из гро-
мадного числа хаотически движущихся молекул) дей-
ствовала сила упругости резинового каната, так и на
любую группу молекул, смещенную из своего началь-
ного положения, действует восстанавливающая сила,
пропорциональная величине смещения.
Наш пример можно видоизменить, взяв вместо со-
става некую трубу, наполненную воздухом, а вместо
локомотива, подталкивающего вагоны, — вставленную
в торец трубы периодически колеблющуюся диафраг-
му вроде той, какая используется в репродукторе.
В такой модели вместо волн столкновений, распро-
страняющихся вдоль состава (пики на рис. 2), будут
представлены волны сжатия — участки с плотным рас-
положением молекул воздуха (рис. 3); впадинам же,
которые мы видим на рис. 2 и которые соответство-
вали наибольшим расстояниям между вагонами,
теперь будут соответствовать участки с разреженным
воздухом. Распространение таких сжатий и разреже-
ний в веществе и есть звук.
Однако это весьма необычный звук. Дело в том,
что очень немногие из звуков, которые мы слышим,
описываются простой синусоидой, как, например, звук,
испускаемый камертоном, когда по нему ударяют мо-
лоточком. Такие звуковые синусоидальные волны, хотя
они и редки, играют важную роль в акустике, по-
скольку выполняют роль кирпичиков, из которых
строятся все другие звуковые волны. Это открытие
было сделано в начале девятнадцатого столетия вели-
ким французским математиком, советником Наполео-
на по науке Жаном Батистом Жозефом Фурье (1768—
1830), который первым показал, что любое периоди-
ческое колебание можно представить как сумму не-
скольких синусоидальных волн с различными часто-
12
Рис. 3. Распределение молекул в звуковой волне.
На данной диаграмме представлены две простейшие картины распределе-
ния молекул воздуха в звуковой волне, порожденной колеблющимся источ-
ником и движущейся слева направо (нижняя картина зарисована немного
позже, чем верхняя). Области, в которых молекулы находятся близко
друг к другу (гребни звуковой волны), обозначены буквой С. Стрелки по-
казывают, что в гребнях молекулы движутся вправо, то есть в направле-
нии распространения волны, а между гребнями — влево.
тами и амплитудами. Разработанный им метод (ана-
лиз Фурье) позволяет разложить любое сложное ко-
лебание на синусоидальные составляющие.
В настоящее время такой анализ осуществляется
с помощью электронных устройств, а сто лет назад
отдельные компоненты звука выделялись только на
слух. Большой вклад в учение о звуке внес один из
величайших акустиков немецкий физик Герман фон
Гельмгольц (1821—1894). Он установил, что качество
звука, или тембр, существенно зависит от числа со-
ставляющих его синусоидальных компонентов. По-
этому одна и та же нота звучит по-разному, будучи
сыгранной на трубе, скрипке или флейте. Можно пока-
зать, что каждая нота состоит из основной частоты,
которая собственно и определяет ноту, и некоторого
числа гармоник. Частоты гармоник в целое число
раз превосходят основную частоту. Различное со-
отношение гармоник, содержащихся в данной ноте,
13
обусловливает особенность звучания музыкального
инструмента.
Но почему же при звучании различных инструмен-
тов выделяются разные гармоники? Ответ на этот во-
прос также дал Гельмгольц, введя понятие резонанса.
Любой конструкции свойственна некоторая собствен-
ная частота, с которой эта конструкция колеблется
под действием возмущения. Классическим примером
такой конструкции может служить камертон. Но и все
другие объекты, начиная от висячего моста и кончая
сложными механизмами, колеблются под действием
ударов (конечно, если они обладают некоторым чис-
лом степеней свободы) на собственных частотах. Зам-
кнутые и полузамкнутые объемы, наполненные воз-
духом, также имеют свою собственную частоту коле-
баний, зависящую от формы и размеров их поверх-
ности. Если такие структуры возбудить звуком, частота
которого близка к их собственным частотам, то возни-
кает так называемый резонанс: структуры усиливают
соответствующие ноты. Резонанс может возникнуть
и на высших гармониках, частоты которых в целое
число раз больше собственной частоты структуры.
Таким образом, резонанс является следствием вол-
новой природы звука, и именно он обусловливает мно-
гообразие звуков в окружающем нас мире. Вслед-
ствие резонансных явлений простые гармонические
колебания превращаются в самые разнообразные
звуки: прекрасные мелодии, исполненные на скрипке
Страдивари, звуки речи и, наконец, неприятные, по-
рою даже вредные — шумы заводских машин.
МОЩНОСТЬ ЗВУКА
До сих пор наше рассмотрение носило чисто каче-
ственный характер, хотя мы и ввели некоторые харак-
теристики волнового движения. Основной из них яв-
ляется скорость звука. Как уже говорилось ранее,
распространение звука в среде зависит от ее массы,
точнее, плотности (массы единицы объема) и упру-
гости. Таким образом, скорость звуковых волн яв-
ляется функцией этих двух параметров. В любой
среде — твердом теле, жидкости или газе — скорость
14
звука выражается формулой
скорость = ]/упругость/плотность .
Хотя определение упругости для твердых тел и те-
кучих сред (жидкостей и газов) различно, тем не ме-
нее приведенная зависимость остается справедливой
во всех случаях.
Таким образом, скорость звука возрастает с уве-
личением упругости и уменьшением плотности. По-
скольку плотности твердых тел и жидкостей больше
плотностей газов, можно было бы ожидать, что ско-
рость звука в них меньше. Но упругость твердых тел
и жидкостей во много раз превышает упругость газов,
и это обусловливает большие скорости звука в этих
средах по сравнению с газами. Так, например, ско-
рость звука в стали равна 5050 м/с, в морской воде —
около 1500 м/с, а в воздухе — около 340 м/с. Но, с дру-
гой стороны, скорость распространения звука в свинце
вследствие очень малой упругости последнего состав-
ляет лишь 1200 м/с, что почти равно скорости звука
в водороде (1270 м/с), который, как известно, яв-
ляется газом с чрезвычайно низкой плотностью.
Частота, длина волны и скорость распространения
звука связаны между собой следующим соотноше-
нием:
частота = скорость/длина волны.
Частота измеряется числом колебаний (то есть чис-
лом волн, прошедших через какую-либо точку) в се-
кунду. В качестве единицы измерения частоты исполь-
зуется герц—Гц (1 Гц соответствует одному колеба-
нию в секунду). На основании приведенной выше
формулы мы получим, что длина волны звука, распро-
страняющегося с частотой 1000 Гц, в стали составляет
5,05 м, а в воздухе — 0,34 м. При частоте 10 000 Гц
она равна соответственно 50 см и 3,4 см.
Из той же формулы ясно, что «поведение» резона-
тора (его собственная частота) зависит именно от
скорости, так как длина волны звука, распространяю-
щегося в резонирующей структуре, строго определена
размерами последней. Если бы мы могли сыграть на
скрипке в атмосфере водорода, то получили бы звук
очень высокой частоты, подобный писку. Хорошей
15
иллюстрацией сказанного могут служить голоса водо-
лазов, которые дышат в атмосфере, содержащей боль-
шое количество гелия. Они становятся пискливыми,
как у персонажа мультфильмов Диснея утенка До-
нальда-Дака, и неразборчивыми, поскольку резонанс-
ные частоты голосового тракта человека в атмосфере,
богатой гелием, намного выше, чем в обычном воздухе.
Скорость, длина волны и частота звука — доста-
точно очевидные параметры, которые характеризуются
Удар грома
Ракета
Самолет
Станка и механизмы,
Улица
В шумном учреждении
Автомобиль
Разговор
Дома
В тихом учреждении
Шепот
Нулевая громкость
Интенсивность (дБ)
Рис. 4. Интенсивности различных известных нам звуков.
В таблице они даны в порядке возрастания снизу вверх. Интенсивность
звука выражена как в децибелах, так и в ваттах на квадратный метр.
определенными численными значениями. Более трудно
дать количественную оценку мощности звука. Это объ-
ясняется двумя основными причинами. Во-первых,
мощность звука чрезвычайно мала по сравнению
с другими видами энергии. Например, в книге А. Вуда
«Физика музыки»1 показано, что звуковая энергия
крика 50 000 болельщиков в течение полуторачасового
футбольного матча достаточна лишь для того, чтобы
согреть одну чашку кофе! Гораздо проще оценить (это
может сделать каждый радиолюбитель) мощность
усилителей. Мощность звуковых усилителей очень
низка. Например, применительно к световой или теп-
ловой энергии 10 вт — это чрезвычайно малая вели-
чина (представьте себе 10-ваттную электрическую
1 A. W о о d, The Physics of Music, Methuen, London, 1944.
16
Уровень интенсивности (дБ)
140
120
100
80
60
40
20
0
2,0
Частота (Гц)
Рис. 5. Острота слуха типичной группы американцев.
Кривые показывают ту наименьшую величину интенсивности звука, кото-
рую воспринимает определенный процент людей этой группы. Кривая,
обозначенная индексом 1%, взята нами в основном для того, чтобы пока-
зать, каким должен быть «нормальный» слух человека, хотя по сравнению
с этим стандартохМ слух большинства людей явно слабее.
лампочку), но 10-ваттный звуковой усилитель обеспе-
чивает вполне достаточную для большинства людей
громкость.
Вторая причина по существу является следствием
первой. Хотя верхний предел величины звуковой мощ-
ности весьма невелик, диапазон изменений мощности
от нуля до этого предела столь огромен, что это ка-
жется невероятным. Наиболее мощные звуки, с кото-
рыми большинству людей приходится сталкиваться
в своей повседневной жизни, вызывают либо раздра-
жение, либо даже боль в ушах. Но если мощность
звука, обусловливающего болезненное ощущение в
ушах, понизить в десять миллионов миллионов раз, то
17
и такой звук оказывается достаточно интенсивным,
чтобы распространяться в воздухе.
Шкала, которую мы применяем для объективной
градуировки интенсивности звука, является отраже-
нием нашего субъективного восприятия звука. Обычно
пользуются логарифмической шкалой. Например, если
мощность одного звука в 10 раз больше мощности
другого, то говорят, что интенсивность первого звука
составляет 10 дБ (децибел) по отношению ко второму;
в 100 раз — 20 дБ; в 1000 раз — 30 дБ и т. д. Иными
словами, всякий раз, когда отношение мощностей
звука увеличивается в десять раз, интенсивность
звука, выраженная в децибелах, возрастает на 10.
Но при таком подходе мы получаем не абсолют-
ную, а лишь относительную шкалу. Необходимо как-то
выделить уровень нулевой интенсивности, чтобы от
него производить отсчет. Такой уровень выбран на ос-
нове субъективных показателей — это минимальный
порог восприятия звука человеческим ухом; объек-
тивно его величина равна 10~12 вт/м2 (см. рис. 4). Ин-
тенсивность такого звука принята за 0 дБ. Звук, в де-
сять раз более мощный, имеет уровень интенсивности
10 дБ, в миллион раз — 60 дБ; в десять миллионов
миллионов раз (такой звук причиняет нам боль)—
130 дБ (это соответствует 10 вт/м2). Картина уровней
интенсивности типичных шумов приведена на рис. 5.
УХО
В начале этой главы говорилось о том, что понятие
звук следует рассматривать с объективной и субъек-
тивной точек зрения. Звук как субъективное явление
более сложен и менее изучен, чем его объективная
физическая сущность. Мы уже установили, что звук
представляет собой волны сжатия и разрежения, рас-
пространяющиеся в воздушной среде. Теперь перейдем
к восприятиям, возникающим у слушателя, познако-
мимся с различными системами и происходящими в
них процессами преобразования звука.
Устройство органа слуха человека показано на
рис. 6. Наружное ухо состоит из ушной раковины и
слухового прохода, соединяющего ее с барабанной
перепонкой. Основная функция наружного уха — опре-
18
Молоточек
Рис. 6. Устройство человеческого уха (общий вид).
деление направления на источник звука. До сих пор
остается неясным, чем обусловлена форма ушной ра-
ковины человека. Слуховой проход (слегка сужаю-
щаяся внутрь трубка длиною 2 см) предохраняет
внутренние части уха и играет роль резонатора. Диа-
пазон звуковых частот, воспринимаемых человеком,
простирается от 16 до 20 000 Гц, но участок наиболь-
шей чувствительности ограничивается интервалом от
2000 до 5500 Гц (рис. 5). Именно в данной области
лежат резонансные частоты слухового прохода, при-
чем усиление звука составляет от 5 до 10 дБ.
Слуховой проход заканчивается барабанной пере-
понкой— мембраной, которая колеблется под дей-
ствием звуковых волн. Именно здесь, на внешней гра-
нице среднего уха, и происходит преобразование объ-
ективного звука в субъективный. Непосредственно за
барабанной перепонкой расположены три маленькие
соединенные между собой косточки: молоточек, нако-
вальня и стремя, — с помощью которых колебания
передаются внутреннему уху. Там, в слуховом нерве,
они преобразуются в электрические сигналы. Малая
19
полость, где находятся молоточек, наковальня и стре-
мя, наполнена воздухом и соединена с полостью рта
евстахиевой трубой. Благодаря последней поддержи-
вается одинаковое давление на внутреннюю и внеш-
нюю стороны барабанной перепонки. Обычно евста-
хиева труба закрыта. Она открывается лишь при
внезапном изменении давления (когда человек глотает
или зевает) и выравнивает его. Если у человека евста-
хиева труба блокирована, например в результате про-
студы, то выравнивания давлений не происходит и
человек ощущает боль в ушах.
В процессе передачи колебания от барабанной пе-
репонки к овальному окну, которое является началом
внутреннего уха, энергия первоначального звука как
бы «концентрируется» в среднем ухе. Это осуществ-
ляется двумя способами, в основе которых лежат хо-
рошо известные принципы механики. Во-первых,
уменьшается амплитуда, но одновременно увеличи-
вается мощность колебаний. Здесь можно провести
аналогию с рычагом, когда для поддержания равно-'
весия к большему плечу прикладывается меньшая
сила, а к меньшему — большая. С какой тонкостью
осуществляется такое превращение в человеческом
ухе, видно из того, что амплитуда колебаний барабан-
ной перепонки равна диаметру атома водорода
(10~8 см), а молоточек, наковальня и стремя умень-
шают ее в три раза. Во-вторых, и это более суще-
ственно, концентрация звука обусловливается раз-
ностью диаметров барабанной перепонки и овального
окна внутреннего уха. Сила, действующая на барабан-
ную перепонку, равна произведению давления на пло-
щадь барабанной перепонки. Эта сила через молото-
чек, наковальню и стремя воздействует на овальное
окно, с противоположной стороны которого находится
жидкость. Площадь овального окна в 15—30 раз
меньше площади барабанной перепонки, поэтому и
давление на него в 15—30 раз больше. Кроме того,
как было сказано выше, молоточек, наковальня и
стремя увеличивают мощность колебаний в три раза;
следовательно, благодаря среднему уху давление на
овальное окно превышает почти в 90 раз первоначаль-
ное давление, действовавшее на барабанную пере-
понку. Это очень важно, поскольку дальше звуковые
20
Рис, 7, Барабанная перепонка
со стороны внутреннего уха.
волны распространяются уже в жидкости. Не будь
увеличения давления, звуковые волны вследствие эф-
фекта отражения никогда бы не смогли проникнуть
в жидкость.
Молоточек, наковальня и стремя снабжены кро-
шечными мышцами, которые обеспечивают защиту
внутреннего уха от повреждений при воздействии
сильных шумов. В обычных условиях колебания пере-
даются более или менее непосредственно через эти
три косточки (рис. 6). Но при сильном шуме под дей-
ствием определенных мышц ось вращения стремени
смещается, уменьшая силу давления на овальное окно.
При дальнейшем возрастании шума вступают в дело
другие мышцы, одна из которых туго натягивает ба-
рабанную перепонку, а другая частично смещает
стремя (рис, 7). Внезапные очень интенсивные звуки
могут разрушить этот защитный механизм и вызвать
серьезные повреждения внутреннего уха.
Настоящие таинства слуха начинаются с овального
окна — порога внутреннего уха. Звуковые волны здесь
21
Рис. 8, Поперечное сечение улитки.
В улитке механические звуковые колебания превращаются в электриче-
ские сигналы, которые по слуховому нерву поступают в мозг.
уже распространяются в жидкости (перилимфе), ко-
торой наполнена улитка. Этот орган внутреннего уха,
действительно напоминающий улитку (рис. 8), имеет
длину около 3 см и почти по всей длине разделен
перегородкой на две части. Звуковые волны, попавшие
на овальное окно улитки, доходят до перегородки, оги-
бают ее и далее распространяются по направлению по-
чти к тому же самому месту, где они впервые косну-
лись перегородки, но уже с другой стороны. В конце
концов они рассеиваются круглым окном улитки.
Перегородка улитки по сути дела состоит из основ-
ной мембраны, очень тонкой и тугой вблизи овального
окна, но становящейся толстой и вялой по мере прод-
вижения к хвосту улитки. Структура мембраны была
22
впервые изучена Георгом фон Бекеши, который рабо-
тал в Будапеште в 30—40-х годах нашего столетия.
За это открытие в 1961 г. он был удостоен Нобелев-
ской премии. Бекеши исследовал структуру и меха-
низм действия среднего и внутреннего уха. Он пока-
зал, что звуковые колебания создают на поверхности
основной мембраны волнообразную рябь, причем
гребни для каждой данной частоты лежат в совер-
шенно определенных участках мембраны. Высокоча-
стотные звуки создают максимум на том участке ос-
новной мембраны, где она наиболее натянута, то есть
вблизи овального окна, низкочастотные же звуки —
на «хвосте» улитки, где основная мембрана толстая и
вялая. Такой механизм, открытый Бекеши, позволяет
объяснить, как человек выделяет тоны различной ча-
стоты.
Преобразование механических колебаний в элек-
трические сигналы происходит в органе (в медицине
он называется органом Корти), размещенном над
верхней частью основной мембраны и представляю-
щем собой набор из 23 500 «мясистых» ячеек, располо-
женных вдоль его длины четырьмя рядами. Над орга-
ном Корти находится похожая на заслонку тенто-
риальная мембрана. Оба эти органа погружены в
жидкость, называемую эндолимфой, и отделены от
остальной части улитки мембраной Рейсснера. Во-
лоски, растущие из ячеек органа Корти, почти прони-
зывают поверхность тенториальной мембраны. Основ-
ная мембрана, на которой покоится орган Корти
вместе со своими волосистыми ячейками, как бы шар-
нирно подвешена на тенториальной мембране. При
деформации основной мембраны между ними возни-
кают касательные напряжения, которые изгибают во-
лоски, соединяющие две мембраны. Благодаря такому
изгибу и происходит окончательное преобразование
звука — теперь он уже закодирован в виде электриче-
ских сигналов. Изгибы волосков играют в некотором
роде роль пусковых механизмов для электрохимиче-
ских реакций в ячейках. Они и являются источниками^
электрических сигналов.
Что происходит здесь со звуком и какую форму он
приобретает, пока еще остается почти полной тайной.
Мы знаем только, что теперь он закодирован вспле-
23
сками электрической активности, так как каждая
волосистая ячейка «выстреливает» электрический им-
пульс. Но природа этого кода неизвестна. Расшиф-
ровка его усложняется тем, что волосистые ячейки
излучают электрические импульсы даже тогда, когда
никакого звука нет. Расшифровкой слухового кода
занимаются многие лаборатории мира, работающие
в области связи. Только разгадав этот код, мы смо-
жем понять истинную природу субъективного звука.
2.	Речь
Огромные достижения человека в области искус-
ства и литературы, политики и философии, науки и
техники во многом зависят от его способности исполь-
зовать звук как средство общения. Дело в том, что
человеческая речь по своей емкости превосходит дру-
гие способы передачи информации. Язык дает чело-
веку возможность формулировать понятия, необходи-
мые для сложных взаимоотношений в обществе. Коди-
руя свои мысли словами, человек может думать более
рационально. (Попытайтесь, например, думать о ра-
боте автомобильного двигателя без слов!) Тем самым
уже в наших мыслях как бы заложены акустические
образы. Каждый произнесенный нами звук создает в
воздухе невероятно сложные и тонкие картины давле-
ний. Окончательная форма звука, образующего речь,
может быть много сложней первоначальной мысли,
породившей его. Наша речь несет избыточную инфор-
мацию по сравнению с информацией, содержащейся
в первоначальной мысли. Такая избыточная информа-
ция позволяет распознавать речь каждого отдельного
человека. Для описания с достаточной степенью
точности картины звуковых давлений речи требует-
ся объем информации около 35 000 бит в секунду.
Заметим, что средний человек способен восприни-
мать или воспроизводить только около 45 бит в се-
кунду.
Некоторые представления о звуковой картине слова
мы можем получить с помощью трехмерной модели,
показанной на рис. 9. Обычно такие картины звука
(спектрограммы) записывают на бумаге. Из спектро-
грамм хорошо видно, как распределение энергии по
25
Рис. 9. Пространственная модель звуков «1ВМ» (ай-би-эм).
Эта модель изготовлена из пластика. Вдоль горизонтальной оси ее
ртложено время (слева — направо), вдоль вертикальной оси — интенсив-
ность звука и вдоль оси, перпендикулярной плоскости рисунка, —частота.
частоте изменяется во времени: время откладывают
вдоль горизонтальной оси, частоту — по вертикальной,
о величине интенсивности звука свидетельствует сте-
пень затемнения спектрограммы. При взгляде на спек-
трограммы (рис. 10) нам сразу же бросается в глаза
их полосатая структура. Характерно, что в области
Рис. 10. Развернутая спектрограмма.
На этой спектрограмме представлена визуализированная картина предло-
жения. По вертикальной оси отложена частота, по горизонтальной —время,
интенсивность же звука характеризуется степенью затемнения спектро-
граммы.
высоких частот полосы очень размазаны; степень по-
темнения каждой полосы меняется с изменением ча-
стоты (а также и с изменением времени). Чтобы объ-
яснить такую структуру спектрограмм, необходимо
рассмотреть устройство голосового тракта человека.
При произнесении почти всех звуков воздух из лег-
ких сначала поступает в гортань (хрящевую трубку,
открытую с обоих концов и служащую «воздухопрово-
дом»), а затем выходит через рот или нос.
Выдыхаемый из легких воздух либо беспрепят-
ственно проходит голосовой тракт, либо вынуждает
колебаться голосовые связки. В первом случае могут
создаваться согласные звуки речи, например «с»,
«ф» — на спектрограмме (рис. 10) им соответствует
размазанная область; во втором — гласные звуки или
согласные типа «л» и «н». На спектрограмме такие
звуки представлены вертикальными полосами.
27
Голосовые «связки» расположены в верхней части
гортани и состоят из мышечных волокон, переплетен-
ных между собой. Под действием проходящего воздуха
голосовые связки начинают «гудеть», изменяя тем са-
мым поток воздуха и образуя понятные нам гласные
звуки речи. Энергия колебаний голосовых связок (как
и других колебательных процессов) не сосредоточена
на одной основной частоте, а распределена по целому
спектру высших гармоник. Затем при прохождении
звука через резонансные полости горла, рта и носа вы-
деляются и усиливаются звуки, соответствующие опре-
деленным частотам. Звуковая энергия оказывается со-
средоточенной в некоторых полосах частот, называе-
мых формантами (на спектрограмме рис. 10 — темные
полосы). Частоты, на которых происходит усиление
звуков, в результате чего и возникает формантная кар-
тина звуков речи, определяются формой и размерами
резонансных областей, образующих голосовой тракт.
Впервые наличие нескольких частотных диапазо-
нов в речи человека удалось обнаружить английскому
ученому Пэйджету. В настоящее время благодаря
спектрограммам распознавание формант намного упро-
стилось. Несомненно, формантная картина является
самым важным признаком речи. Каждому гласному и
большинству согласных звуков соответствует опреде-
ленная формантная картина, которая сохраняет неко-
торые общие черты независимо от того, кто произно-
сит данный звук: мужчина, женщина или ребенок.
Однако наблюдаются и существенные различия, в
частности по продолжительности звучания. Все это,
естественно, усложняет создание прибора для распо-
знавания речи. И над этой задачей мучаются в настоя-
щее время многие ученые и инженеры.
ЗАЧЕМ НУЖНЫ МАШИНЫ,
РАСПОЗНАЮЩИЕ РЕЧЬ?
Знание всех тонкостей процесса формирования
речи сегодня представляет собой не только академи-
ческий интерес. Ведь общение человека с машиной
становится все более непосредственным. Правда, сей-
час оно в основном осуществляется с помощью кла-
виатур, перфокарт и магнитных лент,
28
По мнению многих, именно эти моменты в процессе
связи человека с машиной затрудняют практическое
применение последних. Слишком много времени тра-
тится на подготовительную работу, а машинное время
очень дорого. Следует также отметить, что неподго-
товленные люди не могут обращаться с машиной, а
подготовка программистов требует дополнительных
средств. Как было бы хорошо, если бы мы могли бе-
седовать с машиной по телефону!
Можно много говорить о пользе машин, умеющих
распознавать или синтезировать речь. В частности,
они, например, позволяют передавать по любому ка-
налу связи значительно больше сообщений. Мы уже
говорили о том, что для удовлетворительной передачи
речи необходимо посылать примерно в 1000 раз боль-
ше информации по сравнению с той, которую может
воспринимать слушатель. Следовательно, если бы мы
могли каким-то образом выделять из звуковых сиг-
налов речи полезную информацию и передавать слу-
шателю только ее, то мы освободили бы 99,9% инфор-
мационного объема канала. Иными словами, теперь
мы могли бы передавать по каналу связи вместо од-
ного нормального акустического сигнала 1000 закоди-
рованных посланий. Естественно, что на выходе ка-
нала закодированные сигналы с помощью синтезирую-
щего прибора необходимо преобразовать в обычную
речь. К сожалению, в практику такие устройства еще
не вошли, хотя значение их несомненно.
В конце этой главы мы назовем еще две области,
где особенно целесообразно применение приборов, рас-
познающих и синтезирующих речь. Сейчас же рас-
смотрим первенца приборов такого типа, называемого
вокодером (от voice coder, что означает кодирующий
голос). Он был построен в 1939 году сотрудником ла-
боратории Белл телефон Гомером Дадли и показан на
Всемирной выставке в Нью-Йорке. Этот вокодер пред-
назначался для повышения емкости передающих ка-
налов. Анализ частотных компонентов речи осуще-
ствлялся в нем с помощью 10 полосовых фильтров, по-
крывающих всю область частот человеческой речи.
С выхода каждого фильтра сигнал (измерялась интен-
сивность сигнала в полосе частот, которую пропускает
фильтр) поступал в аналогичный фильтр на выходе
29
Телефонный
кабель
Вычислительный центр йббнента
Цифрованные команды
Восстановленный голос
Вычислительная лаборатория
Рис. 11. Блок-схема системы, позволяющей разговаривать по телефону с машиной.
Преимущества общения человека с машиной по телефону очевидны. Оператор спрашивает машину, посылая ей с пульта
управления, расположенного рядом с телефоном, закодированный сигнал. Машина может выдать ответ человеческим голо-
сом, синтезируя речь из элементов цифровой речи, хранящихся в блоке памяти. Эти данные, представляющие собой зако-
дированный наиболее вероятный список слов, данный заказчиком, поступают в блок памяти из вычислительной лаборато-
рии, кодирующей речь.
вокодера. С помощью этого фильтра и воспроизводи-
лась первоначальная речь. Недавно фирма IBM раз-
работала устройство, реагирующее непосредственно на
голос человека, которое используется с электронно-
вычислительной машиной типа IBM-360 (рис. 11).
Попытка осуществить анализ и синтез речи с по-
мощью вокодера чем-то напоминает блуждание по
темным закоулкам, так как вокодер передает речь, но
сам ее «не понимает». В следующих двух параграфах
мы поговорим о том, какие успехи (небольшие, но уже
ощутимые) достигнуты в области изготовления и при-
менения думающих машин. Эти машины могут раз-
бивать речь на соответствующие компоненты, необхо-
димые для распознавания содержащегося в ней сооб-
щения, а также воссоздавать волновую картину фра-
зы из данных, которые сами по себе ничего не говорят
о том, как такая фраза должна быть сказана.
МАШИНЫ, РАСПОЗНАЮЩИЕ РЕЧЬ
Прежде всего кратко рассмотрим основные требо-
вания, которым должны удовлетворять машины, рас-
познающие речь По мнению некоторых специалистов,
о машинах, способных распознавать разговорную речь
разных людей, пока не стоит говорить серьезно — это
дело далекого будущего. Если даже иметь в виду речь
только какого-то одного человека, то и здесь достиг-
нутые успехи очень скромны. Однако в последние годы
уже появились приборы, которые могут распознавать
небольшое количество отдельных односложных слов,
произнесенных одним человеком. Сегодня все усилия
ученых направлены на то, чтобы расширить «словар-
ный запас» машин и «научить» их понимать голоса
разных людей. Поистине идеальной была бы машина,
понимающая слова независимо от того, в каком эмо-
циональном состоянии, с каким акцентом, мужчиной
или женщиной они произносились. Другие, менее су-
щественные трудности состоят в том, что сегодня чело-
век еще находится в подчиненном положении по отно-
шению к машине, является ее придатком: чтобы быть
понятым, он должен «разговаривать» с машиной на
ее языке, осуществив предварительно массу подгото-
вительных операций.
31
Оказывается, что человеческий мозг мгновенно мо-
жет распознать лишь одну-единственную фонему1, ко-
торая в действительности представляет собой чрезвы-
чайно сложный набор звуков различной частоты и про-
должительности. Причем мозг без труда выделяет из
массы параметров именно те, которые определяют фо-
нему. Несмотря на многочисленные исследования, до
сих пор еще не удалось установить взаимно однознач-
ной связи между звуковой картиной и воспринимаемой
мозгом фонемой. Это объясняется чрезмерной слож-
ностью и многообразием звуковых картин, которые
можно «нарисовать» на основе различных комбинаций
амплитуд, частот и продолжительностей звучания.
Сравнительно легко создать прибор для распозна-
вания речи, который может понимать несколько слов,
произнесенных одним и тем же голосом. В 1950 году
такой прибор был изготовлен в США. С точностью,
близкой к 100%, он узнавал 10 цифр, которые по теле-
фону сообщал ему один и тот же человек. Однако
когда эти же самые цифры произносил совершенно
четко и с соблюдением всех положенных пауз уже дру-
гой человек, точность прибора падала до 50%. Прин-
цип работы прибора заключался в выделении первой
и второй формант, образующих гласные звуки. При
дальнейшем усовершенствовании прибор мог уже рас-
познавать звуки (цифры от 1 до 10), произнесенные
другими людьми, которые подражали голосу, привыч-
ному для прибора. Однако увеличить его словарный
запас и восприимчивость к различным голосам оказа-
лось невозможным.
В США наиболее успешно в этой области работает
фирма RCA. В 1956 году группой, руководимой Олсо-
ном, была построена машина, которая с точностью
98% могла распознавать 10 односложных слов, про-
изнесенных одним голосом (рис. 12). От говорящего
при этом требовалось тщательное произношение слов
и строгое соблюдение интервалов между ними. Ма-
шина могла работать в пяти различных временных ин-
тервалах и имела восемь частотных полос: получалась
1 Фонема — отдельный звук речи, рассматриваемый как сред-
ство для различения и материал для построения значимых еди-
ниц языка — слов. — Прим. ред.
32
Чедд
Мозг
Рис. 12. Сравнение устройства машины для распознавания речи, сделанной Олсоном, с устройством слу.
хового аппарата человека.
Матрица (8 X 5) из сорока ячеек. Если энергия сиг-
нала, поступающего в любую ячейку, больше некото-
рого порогового значения, то на ячейке загорается
цифра «1», если же меньше — то «О». Таким образом,
каждый слог оказывался закодированным. Закодиро-
ванная информация посылается на хранение в блок
памяти, откуда ее при желании можно извлечь и от-
править в блок печатающего устройства. В результате
различных усовершенствований, но с использованием
тех же принципов удалось к 1961 году повысить фоне-
тический запас прибора до 100 слогов, а к настоящему
времени — до 2000 слогов.
В начале 60-х годов группой японских ученых был
построен прибор, удовлетворительно распознающий
японскую речь. Повышенный интерес, существующий
в Японии к такого рода исследованиям, вполне поня-
тен: хотя японская письменность намного сложнее, на-
пример, английской, фонетическая структура японско-
го языка гораздо проще.
Английские ученые Бездел и Бридл предложили
более простой, первоначально имевший некоторый
успех подход к проблеме распознавания речи. Они за-
метили, что ухо и мозг способны распознавать речь
даже в том случае, когда гребни и впадины звуковых
волн речи являются частично «подрезанными». Они
предложили измерять временные интервалы между
точками, соответствующими нулевым значениям зву-
ковой волны. Устройство, изготовленное ими в 1969 го-
ду, могло распознавать 10 слов, произнесенных 12 про-
извольно выбранными людьми, с точностью 91—98%.
Однако, несмотря на очевидные и весьма обещающие
результаты, исследования по этой программе были
прекращены. Несколько в ином виде они были про-
должены другим английским ученым, Лэвингтоном,
который, кроме временных интервалов, ввел в рас-
смотрение амплитуду модуляции звуковой волны и
производную ее по времени. Измерения этих трех па-
раметров производились каждые десять миллисекунд.
Испытания показали, что 10 цифр, которые произно-
сили 19 различных людей, устройство распознавало с
вероятностью 97—98%. В настоящее время Лэвинг-
тон с учетом уже полученных экспериментальных дан-
34
них разрабатывает новый усовершенствованный при-
бор, пригодный для практического применения.
Значительные успехи в решении проблемы распо-
знавания речи достигнуты фирмой RCA (США). Кро-
ме прибора, сконструированного Олсоном, там изго-
товлен ряд других приборов для распознавания речи.
Один из них, созданный Мартином, Нельсоном и За-
делем, впервые предназначен для практического при-
менения. Это устройство предполагается использовать
на сортировке корреспонденции в почтовом департа-
менте США. Оно включает в себя аналоговые логиче-
ские элементы, имеющие некоторый порог срабатыва-
ния и моделирующие нервные ячейки человека. Эле-
менты изготовлены на транзисторах и реагируют как
на «положительные», так и «отрицательные» входные
сигналы. Отметим, что аналоговые элементы вклю-
чаются лишь тогда, когда величина входного сигнала
превышает некоторый установленный пороговый уро-
вень. Несколько сотен таких элементов соединены со
сложным частотным анализатором, который разлагает
звуки речи на определенные полосы частот. Выделе-
ние фонемных картин производится с учетом различ-
ных особенностей речи. Еще в 1965 г. с помощью этого
прибора удавалось распознавать с точностью в 82—
99% 22 различные фонемы, включающие гласные,
взрывные и сонорные звуки, произнесенные 6 различ-
ными людьми.
Основной задачей такой машины, предназначенной
для использования на крупных почтамтах, является
повышение эффективности работы сортировочных
пунктов, на которых обычно работают бригады по два
человека. Один из них сортирует корреспонденцию и
кладет затем пачки на конвейер, другой же в это
время прочитывает индекс и с помощью «ключа» со-
общает этот индекс прибору, запускающему сортиро-
вочно-упаковочную систему, которая направляет упа-
ковку в соответствующий почтовый мешок. Для ра-
боты же с сортировочной машиной, изготовленной
фирмой RCA, достаточно одного человека. Действи-
тельно, всю работу, которую делал второй сортиров-
щик, теперь без труда может выполнять первый, по-
скольку почтовый индекс корреспонденции он может
£
35
сообщить в микрофон. Работа с машиной происходит
следующим образом: сортировщик сообщает индекс
корреспонденции машине, затем кладет пакет на кон-
вейер. Поскольку машина «понимает речь», то, полу-
чив приказ, она включает сортировочно-упаковочное
устройство. Для страховки перед сортировщиком стоит
монитор, на экране которого загорается названный им
индекс. Если же машина «ослышалась», то сортиров-
щик может поправить ее устно, сообщив ей еще раз
сказанное ранее. В лабораториях RCA был изготовлен
«космический робот», который понимал и выполнял
14 команд, таких, как «вверх», «вниз», «вправо», «вле-
во» и т. д., которыми обычно пользуются космонавты
и летчики.
Основной же проблемой, так и не решенной на се-
годняшний день, по-прежнему остается распознавание
обычной разговорной речи. Здесь существуют по край-
ней мере две дополнительные трудности, которые не-
обходимо преодолеть. Во-первых, произнесенные слова
в отличие от написанных не отделены друг от друга,
поскольку звук предшествующего слова частично на-
кладывается на звук последующего. Услышанную фра-
зу человек без труда разделяет на слова; для машины
же такая задача оказывается чрезмерно сложной. Во-
вторых, чтобы машина могла распознавать и понимать
речь, необходимо, чтобы она запоминала не только
акустическую картину речи, но и очень большое
количество лингвистической информации. Только это
позволит ей понять смысл услышанного. Другими
словами, машина должна знать грамматику и син-
таксис так же хорошо, как и громадное количество
слов.
Первая проблема (рассечение речи на распозна-
ваемые единицы — фонемы и слова) наиболее успешно
решается группой американских ученых из Стэнфорд-
ского университета под руководством Редди. Решение
второй проблемы, как отметил на совещании инжене-
ров и ученых по проблеме распознавания речи про-
фессор Пьер Делаттр, зависит от того, насколько хо-
рошо инженеры и ученые смогут познать природу
языка. «Может оказаться, — сказал он, — что девять
десятых всей работы уже сделано».
36
СИНТЕЗ РЕЧИ
В отличие от машин для распознавания речи ма-
шины, которые могут «говорить», общеизвестны. На-
пример, «говорящие часы» сообщают нам по теле-
фону время, а вычислительные устройства, стоящие на
линии Нью-Йорк — Лондон, буквально через минуту
после телефонного запроса дают информацию об
уровне цен на бирже. Эти два устройства, несомненно,
являются говорящими машинами. Но, подобно фоно-
графу, их принцип работы основан на записи челове-
ческой речи: небольшой запас слов записывается на
магнитном барабане, а устройство, осуществляющее
прямой контроль, определяет, какие из записанных
слов следует воспроизвести. В настоящее время мно-
гие лингвисты, психологи, фонетики, инженеры по
электронике и акустике работают над новой усовер-
шенствованной говорящей машиной, по сравнению с
которой названные устройства окажутся столь же
архаичными, как говорящая кукла.
Наиболее выгодно использование говорящих машин
совместно с ЭВМ. Тогда ЭВМ получала бы указания
в разговорной форме через устройство для распозна-
вания речи, а затем через устройство для синтеза речи
давала бы ответ в той же форме, подобно Хэлу, го-
ворящему роботу, в фильме Стэнли Кубрика «Косми-
ческая Одиссея: 2001». Мы уже говорили о том, ка-
кими преимуществами обладают машины, с которыми
можно вести диалог. Возможно, наиболее интересной
является машина, способная читать печатный текст.
В настоящее время некоторые исследователи, среди
них Чомский, известный американский специалист в
области языкознания, занимаются разработкой преоб-
разователя, который сможет превращать написанный
текст в разговорную речь. Уже показано, что такой
прибор больше не является научной фантастикой.
И наконец, сейчас уже имеются перспективы автома-
тического перевода. Существует машина, которая мо-
жет переводить с русского языка на английский (в ос-
новном прозу). Такая машина, снабженная устрой-
ством для распознавания и синтеза речи, могла бы
быть предтечей «преобразователя языка». Она читала
87
бы русский текст, а говорила по-английски, или на-
оборот.
Очевидно, что ни в одном из этих устройств уже
нельзя использовать принцип записи речи на пленку,
как это делается в «говорящих часах». Словарный за-
пас таких приборов должен быть огромным. Но более
важным является следующее обстоятельство: в разго-
ворной речи одно и то же слово может появляться в
совершенно различных по типу предложениях и произ-
носиться с различной степенью выразительности и раз-
ным тоном. Кроме того, как уже упоминалось выше,
в разговорной речи на звук произносимого слова на-
кладывается звук предшествующего слова. Поэтому
необходимо при конструировании такого устройства
учесть все тонкости речи. Оно должно без всяких
записей на магнитную ленту произносить слова,
по звучанию подобные разговорной речи человека.
Только такое устройство можно считать синтезато-
ром речи.
Говорящие машины известны давно. Но, подобно
аппарату, построенному Вольфгангом фон Кемпеленом
еще в конце XVIII столетия, они являются механиче-
скими моделями голосового аппарата человека, в них
имеются воздуходувные мехи, язычки и акустиче-
ские резонаторы, имитирующие соответственно легкие,
голосовые связки и голосовой тракт. Существует так-
же система для контроля работы этих устройств. Не-
которые из таких механических аппаратов довольно-
таки хорошо произносили слова. В 1920 году сэр Ри-
чард Пэйджет показал, что гласные звуки с высоким
качеством звучания можно воспроизводить с помощью
колеблющихся язычков и резонансных полостей, из-
готовленных из глины. Ему даже удалось воспро-
извести простые предложения (такие, как «Алло,
Лондон, вы слышите меня?» или «О, Лейла, я вас
люблю»).
В современных синтезаторах речи в основном ис-
пользован тот же принцип воспроизведения звука. От-
личие заключается лишь в том, что теперь вместо ме-
ханических устройств применяются электронные. Го-
лосовые связки заменяются импульсным генератором,
служащим источником гласных звуков, источником же
согласных звуков, таких, как «с», «ф», является гене-
38
Рис. 13. Устройство голосового тракта человека.
ратор шума. Электрические аналоги реальных звуков
далее направляются в электронное устройство. По-
следнее бывает двух типов.
Устройство первого типа основано на моделирова-
нии артикуляции, то есть на непосредственной замене
различных частей голосового тракта человека соот-
ветствующими электронными устройствами (рис. 13,
14). Голосовой тракт представляет собой набор свя-
занных между собой секций, каждая из которых со-
стоит из коденсатора и индуктивности. Контрольные
сигналы в синтезаторах этого типа устанавливаются
по аналогии с физиологической картиной положения
языка и губ. Первая говорящая машина такого типа,
способная произносить целые предложения, была по-
строена в 1957 году американским ученым Розеном
39
Рис. 14. Моделирование голосового тракта человека.
При артикулярном подходе к синтезу речи вместо органов голосового
тракта человека используют электрические цепи, моделирующие работу
этик органов
и получила название DAVO L Она содержала 13 кон-
трольных устройств, каждое из которых выполняло
лишь простую функцию имитируемого им участка го-
лосового тракта. Несмотря на это, качество речи, вос-
производимой DAVO, было превосходным.
Устройства для синтеза речи второго типа основаны
на акустическом моделировании. Здесь мы уже не сле-
дуем физиологической структуре голосового тракта, а
используем для синтеза речи такие понятия, как
формантная частота, амплитуда, продолжительность
звучания и т. д. (рис. 15). В отличие от метода модели-
рования артикуляции, связанного с изучением голосо-
вого тракта, при акустическом подходе воспроизво-
дится звук, записанный на спектрограмме. Первый
такой акустический синтезатор, который публично де-
монстрировался в Лондоне, был построен английским
1 DAVO — dynamic analogue of uocal tract (динамический
аналог голосового тракта).
40
Контроль
формантных
амплитуд
Носовая цепь
(фиксирована)
Четвертая форман-
та (фиксирована)3500Гц
Регулируемый
сигнал
основной
частоты
Первая форманта
700-800 Гц
-------?------
Вторая форманта
700-2500 Гц
......f--------
Третья Форманта
1500-3500 Гц
7--------Т--------
ТПВЛЬ
Резонанс-
ные
цепи
Контроль Регулиру-
формантных емые Y
частот ослаби- ..
тели
Рис. 15. Акустический подход к созданию говорящей машины,
В этом случае не повторяется структура голосового тракта человека,
а для синтеза речи используются такие понятия, как формантная частота,
амплитуда, продолжительность звучания и т. д.
ученым Лоуренсом в 1952 году. Принцип работы этого
прибора заключался в том, что он сканировал звуко-
вое поле, записанное на спектрограмме, а полученные
электрические сигналы контроля использовались для
трех формантных частот и специфических параметров
источника звука.
До сих пор наиболее успешно синтез речи осуще-
ствлялся ручным способом. Этот способ включает в
себя непрерывную проверку и перепроверку всех па-
раметров системы и их подгонку к тем значениям, ко-
торые позволяют синтезировать разговорную речь, по-
нятную окружающим. Необходимость дополнительного
прослушивания и перепроверки каждого слова или
предложения, произнесенного таким прибором, ослож-
няет применение прибора. Его обычно используют
лишь для исследования основных факторов, которые
требуется учитывать при проектировании синтезаторов
речи, пригодных для практического использования.
Для создания говорящей машины, подобной Хэлу из
фильма «Космическая Одиссея: 2001», требуется син-
тезатор речи, способный действовать строго в соответ-
ствии с определенными правилами. Синтез речи по
41
установленным правилам можно понимать как метод
преобразования дискретного набора входных сигналов
(фонем, знаков препинания, ударения) в некие конт-
рольные сигналы, которые можно направить в синте-
затор речи и получить на его выходе обычную беглую
речь.
В различных лабораториях США, Англии, СССР и
Японии работают в настоящее время над проблемой
синтеза речи по некоторым установленным заранее
правилам. Но основная задача в этой области — найти
и идентифицировать правила человеческой речи, ко-
торые точно определяют, как фонемы воздействуют
друг на друга и как осуществляется переход между
отдельными фонемами. К этим правилам следует так-
же добавить те, которые делают нашу речь разумной,
с правильной расстановкой ударений и четким ритмом.
Большие успехи, достигнутые несколько лет назад в
идентификации этих правил, позволили создать ряд
синтезаторов. Следует добавить, что, несомненно, ма-
шины для синтеза речи получат распространение зна-
чительно раньше, чем устройства, распознающие не-
прерывную речь. И по-видимому, ЭВМ начнет «разго-
варивать» с нами много раньше, чем мы сможем
научиться отвечать ей в такой же разговорной форме.
3.	Музыка
На первый взгляд может показаться, что наука и
техника очень далеки от музыки — самой возвышен-
ной из всех форм искусства. Однако такое утвержде-
ние вряд ли справедливо. Для многих ученых музыка
служит своего рода отдыхом и вторым любимым за-
нятием. Многие из них сами являются превосходными
исполнителями (например, Эйнштейн очень хорошо
играл на скрипке). Еще 2500 лет назад делались по-
пытки связать музыку с математикой и физикой. Так,
опыты Пифагора с монохордом возможно, положили
начало количественным исследованиям в области гар-
монии (рис. 16). В последующие столетия многие ве-
ликие ученые, такие, как Галилей, Ньютон, Даламбер,
Гельмгольц и другие, уделяли музыке значительное
внимание и внесли большой вклад в теорию гармонии.
Взаимосвязь науки и музыки — прекрасная тема, вы-
ходящая, к сожалению, за рамки этой книги. В тре-
тьей главе мы рассмотрим вопрос о том, что же дала
техника музыке.
МУЗЫКА И ТЕХНИКА
Во взаимоотношениях между техникой и музыкой
(мы имеем в виду звуковые колебания, создаваемые
солистами или оркестром) основная задача техники —
донести до слушателя без всяких искажений всю пре-
лесть и очарование музыкального произведения. Как
это достигается, мы узнаем из этой главы. Здесь
1 Монохорд — старинный музыкальный инструмент. — Прим,
перев.
43
Рис. 16. Первые научные исследования музыкальных звуков.
Около 2500 лет назад греческий ученый Пифагор начал проводить опыты
по изучению музыкальных звуков. На этих иллюстрациях, взятых из
книги, опубликованной в 1492 году в Италии, мы видим библейского отца
музыки Юбала и Пифагора вместе со своим учеником Филолаем, иссле-
дующих звуки колоколов, молотков, струн, трубок различных размеров,
форм и весов.
Рис. 17. Управление электронной музыкальной машиной в лабо-
ратории, предназначенной для изучения электронной музыки.
Современные композиторы используют такие машины для создания совер-
шенно новых звуковых эффектов.
необходимо остановиться на двух основных вопросах.
Первый — архитектурная акустика, то есть технология
проектирования и строительства концертных залов
с хорошим звучанием; второй вопрос — воспроизведе-
ние звука — технология записи и восстановления ис-
полнения музыкального произведения. Это создает
возможность неоднократного прослушивания произ-
ведения в будущем. Но прежде чем обсуждать эти
вопросы, расскажем о том, что нового внесла техника
в создание музыкальных звуков.
В настоящее время при создании музыкальных
произведений все чаще прибегают к помощи электро-
ники. Различное нагромождение электронной аппара-
туры, широко используемое сегодня в поп-музыке,
подчас создает ощущение воя дикого зверя. Вычисли-
тельные машины и электронные звуковые генераторы
(рис. 17) начинают играть все возрастающую роль и
45
в «серьезной» (симфонической) музыке, хотя, по мне-
нию многих, то, что они создают, еще не является «на-
стоящей музыкой». Но даже самые консервативные
музыканты, по-видимому, должны признать, что раз-
витие техники поможет улучшить качество звучания,
тембр и увеличить частотную полосу обычных музы-
кальных инструментов.
Здесь следует напомнить, что величайшие мастера
музыкальных инструментов были «артистами своего
дела». Они постоянно экспериментировали, изменяли
чертежи своих инструментов и технику их изготовления.
Но даже такой инструмент, как скрипка, изготовле-
ние которого всегда было покрыто тайной, недавно
удалось улучшить благодаря научным изысканиям.
Хотя это и звучит еретически, но ряд изготовленных
в настоящее время скрипок могут даже сопер-
ничать с инструментами, сделанными самим Стради-
вари. Полное одобрение Страдивари, вероятно, могло
бы получить недавно изготовленное новое семейство
музыкальных струнных инструментов (рис. 18). Их
конструирование осуществлялось на основе последо-
вательной акустической теории. Такой подход являет-
ся наиболее разумным, так как связан с более деталь-
ным анализом всех конструктивных особенностей
инструмента. Представленные на рис. 18 инструменты
спроектировал и изготовил ведущий американский
специалист в области акустики скрипок Фредерик
А. Саундерс (умер в 1963 году). В 1958 году вместе
с Хатчинс он начал конструирование восьми инстру-
ментов семейства скрипок различных размеров и с
разными диапазонами частот, причем их суммарный
диапазон частот покрывает всю частотную полосу,
обычно используемую в музыке. После смерти Саун-
дерса с помощью друзей и сотрудников по работе
Хатчинс удалось закончить работу. В 1966 году в Гар-
варде на собрании Американского акустического об-
щества состоялся первый концерт с участием этих
восьми инструментов, посвященный Саундерсу. Все
инструменты (дискант, сопрано, меццо, альт, тенор,
баритон, малый бас и контрабас) были построены на
основе резонансного выделения соответствующих ча-
стот, что придавало тону нужное качество и окраску.
Как сами инструменты, так и концерт имели большой
46
Рис, 18. Новое семейство из 8 скрипичных инструментов (вдвое больше обычного), изготовленных группой
специалистов в США.
На диаграмме показано соответствие нот каждой из 4 струн инструментов клавиатуре рояля.
успех. Без сомнения, в дальнейшем применение науч-
ных методов при проектировании и изготовлении но-
вых семейств музыкальных инструментов будет более
глубоким.
АКУСТИКА
Начало современной науке об архитектурной аку-
стике было положено американским ученым У. К. Сэ-
бином. В 1895 году (в это время Сэбин был ассистен-
том профессора физики в Гарвардском университете)
ректор университета предложил ему выявить акусти-
ческие помехи в лекционном зале только что построен-
ного Музея искусств Фогга в Гарварде
Получив это задание, Сэбин бросил исследования
по оптике и электричеству и с головой погрузился
в акустику. С помощью органных труб и огромного
количества подушек он превратил лекционный зал и
соседние с ним комнаты в лабораторию и начал изу-
чать поведение звука в замкнутых объемах. Продол-
жительность звучания Сэбин определял с помощью
секундомера. Следует отметить, что он обладал абсо-
лютным слухом. И если современные, вновь построен-
ные или реконструированные концертные залы имеют
хорошую акустику, то в этом большая заслуга Сэбина.
На основе своих опытов Сэбин сформулировал три
фундаментальных требования, которым должны удов-
летворять любые залы, предназначенные для концер-
тов, лекций и выступлений: 1) достаточно громкий
звук; 2) сохранение относительных интенсивностей
одновременно звучащих компонентов сложного звука;
3) четкость и разделение как друг от друга, так и от
посторонних шумов последовательных звуков речи или
музыки при быстрой артикуляции. Он писал: «Эти три
положения являются как необходимыми, так и пол-
ностью достаточными условиями хорошей акустики
зала. Говоря научно, проблема архитектурной акусти-
ки связана с тремя явлениями: реверберацией, интер-
ференцией и резонансом. Кроме того, как инженерная
проблема она включает в себя вопросы формы ауди-
тории, ее размеров и материалов, из которых она
построена».
48
В 1895 году, когда Сэбин начинал свои исследова-
ния, он, вероятно, уже чувствовал, какие опыты и как
следует проводить для выявления акустических ха-
рактеристик зала, поскольку был знаком с опытом,
хотя и незначительным, своих предшественников по
архитектурной акустике. Несмотря на то что ученые
XVIII и XIX столетий много занимались звуком, лишь
некоторые из них сталкивались с проблемами архи-
тектурной акустики. Несколько разрозненных работ,
написанных учеными середины XIX столетия, носили
чисто качественный характер. Они напоминали скорее
писания древних греков и римлян и не имели ничего
общего с работой, проведенной Сэбином. Из архитек-
торов древности римский архитектор Витрувий (I в.
до н. э.), который написал десятитомный трактат по
архитектуре, пользующийся еще и сегодня уважением,
ближе всех подошел к проблемам акустики (рис. 19).
Основным недостатком лекционного зала Музея
искусств Фогга в Гарварде была его чрезмерная ре-
верберация. Любой звук, порожденный в замкнутом
помещении, прежде чем затухнуть в результате
Рис. 19. Греческий театр в Эпидавре.
Главный недостаток греческих и римских открытых театров заключался
в том, что звуки, идущие со сцены, отражались полукруглыми рядами
сидений и фокусировались снова на сцене. Кроме того, из-за отражений
могли возникать искажения звуков обусловленные изменением частоты.
49
поглощения стенами, потолком и полом, успевает не-
сколько раз отразиться от их поверхностей. В лекци-
онном зале поглощение было столь малым, что произ-
несенное обычным тоном слово продолжало звучать в
течение 5,5 с из-за многократного отражения от стен,
потолка, пола Такое явление Сэбин назвал ревербе-
рацией. За время 5,5 с даже медленно говорящий че-
ловек может произнести от 12 до 15 слогов. Поэтому
понятно, как трудно было слушать речь в таком зале.
Сэбин и занялся в первую очередь исследованием
реверберации. Он измерял секундомером время зву-
чания органной трубы от начала до того момента, пока
звук уже не ощущался на слух. Он полагал, что сте-
пень ослабления реверберации должна быть пропор-
циональна степени поглощения звука. Поэтому потре-
бовалось измерить относительное поглощение различ-
ных материалов. Вот тогда-то и понадобились мягкие
подушки.
Сэбин вместе со своими коллегами вынес около
1500 подушек от сидений из ближайшего театра Сэн-
дерса, постепенно заполнял ими сидения кресел в зале
музея и измерял время полного затухания звука ор-
ганной трубы (рис. 20, таблица). В обычных условиях
время реверберации звука в зале равнялось 5,62 с.
После того как было положено несколько подушек
общей длиной 1 8,2 м, продолжительность звучания
снизилась до 5,33 с, а при общей длине 17 м время
звучания равнялось 4,94 с. Когда все 436 сидений были
покрыты подушками, продолжительность звучания
упала до 2,03 с. Затем подушками застелили проход
между рядами и сцену, а также до самого потолка за-
крыли заднюю стену. В результате такой «маскиров-
ки» нота, сыгранная на органной трубе, теперь зву-
чала уже в течение 1,14 с. Эксперимент потребовал
нескольких ночей. Потом подушки вернули в театр,
а Сэбин продолжал изучать поглощение звука в этом
зале, но уже с другими материалами.
Закончив эксперименты, Сэбин приступил к обра-
ботке полученных результатов. Когда он отложил
1 По существу, нужно говорить не о длине подушек, а о
площади. Однако, поскольку они стандартны, эффект опреде-
лялся полной длиной выложенных в ряд подушек. — Прим,
перев.
длину подушек вдоль горизонтальной оси, а время
звучания — вдоль вертикальной, то получил кривую,
изображенную на рис. 20 (верхняя кривая). Внима-
тельно рассматривая эту кривую в один из осенних
вечеров 1898 года, он вдруг увидел, что она представ-
ляет собой хвост гиперболы, начало которой смещено
вдоль горизонтальной оси. Уравнение такой гипербо-
лы, как известно, имеет простой вид: (а + х) X i = к,
где а — величина смещения относительно начала от-
счета, х— длина подушек, t— время реверберации, а
к — постоянная (рис. 20, нижняя кривая). Выражение
а + х характеризует полное поглощение звуковой энер-
гии в аудитории, а величина а, которая оказалась рав-
ной 146 м,— поглощение стенами, измеренное в еди-
ницах длины «стандартной подушки для кресел из
театра Сэндерса». Таким образом, Сэбин доказал, что
полное поглощение звука в комнате, умноженное на
время реверберации, есть величина постоянная. По сей
день эта формула является основной в архитектурной
акустике.
Разумеется, размер подушки для сидения из теат-
ра Сэндерса является не самой лучшей единицей из-
мерения поглощения звука. Поэтому Сэбин выбрал за
единицу коэффициент поглощения звука открытым
окном. Относительно него определяются коэффициен-
ты поглощения различных материалов: дерева, гипса,
кафеля, стекла и т. д. Исследовав множество разно-
образных материалов, Сэбин составил таблицы коэф-
фициентов поглощения звука, которыми до сих пор
пользуются в архитектурной акустике.
В приведенной выше формуле нам осталось обсу-
дить только лишь одну величину, а именно постоян-
ную к. Постоянная к прямо пропорциональна объему
рассматриваемого нами помещения. Таким образом,
зная объем аудитории и материал, из которого ее со-
бираются построить, архитектор заранее может вы-
числить время реверберации пустой аудитории, за-
полненной слушателями полностью или наполовину,
и даже аудитории, в которой находится всего лишь
один человек.
Итак, формула Сэбина позволяет архитекторам
еще до начала строительства определить время ре-
верберации. Но трудность заключается в выборе
51
Время затухания звука (с) Время затухания звука (в)
1-10-1 9														
8														
7														
6														
Хч														
4														
3														
2														
1														
По	4р	60	8Q	Юр	120	140	160	180	200	220	240	260	280	300
Длина подушек (м)
Ю—1---г-—------г---------------------г-
9		ч														
8		\													
7		—													
6															
5			ч												
4															
3															
2															
1												- **— 		 — -	— — -
0	80		1	60	I		240		320				4?0		560	
Gmem	Поёцниш (м)
оптимального времени, и, к сожалению, наука здесь
нам не в силах помочь, так как все это относится к
области чисто субъективных восприятий. Было при-
нято оценивать время реверберации по наилучшему
восприятию некоторых музыкальных звуков. Сэбин,
будучи членом комиссии по проектированию нового
здания Бостонского мюзик-холла (известного ныне
как Симфонический зал), попытался сделать время
реверберации в нем таким же, как в старинном кон-
цертном зале Лейпцига Гевандхаузе: при полной
аудитории оно чуть превышало 1 с. Открытие 15 ок-
тября 1900 года Бостонского мюзик-холла, построен-
ного согласно всем требованиям акустики, было встре-
чено публикой с большой радостью. Он до сих пор
остается в числе трех-четырех лучших концертных за-
лов мира, предназначенных для исполнения симфони-
ческой музыки. Как было установлено, идеальное
время реверберации существенно зависит от того, для
каких целей предназначен зал. Так, например, зал для
декламаций и камерной музыки должен иметь очень
малое время реверберации (менее 1 с), в залах же,
предназначенных для концертов симфонических орке-
стров, оно составляет от 1 до 2 с, а предназначенных
для концертов хора в сопровождении оркестра —
около 2,5 с (таково время реверберации в церкви То-
маса в Лейпциге). Все эти значения определены для
полной аудитории. Интересно отметить, что в лондон-
ском Ройял фестивал-холле сиденья спроектированы
так, что они одинаково поглощают звук независимо
от того, сидят ли на них слушатели или нет. Подоб-
ным же образом строятся все современные концерт-
ные залы.
Рис. 20. Результаты первого опыта Сэбина по архитектурной
акустике.
Из таблицы видно, что с увеличением количества материала, поглощаю-
щего звук, время затухания звука уменьшается. Зависимость времени
затухания от общей длины подушек дана кривой на верхнем графике.
На нижнем графике кривая представлена как часть гиперболы. Величина
смещения кризой определяет количество звуковой энергии, поглощенной
стенами комнаты.
53
Завершая рассмотрение вопроса о реверберации,
необходимо сказать, что время реверберации изме-
няется с изменением частоты звука. Это связано с тем,
что поглощение звука любым конкретным материалом
зависит от частоты звука. Таким образом, тщательно
подбирая материалы для постройки зала, можно до-
биться того, что он будет хорошо «звучать» либо на
высоких, либо на низких частотах. Можно также полу-
чить хорошее звучание в целой полосе частот, именно
той, которая характерна для данного музыкального
произведения.
При сооружении концертных залов, как отмечал
Сэбин, следует принимать во внимание еще два яв-
ления, а именно интерференцию и резонанс. Их про-
должительность значительно меньше, нежели ревер-
берации. Интерференция происходит всякий раз, ко-
гда прямая волна, идущая от источника, встречается
с волной, отраженной от одной из стен. Если две зву-
ковые волны совпадают по фазе, то они усиливают
друг друга — слушатель слышит более громкий звук.
Если же фазы двух волн противоположны, то теоре-
тически волны могут полностью погасить друг друга.
На самом же деле интерференция звука происходит
несколько иначе. Во-первых, звук от источника «раз-
мазан» почти по всей комнате. Во-вторых, поскольку
интерференционная картина различна для разных ча-
стот, некоторые музыкальные звуки вообще могут не
гаситься. Обычно архитекторы стараются сделать
отраженный звук рассеянным, в результате чего в лю-
бую точку комнаты со всех сторон приходят отражен-
ные волны с совершенно рассогласованными фазами.
Как правило, это достигается либо тем, что стены ком-
наты делают с выступами и нишами, либо покрывают
их материалом, поглощающим звук.
Если мы захотим познакомиться с эффектом резо-
нанса, то можем сделать это, пропев в ванной комнате
(облицованной кафелем) меняющимся по высоте го-
лосом какую-нибудь мелодию. Каждой комнате при-
суще большое количество собственных частот колеба-
ний. И когда в закрытом помещении возникает звук,
то он усиливается на частотах, равных или близких
собственным частотам этого помещения. Степень воз-
буждения колебаний различна для разных частот. Она
54
зависит от положения источника звука в комнате и,
что более важно, от того, насколько близки частоты
источника к собственным частотам помещения. Резо-
нансные гармоники продолжают еще долго звучать и
после того, как все другие уже давно погасли. По-
этому перед архитекторами встает задача подавить
такие колебания, прибегая к различным «архитектур-
ным уловкам».
ПРИКЛАДНАЯ АКУСТИКА
После теоретического обсуждения основных поло-
жений архитектурной акустики мы на примере не-
скольких известных концертных залов (рис. 21—25)
рассмотрим их применение на практике. Начнем с Мо-
лельного дома мормонов1, построенного в 1867 году
в Солт-Лейк-Сити. На первый взгляд, он выглядит
«акустическим уродом». Действительно, его эллипти-
ческий пол и куполообразный потолок должны были
бы создавать сильные интерференционные эффекты.
Однако, к счастью, отраженные от потолка звуковые
волны накладываются друг на друга всего лишь в не-
скольких точках. Более важным является вопрос
о времени реверберации. Кроме пола, который изго-
товлен из дерева, весь интерьер Молельного дома
выполнен из известковой глины, уложенной на дере-
вянной дранке. Если бы эти материалы были исполь-
зованы сегодня при строительстве аналогичной ауди-
тории, то ее время реверберации было бы близко
к таковому в лекционном зале Музея искусств Фогга.
Но сто лет назад в глину обычно добавляли большое
количество шерсти крупного рогатого скота, что, есте-
ственно, увеличивало поглощающую способность ма-
териала. Даже пустой Молельный дом имеет время
реверберации 4 с при частоте 1000 Гц (оптимальное
время реверберации для этой частоты около 2,5 с).
Когда в зале находится 2500 человек, время ревер-
берации становится почти оптимальным. Если же
число прихожан достигало 6000, оно оказывалось
1 Мормоны — североамериканская секта, учение которой
представляет собою смесь язычества и христианства. — Прим
пере&
55
Рис. 21. Отражение звуков в лондонском Ройял Альберт-холлеж
Этот-зал, открытый в 1871 году, имел очень крупные акустические недо-
статки. Из диаграммы видно, как в нем возникает целая серия эхо из-за
отражений звука от куполообразного потолка Сплошными линиями пока-
заны пути отраженных сигналов, которые они проходят за равные про-
межутки времени. Слушатели первого ряда через '/5 секунды после вос-
приятия прямого звука слышали отраженный. Полотно из тяжелой ткани
(пунктирная линия) уменьшило эхо и время реверберации в этом зале.
слишком коротким для хорового пения: звуки, быстро
затухая, становились приглушенными.
Приблизительно в то же самое время, что и Мо-
лельный дом мормонов, в Лондоне был построен
Ройял Альберт-холл. При его сооружении возникли
другие акустические проблемы, в частности время ре-
верберации оказалось чрезмерным даже при полной
аудитории. Но еще более существенной была проблема
эха. Эхо — это отражение звука от препятствий, в ре-
зультате которого мы повторно слышим первоначаль-
ный звук. Для того чтобы отчетливо различать два
отдельных звука, необходимо, чтобы они были раз-
делены во времени по крайней мере на 0,63 с. Если
же интервал времени меньше, отраженный звук уси-
ливает первоначальный, то есть создается картина,
аналогичная реверберации. На рис. 21 показано, как
в Ройял Альберт-холле в результате отражения звука
56
Рис. 22. Лондонский Ройял Альберт-холл.
В 1969 году к потолку зала было подвешено более 100 дисков, изготов-
ленных из стекловолокна, а позади оркестра—установлен сделанный
также из стекловолокна рефлектор 20-метровой длины. В результате
такой реконструкции удалось уничтожить эхо.
от куполообразного потолка возникает эхо. Потолок
зала действовал словно гигантская фокусирующая
линза, и в некоторых местах эхо достигало такой вы-
сокой интенсивности, что слушатели испытывали бо-
лезненные ощущения. Подобный эффект близко свя-
зан с интерференцией, о которой мы уже говорили.
К счастью, значительная часть этих недостатков,
доставлявших слушателям много неприятностей в те-
чение целого столетия, недавно была устранена.
В прошлом пытались снизить эхо и время ревербера-
ции, подвешивая поперек потолка тяжелую ткань.
И все же в некоторых участках зала отраженный звук
оказывался громче прямого, а время реверберации,
особенно на средних частотах, по-прежнему оставалось
большим. В начале 1969 года на высоте 25 м от пола,
несколько выше уровня галереи, к потолку зала под-
весили более 100 дисков из стекловолокна диаметром
2—4 м. Они поглощали звуки средней частоты и от-
ражали высокочастотные и низкочастотные звуки.
Поскольку каждый диск был выпуклым, то вместе
они как бы образовывали поверхность противопо-
ложной выпуклости по отношению к куполу зала, в
57
Рис. 23. Молельный дом мормонов, открытый в 1871 году
в Солт-Лейк-Сити.
Зал этого дома имеет великолепную акустику.
результате чего удалось значительно увеличить рас-
сеяние звука и ликвидировать эхо. Дальнейшее усовер-
шенствование акустики Альберт-холла было достиг-
нуто благодаря установке позади оркестра отражателя
20-метровой длины, изготовленного из того же стек-
ловолокна, что и подвешенные к потолку диски. Все
это позволило настолько повысить качество звучания
оркестра, что даже слушатели, сидящие в последних
68
Рис. 24. Лондонский Фестивал-холл, открытый в 1951 году.
Сиденья этого зала одинаково поглощают звук независимо от наличия
слушателей. Время реверберации в зале почти одинаково при заполненном
и пустом помещении.
Рис. 25. Зал нью-йоркской филармонии, открытый в 1962 годуа
рядах зала, воспринимали музыку практически без
всяких искажений.
Однако исправление указанных акустических не-
достатков носило чисто эмпирический характер. В на-
стоящее время акустические свойства проектируемых
аудиторий изучаются на моделях. Изготовляются ма-
кет будущего зала и маленькие манекены людей, по-
зволяющие исследовать акустические свойства пустой
и заполненной аудитории, а волновая картина зву-
кового поля фиксируется микрофонами. Длина волны
Рис. 26. Исследование акустических свойств будущих соору-
жений на моделях в комнате, полностью изолированной от
внешних звуков.
звука также уменьшается во столько раз, во сколько
уменьшены размеры всего зала. Чтобы исследовать
изменение качества звучания модели, применяют раз-
личные преграды, диффузоры и отражатели. Опыты
такого рода (рис. 26) обычно проводят в комнатах,
стены которых полностью поглощают звук. Это поз-
воляет исключить влияние внешних факторов на аку-
стику изучаемого объекта.
ЗАПИСЬ ЗВУКА
Впервые звук записал американский ученый и
изобретатель Эдисон. В 1877 году он построил фоно-
граф, который в основном состоял из вращающегося
цилиндра (барабана), покрытого оловянной фольгой.
60
Рис. 27. Фонограф Эдисона, изготовленный им в 1877 году.
Оснозная деталь фонографа — цилиндр, покрытый оловянной фольгой,
который вращался с помощью ручки. На поверхности оловянной фольги
звук «чертил» бороздку переменной глубины.
На этой фольге звук «чертил» бороздку переменной
глубины. Барабан же можно было вращать с по-
мощью обычной ручки (рис. 27, 28). Эдисон, извест-
ный большинству людей как изобретатель лампочки
накаливания, спустя несколько лет после изготовления
фонографа вновь вернулся к своему детищу. К этому
времени два других американских изобретателя, Белл
и Тэйнтер, добились значительных успехов в записи
и воспроизведении звука. Они создали прибор, назван-
ный графофоном, в котором цилиндр, покрытый фоль-
гой, был заменен восковым. Следующий важный шаг
сделал в 1888 году американец немецкого происхо-
ждения Берлинер, который первым использовал вра-
щающийся стол и плоский цинковый диск, покрытый
воском (рис. 29). В его установке игла двигалась не
по глубине бороздки, а поперек нее, то есть от одной
стороны к другой. Спустя три года Берлинер изобрел
метод изготовления копий с записи. Интересно отме-
тить, что этим методом до сих пор пользуются в про-
изводстве пластинок.
Сейчас, как и во времена Эдисона и Берлинера,
основная задача при записи звука состоит в том,
61
чтобы запечатлеть мгновенные картины давлений зву-
ковых волн в такой форме, которая позволяет впо-
следствии воспроизвести первоначальный звук. При
этом все приспособления и усовершенствования на-
правлены на то, чтобы воспроизводимый звук по
возможности не отличался от первоначального. Каж-
дый, кто знаком с высококачественными стереоуста-
новками, знает, какие большие успехи достигнуты
Рис. 28. Запись звука на фонографе Эдисона.
в этой области. На заре рождения звукозаписи,
в конце прошлого и начале нашего столетия, записы-
вали в основном оперу и голоса знаменитых певцов.
Качество этой записи было ужасным: резкий тон, вы-
сокий уровень шума и ограниченный диапазон частот.
Естественно, что слушатели без особого труда отли-
чали запись от оригинального исполнения. В послед-
ние годы проводили следующие эксперименты: на сте-
реомагнитофон записывался спектакль, и при следую-
щем представлении актеры играли, не произнося ни
слова, звуки же исходили из стереомагнитофона, по-
мещенного за кулисами, Большая часть зрителей не
замечала этого трюка,
62
До 1925 года запись и воспроизведение звука осу-
ществляли без применения электричества. Чисто ме-
ханическими средствами концентрировали звук, уси-
ливали его и преобразовывали колебания воздуха
в колебания иглы, которая проводила запись, делая
Рис. 29. Оригинальный фонограф, построенный в 1888 году
Берлинером.
В нем применялся вращающийся столик и плоский диск, покрытый воском.
Игла чертила на этом диске извилистую бороздку вместо бороздки пере-
менной глубины.
бороздки на барабане или диске из воска. Для вос-
произведения обычно использовали другую иглу, коле-
бания ее при движении по бороздкам превращались
в звуковые волны, которые затем усиливались до нуж-
ного предела. Для концентрации и усиления звука
первоначально использовали рупор, узкий торец ко-
торого был закрыт диафрагмой из слюды. Стальная
игла, прикрепленная к слюде, чертила иа восковом
барабане или пластинке бороздки. Прибор, изобра-
женный на рис. 29, мог записывать и воспроизводить
звук. С появлением электричества основные принципы
записи звука не изменились. Применение микрофона
63
Рис. 30. Частотные характеристики звукоснимателей
Одно из основных преимуществ электрических звукоснимателей перед
механическими состоит в том, что они одинаково хорошо воспроизводят
музыку в широком частотном диапазоне.
и электронных ламп означало лишь то, что теперь
стало возможным преобразовывать изменяющееся
давление звуковых волн в соответственно меняю-
щийся электрический ток. Электронная лампа не
только усиливает электрический ток до мощности, не-
обходимой для движения иглы, но и делает это дви-
жение более плавным. Основное преимущество элект-
рического способа усиления звуковых сигналов заклю-
чается в том, что он позволяет проводить очень ма-
ленькие бороздки, применять тончайшие иглы и более
легкие звукосниматели. В результате появилась воз-
можность изготавливать высококачественные граммо-
фонные пластинки, как простые, так и стереофониче-
ские, а также значительно расширить диапазон зву-
ковых частот и обеспечить их равномерное усиление
(рис. 30).
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ГРАММОФОННЫХ
ПЛАСТИНОК
Люди, работающие в фирмах грамзаписи, обычно
гордятся тем, что точность, с которой они «заморажи-
вают» звуковые волны, не имеет себе равных. Про-
цесс записи звука весьма сложен. Инженер по акустике
должен сочетать в себе специальные знания с лю-
бовью к музыке. Запись звука на магнитофон произ-
водится с помощью микрофона, преобразующего
звуковые колебания в электрические (рис, 31), Уси-
64
Рис. 31. Запись музыкального произведения на магнитную ленту.
Это первый этап в процессе изготовления грампластинок. Такой способ
позволяет делать дублирование, повторные записи и монтаж.
Рис. 32. Изготовление эталонного диска на прецизионном
станке.
На алюминиевом диске, покрытом ацетатным лаком, игла оставляет спи-
ральный след.
3 Гг Чедд
Рис. 33. Нанесение тонкого слоя серебра на ацетатную поверх-
ность эталонного диска, на которой уже произведена запись.
После такой операции диск становится электропроводящим и его можно
покрывать слоем никеля в электролитической ванне.
ленные электрические сигналы фиксируются на ленте,
покрытой железным порошком (обычной магнитной
ленте), в виде зон различной напряженности магнит-
ного поля. После ряда проб, повторной записи и мон-
тажа получается лента, на поверхности которой отпе-
чатано магнитное изображение точного акустического
образа. Далее, когда лента проигрывается, магнитное
изображение превращается в электрическое, последнее
в свою очередь преобразуется в механические колеба-
ния иглы. Игла вырезает след на тонком слое ацетат-
ного лака (рис. 32), которым покрыт металлический
плоский диск. Итак, первоначальный звук оказывается
записанным в форме длинной волнистой бороздки на
ацетатной поверхности диска. Такой диск обычно на-*
зывают эталоном (первым оригиналом).
66
Следующий этап изготовления пластинок — массо-»
вое производство из виниловой смолы копий с этало-
на. Конечно, такую работу легче описать, чем сде-
лать. Эталон, очищенный от пыли, помещают в ванну
с раствором азотного серебра (рис. 33) —здесь его
поверхность покрывается тонким слоем чистого се-
ребра толщиной около 0,0025 мм (этот слой серебра,
«негатив», чрезвычайно хрупок). В электролитической
ванне поверхность диска постепенно покрывается бо-
лее толстым слоем никеля или меди. Затем с помощью
молотка и долота металлический слой отделяют от
ацетатного, который, естественно, при таком процессе
разрушается. Тонкий слой серебра быстро окисляется
и легко удаляется с металлической поверхности. По-
лученный металлический диск (негатив, поскольку
вместо «долин» на нем «хребты») называется матри-
цей. Используя эту матрицу, можно штамповать обыч-
ные граммофонные пластинки. Однако на практике
поступают иначе. С матрицы описанным выше спосо-
бом изготовляют второй оригинал, который является
уже позитивом. Чтобы определить качество записи и
выявить возможные изъяны, второй оригинал прослу-
шивают на проигрывателе, а также тщательно иссле-
дуют с помощью микроскопа. Со второго оригинала
делают штамп, который для большей прочности по-
крывают тончайшим слоем хрома. Именно этот штамп
и применяют для массового производства граммофон-
ных пластинок (рис. 34). Матрица же тщательно хра-
нится на складе, ее используют лишь в том случае,
если испортится второй оригинал.
Мы рассмотрели основные этапы изготовления
грампластинок. Безусловно, самым важным из них
является нарезка бороздок на ацетатном диске. В по-
следние годы в этой области достигнуты особенно
большие успехи (рис. 35,6). Основная часть поздней-
ших музыкальных записей основана на таком прин-
ципе. Следует отметить, что размеры бороздок столь
малы (до 0,08 см), что их можно заметить только в от-
раженном свете. Поэтому при очень сильном звуке
возникает опасность пересечения бороздок с вытекаю-
щими отсюда очевидными последствиями. Раньше эта
проблема решалась просто: если поступал очень силь-
ный сигнал, то его громкость уменьшали и записывали

67
Рис. 34. Массовое производство грампластинок.
Кусок мягкого пластика кладется под пресс и из него получается пла-
стинка. На фотографии отчетливо видны как верхний, так и нижний
штамп с этикетками.
более тихий звук, что, конечно, сказывалось на ка-
честве записи. Сейчас же, если во время записи по-
ступает очень сильный сигнал, резец (крошечная ал-
мазная игла) автоматически меняет свое положение
и нарезает бороздки на большем расстоянии друг от
друга, и наоборот, если сигнал слабый, резец делает
нарезку бороздок плотнее. В последнее время было
предложено использовать для нарезки нагретые иглы,
поскольку они легче «входят» в ацетатный лак и де-
лают звуковую дорожку более чистой и гладкой, то
есть более бесшумовой.
В настоящее время можно достигнуть столь вы-
сокого качества воспроизведения звука, что некото-
рые изъяны, которые, безусловно, имеются, будут со-
68
Рис. 85. Принципы монофонической и стереофонической записей
и формы бороздок.
При монофонической записи под действием горизонтально расположен-
ной магнитной системы игла совершает только поперечные движения, в
результате образуется звуковая дорожка (а). При стереофонической
записи (б) имеются две магнитные системы, расположенные под углом
45° по отношению к плоскости диска и управляющие резцом. Когда к
системам прикладываются различные напряжения, резец совершает од-
новременно движение как вдоль оси Ох, так и оси Оу. Таким образом,
на каждой стенке бороздки появляется по звуковой дорожке, а сами
стенки становятся такими, как показано на фотографиях, увеличенных
вершенно незаметны, так как уровень их шумов зна-
чительно ниже порога восприятия звука человеком.
Для этого необходимо, чтобы частотный диапазон
воспроизводящего устройства перекрывал полосу ча-
стот, воспринимаемую человеческим ухом (от 16 до
20 000 Гц). Далее, такое устройство должно воспроиз-
водить любую частотную компоненту из указанного
диапазона одинаково хорошо (с отклонением не бо-
лее 2 дБ). Необходим также широкий динамический
диапазон звучания (на практике требуется, чтобы раз-
ность в громкости между самым сильным и самым сла-
бым звуками была не меньше 65 дБ). И наконец,для
того чтобы даже самый слабый сигнал слышался от-
четливо и не походил на глухой шум, уровень шума
следует свести к минимуму. Выражаясь непрофессио-
нальным языком, качество воспроизведения звука
должно быть столь высоким, чтобы слушатели полу-
чали максимальное удовлетворение.
В воспроизведении звука с высокой степенью точ-
ности существенную роль играет стереофония, по-
скольку она помогает слушателям различать звучание
разных музыкальных инструментов. Когда мы слу-
шаем в концертном зале, например, концерт для скрип-
ки с оркестром, то, несмотря на то что солирующая
скрипка звучит не намного сильнее, чем остальные
двадцать скрипок оркестра, и, во всяком случае, зна-
чительно тише тромбона, мы тем не менее четко слы-
шим ее звук. Точно так же в гудящей толпе можно
выделить какой-нибудь отдельный голос. Такое вос-
приятие звуков человеком объясняется тем, что у него
два уха. Пути, пройденные звуковыми сигналами, по-
павшими в левое и правое уши, различны, поскольку
последние разделены некоторым расстоянием. Кроме
того, голова человека является механическим препят-
ствием для звука: например, звук, пришедший с левой
стороны, воспринимается левым ухом как более гром-
кий, чем правым. Именно эти различия во времени
восприятия и громкости помогают нам определять
направление на источник звука и выделять звучание
одной скрипки из звучания всего оркестра.
Стереофонический эффект впервые был продемон-
стрирован в 1881 году в Гранд Опера в Париже. На
сцене установили два микрофона, а слушателям раз-
70
ДаЛй наушники. Звук от первого микрофона поступал
к одному наушнику, от второго — к другому. В на-
стоящее время принцип стереозаписи практически
остался тем же. Звук, который хотят записать, раз-
деляют на два сигнала, один из которых поступает в
левый канал записывающего устройства, другой —
в правый. На стереопластинке или стереопленке
имеются две звуковые дорожки. С одной из них при
проигрывании звук поступает в левый громкоговори-
тель, а с другой — в правый. Почти семьдесят лет от-
деляет первую демонстрацию стереофонического эф-
фекта от широкого распространения стереогрампла-
стинок (1958 год). Это объясняется трудностью проек-
тирования и изготовления систем, позволяющих на
одной бороздке диска записывать одновременно оба
канала, то есть чертить две звуковые дорожки.
Современный метод стереозаписи звука был за-
патентован английским ученым Бламлейном еще в
1931 году. И только 30 лет спустя он нашел практи-
ческое применение. На рис. 35, б показан резец для
стереозаписи. Ток из левого канала поступает в левую
обмотку и вынуждает резец двигаться вдоль оси Оу.
В результате такого движения на правой стороне бо-
роздки записывается звуковая дорожка. Тем временем
электрические сигналы, поступающие из правого кана-
ла, вынуждают резец двигаться вдоль оси Ох, записы-
вая сигналы на левой стороне бороздки. Поскольку
оба сигнала поступают одновременно, резец, совершая
сложное движение, записывает сразу две звуковые до-
рожки (по одной на каждой стороне бороздки). Фор-
мы бороздок на стереогрампластинке показаны на
микрофотографиях рис. 35, в. В стереопроигрывателе
вместо резца используют стальную иглу, которая при
воспроизведении звука в точности повторяет все пер-
воначальные движения резца. Сложные движения
иглы разделяются на движения вдоль осей Оу и Ох,
которые затем преобразуются в два различных элек-
трических сигнала. Эти сигналы усиливаются от-
дельно двумя усилителями и направляются далее к
двум различным громкоговорителям. Конечно, при
таком упрощенном описании мы не имеем возможно-
сти сказать о последних достижениях в проектирова-
нии и конструировании звукоснимателей.
71
4.	Подводный звук
По мнению многих специалистов, 70-е годы нашего
столетия должны ознаменоваться интенсивным на-
ступлением человека на океан — существенный источ-
ник наших пищевых ресурсов. При этом они ссылают-
ся на то, что 70% поверхности нашей планеты покрыто
водой. Но, к сожалению, использование канала связи,
верой и правдой служащего нам на суше, — электро-
магнитного излучения в форме либо света, либо радио-
волн— под водой ограничено, вследствие малой даль-
ности распространения сигналов, которая не превы-
шает нескольких метров. Если с переходом из воздуха
в воду электромагнитные волны быстро затухают, то
для звуковых волн картина совершенно обратная. Бла-
годаря тому что звук значительно легче распростра-
няется в воде, нежели в воздухе, человек может с по-
мощью звуковых волн «смотреть» сквозь мрак океана.
Рыбаки, океанографы и подводники, вооруженные зву-
ковыми установками, без особого труда прокладывают
себе путь в океане.
ПРИНЦИПЫ ПОДВОДНОЙ АКУСТИКИ
С увеличением плотности среды последняя стано-
вится более прозрачной для звуковых волн и менее
прозрачной для электромагнитных. В вакууме элект-
ромагнитные волны распространяются на большие
расстояния, тогда как звук там вообще не может су-
ществовать. Плотность воздуха такова, что электро-
магнитные волны распространяются в нем более эф-
фективно, чем звуковые. Например, радиоволны про-
ходят сотни и даже тысячи километров. Звуковые
же — самое большее лишь несколько километров,
72
а область распространения звуков обычной речи во-
обще ограничена несколькими метрами. Когда плот-
ность среды, увеличиваясь, достигает плотности воды,
картина коренным образом меняется. В чистой воде
дальность распространения радиоволн составляет не-
сколько метров, световых — порядка сотен метров, зву-
ковые же волны проходят километры, а в некоторых
особых случаях — десятки, сотни и даже тысячи ки-
лометров.
С помощью звуковых волн мы можем определять
в воде не только направление на объект, но и его ме-
стоположение с достаточно хорошей точностью. Сте-
пень разрешения зависит от длины звуковой волны:
чем она меньше, тем выше разрешение. Однако при-
менение сверхкоротких звуковых волн, сравнимых по
длине со световыми, слишком невыгодно. Скорость
звука в морской воде в зависимости от температуры,
глубины и концентрации солей изменяется в преде-
лах от 1440 до 1500 м/с. В этом случае при частоте
30 Гц длина волны составляет около 50 м, а при
1 МГц — порядка нескольких миллиметров. Такие
сверхкороткие звуковые волны (их длина волны все
еще в 50 000 раз больше длины световой волны) могут
обеспечить прекрасное разрешение, но обычно они не
применяются для обнаружения объектов, так как ин-
тенсивно поглощаются в воде.
На практике для подводных работ, как правило,
используют звуковые волны с частотой порядка 30 кГц
и длиной волны около 5 см. «Видение» под водой
с помощью звуковых волн такой частоты не может
основываться целиком на том же принципе, благодаря
которому мы видим предметы в повседневной жизни
(освещение предмета и восприятие глазом с предва-
рительной фокусировкой линзой — хрусталиком — от-
раженных лучей). «Осветить» предмет звуковыми лу-
чами нетрудно — достаточно лишь применить мощные
источники звука. Гораздо труднее создать соответ-
ствующую линзу — ее диаметр должен быть в не-
сколько тысяч раз больше длины волны. Так, для
звука с частотой около 30 кГц он будет составлять
около 1000 м.
Работа систем обнаружения объектов под водой,
сонаров (абревиатура sound navigation and ranging,
73
то есть звуковая навигация и измерение расстояний)
основана на методе эхолокации. Этот метод был раз-
работан еще во время первой мировой войны. Он
применялся для обнаружения подводных лодок с по-
мощью коротких импульсов звуковых колебаний, ко-
торые посылались под воду. Достигая объекта, им-
пульс отражался от него и возвращался (несколько
ослабленным) назад к источнику, где его регистриро-
вали. Зная время перемещения импульса к объекту и
обратно и скорость распространения звука в воде,
можно с большой точностью определить расстояние
до объекта, что, несомненно, очень ценно, поскольку
обычное визуальное наблюдение в таких случаях пол-
ностью исключается.
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И ЗВУКОВЫЕ ЛУЧИ
Рассмотрим теперь более подробно, как импульс
звука, излучаемый в воде, превращается в направлен-
ный звуковой луч, необходимый для звуколокации.
Всякий прибор, в котором осуществляется превраще-
ние одного вида энергии в другой, называется преоб-
разователем. В сонарах такие устройства преобразуют
электрические колебания в акустические, подобно
тому как громкоговорители преобразуют электриче-
ские сигналы в звуковые (колебания воздуха), а мик-
рофоны— звуковые колебания в электрические.
Однако их конструкции существенно отличаются в
силу различия акустических свойств воздуха и воды.
В то время как работа громкоговорителей и микро-
фонов основана на электродинамическом принципе
(возникновение механических колебаний в результате
взаимодействия проводника с током и постоянного
магнитного поля), в преобразователях обычно исполь-
зуются свойства некоторых материалов изменять свои
размеры под влиянием электрических или магнитных
полей. Здесь необходимо сказать о трех физических
явлениях: магнитострикции, пьезоэлектрическом эф-
фекте и электрострикции.
Магнитострикционные преобразователи исполь-
зуют магнитное поле. Это поле обычно создается вну-
три катушки, когда по ней проходит переменный элек-
трический ток. Внутрь катушки помещается магнит-
74
ный материал, который либо расширяется, либо сок-
ращается под действием переменного магнитного поля.
Такие преобразователи используются на частотах не
выше 100 кГц. Сама катушка тщательно изолирована,
и поэтому весь прибор можно спокойно помещать
в воду.
Основным элементом пьезоэлектрических преобра-
зователей является кристалл кварца, который под дей-
ствием приложенного к нему электрического поля из-
меняет свой размер только в одном направлении. Тем
самым колебания электрического поля порождают ме-
ханические колебания, которые и передаются воде.
И наоборот, колебания воды (звуковые волны) вызы-
вают механические колебания кристалла, создающие
на гранях кристалла переменное электрическое поле,
которое легко можно фиксировать регистрирующим
устройством. Подобным же образом работают элект-
рострикционные преобразователи, нашедшие на прак-
тике наибольшее применение. Особенность их состоит
в том, что изменение размеров некоторых материалов
(керамики) зависит от напряженности приложенного
электрического поля, а не от его знака. К числу подоб-
ных материалов можно отнести титанат бария и тита-
нат-цирконат свинца.
Как электрострикционные, так и пьезоэлектриче-
ские преобразователи окружают водонепроницаемой
оболочкой. Однако ее конструкция должна обеспечить
«выход в воду» колебаниям, созданным преобразова-
телем. На рис. 36 показано расположение основных
элементов преобразователя. Звуковые волны распро-
страняются в жидком диэлектрике и через тонкую ме-
таллическую или резиновую мембрану передают ко-
лебания воде.
Теперь возникает вопрос, каким же образом можно
создать направленные звуковые пучки. Звук, возник-
ший в воде или воздухе, распространяется от источ-
ника по всем направлениям (сферически симметрич-
но). Во время первой мировой войны с помощью зву-
ковых волн удавалось определять лишь расстояние
до подводной лодки, но не ее местоположение. Если
бы удалось создать звуковой луч, подобный световому
лучу прожектора, то это позволило бы немедленно оп-
ределить направление на объект (в пределах ширины
75
Корпус
Рис. 36. Сечение типичного электрострикционного преобразова-
теля, используемого в сонарах.
луча). Аналогичных результатов можно было бы
достигнуть с помощью регистрирующего устройства со
строго направленным приемом отраженных сигналов.
На практике при изготовлении сонаров используются
оба эти принципа.
В настоящее время формирование звуковых лучей
основано на использовании явления интерференции:
две волны, распространяющиеся в фазе, наклады-
ваясь друг на друга, порождают более мощную волну;
волны же, движущиеся точно в противофазе, наобо-
рот, гасят друг друга. Таким образом, два источника
звука, расположенных близко друг к другу, будут соз-
давать ряд минимумов и максимумов (соответственно
в тех местах, где волны гасятся или складываются).
В результате распределение интенсивности звука при-
обретает «лепестковый» характер — возникает ряд
звуковых лучей. С увеличением числа источников ин-
терференционная картина еще более усложняется:
образуется целая система «лепестков» (лучей) различ-
ных размеров. Некоторые из этих лучей очень малы
и слабы. Но наряду с ними существует мощный луч,
расположенный посредине цепочки источников строго
перпендикулярно ей. Увеличивая число источников
76
Рис. 37. Принцип работы эхолота.
Электрический импульс, испущенный генератором А, превращается пре-
образователем Б в акустический импульс В, который распространяется
в воде. Встречая на своем пути препятствия Г, импульс отражается от
него в форме эха Д. Часть отраженной звуковой энергии попадает на
приемный преобразователь Е, который превращает ее в электрический
сигнал. Далее этот сигнал, усиленный до нужной величины блоком Ж>
записывается в блоке 3, где его можно наблюдать визуально. Часы И,
соединенные с генератором А и блоком 3, показывают время, за которое
сигнал прошел путь до мишени и обратно.
в ряду и уменьшая расстояния между ними, можно
свести на нет почти все боковые лучи, оставив только
главный. Естественно, наилучшим было бы непрерыв-
ное расположение источников. Направленный прием
отраженных сигналов осуществляется тем же самым
методом, что и направленное излучение. Обычно во
77
Рис. 38. Сонарная установка на современном рыболовном
траз^лере.
На левом самописце вычерчивается полный путь сигнала от корабля до
дна. Следы от рыб на этом самописце видны в виде маленьких черных
дуг. На правом же самописце с крупномасштабной шкалой рисуется
участок пути сигнала в 10-метровом слое воды около дна. Такой прием
позволяет более четко обнаруживать плавающую там рыбу.
многих сонарных системах один и тот же преобразо-
ватель (или ряд преобразователей) используется как
для излучения, так и для приема звуковых сигналов.
На рис. 37 схематически показан принцип действия
сонарной системы. Передающий преобразователь (пе-
редатчик) посылает короткий звуковой сигнал (им-
пульс), частота которого определяется частотой гене-
ратора (на рис. 37 — в правом верхнем углу) и соб-
ственной частотой преобразователя. Такая очень
важная характеристика сигнала, как длительность
импульса (о ней мы подробнее поговорим позднее),
устанавливается переключателем. В момент излуче-
ния импульса включается часовой механизм. Достиг-
нув мишени, импульс отражается, но уже несколько
78
Рис. 39. Типичная запись, сделанная сонаром с автоматичен
ской цифровой приставкой.
ослабленным, поскольку часть энергии поглотилась
мишенью1. Отраженный звуковой импульс попадает
в приемный преобразователь (приемник). Здесь он
вновь превращается в электрический сигнал, усили-
вается и регистрируется измерительным прибором.
В большинстве сонарных систем отраженный сигнал
можно наблюдать визуально, чаще всего на бумаж-
ной ленте самописца. Как только передатчик излу-
чает импульс, перо самописца начинает двигаться
поперек ленты. Часовой механизм обычно встраивает-
ся в самописец. Когда отраженный сигнал попадает в
приемное устройство, перо самописца делает на бу-
мажной ленте отметку. По расстоянию между отмет-
ками можно судить о времени, прошедшем между
1 Обычно большая часть энергии вообще проходит мимо
цели или поглощается водой. Эти потери, как правило, значи-
тельно превышают потери на поглощение мишенью. — Прим,
ред.
79
излучением и приемом сигнала. Пока импульс путеше-
ствует к объекту и обратно, бумажная лента само-
писца медленно движется перпендикулярно направле-
нию движения пера. Когда излучается следующий
импульс, перо, возвратившись в исходное положение
по вертикали, вновь начинает движение поперек ленты.
Если расстояние до цели не изменяется, то через все
отметки отраженных сигналов можно провести пря-
мую, параллельную краям бумажной ленты. В про-
тивном случае такая прямая становится наклонной
(рис. 38, 39).
Иногда вместо самописца применяется электронно-
лучевая трубка. В ней отраженный сигнал регистри-
руется по боковому отклонению электронного луча.
Основное преимущество электронно-лучевых трубок
заключается в том, что они позволяют производить
быстрое сканирование местности (или объекта).
СОНАРЫ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ
КОСЯКОВ РЫБЫ
Если исключить военное назначение, то можно счи-
тать, что наиболее широко сонары применяются в ры-
боловстве. Уже первое их использование в тридцатых
годах нашего столетия буквально преобразило весь
рыболовный промысел. Промысел рыбы в открытом
море перестал быть блужданием на ощупь. Правда,
первое время с помощью сонаров удавалось обнару-
живать только большие косяки рыб. Поэтому рыбаки
Аляски, Норвегии, стран тихоокеанского побережья,
Советского Союза и Японии использовали сонары на
крупных промыслах сельди и сардин. Они опускали
в воду невод, трал или сети только после того, как
с помощью сонара обнаруживали косяки рыбы. Ко-
нечно, и теперь легче всего обнаруживать сонарными
установками скопления рыбы. Однако современная со-
нарная установка даже в плохую погоду и при макси-
мальной глубине траления может зафиксировать сиг-
нал, отраженный всего от одной большой рыбы, на-
ходящейся, например, на расстоянии 50 см от дна.
Применение сонаров в рыбном промысле позволяет
рассмотреть некоторые теоретические вопросы звуко-
80
Рис. 40. Этот прибор одновременно определяет и записывает
координаты косяков рыб, находящихся в четырех различных
направлениях.
вой локации, а также проблемы подводного «видения»
с помощью звука.
Как в первых конструкциях, так и в современных
сонарах простейшего типа (эхолотах) звуковой луч
направляется строго вертикально вниз. Картина, ко-
торая вычерчивается пером самописца при работе та-
кого сонара, показана на рис. 39 и 40. Наиболее эф-
фективно эхолоты работают на средних глубинах,
хотя, согласно некоторым оптимистическим утвержде-
ниям, их можно использовать и в глубоководной ло-
кации. Для этого необходимо, чтобы ширина излучае-
мого (а также принимаемого) звукового пучка была
порядка 30°, мощность импульса — 200 Вт, продолжи-
тельность импульса — 1 мс и рабочая частота уста-
новки— 30 кГц. С помощью такого сонара можно
было бы обнаружить одну-единственную сельдь на
глубине 100 или одну большую треску на глубине
200 м.
81
Конечно, для того чтобы различить отдельную
рыбу, необходимо, чтобы она находилась от других
мишеней (в частности, от дна) на расстояниях, по
вертикали больших ширины импульса, а по горизон-
тали— линейной ширины пучка. Ширина импульса в
1 мс в воде составляет около 1,5 м, ширина пучка на
глубине порядка 180 м равна 100 м. Поэтому в пре-
делах области, определяемой угловой шириной пучка
и рассматриваемой глубиной, невозможно различить
отдельную рыбу. И если на этом участке плавает не-
сколько рыб, то сонар все равно зафиксирует только
один отраженный сигнал.
Как же улучшить разрешающую способность со-
нара? Ответ на этот вопрос совершенно очевиден —
создавать более узкие пучки и более короткие им-
пульсы. Все эти изменения можно делать за счет уве-
личения частоты. В самом деле, звуковой пучок ши-
риной 30° и с частотой 30 кГц можно создать преоб-
разователем, поперечные размеры которого порядка
двух длин волн испускаемого звука (около 10—15 см).
Если же мы захотим получить пучок шириною 2°, то
нам понадобится преобразователь, поперечник кото-
рого в 30 раз превосходит длину волны излучаемого
звука (то есть примерно 150 см). Преобразователи
таких размеров чрезвычайно дороги и неудобны в об-
ращении. Таким образом, наиболее простым способом
уменьшения длины волны является увеличение ча-
стоты.
Работая с высокочастотным звуком, мы можем по-
лучать как более узкие пучки, так и более короткие
импульсы. Для создания пучка шириной 1° при ча-
стоте 300 кГц необходим преобразователь с попереч-
ными размерами не более 30 см. Если же продолжи-
тельность импульса уменьшить до 0,1 мс и меньше
(это возможно), то поперечник преобразователя не
превысит 15 см. И тогда размеры области разрешения
на глубине 180 м уменьшатся до 3 м по горизонтали
и 15 см по вертикали.
Однако повышение разрешающей способности со-
нара происходит за счет ухудшения других его харак-
теристик. В начале этой главы мы уже говорили о
том, что с увеличением частоты звука уменьшается его
проникающая способность. Этот эффект можно ком-
82
пенсировать, увеличивая мощность звукового импуль-
са; но тем не менее на частотах выше 100 кГц даль-
ность действия узколучевых сонаров ограничена
(~ 180—270 м). Применение узколучевых сонаров по-
рождает и другие проблемы. Дело в том, что узкий
луч сонара необходимо как-то синхронизировать с
движением судна, в противном случае отраженный
сигнал пройдет мимо судна и не будет зарегистриро-
ван— мы не получим информации о местонахождении
косяков рыбы. Длительные испытания показали цен-
ность узколучевых сонаров как для обнаружения
рыбы, так и определения плотности ее скоплений.
С помощью некоторых сонаров можно установить не
только размеры рыбы, но и ее вид.
При переходе от рабочей частоты 30 кГц к 300 кГц
существенно меняется также тип шумов, сопрово-
ждающих работу установки. До сих пор мы предпо-
лагали, что единственный звук, который регистрирует
наша сонарная установка, — это эхо посылаемого на-
ми сигнала. К сожалению, в действительности дело
значительно сложнее. Во-первых, море само по себе
является источником шумов. А во-вторых, оно насы-
щено различными звуками, порождаемыми деятель-
ностью человека (например, шумом винтов судовых
двигателей). Морской шум можно разделить на два
типа: собственно морской шум, создаваемый движе-
нием волн, морскими животными и рыбой, и «тепло-
вой», обусловленный беспорядочным движением моле-
кул. Когда сонар работает на частотах, меньших
100 кГц, то основной помехой является собственно
морской шум. При частотах выше 100 кГц ею стано-
вится тепловой шум. Тот и другой по своей природе
совершенно беспорядочны. Это накладывает некото-
рые ограничения на использование сонаров. Конечно,
с помощью специальных электронных устройств влия-
ние шумов можно свести к минимуму. Основной про-
блемой здесь является увеличение мощности передат-
чика и улучшение отношения сигнала к шуму, что по-
зволит значительно расширить использование сонаров.
Еще в большей степени чувствительность и радиус
действия сонаров ограничиваются реверберацией —
многократным отражением импульса от посторон-
них мишеней. Реверберация может возникать за счет
83
Рис. 41. Сонарная система дальнего действия с невертикаль-
ным направлением звукового луча.
Возможности таких систем по обнаруживанию рыбы, плавающей около
дна, ограничены. Кроме того, отраженные сигналы от рыбы, находящей-
ся в области, окрашенной в темный цвет, достигают приемника одно-
временно с другими сигналами, отраженными от дна. Интенсивность
«донной реверберации» намного превосходит интенсивность сигналов,
отраженных от рыбы. Поэтому эти сигналы невозможно выделять из об-
щего фона.
рассеяния импульса инородными предметами, находя-
щимися в воде, неоднородностями плотности воды, по-
верхностью раздела вода — воздух и дном океана.
В таких случаях простым увеличением мощности им-
пульса ничего нельзя достигнуть, поскольку ревербе-
рационные эффекты растут в той же пропорции.
Уменьшив же длительность импульса, можно понизить
реверберационные эффекты, так как энергия пере-
носимая импульсом, пропорциональна произведению
мощности на длительность. Таким образом, мы еще
раз подтвердили целесообразность использования воз-
можно более коротких импульсов.
Основным источником реверберации является мор-
ское дно. С учетом этого факта был разработан новый
тип сонара — с механическим управлением лучом. Та-
кой луч можно посылать в любом направлении как в
84
горизонтальной, так и вертикальной плоскости. Одий
из первых сонаров подобного типа имел пучок шири-
ной 10° в горизонтальной плоскости и лишь 2° — в вер-
тикальной. Рабочая частота его равнялась 61 кГц, а
длительность импульса несколько превышала 1 мс.
С помощью данной установки удается легко обнару-
живать рыбу вблизи судна, но с трудом — около дна,
так как в вертикальном направлении пучок был слиш-
ком узким.
Рис. 41 позволяет понять эффект реверберации бо-
лее наглядно. Сигнал, отраженный от рыбы, плаваю-
щей в области звукового пучка (на рис. темная об-
ласть), достигает приемника одновременно с сигна-
лами, отраженными от дна. Поскольку интенсивность
этих сигналов намного выше, чем полезного сигнала,
то последний фактически гасится полностью. Приме-
нение сонарных установок с узким (менее 20° в гори-
зонтальном направлении) лучом типа описанных выше
позволяет значительно снизить эффект реверберации
и обнаружить рыбу, плавающую около дна, на глу-
бине 100—180 м.
Однако уменьшение ширины пучка приводит к сни-
жению скорости и эффективности обследования под-
водного пространства. Повысить их можно с помощью
электронных сканирующих систем. По сравнению с
другими устройствами эти системы дают более четкие
и детальные картины подводных пейзажей. Последние
двадцать лет ведутся очень интенсивные работы по
созданию таких сонаров.
СОНАР С ЭЛЕКТРОННЫМ
СКАНИРОВАНИЕМ
В настоящее время уже создано несколько типов
сонаров с электронным сканированием, каждый из ко-
торых имеет свои недостатки и преимущества. Глав-
ный принцип работы всех этих устройств одинаков
(рис. 42). Большой участок моря облучается широким
звуковым пучком (около 30°), излучаемым передат-
чиком в виде коротких импульсов, как и в обычных
сонарных установках. Устройство же приемного пре-
образователя здесь иное. Приемный преобразователь
сам посылает (и соответственно принимает) узкий луч
85
Рис. 42. Сонар с электронным сканированием.
Эта установка сканирует в вертикальной плоскости. Большой участок
моря облучается широким звуковым пучком, исходящим из передающего
преобразователя. Приемный преобразователь посылает узкий луч (шири-
ной около 0,5°), который с большой скоростью пробегает по всему сек-
тору широкого луча.
(обычно шириной 0,33° или Г), который с большой
скоростью пробегает по всему сектору широкого луча,
то есть сканирует всю «освещенную» область. Если
узкий луч попадает на объект в то же самое время,
когда объект «освещается» широким лучом, то возни-
кающий при этом отраженный импульс восприни-
мается и записывается приемным устройством. Узкий
пучок так быстро сканирует пространство, что успе-
вает промчаться по всему сектору, охватываемому ши-
роким лучом за время, меньшее его длительности.
Следовательно, узкий пучок успевает тщательно об-
следовать все «освещенное» пространство. Конечно,
механическим путем невозможно достичь такой ско-
рости сканирования. Поэтому управление узким
пучком осуществляется с помощью электронных
86
устройств. Именно в методе сканирования заклю-
чается основное различие между приемным и пере-
дающим устройствами такого сонара.
Таким образом, электронный сонар состоит как бы
из широколучевого сонара, способного обследовать
большие пространства, и узколучевого, позволяющего
получать хорошее разрешение. Другим важным пре-
имуществом электронных сонаров является высокая
скорость получения изображения обследуемого участ-
ка. Если обычный сонар медленно и постепенно выри-
совывает подводный пейзаж, то сонар с электронным
сканированием дает полную картину участка, облу-
ченного широким лучом, для каждого импульса, из-
лучаемого передающим преобразователем. Поэтому с
помощью таких сонаров очень легко обнаруживать
перемещение объекта. Например, движение косяка
рыбы на экране электронно-лучевой трубки изобра-
жается как бы скачущими крохотными светлыми пят-
нышками. Два таких изображения показаны на
рис. 43.
Для сонаров с электронным сканированием ха-
рактерна та же взаимосвязь между радиусом дей-
ствия и разрешающей способностью, что и для обыч-
ных. Высокая разрешающая способность достигается
на частотах порядка 300—500 кГц. Однако, как из-
вестно, звуковые волны такой частоты распростра-
няются на расстояния порядка 100—200 м. Для уве-
личения радиуса действия необходимо работать с бо-
лее низкой частотой, что в свою очередь приводит к
ухудшению разрешающей способности установки.
В разработке сканирующих сонаров можно выделить
два направления: создание сонаров с высокой разре-
шающей способностью и малым радиусом действия,
с одной стороны, и сонаров с низким разрешением и
большим радиусом действия — с другой. Первое из
них развивается очень бурно и уже привело к зна-
чительным успехам в биологических подводных ис-
следованиях и рыбном промысле.
В 1964 году английские ученые Воглис и Кук про-
вели одно из самых успешных испытаний сонара с
электронным сканированием. Их лаборатория начала
работу по сканирующим системам в 1950 году.
Первая модель сканирующего сонара, названного
87
Рис. 43 Два этапа процесса локации сонаром косяка рыбы.
Двухфокусный сонар с электронным сканированием зафиксировал на
глубине от 60 до 100 м косяк рыбы, первоначально обнаруженный на
глубине более 140 м (слева). Фотография справа представляет собой за-
пись, сделанную теперь уже обычным эхолотом, в то время когда судно
проходило непосредственно над этим косяком рыбы со скоростью около
9 км/час.
Бифокалом, была закончена в 1959 году. Испытания
1964 года с участием трех судов проходили к югу от
Бристольского залива. Во время испытаний в радиусе
200 м даже в плохую погоду удавалось обнаруживать
многочисленные косяки рыбы. Во время эксперимен-
та наблюдались некоторые забавные случаи поведе-
ния косяков рыбы. Возможно, в ближайшие годы бу-
дут разработаны сонары с очень высоким разреше-
нием, дающие двумерные картины исследуемых обла-
стей. Это даст возможность не только обнаруживать
подводные объекты, но и идентифицировать и наблю-
дать их. Использование многоканальных систем по-
зволит значительно уменьшить размеры сонарных
устройств,
НАБЛЮДЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ
ДНА ВОДОЕМОВ
Один из первых эхолотов, описанный в начале этой
главы, предназначался не для поиска рыбы, а для
измерения морских глубин и нанесения их на карты.
В настоящее время эхолот по-прежнему остается
основным инструментом для исследований рельефа
морского дна, но в целях ускорения топографической
съемки его обычно помещают на подводные «торпе-
ды». Полученная информация преобразуется в цифро-
вую форму и обрабатывается автоматически. При
обработке данных учитываются поправки, связан-
ные с движением лодки вверх—вниз, а также с при-
ливами и отливами. При измерении больших глубин
вдали от континентального шельфа время ожидания
отраженного сигнала велико, поэтому обычно в этот
промежуток времени стараются послать поочередно
несколько сигналов.
Так как эхолот зарисовывает только профиль дна,
находящегося непосредственно под судном, то, сколько
бы мы ни посылали импульсов, мы не можем получйть
картину поверхности дна. В конце сороковых годов
нашего столетия в Англии был построен сонар с бо-
ковым направлением луча. Ширина последнего в вер-
тикальной плоскости изменялась от 7 до 50°, а в го-
ризонтальной— была постоянной и равнялась 2°. Луч
сонара направлялся в сторону от судна перпендику-
лярно направлению его движения. Такой сонар поз-
волял получать картину морского дна вслед за дви-
жением судна. На записях (рис. 44) можно было без
труда отличать песок от гравия (поскольку они по-
разному отражают импульсы), а также «видеть» раз-
личные возвышения (например, скалы), которые от-
брасывали от себя «акустическую тень».
В сонарах с боковым направлением луча в целях
повышения их разрешающей способности обычно ис-
пользуют высокую частоту (50 кГц), что ограничивает
радиус их действия до 1000—1500 м. Оборудовав суд-
но двумя такими сонарами, лучи которых направлены
в разные стороны, можно одновременно просматри-
вать и зарисовывать полосу шириною в 2000 м. Если
же поступиться разрешением и построить сонар,
89
Рис. 44. Три карты морского
дна, сделанные с помощью со-
нара с боковым направлением
луча.
На фотографии слева вверху пока
заны песчаные волны, которые, на-
кладываясь друг на друга, образуют
полосы. Справа вверху изображено
скалистое дно. Высоту отдельных
скал можно определить по величи-
не тени, отбрасываемой ими. На
нижней фотографии мы отчетливо
видим разницу между песчаными
(светлые области) и каменистыми
(темные области) участками дна.
Рис. 45. Установка сонара «Глория» Британского океаногра-
фического института.
Дальность действия сонара можно увеличить, понизив его рабочую частоту
и погрузив его в воду в области высокого давления. Сонар «Глория» с боко-
вым направлением луча, работающий на частоте 6,5 кГц, может просмат-
ривать полосу морского дна шириной до 15 км.
работающий на низкой частоте (например, рабочая
частота английского сонара «Глория» равна 6—7кГц),
то он может просматривать полосу морского дна ши-
риной до 15 км.
Для таких сонаров необходимы большие преобра-
зователи, они требуют значительного количества энер-
гии и устанавливаются обычно на дорогостоящих
подводных «торпедах» с автоматическим электронным
управлением (рис. 45). Тем не менее они выгодны,
так как обеспечивают значительную экономию вре-
мени.
Сонарные установки с высоким разрешением и ма-
лым радиусом действия нашли применение в буриль-
ных работах на дне океана в связи с поисками нефти
и газа. На рис. 46 отчетливо видны трубопроводы и
отбрасываемая ими «тень». Прибрежные воды, где
в основном и ведутся бурильные работы по разведке
нефти и газа, часто подвержены значительным
91
Рис. 46. Трубопроводы, проложенные на дне моря.
Песок часто перемещается и вымывается из-под трубопроводов. Поэтому
проверка их состояния очень важна. Сонарные установки с боковым на-
правлением луча проделывают эту работу легко и быстро.
приливам и отливам. Под их воздействием песок пе-
ремещается и вымывается из-под трубопроводов и
опор бурильных установок. Проверка состояний опор
и трубопроводов — трудная и опасная работа для во-
долазов. Сонар же с боковым направлением луча или
специальная сонарная установка, предназначенная
для наблюдения за движением песка, значительно
упрощает и ускоряет эту работу.
НАБЛЮДЕНИЕ ВНУТРЕННЕГО СТРОЕНИЯ
ДНА ВОДОЕМОВ
При анализе данных, полученных с помощью эхо-
лота, часто приходится сталкиваться с проблемой
«ложного» дна. Дело в том, что во впадинах, образо-
ванных твердыми каменистыми породами, часто скап-
ливается жидкий ил (рис. 47). Сигнал эхолота может
отразиться как от поверхности ила («ложного» дна),
так и от твердой породы (истинного дна). И оператор
должен уметь различать эти сигналы. Таким образом,
при зарисовке поверхности дна высокая проникаю-
щая способность звука оказывает недобрую услугу.
92
Но она очень важна при изучении внутренней струк-
туры дна, особенно при работе с низкочастотным зву-
ком.
Именно проникающая способность звука позволяет
геологам исследовать пласты, расположенные под
верхним покровом дна. Мощный звук низкой частоты,
обычно излучаемый в виде очень короткого импульса,
проникает в глубь дна моря на несколько метров.
Рис. 47. Профиль морского дна, зарисованный эхолотом.
Отчетливо виден слой жидкой грязи, лежащей во впадине, образованной
каменистыми породами. Способность эхолотов отличать слой песка от
слоя грязи или каменной породы оказывает неоценимую услугу при под-
водных геологических работах.
Встречая на своем пути различные по плотности дон-
ные породы, звук отражается от каждого скопления
таких неоднородностей. Эти отраженные импульсы и
дают нам возможность нанести обнаруженные пласты
на карту. Для идентификации полученного материала
необходимо, конечно, произвести бурение донного
грунта. А вот после того, как поднятые буром образ-
цы породы будут сопоставлены с особенностями зари-
сованной сонаром картины отражений, дальнейшее
нанесение на карту донных слоев уже можно будет
производить исключительно с помощью сонара.
Для исследования внутренней структуры дна мож-
но использовать обычные преобразователи звука. Но
ввиду того, что такие преобразователи должны
93
Рис. 48. Три различные записи одного и того же участка мор-
ского дна, приведенные к единой шкале.
Верхняя запись показывает слоистую структуру дна (страты), средняя—
точный профиль дна, нижняя представляет собой карту поверхности
дна, сделанную с помощью сонара с боковым направлением луча.
работать на низких частотах (ниже 10 кГц) и иметь
большую мощность, их размеры значительно увеличи-
ваются. Кроме того, радиус действия таких установок
ограничен 20—30 м. В последнее время разработаны
специальные преобразователи, излучающие очень ко-
роткий звуковой импульс. В таких преобразователях
при разряде конденсатора поджигается взрывчатое
вещество, и газы, образующиеся в результате взрыва,
выстреливаются воздушным «ружьем». Однако боль-
шей популярностью сейчас пользуются низкочастот-
ные преобразователи. Первый такой преобразователь,
получивший название «Бумер» (батрак), был создан
в США в Массачусетском технологическом институте.
Он состоял из 100 витков медной ленты, залитой в
эпоксид, и алюминиевого диска диаметром 40 см и
толщиной 0,625 см. В катушке, подключенной к источ-
94
нику питания напряжением 4000 В, производился раз-
ряд, создававший импульсное магнитное поле, которое
оказывало ударное давление на алюминиевый диск.
Под действием давления диск начинал «звенеть».
В дальнейшем этот преобразователь был усовершен-
ствован, что позволило изменить форму импульса и
улучшить разрешение. Аналогичный преобразователь,
построенный в Англии, работает в диапазоне частот
300—500 Гц, продолжительность посылаемых им зву-
ковых импульсов 2 мс.
Иногда возникает необходимость использовать для
подводных исследований одновременно сонары всех
трех типов. Эхолот вырисовывает четкий профиль дна,
сонар с боковым направлением луча дает нам карти-
ну поверхности последнего, а низкочастотный сонар —
его внутреннюю структуру. Приведенные к одной
шкале и сопоставленные вместе, эти зарисовки
(рис. 48) дают нам полное представление об иссле-
дуемой области. О ценности таких исследований для
подводной разведки и эксплуатации газовых и неф-
теносных слоев не приходится и говорить.
СОНАРЫ ДАЛЬНЕГО ДЕЙСТВИЯ
До сих пор мы рассматривали сонары с радиусом
действия в несколько километров. Такие сонары обыч-
но применяются в подводных научных исследованиях
и рыбном промысле. Однако для судов военно-мор-
ского флота (а именно для них и предназначались
первые сонары) такие расстояния явно недостаточны.
В наш век, когда подводные лодки, оснащенные раке-
тами с ядерными боеголовками, свободно бороздят
просторы океанов, для обнаружения их требуются со-
нары с радиусом действия в несколько сотен кило-
метров. Кроме обычных технических вопросов (мощ-
ность импульса, чувствительность приемных устройств
и т. д.), при создании сонаров дальнего действия при-
ходится решать ряд вопросов, непосредственно связан-
ных с морем.
Наиболее важные из этих вопросов обусловлены
неоднородностями моря как среды, создаваемыми, в
частности, изменениями температуры и давления.
Так, с увеличением температуры на 1 °C скорость звука
95
Скорость звука
Рис. 49. График изменения скорости звука в океане в зависи-
мости от глубины.
Скорость звука с увеличением глубины сначала уменьшается, а затем
Начинает увеличизаться. Минимум скорости звука лежит примерно на
глубине 1000 м.
возрастает на 2,7 м/с, а с увеличением давления на ка-
ждые 100 м в глубину — на 1,82 м/с. Очевидно, что
как температура, так и давление меняются с изме-
нением глубины, а это опять-таки приводит к измене-
нию скорости звука (рис. 49). Поскольку при измене-
нии скорости звуковые волны преломляются, траек-
тория импульса сонара дальнего действия весьма
значительно отклоняется от прямой линии.
В верхнем слое океана, толщина которого достигает
120 м, вследствие постоянного перемешивания воды
температура практически постоянна (по глубине).
За верхним следует термоклинный слой, в пределах
которого температура резко уменьшается до 2—0°С.
Ниже этого слоя температура остается постоянной, а
давление возрастает, поскольку глубина увеличивает-
ся. В верхнем слое скорость звука медленно растет
за счет увеличения давления. Вблизи границы верх-
него и термоклинного слоев происходит столь резкое
изменение (уменьшение) температуры, что соответ-
96
ствующее уменьшение скорости звука перекрывает ее
увеличение за счет возрастания давления. На нижних
участках термоклинного слоя, где температура уже
постоянна, скорость звука вновь увеличивается за счет
увеличения давления.
На рис. 50 отчетливо видно, как из-за рефракции,
обусловленной изменением скорости распространения
звука, происходит искривление траекторий импульсов.
В верхнем слое звуковые лучи изгибаются кверху от
прямолинейной траектории. В результате в приемное
Рис. 50. Преломление звуковых импульсов в океане.
Поскольку скорость звука меняется с изменением глубины, то звуковые
импульсы при своем распространении в области с малой скоростью зву-
ка преломляются точно так же, как и световые волны на границе воз-
дух—стекло. В результате такой сложной картины движения сонарных
импульсов возникает «теневая зона» (заштрихованная область). Объект,
находящийся в этой зоне, нельзя обнаружить.
устройство поступают высокоинтенсивные импульсы,
что и обеспечивает хорошее «видение» объектов, на-
ходящихся в верхнем слое. Звуковые импульсы могут
проникать и в термоклинный слой. Однако вследствие
отрицательного градиента температур в этом слое
преломление звуковых лучей происходит таким об-
разом, что их траектории лежат ниже прямолинейной.
Поэтому энергия импульсов, регистрируемых прием-
ным устройством, мала. Наибольшее воздействие на
распространение звуковых импульсов оказывает ниж-
няя граница верхнего слоя. Внезапное изменение ско-
рости звука приводит к резким изменениям направле-
ний распространения звуковых импульсов: образуются
так называемые зоны акустической тени, в которые не
попадают звуковые импульсы, Чем меньше толщина
4 г. Чедд	97
верхнего слоя, тем больше зона акустической тени.
В хорошую летнюю погоду при слабом ветре, когда
толщина верхнего слоя уменьшается до 1 м, зона аку-
стической тени может находиться на глубине всего
лишь 50 м (рис. 50).
В таких зонах могут легко скрываться подводные
лодки, которые нельзя обнаружить с помощью обыч-
ных сонарных установок. Существуют два метода об-
следования теневых зон. Первый — установка пере-
дающего преобразователя в термоклинном слое. То-
гда большая часть звуковых импульсов распростра-
няется именно в этом слое, что позволяет обнаружи-
вать объекты, находящиеся на больших расстояниях.
Однако при такой локации необходимы очень мощные
источники звука, поскольку вследствие расширения
звуковых пучков, обусловленного преломлением зву-
ковых волн, интенсивность импульсов падает. Второй
метод — применение сверхнизкочастотных звуков, дли-
на волны которых превышает толщину верхнего слоя.
По отношению к таким звуковым волнам океан ве-
дет себя как однородная среда. К сожалению, при
этом мы вновь возвращаемся к старой проблеме раз-
меров преобразователя. Для создания сколько-нибудь
направленного пучка при частоте 10 Гц необходим
преобразователь поперечником 200 м!
Наиболее многообещающим направлением в раз-
работке сонаров дальнего действия является создание
софарных систем (SOFAR — sound fixing and ranging
system — система для измерения расстояния с по-
мощью фиксированного звукового канала). Принцип
работы софара основан на применении звуковых волн,
скорость которых достигает минимального значения
на нижней границе термоклинного слоя. Звук, поро-
жденный на этой глубине, вследствие преломления
будет всегда распространяться вдоль направления,
соответствующего минимуму скорости звука. Возни-
кает естественный глубинный звуковой канал, кото-
рый действует как превосходный волновод (рис. 51).
Такие весьма полезные звуковые каналы действи-
тельно существуют. Они находятся обычно на по-
стоянных глубинах: например, 1274 м — в Атланти-
ческом океане и 637 м — в северо-восточной части Ти-
хого океана. В ряде экспериментов исследовались воз-
98
Рис, 51, Звуковой волновод.
Из этой диаграммы видно, как в сонарной системе используется область
малой скорости звука для создания волновода для сонаров дальнего
действия.
можности софарных систем: с помощью станций, рас-
положенных в зоне глубинного звукового канала, уда-
лось «прослушивать» взрывы, произведенные на очень
далеких расстояниях. Это позволяет нынешним со-
фарным системам обнаруживать места запусков ра-
кет из-под воды. Но наиболее широкие перспективы
открываются перед софарами в мирной деятельности,
а именно в навигационных системах дальнего радиуса
действия. Пока мы еще не можем судить о точности
таких звуковых навигационных систем. Тем не менее
эксперимент, проведенный учеными Ламонтской гео-
логической обсерватории (США), в котором софар
передавал сигнал в водах Индийского океана от Бер-
мудских островов на расстояние около 20 000 км, сви-
детельствует о больших потенциальных возможностях
софарных систем.
ПОДВОДНАЯ СВЯЗЬ
До сих пор мы говорили только о подводном «ви-
дении» с помощью звука. Однако существуют и другие
виды подводных работ, при которых звук может
41
99
оказать неоценимую услугу. О них мы и расскажем
кратко в этом разделе. Наиболее простое применение
звук находит при установке приборов на строго опре-
деленной глубине, а также включении и выключении
буров и других устройств для исследования подводных
глубин. Несколько более сложно акустическое ниве-
лирование позволяющее поддерживать такое поло-
жение глубоководной буровой вышки, при котором
бур точно находится над скважиной. Устройство,
предназначенное для акустического нивелирования,
состоит из акустического маяка, помещенного на
вершину вышки, и трех гидрофонов, расположенных
под вышкой в вершинах правильного треугольника.
По разности фаз сигналов, принятых гидрофонами,
можно с большой точностью судить о положении выш-
ки. Возвратить вышку в правильное положение можно
либо с помощью ручного пульта управления, либо
посредством автоматической корректирующей систе-
мы, непосредственно связанной с двигателями регу-
лировки длины опор.
Более сложными являются акустические системы,
предназначенные для передачи информации под во-
дой. Существуют два типа таких систем: телеметри-
ческие, в которых информация передается в виде
кодированных сигналов, и системы для передачи
речи. В течение последних 15 лет акустическая теле-
метрия постепенно проникала в мирные исследования.
Здесь прежде всего нужно сказать о передаче на по-
верхность информации (например, о наблюдении глу-
бин, температуре, концентрации солей, уровне мор-
ского шума, сейсмических записей и т. д.), накоплен-
ной различными устройствами, находящимися на
глубине. Первоначально такую информацию кодиро-
вали несущей частотой звукового сигнала. Но в этом
случае мы располагали только одним каналом связи
с ничтожными объемом и скоростью передачи инфор-
мации (несколько бит в секунду). Для увеличения
скорости передачи данных начали применять им-
пульсные модуляторы, что позволяло передавать дан-
1 Нивелирование — определение высоты точки (точек) зем-
ной поверхности относительно некоторой выбранной точки или
над уровнем моря. — Прим, перев,
100
ные даже в промежутках между модулирующими им-
пульсами. С помощью импульсных модуляторов мож-
но одновременно передавать несколько типов сигна-
лов. Конечно, акустической телеметрии больших
расстояний присущи те же недостатки и преимуще-
ства, что и сонарам дальнего действия, о которых мы
говорили в предыдущем разделе. По последним оцен-
кам, максимум, что могут ожидать в недалеком бу-
дущем океанографы и операторы сонарных установок
на траулерах, — это телеметрические системы с ра-
диусом действия около 8 км и скоростью передачи
информации около 400 бит в секунду.
Передача речи под водой, например при общении
двух аквалангистов, осуществляется еще более слож-
ными способами. Существуют два основных метода.
Первый — прямое усиление звуковых сигналов и их
последующая передача с помощью электромагнитного
или керамического преобразователя. Преимущество
таких систем заключается в том, что для них не тре-
буется специальных приемных устройств — звук не-
посредственно воспринимается на слух! Однако их
радиус действия ограничен несколькими метрами, по-
скольку высокочастотные компоненты речи очень бы-
стро затухают. Второй метод основан на применении
сигналов умеренно низких частот, промодулирован-
ных звуками речи. Используя маленькие подводные
телефоны, аквалангисты могут общаться друг с дру-
гом, находясь на расстояниях до 2 км. Аналогичные,
но более мощные системы, позволяют вести телефон-
ный разговор между двумя судами, удаленными друг
от друга на расстояние в несколько километров. Для
связи же между подводными лодками в настоящее
время применяется подводный телеграф.
5.	Ультразвук
Когда в конце второй мировой войны союзные вой-
ска вступили на территорию Германии, технические
эксперты начали усиленные поиски работ и патентов,
относящихся к ультразвуку. Дело в том, что в Гер-
мании в 30-х годах нашего столетия было проведено
много фундаментальных исследований по вопросам
практического применения звуковых волн, частоты ко-
торых лежат выше верхней границы частот, воспри-
нимаемых человеческим ухом, то есть выше 16 кГц.
В конце 40-х — начале 50-х годов у многих ученых
возникла уверенность, что именно ультразвук решит
многочисленные технические проблемы, возникшие
перед человечеством. Практика в основном развеяла
ту щумиху, которая была поднята вокруг исследова-
ний по ультразвуку. И все же, несмотря на задержки,
препятствия и заблуждения, ультразвук сегодня при-
меняется в самых различных областях промышленно-
сти, науки и медицины: от сверлений квадратных
отверстий в стекле до производства соусов, от ис-
следований внутриутробного развития ребенка до
чрезвычайно тонкой хирургии мозга, от обработки
радиолокационных сигналов до получения объемных
изображений предметов. Тысяч слов недостаточно для
того, чтобы рассказать о всех областях применения
ультразвука. Поэтому ограничимся лишь некоторыми
из них.
В двух предшествующих главах мы уже говорили
о проникающей способности акустических волн в
жидкостях и твердых телах. Особое преимущество
ультразвука обусловлено тем обстоятельством, что
сверхкороткие звуковые волны (как мы отмечали
102
ранее), подобно световым, можно фокусировать и по-
сылать в любом нужном нам направлении. Исследо-
вания возможностей использования ультразвука про-
водятся по двум основным направлениям. Первое свя-
зано с интенсивными ультразвуковыми пучками и
соответствующими эффектами, возникающими в веще-
стве при их прохождении. Второе касается слабых
ультразвуковых волн. Эти когерентные волны чаще
всего предназначаются для передачи информации о
среде, в которой они распространяются. Возможность
использования слабого ультразвука для той или иной
цели — в отличие от интенсивного — зависит от
свойств среды, в которой возбуждается и распростра-
няется ультразвук.
ИСТОЧНИКИ УЛЬТРАЗВУКА
Прежде чем говорить о применении ультразвука,
следует сказать несколько слов о способах его полу-
чения. Чаще всего для этого используют пьезоэлек-
трические или магнитострикционные преобразователи
типа тех, о которых мы упоминали в главе 4. Частота
сверхвысокочастотных ультразвуковых волн, приме-
няемых в промышленности и биологии, лежит в диапа-
зоне порядка нескольких мегагерц. Фокусировка та-
ких пучков обычно осуществляется с помощью линз и
зеркал (в сонарах, рабочая частота которых около
нескольких килогерц, подобные линзы были бы слиш-
ком велики). Ультразвуковой пучок с необходимыми
параметрами можно получить с помощью соответ-
ствующего преобразователя. Наиболее распростране-
ны керамические преобразователи из титаната бария.
В тех случаях, когда основное значение имеет
мощность ультразвукового пучка, обычно исполь-
зуются механические источники ультразвука. Перво-
начально все ультразвуковые волны получали меха-
ническим путем — камертоны, свистки, сирены. Если
ультразвуковые камертоны ушли в прошлое, то свист-
ки и сирены все еще находят применение. Как же ра-
ботают эти устройства?
Первый ультразвуковой свисток сделал в 1883 году
англичанин Гальтон (рис. 52). Ультразвук создается
здесь подобно звуку высокого тона на острие ножа,
103
Сжатый гм
Цилиндрический
поршень
Колщееое сопла
Резонансная
область
Опорная
стойка
Рис. 52. Ультразвуковой свисток Гальтона с резонансной
полостью.
Сжатый газ под давлением проходит сквозь зазор между стенками ци-
линдра и цилиндрическим поршнем и попадает на губу резонатора,
вызывая колебания газа, находящегося в резонансной полости. Регулируя
глубину резонансной полости, а также ее расстояние от сопла с по-
мощью микрометра, можно добиваться значительного усиления колеба-
ний газового столба.
когда на него попадает поток воздуха. Роль такого
острия в свистке Гальтона играет «губа» в маленькой
цилиндрической резонансной полости. Газ, пропускае-
мый под высоким давлением через полый цилиндр,
ударяется об эту «губу» — возникают колебания, ча-
стота которых (она составляет около 170 кГц) опреде-
ляется размерами сопла и губы. Мощность свистка
Гальтона невелика. Его в основном применяют для
подачи команд при дрессировке собак.
Большинство ультразвуковых свистко© можно
приспособить для работы в жидкой среде. По сравне-
нию с электрическими источниками ультразвука
жидкостные ультразвуковые свистки маломощны.
И все же в некоторых случаях (в частности, для уль-
тразвуковой гомогенизации) они обладают существен-
ным преимуществом: так как ультразвуковые волны
возникают непосредственно в жидкой среде, то не
происходит потери энергии ультразвуковых волн при
104
Рис. 53. Жидкостный свисток, применяемый в обычных уль-
тразвуковых гомогенизаторах.
В принципе его устройство подобно устройству, представленному на
рис. 54. На фотографии очень хорошо видно сопло и вибрирующая плас-
тина.
их переходе из одной среды в другую (рис. 53). По-
жалуй, наиболее удачной является конструкция жид-
костного ультразвукового свистка, изготовленного ан-
глийскими учеными Коттелем и Гудменом в начале
50-х годов нашего столетия. В нем поток жидкости
под большим давлением выходит из эллиптического
сопла и направляется на стальную пластинку
(рис. 54). Различные модификации этой конструкции
получили довольно широкое распространение для по-
лучения однородных сред. Благодаря простоте и
устойчивости своей конструкции (разрушается только
колеблющаяся пластинка) такие системы долговечны
и недороги.
Многие годы используется и другая разновидность
механических источников ультразвука — сирена. Она
обладает относительно большой мощностью и широко
применяется в полицейских и пожарных машинах.
105
Все ротационные сирены состоят (рис. 55) из камеры,
закрытой сверху диском (статором), в котором сде-
лано большое количество отверстий. Столько же от-
верстий имеется и на вращающемся внутри камеры
Рис. 54. Поперечное сечение типичного ультразвукового свист-
ка, используемого в ультразвуковой гомогенизации.
диске (роторе). При вращении ротора положение от-
верстий ротора периодически совпадает с положением
отверстий на статоре. В камеру непрерывно подается
Рис. 55. Поперечное сечение ультразвуковой сирены.
Когда при вращении ротора положение его отверстий совпадает с поло-
жением отверстий статора, то сжатый воздух из камеры с силой выры-
вается наружу. Ротор сирены, имеющий обычно от 50 до 300 отверстий,
вращается со скоростью 8000—50 000 оборотов в минуту.
сжатый воздух, который вырывается из нее в те ко-
роткие мгновения, когда отверстия на роторе и ста-
торе совпадают. Основная задача при изготовлении
сирен — это, во-первых, сделать как можно больше
отверстий в роторе и, во-вторых, достичь большой ско-
рости его вращения, Однако практически одновремен-
106
но выполнить оба эти требования очень трудно. Не*
смотря на различные усовершенствования конструк-
ций сирен, их промышленное применение весьма
ограниченно. В странах Восточной Европы, особенно
в Польше, появились сирены совершенно новой кон-
струкции, работающие в диапазоне частот 8—25 кГц.
Они используются при различных агломерационных
процессах.
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ЧИСТКА
Необходимо отметить, что до сих пор еще не раз-
работана теория взаимодействия ультразвука с ве-
ществом. Совершенно не известно, что же происходит
с веществом, подверженным облучению интенсивным
ультразвуком. Экспериментирование же без теории
напоминает блуждание вслепую. Прекрасной иллю-
страцией этому служит простейшее применение уль-
тразвука—ультразвуковая чистка.
На заре развития данного метода (конец 40-х —
начало 50-х годов нашего века) было сконструирова-
но много устройств, генерирующих в растворе ультра-
звуковые волны с частотой, лежащей в области
500 кГц. Принцип работы таких устройств заклю-
чается в том, что маленькие частички, содержащиеся
в растворе, ускоренные ультразвуковыми волнами до
высоких скоростей, должны выбивать большие части-
цы грязи, иными словами, смывать грязь, покрываю-
щую предметы, помещенные в раствор. Многие из та-
ких устройств оказались неработоспособными.
В настоящее время возникла идея использовать в
работе подобных устройств эффект кавитации. Как
оказалось, этот эффект (к сожалению, еще плохо
изученный) играет значительную роль почти во всех
случаях, связанных с применением ультразвука вы-
сокой интенсивности.
Кавитацией называется образование пузырьков, то
есть полостей, заполненных газом, в жидкости. С ней
хорошо знакомы специалисты, конструирующие вин-
ты быстроходных судов (рис. 56, 57). Для них кави-
тация создает одни лишь неприятности, так как в ре-
зультате «схлопывания» пузырьков образуются ин-
тенсивные ударные волны, которые быстро разрушают
107
Рис. 56. Образование кавитационных пузырьков.
Когда во время испытания винт вращается с большой скоростью, на его
поверхности образуются кавитационные пузырьки.
металл винта. Насколько опасны повреждения, вы-
званные кавитацией, видно из рис. 58. Однако для
инженеров, занимающихся ультразвуком, кавитация
обычно является желательным явлением, и они ста-
раются по возможности ее поддерживать.
Ультразвуковые волны, проходя сквозь жидкость,
создают области сжатия и разрежения. В последних
возникает «отрицательное давление», иными слова-
ми, жидкость как бы стремится разорваться на части.
Иногда это и происходит — тогда в жидкости обра-
зуются полости различных типов. Чаще всего в поло-
сти находится воздух, в результате диффузии про-
никший в нее из окружающей жидкости, где он был
растворен. Если же по каким-либо причинам воздух
в жидкости отсутствовал (далее мы еще столкнемся
с таким случаем), то полость оказывается заполнен-
ной парами жидкости.
Однако во всех этих случаях время жизни
пузырька очень мало. В самом деле, только что
108
рис. 57. Образование кавитационных пузырьков в жидкости с
помощью зонда, колеблющегося с ультразвуковой частотой.
Этот же зонд можно использовать и для многих других целей, в том
числе для гомогенизации несмешивающихся жидкостей,
образовавшаяся полость сразу же начинает испыты-
вать давление со стороны ближайших областей сжа-
тия. Воздух или пар, находящийся внутри полости в
свою очередь давит на ее стенки изнутри; в конечном
счете это и приводит к схлопыванию. В момент схло-
пывания давление воздуха или пара внутри пузырька
может в несколько тысяч раз превышать атмосфер-
ное. Когда такая полость лопается, образуются мощ-
Рис. 58. Кавитационная эрозия зонда диаметром 3 см, сделай
ного из нержавеющей стали.
ные ударные волны. Наполненный газом пузырек мо-
жет иметь более продолжительное время жизни. Это
обусловлено следующими друг за другом процессами
сжатия и расширения, вызванными проходящими уль-
тразвуковыми волнами, причем в результате диффу-
зии размеры пузырьков будут расти, пока находя-
щийся в них воздух не поднимет их на поверхность
жидкости. Там они мгновенно лопаются. Впервые та-
кой способ дегазации жидкости был продемонстриро-
ван сорок лет назад. Сегодня он нашел промышленное
применение,
НО
Рис. 59. Ультразвуковая чистка небольших предметов.
Загрязненный жиром стакан опускается в ванну, наполненную соответ-
ствующим растворителем, и облучается ультразвуковыми волнами, интен-
сивность и частота которых подбираются так, чтобы создать максималь-
ную кавитацию. Ультразвуковые волны, прошедшие сквозь жидкость,
превращают жир в эмульсию и тем самым полностью очищают стакан.
Мгновенное образование пузырьков из-за разры-
вов в толще жидкости и столь же внезапное их по-
следующее схлопывание создают специфическое по-
трескивание. При интенсивной кавитации такой шум
становится очень сильным, и мощные промышленные
ультразвуковые установки необходимо делать звуко-
непроницаемыми, хотя они и работают с «неслыш-
ным» звуком! С тех пор как ученые поняли важность
кавитации, ее начали интенсивно исследовать. В на-
стоящее время известно, что полости чаще всего обра-
зуются вокруг мелких примесей в жидкости — кро-
шечных «ядер» растворенного газа или частичек твер-
дого вещества. Поэтому такие «центры» кавитации соз-
дают искусственно, добавляя в жидкость крошечные
несмачивающиеся частицы или подвергая ее радио-
активному облучению. Облегчая таким образом воз-
никновение кавитации, мы снижаем потребляемую
мощность установки и, следовательно, стоимость всего
оборудования. Пока еще не существует теоретически
обоснованного метода искусственного введения ядер
кавитации в жидкость в больших масштабах. Но по-
нимание роли кавитации во многих применениях мощ-
ного ультразвука стимулирует различные теоретиче-
ские исследования в данной области.
Ш
Рис. 60. Применение ультра-
звуковой чистки в промыш-
ленности.
Круг предметов, очищаемых се-
годня ультразвуком, чрезвычай-
но широк. Он начинается с пе-
чатных схем (слева) и кончается
жестяными формами, предназна-
ченными для выпечки хлеба
(справа). Рабочая частота уль-
тразвуковых очистителей лежит
между диапазоном, восприни-
маемым человеком, и 20 кГщ.
Теперь мы можем вернуться к вопросу об ультра-
звуковой чистке, одному из наиболее распространен-
ных применений ультразвука. Первый патент на уль-
тразвуковую чистку металлических поверхностей был
выдан в 1943 году. Металлические изделия, требую-
щие очистки, погружались в жидкость и облучались
ультразвуковыми волнами. В современных ультразву-
ковых очистителях загрязненные предметы подвеши-
ваются в баке (рис. 59), наполненном соответствую-
щим растворителем, и облучают ультразвуком такой
частоты и интенсивности, которые обеспечивают мак-
симум кавитации. Ударные волны, возникающие
вследствие кавитации, попадают на поверхность
предметов и очень эффективно очищают их. Теперь
понятно, почему первые ультразвуковые очистители,
построенные без учета кавитации, были неудачными.
Дело в том, что способность акустических волн соз-
давать кавитацию значительно падает с ростом ча-
стоты. А в первых установках, как мы уже говорили,
рабочая частота была порядка 500 кГц. Сегодня же
112
Рис. 61. Качество ультразвуковой чистки.
Этот блок, покрытый смазкой, был частично погружен в ванну. Насколько
эффективна работа ультразвуковых очистителей, отчетливо видно из этой
фотографии.
большинство ультразвуковых очистителей работает
на частотах около 20 кГц и меньше (в области, близ-
кой к звуковым частотам).
В настоящее время с помощью ультразвука очи-
щают множество предметов, начиная от крошечных
деталей часов и кончая тяжелыми стальными плитами
(рис. 60 и 61). Растворитель, размер очистительных
баков, частота и мощность ультразвуковых волн — все
это меняется в зависимости от поставленной задачи.
Естественно, дать исчерпывающий список всех изде-
лий, для очистки которых применяется ультразвук,
здесь невозможно. Мы ограничимся лишь упомина-
нием некоторых из них: детали двигателей самолетов
и автомобилей, сложные литые штампы, старинные
монеты, фаянсовая посуда, веретена для вытягивания
синтетических волокон, иглы для подкожного впры-
скивания и другие хирургические инструменты, ме-
таллические листы, детали часов (или даже целые
часовые механизмы), фрукты и овощи,
113
ПРИГОТОВЛЕНИЕ СМЕСЕЙ С ПОМОЩЬЮ
УЛЬТРАЗВУКА
Очень широко применяется ультразвук для приго-
товления однородных смесей (гомогенизации). Можно
привести длинный перечень веществ, полученных та-
ким образом. История этого метода восходит к
1927 году, когда американские ученые Лумис и Вуд
обнаружили, что если две несмешивающиеся жид-
кости (например, масло и воду), слить в одну мен-
зурку и подвергнуть облучению ультразвуком, то в
мензурке образуется эмульсия, или коллоидный рас-
твор. Эмульсии, то есть мелкая взвесь масла в воде
(или воды в масле), играют большую роль в совре-
менной промышленности, особенно производящей то-
вары широкого потребления. Краски, лаки, косметика,
фармацевтические изделия — все это по своей струк-
туре эмульсии. В последнее десятилетие приготовление
смесей с помощью ультразвука практически вытес-
нило все другие способы. В то время когда Лумис
и Вуд проводили свои первые опыты, промышленное
использование этих методов казалось «голубой меч-
той». Основной проблемой тогда было создание под-
ходящих преобразователей (источников звука). Ши-
рокое внедрение таких методов в производство на-
чалось с 1951 года, когда английские ученые Коттель
и Гудмен разработали конструкцию жидкостного
свистка (о нем мы уже говорили — рис. 53), который
и применяется сейчас в подавляющем большинстве
ультразвуковых гомогенизаторов (рис. 62).
В 1938 году ведущий английский специалист в об-
ласти коллоидной химии Фрейндлих писал, что при-
готовление эмульсий требует сотрудничества между
физиками и химиками, поскольку физики способны
приготовлять мелкие частички, а химики — долго
удерживать их в таком состоянии. В самом деле,
ныне химики с большим искусством предотвращают
образование больших скоплений частиц, их выпаде-
ние в осадок или всплытие. До тех пор пока ультра-
звуковые гомогенизаторы не завоевали прочного ме-
ста в науке и технике, физики не могли похвастаться
умением готовить эмульсии; для этого требовалась
очень трудоемкая работа — размешивание и взбалты-
H4
Рис. 62. Четыре основных метода приготовления эмульсий с помощью ультразвукового свистка.
вание смесей, чаще всего с помощью высоких давле-
ний. Такая технология нуждалась в больших затратах
энергии. Так, гомогенизатор, работающий при высо-
ких давлениях и производящий 1000 л эмульсии в час
потреблял около 12 л. с. мощности. Ультразвуковой
же гомогенизатор, состоящий из камеры для смеши-
вания, жидкостного ультразвукового свистка, мотора
и насоса, выдает такое же количество продукции при
затрате мощности в 2 л. с. Теперь можно считать, что
физики по мастерству не уступают химикам. Из фо-
тографии (рис. 63) видно преимущество ультразвуко-
вых гомогенизаторов по сравнению с контейнерами с
быстровращающимися винтами для приготовления
эмульсий под высоким давлением.
Среди многочисленных продуктов, получаемых се-
годня в ультразвуковых гомогенизаторах, мы встре-
чаем продукты детского питания, косметику, мази,
приправы, лаки, соусы, супы, плавленые сыры, мар-
гарин, майонез, ореховое масло, зубную пасту, тома-
ты, коктейли и, конечно, эмульсионные краски.
УЛЬТРАЗВУК В МЕТАЛЛУРГИИ
С переменным успехом ультразвук использовался
в различных отраслях металлургической промышлен-
ности. Непосредственное применение высокоинтен-
сивный ультразвук нашел при пайке алюминиевых
деталей (рис. 64). На воздухе алюминий быстро по-
крывается тонкой пленкой окиси алюминия, которая
препятствует пайке и которую, в отличие от других
окисей металлов, очень трудно удалять с поверхности
с помощью различных флюсов. В настоящее время
имеется множество таких флюсов, но их использова-
ние не дает хороших результатов.
Конечно, пленку окиси алюминия можно удалить
вручную. Однако это весьма трудоемкий и не всегда
приемлемый способ. Например, вручную нельзя очи-
щать проволоку и очень мелкие детали, изготовлен-
ные из алюминия. Именно здесь и начали применять
ультразвуковую чистку. Проходящие через ванну для
лужения ультразвуковые волны вызывают кавитацию,
которая снимает окисную пленку с поверхности алю-
миниевых предметов, В настоящее время ультразву-
116
Рис. 63. Фотографии эмульсионных структур, увеличенных
в 250 раз.
Эти эмульсии были приготовлены из растительного масла и воды обыч-
ным методом (с помощью быстровращающегося в контейнере винта) (слева)
и ультразвуковым методом (справа). Из фотографии хорошо видно преиму’
щество ультразвукового метода приготовления эмульсий перед обычным.
Рис. 64. Ультразвуковая пайка.
Известно, что алюминий и его сплавы очень трудно паять общепринятым
способом, поскольку поверхность таких материалов обычно покрыта
тонким слоем окиси алюминия. При ультразвуковой пайке кавитация
разрушает пленку окиси алюминия и обеспечивает тем самым сцепление
соединяемых деталей.
Сила
Масса
Трансформатор скорости
— Преобразователь
— Сварочный
наконечник
___Свариваемые
материалы,
Наковальня
Рис. 65. Типичное устройство для ультразвуковой сварки.
Две металлические поверхности накладываются друг на друга и слегка
прижимаются, но так, чтобы обеспечить сцепление поверхностей и сколь-
жение одной поверхности по другой под воздействием очень низких
ультразвуковых частот. При ультразвуковой сварке никакого подвода
тепла не требуется.
ковая чистка наиболее широко распространена на
предприятиях электротехнической и электронной про-
мышленностей, где алюминий благодаря своей лег-
кости и хорошей электропроводимости используется
в большом количестве. Пайка элементов в электрон-
ных печатных схемах чаще всего осуществляется уль-
тразвуком.
Менее обоснованным теоретически, но весьма мно-
гообещающим является использование ультразвука
при сварке. Принцип ультразвуковой сварки доста-
точно прост. Две металлические поверхности накла-
дываются друг на друга и слегка прижимаются, но
так, чтобы сохранялось скольжение одной поверхно-
сти по другой под воздействием очень низких ультра-
звуковых частот. В результате ультразвуковой сварки
поверхности прочно соединяются. При этом не тре-
буется затраты тепла. Перед сваркой необходима
118
лишь тщательная обработка поверхностей. Диапазон
применения точечной, шовной и стыковой ультразву-
ковой сварки очень широк: от непрерывной шовной
сварки гофрированных алюминиевых листов для про-
изводства теплообменников до точечной сварки кро-
шечных полупроводниковых (германиевых) деталей,
каждая из которых представляет собой сложную элек-
тронную схему с металлическими контактами. Неко-
торые из этих процессов, а также устройство для
ультразвуковой сварки представлены на рис. 64—70.
Хотя ультразвуковая сварка прочно вошла в про-
мышленность, ее механизм во многом еще не понятен.
Рис. 66. Точечная ультразвуковая сварка.
Конечно, металлы под воздействием ультразвуковых
колебаний до некоторой степени нагреваются, но их
температура все же не поднимается до точки плавле-
ния. Наиболее вероятно следующее объяснение воз-
можности ультразвуковой сварки. Во-первых, колеба-
тельные движения очищают поверхности металлов от
грязи и окисной пленки, в результате чего увеличи-
вается их поверхность соприкосновения. Во-вторых,
локальные высокие температуры, а также некоторые
уплотнения и разрежения, обусловленные ультразву-
ковыми колебаниями, приводят, по-видимому, к обра-
зованию на границе раздела двух металлов пластич-
ного потока. Никакого плавления, конечно, не проис-
ходит. Это означает, что при ультразвуковой сварке
в отличие от обычной не образуются хрупкие ли-
тые структуры, доставляющие много беспокойства, а
119
также сплавы и смеси металлов, которые обычно появ-
ляются, когда мы хотим соединить между собой два
различных металла. Прекрасным подтверждением ска-
занному служит фотография (рис. 67) соединенных
Рис. 67. Микрофотография сваренных друг с другом алюминия
и меди.
Существенным преимуществом ультразвуковой сварки является то, что
на поверхности шва не образуются сплавы и смеси металлов, что отчет-
ливо видно на фотографии.
Рис. 68. Ультразвуковая сварка алюминия со стеклом.
путем ультразвуковой сварки алюминия и меди. Сле-
дует еще добавить, что при ультразвуковой сварке
потребляется значительно меньшая мощность. Напри-
мер, алюминиевые листы толщиною в 1 мм удалось
сварить, понизив потребляемую мощность более чем
на 90%. Механизм взаимодействия ультразвука с ве-
ществом теоретически еще недостаточно объяснен, но
120
Рис. 69. Точечная сварка миниатюрных компонентов электрон-
ной системы.
На фотографии показана сварка тонкой катодной нити. В настоящее время
ультразвуковая сварка находит все большее применение в электронике.
Рис. 70. Ультразвуковая сварка деталей, изготовленных из
пластмасс.
Механизм происходящих при этом процессов еще недостаточно ясен,
тем не менее сварка уже широко применяется в промышленности. С по-
мощью ультразвуковой сварки легко соединяются между собой детали,
изготовленные из таких веществ, как полипропилен, винил, полистирол
и поликарбонат.
Рис. 71. Устройство ультразвуковой дрели.
Эта дрель работает так же, как и пневматическая, но только на ультра-
звуковых частотах. Колеблющийся резец соответствующей формы с силой
вбивает влажный абразивный порошок в обрабатываемую деталь. Этим
способом обычно просверливаются отверстия в таких твердых материа-
лах, как германий и карбид вольфрама.
А — магнитострикционный преобразователь; Б, Г — узловые крепления;
В— кожух водяного охлаждения; Д — трансформатор скорости; Е — съем-
ный держатель резца; Ж~ резец; 3—обрабатываемая деталь; Я —влаж-
ный абразивный порошок.
дальнейшее внедрение ультразвука в металлургию
является многообещающим. Особо следует сказать об
ультразвуковой обработке материалов. Ультразвук по-
зволяет делать отверстия квадратной (и более слож-
ной) формы в таких хрупких материалах, как стекло и
керамика. Устройство ультразвуковой дрели несложно
(рис. 71). Но в отличие от пневматической ее сверло
не прямо воздействует на материал, а через влажный
абразивный порошок. Ультразвуковой метод сверле-
ния был с энтузиазмом встречен производственни-
ками. Очень твердые материалы, такие, как карбиды
и бориды, используемые, например, для вытягивания
проволоки (рис. 72), также обрабатываются ультра-
звуком, как и промышленные алмазы, полупроводники
и другие тугоплавкие материалы. Но теория всех этих
процессов по-прежнему сводится к смутной идее о том,
что частички влажного абразивного порошка под воз-
122
Рис. 72, Ультразвуковой метод вытягивания проволоки.
С помощью этого устройства можно получать проволоку с очень гладкой
поверхностью, протягивая ее сквозь ванну с жидкостью, в которой воз-
буждены колебания с частотой около 25 кГц. Слева на крышке бака
отчетливо видны ультразвуковые преобразователи.
действием ультразвука бомбардируют материал и тем
самым производят нужную обработку. Роль кавитации
(если она вообще играет какую-либо роль) в этих про-
цессах неизвестна. Можно предположить, что роль уль-
тразвуковой обработки возрастет еще больше после
того, как будут разработаны основные теоретические
положения данного процесса.
Другое важное применение ультразвука — облуче-
ние расплавленных металлов. Такие опыты проводи-
лись во многих лабораториях. Однако о промышлен-
ном использовании этих методов пока еще говорить
рано. Облучение ультразвуком расплавленных метал-
лов при их остывании препятствует образованию зер-
нистой структуры, сердцевины и очищает металл от
содержащегося в нем воздуха. Первые эксперимен-
тальные работы ло предупреждению образования зер-
нистых структур были выполнены накануне второй
мировой войны в Германии, тогда же в СССР прово-
123
дились исследования по дегазации металлов. Облучая
ультразвуком расплавленный металл, при некоторых
условиях можно добиться того, чтобы в нем в процессе
застывания образовывались зерна различных разме-
ров (иногда металлы с такой структурой очень нуж-
ны), в других случаях возможно удалить из металла
газы. Однако в промышленном масштабе до сих пор
не удается создать соответствующие условия, что и
препятствует широкому внедрению метода. По-види-
мому, и здесь следует учитывать кавитацию. До тех
пор пока ее роль не будет ясна, ультразвуковое облу-
чение расплавленных металлов останется лишь мечтой.
ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА В ХИМИИ
Первые эксперименты по использованию ультра-
звука в гальваностегии привели к некоторому разо-
чарованию. Но последовавшие за этим теоретические
исследования подтвердили правильность основных
принципов ультразвуковых методов. Теперь уже до-
статочно ясно, что ультразвуковое облучение способ-
ствует электролитическому осаждению, удаляя пу-
зырьки, которые стремятся скапливаться на покры-
ваемой металлом поверхности, очищая ее и, возможно,
даже освобождая от образовавшихся зерен осаждае-
мого металла. Во всех этих эффектах существенная
роль, по-видимому, принадлежит кавитации. Можно
предполагать, что ультразвук найдет широкое исполь-
зование при изготовлении гальванопокрытий, в пер-
вую очередь при никелировке различных изделий, так
как опыты с никелем были особенно многообещаю-
щими.
Менее удачным оказалось применение ультразвука
при коагуляции (свертывании) аэрозолей и осажде-
нии пыли. В период увлечения ультразвуком в США
были построены многочисленные агрегаты, оборудо-
ванные ротационными сиренами и предназначенные
для осаждения пыли. Эксперименты показали, что под
действием ультразвука крошечные диспергированные
частицы скапливаются отдельными группами (эффект,
противоположный тому, который достигается при при-
готовлении эмульсий). Однако сегодня ни один из
.этих агрегатов не действует. Тем не менее последние
124
работы, проведенные в Японии, указывают на то, что
ультразвуковое осаждение пыли имеет право на жизнь.
Другая весьма интересная и обнадеживающая об-
ласть применения ультразвука — осуществление с его
помощью тонкой дисперсии жидкостей (рис. 73). В ча-
стности, в многочисленных экспериментах исследова-
лась возможность распыления с помощью ультразвука
Рис. 73. Равномерное горение атомизированного топлива в неф-
тяной горелке.
При скоростях горения, меньших 2,4 л/час, никакой атомизации топлива
под давлением не происходит.
топлива в нефтяных горелках, работающих в режиме
малой скорости горения. При быстром горении топ-
ливо выходит из сопла под большим давлением и рас-
пыляется, превращаясь в мелкие капельки. Поэтому
горение происходит спокойно и равномерно. При ско-
ростях же горения, меньших 2,4 л/час (обычно это
имеет место в бытовых котлах для отопления и неко-
торых промышленных печах), никакой дисперсной
среды не образуется. Объяснить это явление помогли
исследования с помощью ультразвука.
Наряду с многочисленными применениями уль-
тразвука, не представляющими особого интереса с
125
технической точки зрения (например, закупоривание
бутылок с шипучими напитками, где основная задача
состоит в том, чтобы полностью удалить весь воздух
из горлышка бутылки), существуют и такие, которые
играют весьма существенную роль в научных иссле-
дованиях. Прежде всего следует отметить воздействие
ультразвука на химические реакции. Здесь все разно-
образные эффекты, связанные с ультразвуковым об-
лучением, можно объяснить, введя понятие сонолиза
воды, то есть расщепления ультразвуком молекулы
воды Н2О на водород и свободный гидроксильный
радикал.
Многие сложные химические процессы представ-
ляют собой последовательность более простых реак-
ций, например окисления, восстановления, гидролиза,
полимеризации, деполимеризации, реакций с переста-
новкой молекул и т. д. Влияние ультразвука на них
было детально изучено. Согласно одной из теорий, за-
рождением и эволюцией жизни на Земле мы тоже
обязаны ультразвуку! Под воздействием звука грохо-
чущих волн мирового океана в результате сонолиза
воды на его поверхности и протекали реакции полиме-
ризации, которые привели к образованию первых ги-
гантских органических молекул.
Хотя все перечисленные выше реакции можно от-
нести за счет сонолиза, механизм его объяснить не
так-то просто. Здесь мы снова сталкиваемся с кави-
тацией. Одни исследователи полагают, что сонолиз
происходит вследствие резкого локального повышения
температуры, обусловленного коллапсом кавитацион-
ных пузырьков. Другие думают, что основную роль
играют высокие локальные давления. Третьи считают,
что кавитация сопровождается электрическими разря-
дами (возникающими из-за разности потенциалов
между стенками кавитационной полости), которые
порождают люминесценцию и обусловленное ею фото-
химическое расщепление воды.
Одной из наиболее хорошо известных химических
реакций, стимулируемых ультразвуковым облучением,
является реакция выделения иода из йодистого калия
в присутствии четыреххлористого углерода. Предпола-
гают, что она протекает следующим образом: четырех-
хлористый углерод окисляется перекисью водорода,
126
полученной при сонолизе, в результате выделяется
хлор, который и заменяет иод в иодистом калии. Вы-
делившийся иод окрашивает раствор крахмала в го-
лубой цвет, поэтому кавитацию в таком растворе
можно наблюдать визуально. Эта реакция обычно
используется как индикатор кавитации. Другие хи-
мические реакции, чувствительные к воздействию
ультразвука, такие, как полимеризация, деполимери-
зация и т. д., в настоящее время представляют только
академический интерес.
Часто в химических процессах ультразвук дей-
ствует как катализатор. Вещества, участвующие в ре-
акции, с его помощью делают мелкодисперсными, что
намного повышает их химическую активность. Если
среди продуктов реакции имеется газ, то ультразвук
способствует его быстрому выведению из смеси. Уль-
тразвуковое облучение ускоряет многие реакции
с участием органических веществ. Среди них прежде
всего следует назвать реакцию алкилирования пара-
фина при производстве топлива с высоким октановым
числом. Ультразвуковой метод приготовления дисперс-
ных металлических катализаторов, таких, как натрий
и ртуть, обладает значительными преимуществами пе-
ред традиционными механическими методами. Однако
в настоящее время он еще не вышел за пределы лабо-
раторий. Несомненно, использование ультразвука для
воздействия на химические реакции даст значитель-
ный толчок развитию химической промышленности.
ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА
В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ
Первым применил ультразвук для исследования
живых организмов французский ученый Ланжевен
(создатель пьезоэлектрического преобразователя).
В ходе своих опытов он заметил, что маленькие рыбы
и головастики, попавшие в область ультразвукового
пучка, погибали. Позднее Ланжевен проводил экспе-
рименты с мышами. При использовании более мощных
источников звука было установлено, что такие биоло-
гические последствия ультразвукового облучения
объясняются перегревом живых тканей организма,
127
происходящим при поглощении звука. Действие уль-
тразвука на живые организмы, особенно одноклеточ-
ные, может оказаться значительно сильнее — он бук-
вально разрывает их на части. Впервые это было за-
мечено Лумисом с сотрудниками незадолго до второй
мировой войны. Они обнаружили, что с помощью уль-
тразвука можно увеличивать проницаемость оболочек
клеток и убивать микроорганизмы. Механизм пораже-
ния бактерий ультразвуком не совсем ясен, но тем не
менее есть основания полагать, что он обусловлен не
тепловыми эффектами, а кавитацией.
В 1952 году в Падуе профессор Арслан применил
новый метод лечения болезни Меньера — для локаль-
ного разрушения живой ткани вместо хирургического
скальпеля был использован ультразвуковой пучок.
Суть этой редкой болезни заключается в нарушении
работы вестибулярного аппарата, в результате чего
в мозг поступает неправильная информация о поло-
жении тела — у больного появляется головокружение.
Улитка внутреннего уха при этом также поражается,
что приводит к звону в ушах и последующей потере
слуха. Единственно возможным способом лечения
этого заболевания было хирургическое разрушение
всего внутреннего уха. Арслан показал, что с по-
мощью ультразвука можно разрушить вестибулярный
аппарат, не принося вреда улитке. Операция по ме-
тоду Арслана проходит следующим образом: сначала
хирургическим путем проникают к полукружному ка-
налу, обнажая его, начинают стачивать косточку, ле-
жащую над полукружным каналом, и, наконец, через
жидкость, находящуюся в полукружном канале, посы-
лают ультразвуковой пучок.
В настоящее время широкое распространение по-
лучил ультразвуковой метод лечения болезни Паркин-
сона. Неконтролируемые подергивания головы и ко-
нечностей, которые обычно бывают при болезни
Паркинсона, можно ликвидировать, нарушив деятель-
ность некоторых глубинных участков мозга. При обыч-
ных методах невозможно точно поразить нужные
участки мозга — наряду с ними разрушаются и сосед-
ние клетки. В своих первых опытах по облучению
мозга ультразвуком американский ученый Фрай ис-
пользовал четыре сфокусированных преобразователя.
128
соединенные в один блок, которые создавали интен-
сивное ультразвуковое «пятно». В дальнейшем Фрай
довольно успешно лечил больных уже с помощью
лишь одного источника. Подобную же методику при-
меняли американский ученый Баллантайн и англий-
ский ученый Уорвик. Они поражали некоторые, вполне
определенные участки головного мозга подопытных
животных с целью изучения изменений в их поведении,
обусловленных такими нарушениями. Выше мы уже
говорили о том, что разрушение ткани при ультразву-
ковом облучении связано с локальными повышениями
температуры. Однако это не единственная точка зре-
ния. Некоторые ученые считают, что поражение ткани
вызывают сами ультразвуковые колебания; другие
полагают, что оно происходит вследствие биохими-
ческих изменений, обусловленных ультразвуковым об-
лучением.
Открытие того факта, что ультразвук убивает бак-
терий, разрывая оболочку клетки и буквально вытря-
хивая из нее все содержимое, породило надежду, что
ультразвуковая стерилизация станет практически при-
емлемой. Было проведено множество опытов, но ни
в одном из них не добились 100%-ной стерилизации.
А даже столь высокая вероятность стерилизации, как
99,99%, совершенно недостаточна. Убивать же каждую
бактерию ультразвуком поодиночке — работа слишком
кропотливая.
Способность ультразвука разрывать оболочки кле-
ток нашла применение в биологических исследова-
ниях. В ходе биохимических экспериментов часто воз-
никает необходимость отделить клетку от некоторых
особых компонентов, например ферментов (биологиче-
ских катализаторов). Существует несколько способов
вскрытия клетки, но лучшим из них является исполь-
зование ультразвука. Он способен разрушать стенки
клетки, хотя их предел прочности на разрыв прибли-
жается к пределу прочности железобетона. Совсем не-
давно ультразвук был использован для разрушения
таких внутриклеточных структур, как митохондрии и
хлоропласты, с целью изучить взаимосвязь между их
структурой и функциями. Таким образом, ультразвук
нашел применение в аналитической цитологии. Другое
применение ультразвука в биологии связано с его спо-
5 Г. Чедд
129
собностью вызывать мутации. Еще Лумис и его со-
трудники предполагали, что ультразвук может быть
мутагеном. Однако эксперименты, выполненные в
1930 году на плодовой мушке (дрозофиле), дали отри-
цательные результаты. По-видимому, это объясняется
слишком грубой методикой эксперимента. После вто-
рой мировой войны интерес к подобным исследова-
ниям возобновился. На сегодня уже имеется множе-
ство работ, которые свидетельствуют о мутагенности
ультразвука. Он вызывает нарушения в хромосомном
аппарате. А недавние исследования, проведенные в
Оксфорде, показали, что ультразвук даже малой ин-
тенсивности может повредить молекулу ДНК. Это при-
вело в некоторое замешательство тех, кто использовал
ультразвук как диагностическое средство. До сих пор
одной из основных причин, по которой ультразвуку от-
давалось предпочтение перед рентгеновскими лучами,
была мутагенность последних. Однако и ультразвук
оказался мутагеном, хотя и значительно более сла-
бым, чем рентгеновские лучи.
Искусственное целенаправленное создание мутаций
играет большую роль в селекции растений. Мутации
можно вызывать у огромного числа растений. Это по-
зволяет изучать те новые особенности, которые уна-
следуют плоды, выращенные из облученных ультра-
звуком семян. В настоящее время в качестве мутаге-
нов обычно используют горчичный газ, рентгеновские
или ультрафиолетовые лучи. По сравнению с ними
ультразвук — менее эффективный мутаген. Однако у
него есть одно существенное преимущество — с ним
чрезвычайно легко работать. Эта особенность может
сыграть значительную роль во многих исследованиях.
6.	Слабый ультразвук
Мы уже говорили о том, что звуковые волны мо-
гут давать информацию о среде, через которую они
проходят. Разрешающая способность таких информа-
ционных систем обратно пропорциональна длине вол-
ны, и, следовательно, для увеличения разрешения же-
лательно использовать более короткие волны. Но та-
кие волны хуже проникают в среду и обеспечивают
информацию лишь об областях ограниченных разме-
ров. Ультразвук позволяет металлургам заглянуть
в глубь металлов (рис. 74), а медикам — внутрь чело-
веческого тела. По принципу работы все эти системы
подобны сонарам, рассмотренным в гл. 4.
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ
Первые работы по использованию ультразвука для
обнаружения трещин в металлах были проведены
в начале 30-х годов нашего столетия. В 1933 году
Мюльхаузер запатентовал первую систему такого
рода. В ней ультразвуковой пучок направлялся на ис-
следуемый образец, а с помощью второго преобразо-
вателя регистрировался ультразвук, прошедший через
образец. Из рис. 75 (см. также рис. 76—78), взятого
из патента Мюльхаузера, отчетливо видно, как тре-
щина в образце отражает звуковой поток. При этом
области полной «тени» легко распознаваемы; те же
участки, в которых интенсивность передаваемого сиг-
нала лишь несколько изменяется, различить значи-
тельно сложнее.
Одним из пионеров в области ультразвукового
контроля был советский ученый С, Я. Соколов.
5*	131
Рис. 74. Ультразвуковая установка, используемая на химиче-
ском предприятии для обнаружения коррозии на внутренней
поверхности трубопроводов.
В настоящее время ультразвуковые волны широко используются на
заводах, сельскохозяйственных фермах, судостроительных верфях для
обнаружения различных дефектов, измерения толщины и других целей,
В 1935 году он предложил бо-
лее усовершенствованную ме-
тодику подобных эксперимен-
тов, в соответствии с которой
преобразователь и исследуе-
мый образец помещаются в
жидкость, что обеспечивает
лучшую взаимосвязь между
ними. С тех пор именно так
и проводятся исследования.
Соколов намного опередил свое
время, создав первую ультра-
звуковую «камеру», в которой
можно получать действитель-
ное изображение трещины.
При его методе, в настоящее
время значительно усовершен-
ствованном, предусматривается
использование большого пьезо-
электрического приемного пре-
образователя, в котором под
действием ультразвука возни-
кают электрические заряды.
Затем поверхность преобразо-
вателя сканируется либо ме-
ханически, либо с помощью
электронного пучка; в резуль-
тате «рисуется картина» тре-
щины.
Ультразвуковое исследова-
ние материалов по методам
Мюльхаузера и Соколова за-
ложило основу неразрушаю-
щего ультразвукового контро-
ля (дефектоскопии). Впрочем,
использование данного метода
связано с определенной труд-
ностью: возникающие в образ-
Рис. 75. Обнаружение
трещин в материалах.
Из рисунков, взятых из па-
тента Мюльхаузера, видно,
как, перемещая приемный
преобразователь R по по-
верхности исследуемого об-
разца относительно пере-
дающего преобразователя Т,
можно обнаружить не толь-
ко положение трещины, но
и определить ее характер.
це стоячие волны полностью «глушат» полезные сиг-
налы. Однако с изобретением рефлектоскопа эта и дру-
гие трудности канули в прошлое. Рефлектоскоп, пред-
ставляющий собой часть сонарной установки в миниа-
тюре, был изготовлен в 1942 году американским ученым
133
Рис. 76. Обнаружение дефектов в образце с помощью ультра-
звукового зонда.
Каждый импульс, посылаемый зондом, отражается как от нижней поверх-
ности образца, так и от трещин. Отраженные импульсы, принятые зон-
дом, преобразуются в электрические сигналы, которые далее посылаются
на экран электронно-лучевой трубки.
Файерстоуном. В этом приборе передающий преобра-
зователь посылал импульс ультразвука в исследуемый
материал, а отраженные сигналы фиксировались либо
им же, либо расположенным рядом приемным преоб-
разователем. За четверть века, прошедшую со вре-
мени создания первого рефлектоскопа, подобные
устройства значительно усложнились. Ныне они при-
меняются для самых различных исследований как
в промышленности, так и в сельском хозяйстве (рис.
79—80), начиная от обнаружения тончайших трещин
в железнодорожных рельсах и кончая определением
упитанности крупного рогатого скота и свиней, причем
результаты таких исследований можно записывать на
фотопленке (рис, 79). Для животных методика
134
Экранированный
провод
Рис. 77. Поперечное сечение ультразвукового зонда.
По своему устройству он напоминает сонарный преобразователь.
Пружина
Металлический кор-
пус,наполненный мас-
лом	х
Демпфирующий блок
(электропроводящий)
Преобразователь^
Поверхность^^
покрытая
металлом^.
Пластмассовая
Рис. 78. Прямой и отраженный сигналы на экране электронно-
лучевой трубки.
Сигнал С, отраженный от щели, на экране электронно-лучевой трубки
находится между прямым сигналом А и сигналом В, отраженным от
нижней поверхности образца,
Рис. 79. Ультразвуковой метод определения жирности скота
(слева).
С помощью этого безболезненного метода очень точно определяется
упитанность животного и тем самым оценивается его стоимость. Фото-
графия жирового и мясного слоев живого животного, сделанная с по-
мощью ультразвуковых волн {справа).
Рис, 80. Исследование качества сварных швов с помощью
ультразвукового прибора.
совершенно безболезненна. В настоящее время она
широко применяется во всем мире на ярмарках и вы-
ставках крупного рогатого скота.
ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА В МЕДИЦИНЕ
Теперь рассмотрим примеры использования уль-
тразвука в медицинской диагностике. Ультразвуковая
медицинская диагностика впитала в себя многие ме-
тоды промышленной дефектоскопии. В 1942 году не-
мецкий ученый Дуссиле впервые попытался изгото-
вить фонограммы человеческого тела. Используя ме-
тодику Мюльхаузера, он «освещал» ультразвуковым
пучком человеческое тело и затем измерял интенсив-
ность прошедшего сквозь тело ультразвукового пучка,
то есть полностью повторял методику работы с рент-
геновскими лучами. К сожалению, Дуссиле все свое
внимание сконцентрировал на мозге, который, как из-
вестно, защищен черепной коробкой. Черепная ко-
робка и кости скул настолько сильно поглощают
ультразвук, что небольшая разница в поглощении
ультразвука мозговой тканью и мозговой жидкостью
не могла быть выявлена.
В начале 50-х годов американские ученые Уилд и
Хаури и английские физики из онкологического гос-
питаля впервые и довольно успешно применили ульт-
развук в клинических условиях. Свои исследования
они сосредоточили также на мозге. Дело в том, что
диагностика мозга с помощью рентгеновских лучей не
только сложна, но и весьма опасна. В первое время
для ультразвуковой медицинской диагностики пыта-
лись приспособить обычные промышленные установки,
которые в то время были уже достаточно распростра-
нены. Применение ультразвука для диагноза при
серьезных повреждениях головы, когда происходит
смещение мозга больного, позволяет хирургу точно
определять места кровоизлияний. Получение такой
информации с помощью рентгеновских лучей требует
около часа времени, что весьма нежелательно при
критическом состоянии больного. Используя же про-
стой переносной ультразвуковой зонд (рис. 81), можно
установить положение средней линии мозга (линии,
разделяющей мозг на два полушария) буквально в
137
Рис. 81. Ультразвуковая диагностика заболеваний мозга.
Впервые для исследований мозга ультразвуковая диагностика была
использована в начале 50-х годов вместо более сложной и опасной диаг-
ностики с помощью рентгеновских лучей. На фотографиях показана
типичная кривая, записанная устройством, используемым для определе-
ния смещения мозга пациента после тяжелой травмы
течение одной минуты. Некоторые образцы таких зон-
дов в настоящее время уже выпускаются промыш-
ленностью. Несмотря на небольшие различия, все они
по принципу работы (регистрируется ультразвуковое
эхо от границы раздела полушарий) и назначению
подобны друг другу.
Сейчас область применения ультразвуковых зондов
в клинике значительно расширилась. Одни из них по-
зволяют, например, определять размеры глаза и поло-
жение хрусталика, другие — местонахождение камней
в желчном пузыре. Недавно были созданы устройства,
которые помогают хирургам при операциях на сердце
следить за работой митрального клапана, расположен-
ного между желудочком и предсердием. С появлением
новых хирургических методик, в частности операции
по пересадке сердца, роль ультразвука в медицинской
диагностике значительно возросла. Группой американ-
ских ученых было сконструировано ультразвуковое
устройство для контроля размеров пересаженного
сердца. Организм человека, которому пересажено
сердце, встречает его как инородное тело. С помощью
ультразвуковых устройств можно регистрировать пер-
вые сигналы надвигающейся опасности, что позво-
ляет хирургу вовремя принять необходимые меры
(рис. 82).
В последние годы особый интерес вызывает ис-
пользование в медицинской диагностике эффекта Доп-
138
Рис. 82. Применение ультразвука при пересадке сердца
Группа американских ученых разработала измерительное устройство,
позволяющее определить разбухание пересаженного сердца, что является
первым признаком его отторжения организмом человека.
лера. Суть этого эффекта заключается в изменении ча-
стоты звука вследствие относительного движения ис-
точника и приемника звука. В подобных исследова-
ниях также применяется переносный зонд. Когда звук
отражается от движущегося объекта, частота отражен-
ного сигнала изменяется — как говорят, происходит
сдвиг частоты. При наложении первичного и отражен-
ного сигналов возникают биения, которые прослуши-
ваются с помощью наушников или громкоговорителя.
В теле любого живого существа можно указать ты-
сячи движущихся объектов и сред: текущая по арте-
риям кровь, бьющееся сердце, движение в кишечнике,
выделение мочи и желудочного сока. Но в настоящее
время на основе эффекта Доплера исследованы только
движение крови и биение сердца.
Наиболее широко ультразвуковая диагностика, ос-
нованная на эффекте Доплера, применяется в аку-
шерстве, так как звуки, идущие от матки, хорошо рас*
пространяются по телу и легко регистрируются. На
ранней стадии беременности звук проходит через мо-
чевой пузырь. Далее, когда матка наполняется жидко-
стью, она сама начинает проводить звук. Положение
плаценты (органа, питающего плод) определяется по
звукам протекающей через нее крови, а через 9 или
139
10 недель с момента образования плода прослуши-
вается биение его сердца. С помощью ультразвуковых
устройств оператор может определить, сколько заро-
дышей развивается в утробе матери, а также конста-
тировать смерть плода, если она произошла. В на-
стоящее время такая методика широко используется
не только в акушерстве, но и в животноводстве. Она
позволяет устанавливать начало беременности у жи-
вотных и количество развивающихся зародышей, что
очень существенно при составлении рациона кормле-
ния животного.
Возвращаясь к медицине, следует сказать, что сей-
час с помощью ультразвуковых устройств, работаю-
щих на основе эффекта Доплера, кардиологам удается
измерять не только биения сердца, но и потоки крови
в наиболее крупных сосудах.
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ТОМОГРАФИЯ
Для визуализации трещин в металлических дета-
лях и заготовках зонд (щуп) обычно перемещают по
поверхности металла. Выходные сигналы с ультразву-
кового зонда поступают на электронно-лучевую труб-
ку— на ее экране получается изображение попереч-
ного сечения заготовки. Рис. 80 показывает, как про-
водится исследование качества сварных швов таким
методом. Нетрудно видеть, что данный процесс напо-
минает зарисовку профиля морского дна с помощью
установленного на судне эхолота. В 1950 году ультра-
звуковой зонд был использован в онкологии — для по-
лучения видимой картины опухоли груди. Это были
первые ультразвуковые «рентгенограммы» человече-
ского тела.
Однако очень скоро установили, что при такой ме-
тодике ультразвуковой пучок, распространяющийся в
ткани, отражается практически лишь от поверхностей,
перпендикулярных ему. Кроме того, область видимости
ограничена шириной ультразвукового пучка. В связи
с этим начались работы по созданию систем, способ-
ных осуществлять сложное сканирование. В них луч
направляли на тело под различными углами (по воз-
можности в широком интервале углов), и исследуемый
участок как бы вырезался несколькими плоскостями,
140
Рис. 83. Ультразвуковая томография щитовидной железы.
Зонд сканирует щитовидную железу через бак с водой. Отраженные
сигналы с индикатора А через блок модуляции яркости поступают на
экран осциллографа (индикатор Б). Томограмма представляет собой мгно-
венную фотографию изображения, полученную с экрана осциллографа.
расположенными перпендикулярно соответствующим
направлениям луча. В результате получалась картина
среза тела. Отсюда и произошло название метода —•
томография, что в переводе с греческого означает бук-
вально «запись среза». На рис. 83—85 показаны прин-
цип изготовления томограмм и они сами. В отличие от
рентгенограмм, на которых видны лишь кости и плот-
ные образования вещества, томограммы дают нам пол-
ную картину структуры среза ткани.
Пока наиболее успешно томография применяется
в акушерстве и гинекологии (рис. 86). Это объяс-
няется, во-первых, тем, что матка идеально проводит
ультразвук и, во-вторых, в отличие от рентгеновских
лучей ультразвук не вредит плоду. В современных ап-
паратах ультразвуковое сканирование осуществляется
автоматически. Для получения поперечных или про-
дольных срезов зонд устанавливают соответствующим
образом на животе пациентки и поворачивают вокруг
своей оси, так что его луч сканирует всю брюшную
полость, принимая при этом сигналы, отраженные от
различных внутренних поверхностей брюшной поло-
сти. Затем зонд смещается на небольшое расстояние,
и процедура повторяется. При каждом положении
141
Рис. 84. Томограммы щитовидной железы.
Четыре томограммы (А) получены при четырех различных интенсивностях
ультразвука. Наиболее четкое изображение при интенсивности ультра-
звука 5 и 10 дБ. Томограммы (Б) (и их расшифровка) щитовидной железы
пациента, у которого она только начала увеличиваться (серые участки).
Томограммы (В) (и их расшифровка) чрезмерно увеличенных щитовидных
желез двух пациентов. Буквой Т на рисунках обозначена трахея,
зонда сигналы поступают на электронно-лучевую
трубку — на ее экране возникает сложная картина, фо-
тографируя которую мы получаем полную томограмму.
Объединение всех томограмм, сделанных при различ-
ных положениях зонда, дает нам полную трехмерную
картину положения плода.
Некоторые гинекологи считают, что с помощью
ультразвука можно следить за развитием плода начи-
ная с шести недель после зачатия. Другие же более
142
Рис, 85. Изготовление томограммы с помощью устройства,
представленного на рис. 83.
осторожны в своих оценках. Метод ультразвуковой
томографии позволяет на десятой — двенадцатой не-
деле беременности различать голову плода, а вскоре
после этого — грудную клетку и плаценту. В некото-
рых случаях при определенных навыках в расшиф-
ровке томограмм по структуре и размерам плода
удается определять очень точно его вес и возраст.
Ультразвуковая томография позволяет также конста-
тировать смерть плода (хотя для этого целесообраз-
нее использовать устройства, основанные на эффекте
Доплера) и обнаруживать некоторые новообразования.
Усовершенствования метода двумерной томогра-
фии, осуществленные американским ученым Фраем,
привели к значительному усложнению ультразвуковых
диагностических установок. Система включает цифро-
вую вычислительную машину и может осуществлять
сканирование по всем направлениям: зонд переме-
щается не только в плоскости сечения, но и по нор-
мали к ней (правда, в ограниченных пределах), как
бы перебирая сами сечения. В результате получается
картина «ломтика» ткани. Она имеет вид рельефного
слепка отраженных «застывших» звуков, похожих на
горные линии и пики. По мнению Фрая, такая
методика дает нам более детальную информацию
143
Рис. 86. Пять близнецов в утробе матери.
На этой томограмме, полученной с помощью трех ультразвуковых ска-
нирующих устройств, отчетливо видно расположение головок пяти близ-
нецов в матке
о структуре исследуемого объекта, помогает выделять
полезный сигнал на фоне помех и облегчает интерпре-
тацию полученной картины. Свои основные исследова-
ния Фрай проводил на мозге обезьяны макака-резус.
Установки для ультразвуковой диагностики, ис-
пользуемые в медицине и промышленности, обычно
работают на частотах порядка нескольких мегагерц.
Они обеспечивают хорошее разрешение при исследова-
нии в отраженном звуке объектов с поперечными раз-
мерами в несколько миллиметров. Конечно, увеличи-
вая частоту (и снижая тем самым проникающую спо-
собность), можно повысить разрешение. При частотах
около 1000 МГц и выше длина волны звука прибли-
144
жается к световой. Тогда метод ультразвуковой де-
фектоскопии позволит нам различать объекты, кото-
рые можно видеть лишь с помощью оптического
микроскопа. В настоящее время возник значительный
интерес к созданию акустических микроскопов, в ко-
торых используется обычный метод сканирования. Но
так как даже самые высокие доступные частоты
ультразвука намного ниже частот световых колеба-
ний, то можно надеяться, что уровень помех при полу-
чении звукового изображения будет значительно ниже,
чем в случае оптического. (А ведь всем знакомы эти
помехи, которые иногда «снежными хлопьями» заби-
вают экраны наших телевизоров.) Группа американ-
ских ученых работает над созданием акустического
микроскопа, разрешающая способность которого в
10 000 раз выше оптического.
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ГОЛОГРАФИЯ
В настоящее время, пожалуй, наиболее интересной
и бурно развивающейся областью оптики является
голография. Этот метод был разработан в 1947 году
Деннисом Габором. Голография позволяет световые
волны, исходящие от объекта, «заморозить» на фото-
пластинке, а затем, когда потребуется, полностью вос-
становить картину, осветив фотопластинку соответ-
ствующим образом. В результате наблюдатель может
видеть трехмерное изображение первоначального объ-
екта. Сегодня методы получения голограмм общеиз-
вестны. Отдельный предмет или сцена обычно осве-
щается лучом лазера. Луч другого лазера, когерент-
ный с первым, является опорным. Отраженный от
предмета свет накладывается на опорный пучок, со-
здавая интерференционную картину, которая записы-
вается на фотопластинке. Это и есть голограмма.
Инженеры-акустики неоднократно пытались прове-
сти аналогичные эксперименты со звуковыми волнами.
Поэтому не удивительно, что сегодня быстро разви-
вается новая область науки и техники — акустическая
голография. В ней вместо когерентных световых волн
применяются когерентные ультразвуковые волны.
В настоящее время разрабатывается надежная мето-
дика получения трехмерных изображений с помощью
П5
Рис. 87. Простой метод получения акустических голограмм.
Для восстановления изображения интерференционная картина ряби, образованная на поверхности жидкости двумя ультра*
звуковыми пучками (один —облучает предмет, другой—опорный), освещается лазерным светом.
ультразвука. Она открывает значительные возможно-
сти в разнообразных неразрушающих исследованиях,
медицинской диагностике и обнаружении объектов, на-
ходящихся в мутной воде.
Источник
света
Основной
бак
Дополнительный
/ бак
Пространственный
' фильтр
Оптическая систе-
" ма, предназначенная
для наблюдения изо-
бражения
Оптическая
линза

Акустический
преобразователь
Объект J
Акустический Акустиче-
преобразователь, ская линза
создающий опор-
ный пучок
Рис. 88. Изготовление акустических голограмм по методу аме-
риканских ученых Смита и Бредена.
В этом устройстве применяется импульсный источник ультразвука, аку-
стическая линза и дополнительный бак, дно которого представляет собой
мембрану. В этом баке поверхность воды образовывает голограмму.
В принципе ультразвуковая голография ничем не
отличается от оптической. В самом деле, объект облу-
чается ультразвуковым пучком; звуковые волны, про-
шедшие через него, накладываются затем на опорный
пучок, порождая интерференционную картину. Однако
147
Рис. 89. Акустическая голограмма.
Из рисунка видно, какое качество изображения дает нам устройство,
представленное на рис, 88.
в акустической голографии такую интерференционную
картину записать нелегко. В первых опытах, проведен-
ных в 1966 году, интерференционная картина созда-
валась в виде стоячих волн (ряби) на поверхности
воды, налитой в сосуд (рис. 87). Эту картину осве-
щали лучом лазера и наблюдали через систему линз.
Изменяя фокусное расстояние объектива, можно было
наблюдать любую часть внутренней стороны предмета.
Если картину ряби осветить простым светом и сфото-
графировать, то в результате мы получим голограмму
обычного типа, которую можно восстановить, освещая
фотопластинку лучом лазера.
Метод, впервые разработанный Мюллером с сот-
рудниками, давал изображения плохого качества. Усо-
вершенствовав эту установку, американские ученые
Смит и Бренден несколько повысили качество изобра-
жения. Непрерывный источник ультразвука они заме-
нили импульсным; на пути звуковых волн, идущих от
объекта к поверхности, установили акустическую лин-
зу, фокусирующую звуковые волны, и, наконец, поста-
вили маленький бачок с водой (дном его служила мем-
брана), на поверхности которой образовывалась голо-
грамма. Схема этой установки показана на рис. 88,
а она сама и полученное с ее помощью изображение —
на рис. 89 и 90.
148
Рис. 90. Исследование акустической голограммы с целью полу-
чения количественной информации о дефектах какого-либо
образца.
В другом случае для записи акустических голо-
грамм был использован зонд-преобразователь, кото-
рый путем механического сканирования делал зари-
совку ультразвукового поля. Выходными сигналами с
зонда модулировали интенсивность слабого источника
света и затем изменение интенсивности света записы-
вали на фотопластинке. Этот метод (рис. 91, 92) был
предложен американским ученым Метероллом с сот-
рудниками. Следует особо отметить, что при таком
способе не требуется опорного пучка. Его заменяет
опорное напряжение, снимаемое с генератора ультра-
звуковых сигналов. Оно добавляется к напряжению
выходного сигнала с зонда, и в результате создается
комбинированный сигнал,
149
Рис. 91. Изготовление акустических голограмм по методу аме-
риканского ученого Метеролла.
Для получения акустической голограммы объект (контур буквы R) облу-
чается ультразвуковыми волнами, излучаемыми стационарным источником
ультразвука, и изображение записывается в помощью сканирующего
микрофона, расположенного позади предмета (слева). Можно применять и
обратный метод, а именно использовать сканирующий ультразвуковой
источник и стационарный микрофон (справа).
Некоторые исследователи пробуют осуществлять
запись голограммы с помощью большого количества
расположенных в виде мозаики приемных преобразо-
вателей. По их подсчетам, для зарисовки узкой поло-
сы (шириной в несколько градусов) потребовалось бы
только 1000 приемных преобразователей. Однако при
широком угле зрения, порядка 180°, необходимо уже
420 000 таких элементов. Исследователи в области аку-
стической голографии настроены оптимистически. Они
предвидят широкое использование этого метода в
самых различных областях, включая подводные
150
Рис. 92. Акустическая голограмма буквы R (вверху).
Восстановленное сфокусированное изображение буквы R, на которое
наложено несфокусированное изображение источника (внизу слева). Точное
восстановленное изображение буквы R, на которое уже не наложено
изображение источника (внизу справа).
исследования, медицинскую диагностику, неразрушаю-
щие испытания материалов, а для высоких частот — в
биологической и физической ультразвуковой микро-
скопии.
УЛЬТРАЗВУК В ЭЛЕКТРОНИКЕ
Всем хорошо знакомы процессы преобразования
звука в электромагнитные колебания и наоборот,
Рис, 93, Блок задержки электрических сигналов, используемый
в цветном телевизоре.
Задержка электрических сигналов осуществляется путем преобразования
их в ультразвуковые сигналы, которые затем распространяются в эле-
ментах, изготовленных из соответствующего материала.
осуществляемые в радиовещательных системах. Но
пока мы еще почти ничего не знаем об использова-
нии ультразвуковых элементов в электронных систе-
мах. А ведь подобные элементы позволили бы умень-
шить электронную схему до размеров песчинки. В на-
стоящее время в этой области уже достигнуты неко-
торые успехи. На рис. 93 мы видим крошечные эле-
менты ультразвуковой линии задержки электрических
сигналов.
Ультразвуковая линия задержки состоит из ма-
ленького вибратора (аналога громкоговорителя), воз-
буждаемого микроволновым или радиочастотным сиг-
налом от электронной цепи; узкой полоски соответ-
152
ствующего материала, через которую колебания рас-
пространяются в виде акустических волн, и приемника
(аналога микрофона), где звуковые волны вновь пре-
образуются в электрический сигнал и направляются в
электронную цепь. В микроволновой системе (напри-
мер, в радиолокационной установке) такое ультразву-
ковое устройство будет занимать лишь крошечную
долю сантиметра. И что более важно, технологически
его можно изготовить так же, как и другие элементы
микросхемы. А это облегчает проблему согласования
между элементами схемы.
Однако уместно задать вопрос, зачем вообще нуж-
ны все эти переходы от электроники к акустике и
обратно? Ответ на него прост: нередко целесообразно
использовать волны, распространяющиеся в твердом
теле медленнее, чем электромагнитные. Известно, что
если за какой-то фиксированный промежуток времени
акустическая волна проходит в кристалле, например
в сапфире, 1 см, то электромагнитные волны за это же
время могут пройти по волноводу около 1000 м. Это
очень существенно во многих установках, в частности
в радиолокационных и телевизионных, а также в лю-
бых других цепях, где электрические сигналы необ-
ходимо сохранять в течение какого-то времени, чтобы
потом их можно было сравнивать с сигналами, при-
шедшими после, уплотнять, задерживать и отфильтро-
вывать от массы разнообразных электромагнитных по-
мех. Вот тогда и возникает необходимость задержать
сигнал в цепи на несколько микросекунд. Наиболее
общепринятый путь задержки сигнала — заставить его
пройти несколько сантиметров, а иногда даже не-
сколько метров по кольцевому волноводу. Но такие
приспособления оказываются громоздкими. Например,
в телевизоре волновод достигает размеров теннисного
мяча. В настоящее время возникла новая область аку-
стической электроники, известная как микрозвуковая
или микроволновая гиперзвуковая электроника. Теперь
стало возможным заменять привычные волноводы де-
шевыми деталями, изготовленными из крошечных ку-
сочков кремния. Такие элементы составляют единое
целое с остальной микроэлектронной схемой.
Однако детальные исследования работы самих
акустических элементов начались совсем недавно.
153
Наиболее интересные эксперименты, проведенные в
США, Англии и СССР, дали толчок развитию аку-
стики поверхностных волн. В первых опытах для пере-
дачи электрических сигналов использовали продоль-
ные объемные акустические волны. Но такие волны
Рис. 94. Применение поверхностных ультразвуковых волн
в электронике.
На этом рисунке показан принцип работы блока задержки, использую-
щего поверхностные ультразвуковые волны.
Рис. 95. Опытный образец фильтра длиной 10 мм, работающего
на основе преобразования электрических сигналов в звуковые.
очень трудно регистрировать. Поэтому сейчас для этой
цели применяются сдвиговые волны, которые распро-
страняются вдоль поверхности твердотельного волно-
вода (рис. 94 и 95).
Что же представляют собой поверхностные сдвиго-
вые волны и чем они отличаются от обычных звуковых
154
волн? Звуковые волны часто сравнивают с волнами,
возникающими на поверхности пруда после того, как
в него бросили камень. Развивая дальше эту аналогию,
можно сказать, что поверхностные сдвиговые волны
похожи на волны, создающиеся на поверхности пруда
после того, как в него бросили скрученный из бумаги
шар. Энергия волны сдвига в твердом теле экспонен-
циально падает с расстоянием. Она сосредоточена в
поверхностном слое толщиной в одну длину волны.
Обычные звуковые волны представляют собой набор
волн различных частот. Распространяясь в среде, они
испытывают дисперсию, то есть происходит разложе-
ние волны на составляющие ее частотные компоненты,
так как в среде скорость волны и ее затухание сильно
зависят от частоты. В отличие от обычных волн по-
верхностные сдвиговые волны любой частоты распро-
страняются с малым затуханием и с одной и той же
скоростью — дисперсия их ничтожна. Если мы хотим
разделять такие волны на составляющие их частотные
компоненты, то это можно сделать, нанося тонкие
пленки различных материалов на поверхность об-
разца. Подобная операция позволяет специалистам
управлять прохождением волн.
Типичный элемент, работающий на основе поверх-
ностных сдвиговых волн и предназначенный для за-
держки сигналов, состоит из слоя кремния, нанесен-
ного на сапфир. На входном торце такого элемента
находится крошечный пьезоэлектрический преобразо-
ватель, который превращает осциллирующие электри-
ческие сигналы в механические колебания; на выхо-
де — приемник, регистрирующий сигналы. В настоящее
время считается, что на основе использования по-
верхностных волн можно построить такие стандартные
электронные приборы, как усилители, фильтры, пре-
образователи частоты. Тогда операции, которые в на-
стоящее время либо невыполнимы, либо производятся
с большим трудом, например возвращение сигналов
с выхода на вход или смешивание одного сигнала с
другим, можно было бы легко осуществлять в микро-
звуковых элементах. Элементы подобного рода позво-
лят изготавливать дешевые и миниатюрные электрон-
ные схемы,
7.	Инфразвук
Мы рассмотрели различные вопросы, связанные
с природой, получением и применением ультразвука.
Теперь перейдем к новой и малоисследованной обла-
сти звуковых частот, которая также лежит вне восприя-
тия человеческим ухом. Она представляет большой как
научный, так и практический интерес, поскольку зву-
ковые волны этого частотного диапазона характери-
зуются высокой проникающей способностью. Инфра-
звуковая область находится ниже 20 кГц — частотного
предела слухового восприятия звука человеком. Такие
звуки человек скорее чувствует, нежели слышит. В от-
личие от ультразвука действие инфразвука, как пра-
вило, разрушающе и пагубно.
Исследование инфразвука началось в период пер-
вой мировой войны, но в последующие пятьдесят лет
им занимались очень мало. Однако в последнее время
на основе различных экспериментов исследователи
установили, что как естественный, так и искусствен-
ный инфразвук способен оказывать сильное воздей-
ствие на состояние и поведение людей. Более того,
инфразвук можно рассматривать как новое оружие
уничтожения не только людей, но и промышленных и
гражданских объектов.
Такие предположения возникли в связи с исследо-
ваниями французского ученого Гавро, которыми он,
кстати, занялся случайно. Несколько лет назад Гавро
и сотрудники его лаборатории внезапно подверглись
воздействию очень интенсивных низкочастотных зву-
ковых волн, которые вызывали у людей сильную боль
в ушах. Различные приборы и установки в лаборато-
рии буквально вибрировали, тогда как микрофоны
не регистрировали никакого звука,
15g
Рис. 96. Первое инфразвуковое «ружье», сделанное Гавро.
Наконец источник всех несчастий был найден. Им
оказался неисправный вентилятор соседнего с лабо-
раторией предприятия, вращающийся с малой ско-
ростью. После этого сотрудники лаборатории начали
изготовление источников инфразвука — инфразвуко-
вых генераторов. Последние по принципу работы на-
поминают органную трубу или полицейский свисток.
Некоторые из таких сооружений имели огромную
мощность. А первое инфракрасное «ружье», сделанное
Гавро с сотрудниками, было почти смертоносным. Оно
представляло собой огромный свисток, замурованный
в бетон (рис. 96). Буквально после пяти минут работы
с этим прибором исследователи испытывали мучитель-
ные боли вследствие резонансных явлений, обуслов-
ленных инфразвуком. Звук интенсивностью 160 дБ и
частотой порядка 200 Гц непосредственно действовал
на внутренние органы человека. Возможно, более про-
должительная работа с ним могла бы привести к вну-
тренним кровоизлияниям у сотрудников лаборатории.
Был изготовлен также другой свисток диаметром 1,5 м
(рис. 97), более плоский, что позволяло максимально
снизить его мощность, которая тем не менее, по оцен-
кам Гавро, превосходила в 2000 раз мощность обыч-
ного полицейского свистка. Этот прибор излучал звук
с частотой 37 Гц.
При его работе даже на малой мощности на по-
толке и стенах помещения появлялись трещины. По
подсчетам Гавро, инфразвуковой источник с частотой
157
7 Гц должен иметь диаметр около 7,3 м. Мощность
такого чудовища в 170 000 раз будет превосходить
мощность полицейского свистка.
Исследуя в качестве источников звука органные
трубы длиной 24 м, Гавро смог получить инфразвук
частотой 3,5 Гц (достаточно слабой мощности и по-
этому не опасный для здоровья человека). Гавро так-
же занимался разработкой детекторов инфразвука.
Так как длина волны инфразвука велика (например,
при частоте 7 гц она составляет 48,5 м), то обычные
микрофоны не регистрируют такие колебания. В на-
стоящее время существуют чрезвычайно сложные де-
текторы инфразвука. Многие из них представляют
собой модифицированные устройства для обнаруже-
ния орудий противника, применяемые во времена
первой мировой войны. Однако исследования Гавро
показали, что для регистрации инфразвука можно
также пользоваться и микрофонами очень большого
размера. Следует подчеркнуть, что Гавро занимается
разработкой не только мощных инфразвуковых пушек,
способных разрушать здания и поражать людей, нои
системами защиты от интенсивных низкочастотных
звуковых пучков. Инфразвук вследствие огромной
Рис. 97, Инфразвуковой свисток диаметром 1?5 м, сделанный
Гавро.
158
длины волны невозможно остановить обычными строи-
тельными сооружениями, с помощью которых человек
часто защищается от всевозможных вредных воздей-
ствий. Большая длина волны позволяет инфразвуку
распространяться в атмосфере на значительные рас-
стояния, достигающие десятков тысяч километров.
Группа английских ученых под руководством Тем-
песта с 1964 года занимается изучением последствий,
связанных с облучением человека инфразвуком. Толч-
ком к такого рода исследованиям послужило следую-
щее обстоятельство. Сотрудники конструкторского
бюро, расположенного недалеко от полигона, на ко-
тором испытывались реактивные двигатели для са-
молета «Конкорд», постоянно чувствовали недомога-
ние. Расследование показало, что во время испытаний
двигателей в помещении наблюдался очень высокий
уровень интенсивности инфразвука. Те необычные
симптомы, которые возникали у людей, были обуслов-
лены сверхнизкочастотными компонентами звука, при-
сутствовавшими в спектре шумов реактивного дви-
гателя.
Было высказано предположение, что очень высо-
кий уровень инфразвука может вызвать нарушение
в статических и динамических органах равновесия
тела, которые являются частью внутреннего уха. По-
видимому, область собственных частот этих органов
лежит именно в инфразвуковом диапазоне (от 2 до
20 Гц). Исследования Тавро и опросы людей, рабо-
тающих на площадках для запуска ракет в США,
подтвердили это предположение.
Группа английских ученых работает с инфразвуко-
вым источником частотой 2 Гц и несколько выше и
мощностью более 140 дБ. Ввиду большой мощности
и очень низкой частоты источника его звук нельзя
обнаружить обычными наушниками. Были изготовле-
ны специальные наушники, представляющие собой два
15-ваттных громкоговорителя размером около 30 см
в диаметре. Каждый из них вмонтировался в алюми-
ниевый диск и соединялся с ухом посредством тща-
тельно подогнанной головки (рис. 98). Эксперименты,
проводимые сотрудниками лаборатории над собой, и
записи биотоков глазных мышц при судорожных по-
дергиваниях, (^вязанных обычно с потерей равновесия,
159
подтвердили гипотезу о нарушении функций органов
равновесия. Биотоки регистрировались накладными
электродами, затем усиливались и записывались на
фотопленке или на бумаге.
Как показали исследования, люди во всех подоб-
ных случаях испытывают одинаковые ощущения: лег-
кую тошноту, ощущение вращения, непроизвольное
вращение глазных яблок и, наконец, чувство какого-то
Рис. 98. Исследование воздействия инфразвука на человека.
Поверхностные электроды, приложенные к коже лица пациента, реги-
стрируют электрические потенциалы глазных мышц при непроизвольном
подергивании глаз, обусловленном потерей равновесия в результате
инфразвука. Сигналы с электродов поступают на самописец.
неудобства. Все эти симптомы указывают на наруше-
ние функций органов равновесия при облучении че-
ловека инфразвуком в диапазоне частот 2—10 Гц.
Ответные реакции организма изучались при двух
режимах работы источника инфразвука. На рис. 99
мы видим запись биотоков при воздействии на орга-
низм инфразвука частотой 6 Гц и интенсивностью
142 дБ. Кривая по форме напоминает записи реакции
органов человека на различные другие воздействия.
Вторая запись получена при интенсивности инфра-
звука в 150 дБ и частоте 2 Гц. Из рисунка видно, что
вторая кривая значительно сложней первой. Это сви-
детельствует о том, что у человека, облученного таким
160
Рис. 99. Записи электрических потенциалов глазных мышц при
облучении пациента инфразвуком интенсивностью 142 дБ и
частотой 6 Гц (вверху) и интенсивностью 160 дБ и частотой
2 Гц (внизу).
б г4 Чедд
инфразвуком, наблюдаются более существенные нару-
шения функций органов равновесия. В этом случае
люди испытывали острое чувство потери равновесия
и сильное ощущение тошноты.
Английский ученый Худ исследовал влияние на че-
ловека инфразвука, возникающего при работе судо-
вых двигателей. Сделанные им записи стимулировали
дальнейшие изыскания в этой области. Уровень инфра-
звука в данных экспериментах был несколько ниже,
чем в лабораторных условиях. Однако в записи, про-
веденной в машинном отделении судна при уровне
интенсивности 118 дБ и частоте 7 Гц, наблюдался пик,
связанный с такими явлениями, как ощущение голо-
вокружения, вялости и потери равновесия.
Группа английских ученых, руководимая Левента-
лем, занимается поисками источников интенсивного
инфразвука в промышленности и транспорте. Наивыс-
ший уровень инфразвука (134 дБ) был зарегистриро-
ван на частоте 13 Гц. Его создает двигатель катера
мощностью 400 л. с. при поступлении во всасывающее
отверстие карбюратора потока воздуха. Инфразвук
высокой интенсивности возникает также вблизи рабо-
тающих на полную мощность сталеплавильных печей
на металлургических заводах (118 дБ при частоте
6 Гц) ив автомобилях, движущихся со скоростью
100 км/час. Все эти звуки лежат вне порога слухового
восприятия (рис. 100). Если на судах инфразвук соз-
дается за счет работы двигателя, то в автомобилях он
обусловлен срывом встречного потока воздуха позади
автомобиля, причем интенсивность инфразвука воз-
растает с уменьшением частоты.
Исследования нарушений в функциях внутренних
органов человека, подвергшегося воздействию инфра-
звука, находятся еще в начальной стадии. Однако по-
лученные результаты позволяют сделать вывод о том,
что инфразвук потенциально опасен для здоровья че-
ловека. Он способствует потере чувствительности
органов равновесия тела, а это приводит к появлению
боли в ушах, позвоночнике и повреждениям мозга.
Вероятно, еще более пагубными (поскольку они
являются скрытыми) следует считать психологические
последствия, обусловленные инфразвуком, который
всегда существует в атмосфере, хотя порою она ка-
162
Уровень шума9 дБ
Рис. 100. Зависимость уровня некоторых индустриальных шумов
от частоты.
Максимальный уровень шумов лежит в инфразвуковом диапазоне (левее
нижнего порога слуха человека ~20 Гц). Уровни инфразвука в салоне
автомобиля с рабочим объемом двигателя в 1 л, движущегося со ско-
ростью около 100 км/час, представлены на этом рисунке пунктирной ли-
нией (окна автомобиля закрыты) и штрихпунктирной линией (окна авто-
мобиля открыты). Белая стрелка показывает уровень инфразвука вблизи
работающих на полную мощность плавильных печей на металлургических
заводах, чёрные стрелки—уровни звука в машинном отделении катеров.
жется нам совершенно спокойной. Морские волны,
ударяющиеся о берег, не только порождают слабые
сейсмические колебания в земле, но и вызывают изме-
нения в давлении воздуха с частотой около 0,05 Гц.
Эти колебания давления можно уловить сверхчувстви-
тельными барометрами.
Очень мощные инфразвуковые волны возникают
при извержении вулканов. Так, инфразвуковые волны
(с частотой 0,1 Гц), образовавшиеся при извержении
вулкана Кракатау в 1883 году, несколько раз обошли
вокруг земного шара. Они вызвали значительные
флуктуации давления, которые можно было фиксиро-
вать даже обычным барометром. Инфразвук создается
и при землетрясениях. Именно с его помощью в Японии
узнают о приближении цунами, гигантских прилив-
ных волн, порождаемых подводными землетрясениями.
6*	163
Можно указать также много других явлений —
смерчи, сильные штормы и т. д., — при которых возни-
кают инфразвуковые волны. Известно, что перед зем-
летрясением люди, и особенно животные, испытывают
чувство беспокойства. Штормы также оказывают на
людей сильное воздействие, вызывая различные изме-
нения в поведении и психике, начиная от ощущения
легкого недомогания и ослабления памяти вплоть до
резкого увеличения числа попыток к самоубийству.
Можно ли связать психические нарушения с инфра-
звуком?
На этот вопрос невозможно ответить с полной уве-
ренностью. Однако некоторые ученые предполагают,
что инфразвук оказывает сильное влияние на пси-
хику людей. Наиболее интересные и впечатляющие
результаты были получены американским ученым
Данном. Он заметил, что летчики и космонавты, под-
вергнутые облучению искусственно созданным инфра-
звуком, медленнее решали простые арифметические
задачи, нежели обычно.
Существует определенная вероятность, что различ-
ные аномалии в состоянии людей при плохой погоде,
объясняемые раньше климатическими условиями, яв-
ляются следствием воздействия инфразвуковых волн.
С учетом этого факта, а также все возрастающего
уровня инфразвукового излучения в современном ин-
дустриальном обществе можно признать, что в весьма
спорном заявлении Гавро, утверждающем, что болезни
в современном обществе частично порождены неслы-
шимым сверхнизкочастотным звуком, возможно, со-
держится известная доля истины.
8.	Шум
С тех пор как техническая революция дала чело-
вечеству новые источники энергии невиданной ранее
мощности, люди стали как-то не по-хозяйски отно-
ситься к своей планете. «Издержки» технического
прогресса можно видеть на каждом шагу: ямы и ка-
навы, заполненные отбросами и мусором; свалки ржа-
веющих автомобилей; реки и озера, гибнущие от от-
ходов промышленных предприятий, и даже воздух,
которым мы дышим, загрязнен дымом, выходящим из
Рис. 101. Котлоремонтный цех.
Среди многих работ, вредных для наших органов слуха, работа в котло-
ремонтном цехе является наиболее опасной. На этой фотографии мы
видим инженера-акустика, который измеряет уровень шума (прибор — слева
на столе) и частотный диапазон шума (частотный анализатор —справа
на столе). Как и рабочие, инженер надел защитные наушники, понижаю-
щие уровень воспринимаемого шума на 20 дБ,
165
тысяч труб фабрик и заводов, и выхлопными газами
миллионов автомобилей. Буквально только в послед-
ние годы этими вопросами стали заниматься ученые,
а также правительственные органы, предпринимаю-
щие сейчас отчаянные шаги в борьбе против загряз-
нения воздуха и окружающей среды. Однако
существует еще более зловещий спутник развития
индустрии, который опаснее для людей, чем загряз-
няющие отходы, — это шум (рис. 101).
В 1968 году в США был создан специальный коми-
тет по контролю над уровнем шумов в окружающей
среде. В докладе по поводу учреждения комитета го-
ворилось: «Уровень шума в окружающей нас среде
столь высок, что проблема борьбы с ним стала обще-
национальной. Поскольку верхний предел шумов в
окружающей среде удваивается каждые десять лет,
следует безотлагательно и серьезно начать контроль
над шумом. Если не делать этого сейчас, то в буду-
щем работы по снижению уровня шума обойдутся
слишком дорого».
ИЗМЕРЕНИЕ ШУМА
Обычно никто из нас не испытывает особых затруд-
нений при распознавании различных источников шума.
Тем не менее проблема идентификации и особенно
измерения шумов весьма сложна. Физические харак-
теристики шума мало что говорят нам, например, о его
свойстве вызывать физиологические и психические
раздражения. В этих характеристиках не учитываются
и индивидуальные особенности людей при восприятии
звука. Так, например, диапазон слухового восприятия
одного человека позволяет ему воспринимать опреде-
ленное музыкальное произведение, тогда как другому
в нем слышится сплошная какофония.
Обычно шум оказывает на людей неприятное, раз-
дражающее воздействие. В связи с этим понятно, по-
чему его так трудно измерять. Электронные приборы
могут измерять громкость, то есть интенсивность звука.
Однако не существует устройства, способного изме-
рить, например, степень раздражения. Звуки подте-
кающего водопроводного крана электронный прибор
зарегистрирует как слабый шум. Но этот шум в Зчаса
166
ночи лишает человека сна или даже доводит его до
отчаянных поступков. Ведь наиболее раздражающий
звук, известный людям, это не звук реактивного само-
лета, отбойного молотка или мотоцикла, а звук, воз-
никающий, когда сковородку скоблят ножом. Именно
субъективные особенности восприятия шума чрезвы-
чайно усложняют проблему разработки приборов для
его измерения. Весьма трудно построить и прибор для
измерения громкости.
Простой измеритель уровня звука фиксирует ин-
тенсивность последнего; громкость же, то есть вели-
чина шума, воспринимаемая специфическим измерите-
лем уровня звука — человеческим ухом, зависит от ча-
стотного спектра шума. Например, интенсивности
шума от электрической пилы и шума, который мы слы-
шим, когда едем в автобусе, по всей вероятности, оди-
наковы, но вряд ли у кого возникнут сомнения, какой
из них громче. Чувствительность человеческого уха
различна к разным частотам. Наиболее легко оно вос-
принимает высокие частоты. Поэтому при конструи-
ровании измерителя громкости шума необходимо учи-
тывать эти особенности восприятия человеческого уха
и строить прибор так, чтобы он, как и человеческое
ухо, по-разному реагировал на различные частоты.
В современном измерителе звукового уровня
имеется несколько так называемых весовых цепочек,
которые определяют относительный вклад отдельных
частот в окончательную величину уровня звука. Обыч-
но используются три типа весовых цепочек: А, В и С.
Все они объединены в одном измерителе. Это помо-
гает по возможности приблизить работу прибора к дей-
ствию уха человека, чувствительность которого во
всем воспринимаемом диапазоне частот изменяется
в зависимости от интенсивности звука. Как видно из
рис. 102, на малых частотах шкала А изменяется зна-
чительносильнее, чем шкала В, тогда как С — остается
неизменной. На рис. 102 величина поправки отложена
по вертикальной оси, а частота — по горизонтальной.
Например, при работе со шкалой А мы должны на
частоте 100 Гц вычесть из величины зарегистрирован-
ной интенсивности 11 дБ, а при работе со шкалой В
на той же частоте — вычесть 4 дБ, то есть прибор по-
казывает нам меньшую величину интенсивности по
167
Рис. 102. Весовые цепочки, используемые в современных изме-
рителях уровня звука с целью учета особенностей восприятия
человеческим ухом звуков (главным образом, низкочастотных).
Например, при частоте 100 Гц и работе со шкалой А необходимо вычесть
из величины зарегистрированной интенсивности 11 дБ, при работе со шка-
лой В — 4 дБ. Интенсивность звука, измеренная по шкале С, оказывается
одной и той же для всего частотного диапазона.
сравнению с той, которую он «слышит». При работе
со шкалой С поправка интенсивности для всех частот
равна нулю.
Такие измерения, оставаясь по-прежнему объек-
тивными, уже в какой-то степени отражают субъек-
тивность восприятия звука человеком. Однако, как мы
уже показывали на примерах с подтекающим водо-
проводным краном и скоблением сковородки ножом,
не только различные люди по-разному воспринимают
шум, но даже один и тот же человек в зависимости от
условий неодинаково на него реагирует. Поэтому за-
дача субъективной оценки шума очень трудна. Боль-
шую изобретательность проявляют ученые при по-
строении субъективных шкал громкости. В этой главе
мы расскажем о некоторых из них. В основном по-
строение таких шкал представляет собой попытку ко-
168
личественно характеризовать реакцию человека на
шум. В качестве иллюстрации рассмотрим шкалу, при-
меняемую обычно для измерения величины воздей-
ствия на человека звука реактивного самолета.
Когда в 1959 году реактивные самолеты начали вы-
теснять самолеты с поршневыми двигателями, стало
ясно, что их шум значительно сильнее воздействует
на людей, нежели шум поршневых самолетов, а при-
боры дают заниженную оценку величины этого шума.
С учетом индивидуального восприятия различными
людьми звука данной частоты и громкости и в резуль-
тате усреднения всех этих данных американский уче-
ный Крайтер предложил единицу для измерения шу-
ма— ной. С помощью пересчетной таблицы ной можно
перевести в децибелы. Обычно говорят, что в ноях из-
меряется воспринимаемый уровень шума, а сама еди-
ница обозначается как ВШдБ. В настоящее время си-
стема Крайтера стала общепризнанной. Она исполь-
зуется в аэропортах для установления допустимого
уровня шума. Например, шум двигателей в лондон-
ском аэропорте Хитроу при оптимальных условиях не
должен превышать НО ВШдБ, что приблизительно
равно 96 дБА (измерения по шкале А).
ВОЗДЕЙСТВИЕ ШУМА
Длительное воздействие на человека очень интен-
сивного шума может привести к временной, а в неко-
торых случаях полной потере слуха. К счастью, обыч-
но уровень окружающего нас шума даже вблизи
автострад и аэродромов не достигает столь большой
величины. Одно время считали, что вред нашим орга-
нам слуха причиняет шум, связанный только с такими
работами, как плавка и обработка металла. Однако
совсем недавно было установлено, что и при других ви-
дах деятельности человека (например, при работе на
хлебоуборочных комбайнах, буровых вышках и даже
в джаз-оркестре) существует опасность потери слуха.
В этой главе мы еще вернемся к вопросу о профессио-
нальной глухоте. А сейчас сосредоточим внимание на
общих последствиях воздействия шума на людей.
Всемирная организация здравоохранения дала
несколько утопическое определение здоровья как
169
«состояния полного физического, умственного и соци*
ального благополучия, а не просто отсутствия болез-
ней, физических или моральных недостатков». При
этом отмечается и вредная роль шума. Американский
ученый Хенсчел более определенно высказывался по
этому поводу: «Потенциально шум так же опасен для
здоровья людей, как загрязненные воздух и вода. В ре-
зультате незащищенности людей от чрезмерного шума
у них могут появиться психические и физиологические
(гипертония) нарушения».
Конечно, не все столь категоричны в своих оценках.
Но медики единогласно признают, что шум вызывает
психические аномалии, прежде всего бессонницу. Как
и во многих других случаях, степень воздействия шума
на сон зависит от индивидуума и природы шума.
Большинство людей, например, спокойно засыпают
под тиканье часов, другие же, напротив, не выносят
ночью никакого шума. Шум либо мешает людям засы-
пать, либо пробуждает их от сна. Несмотря на разно-
образие индивидуальных восприятий, все же суще-
ствует некая норма для величины и типа шумов, при
которой любой человек способен спокойно спать.
В 1963 году в соответствии с решением Британского
комитета по проблеме шума был проведен опрос на-
селения, живущего вблизи Лондонского аэропорта.
22% из всех опрошенных заявили, что из-за шума са-
молетов они не могут спать. А в некоторых районах
вокруг аэропорта эта цифра возросла до 50%.
За исключением мест, расположенных вблизи мощ-
ных источников шума — аэропортов, крупных промыш-
ленных предприятий, строек и т. д., — основной шум
в городах создает уличное движение. Это подтвердил
опрос населения, проведенный в Англии. В ответ на
вопрос, какой шум их больше всего раздражает, ко-
гда они находятся дома, большинство людей назвало
уличное движение (см. таблицу рис. 103). Однако не
следует забывать об удивительной способности людей
привыкать к шуму, который сначала их сильно разд-
ражал. Так, посетитель, впервые попавший на завод,
где работающие станки сильно шумят, испытывает
«шумовую атаку» на барабанные перепонки, тогда как
рабочие почти не воспринимают этот шум. Подобную
терпимость люди проявляют и к более слабым шумам.
170
Источники шумов						
Типы шума-		Источник шума (количество людей из 100 опрошенных)				
		Внешний шум		Внутрен- ний шум		Шум собственной квартиры
Ушное движение Самолеты, Поезда Промышленные и строительные работы. Машины домашнего обихода Из соседних квартир (стук, ходьба ит.д) Пети Голоса взрослых Радиоприемники и телевизоры Звонки в дверь и телефонные звонки Комнатные животные Прочий шум		36 9 5 7 1 1 8 7 2 3 3		\ \ [ I I I <Х1	I I j 1			\ 1 I I I V. I I I 1 I I I
Сравнение реакции людей на шум (1948 и 1961 ее.)						
Индивидуальная реакция на шум	., Внешний шум (%-ное отношение числа людей к полному числу опрошенных)				Внутренний шум (7о-ное отношение числа людей кполномучис- лу опрошенных)	
	1948		1961		1948	1961
Люди, на которых шум действовал раздра- жающе Люди, которые ощущали шум, но он их не раздражал Полное число людей, ощущавших шум Люди, которые вообще не замечали шума	23 19		50 41		19 21	14 14
	42 58		91 9		40 60	28 72
	100		100		100	100
Рис. 103. Типы шумов и реакция на них людей.
Как видно из верхней таблицы, составленной по данным опроса населе-
ния, проведенного в Англии в 1961 году, больше всего нарушает покой
людей (во время их пребывания дома) шум уличного движения и менее
всего шум в собственной квартире. Нижняя таблица показывает увели-
чение воздействия шума на людей за период с 1948 по 1961 год.
Тем не менее в современном обществе необходимо бо-
роться с шумами более настойчиво, чем это делается
сейчас, так как увеличение шума опережает нашу
способность адаптироваться к нему. Данные, пред-
ставленные на нижней таблице рис. 103, — результа-
ты опросов населения, проведенных в 1948 и 1961 —
1962 годах, — показывает поразительную картину
того, как шум все более и более отравляет жизнь че-
ловека.
171
ШУМ И ПСИХИЧЕСКОЕ ЗДОРОВЬЕ
ЛЮДЕЙ
Много споров идет по вопросу о том, вызывает ли
шум только раздражение или также нервные и пси-
хические заболевания. Некоторые специалисты пола-
гают, что шум может увеличить вероятность психиче-
ских нарушений у людей, предрасположенных к ним.
Пока нет убедительных доказательств, подтверждаю-
щих эту точку зрения. Наоборот, имеющиеся данные
опровергают ее. Единственное детальное обследование
было проведено специально с этой целью в середине
50-х годов среди членов команд на авианосцах военно-
морских сил США. Несмотря на чрезвычайно высокий
уровень шума в тех условиях, исследования не дали
никаких доказательств увеличения числа психических
расстройств. Аналогичное исследование, хотя и менее
целенаправленное, было проведено в ФРГ. Изучались
последствия воздействия шума на сталеваров — ре-
зультат оказался тем же.
Английским исследователям также не удалось об-
наружить какой-либо связи между шумом и психиче-
скими расстройствами. Правда, было заявление одного
врача (естественно, не имеющее никакой ценности для
статистики), что его пациент, живший вблизи круп-
ного аэропорта, сошел с ума от шума. Некоторые
клинические данные свидетельствуют о возможном
влиянии шума на психические расстройства. Однако
статистические исследования пока не подтверждают
этого. Поэтому большинство специалистов предпочи-
тают считать вопрос открытым.
ОБЩЕНИЕ ЛЮДЕЙ
И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ТРУДА
В УСЛОВИЯХ ШУМА
Общеизвестно, что шум мешает общению человека
с человеком — обычному или телефонному разговору
или разговору с помощью каких-либо средств радио-
связи и т. д. В этом разделе мы рассмотрим влияние
шума на речь как на средство связи. По этой проб-
леме проводилось много исследований. Большинство
172
из них связаны скорее с анализом физических эффек-
тов, чем с прикладными вопросами, то есть больше
с теорией, чем с практикой. Тем не менее в результате
проделанной работы была предложена практическая
система измерений уровней помех речи, позволяющая
оценить степень влияния шума на речь. Такая система
основана на знании интенсивности шума в различных
частотных полосах. Она предназначена для оценки
помех, возникающих в линиях связи на фабриках и
заводах, по которым передается речь.
Многочисленные исследования, касающиеся воз-
действия шума на производительность труда, были
проведены английским психологом Бродбентом. Полу-
ченные результаты еще более противоречивы, нежели
данные о влиянии шума на психическое состояние лю-
дей. Эти противоречия можно объяснить по-разному.
Данные о производительности труда, полученные в ла-
бораторных условиях, где воздействие шума на чело-
века целенаправленно, нельзя переносить в нормаль-
ные условия работы, так как в последнем случае суще-
ствует много других отвлекающих факторов, и тем не
менее некоторым людям удается работать с полной
отдачей сил в течение всего рабочего времени. Если
же аналогичные опыты производятся непосредственно
на промышленных предприятиях, то экспериментаторы
немедленно сталкиваются с так называемым хоторнов-
ским эффектом, впервые обнаруженным в ходе подоб-
ных экспериментов на заводе Хоторна (отсюда и на-
звание эффекта): в присутствии исследователей про-
изводительность труда рабочих повышается незави-
симо от того, в лучшую или в худшую сторону изме-
няется окружающая обстановка или же она остается
неизменной. Было также установлено, что связь про-
изводительности труда с уровнем шума существенно
зависит как от вида работ, так и от индивидуальных
способностей человека — шум может и повышать, и
понижать производительность труда.
Однако, несмотря на эти трудности, можно, по-ви-
димому, считать установленным, что шум влияет на
производительность труда, увеличивая число ошибок
в исполняемой работе, когда его уровень превышает
90 дБ. Такой шум, «слишком громкий» для большинства
173
людей, чрезмерно затрудняет их общение. При уров-
не шума ниже 90 дБ не наблюдалось никаких не-
благоприятных эффектов. Данную точку зрения под-
тверждают и опыты Бродбента по исследованию влия-
ния шума на различные виды работ. Бродбент пред-
положил, что шум повышает возбудимость людей.
Причем, если люди делают надоедливую однообраз-
ную работу, то шум мобилизует их, и они справляются
с ней быстрее. Но если работа сама по себе требует
внимания и проворства, шум оказывает отрицательное
влияние — человек начинает нервничать и делать
ошибки. Внезапный сильный шум может испугать че-
ловека, что опять же приводит к ошибкам в работе.
Следует еще раз подчеркнуть, что в настоящее время
нет ни одного достоверного свидетельства того, что
шум ниже 90 дБ понижает производительность труда.
Однако большинству людей кажется, что на их сосре-
доточенность, работоспособность, производительность
труда и т. д. влияет шум и более низкого уровня. Та-
кое отношение к шуму должны принимать во внима-
ние планировщики и архитекторы — необходимо счи-
таться с общим мнением людей, даже если оно и не
подтверждено контрольными опытами.
ШУМ УЛИЧНОГО ДВИЖЕНИЯ
Основной шум в городах создает уличное движе-
ние. Главными нарушителями тишины обычно яв-
ляются мотоциклы, грузовики и автобусы с дизель-
ными двигателями, а также спортивные автомобили.
В связи с непрерывным увеличением количества тран-
спорта проблема шума становится все более острой.
Многие предприятия, производящие транспортные
средства, пытались уменьшить шумы, создаваемые
последними. Правда, это не всегда делалось на науч-
ной основе. В настоящее время проблема снижения
шума рассматривается как неотъемлемая часть общей
производственной проблемы. Но пока еще шум, созда-
ваемый многими транспортными средствами, значи-
тельно выше допустимого.
Всякое исследование шума уличного движения
весьма затруднительно, так как сложно установить
174
соответствие между восприятием шума человеком и
электронным прибором. Суть вопроса заключается
в следующем: каков уровень «допустимого» шума для
«большинства людей»? (Слова в кавычках выделяют
слабые места в формулировке вопроса.) Опыты, про-
веденные в Англии, США и Швейцарии, показали, что
уровень шума, который можно было бы рассматри-
вать как «допустимый для большинства людей», сле-
дует измерять в децибелах по шкале А (дБА), Однако
величина этого уровня пока не установлена.
Британский комитет по проблеме шума обратился
к Национальной физической лаборатории и Ассоциа-
ции исследователей промышленных двигателей с прось-
бой пересмотреть заново оценки субъективных реак-
ций людей на шум транспорта. Новые оценки должны
стать основой предполагаемого законодательства. Его
назначение — установить правила, определяющие, ка-
кие из наиболее шумящих транспортных средств мо-
жно строить, а какие — нет. Уровень шума опреде-
лялся по шкале А. В эксперименте участвовало 19 ви-
дов транспортных средств, которые испытывались
в шести различных ситуациях. Субъективную оценку
шума давало жюри из 57 представителей. Была уста-
новлена «сравнительно хорошая» корреляция между
субъективными и объективными оценками шума для
частных автомобилей и общественных средств транс-
порта. В случае мотоциклов результаты менее четки.
Тем не менее было решено положить полученные ре-
зультаты в основу законодательства о шуме. Это за-
конодательство в Англии (о нем мы расскажем в сле-
дующей главе) вошло в силу в июле 1968 года. Оно
определяет максимально допустимый уровень шумов
для новых средств транспорта.
В описанном эксперименте шум регистрировался
от каждого отдельного транспортного средства (на-
пример, от одного автомобиля). Поэтому, естественно,
эксперимент не решил более общего и трудного во-
проса о так называемом «шумовом климате» близ
загруженных дорог и допустимом уровне шума. А от-
вет на этот вопрос необходимо знать, если рассматри-
вать проблему контроля шума не только с позиций
законодательства о допустимом уровне шума для от-
дельных транспортных средств, но и с точки зрения
175
проектирования и выбора строительных площадок для
новых домов.
Впечатляющие исследования по проблеме шума
уличного движения были выполнены английскими уче-
ными Гриффитсом и Лэнгдоном. Они провели акусти-
ческие измерения в 14 различных районах Лондона и
взяли 1200 интервью у жителей этих районов. При
этом выбирались участки около главных городских
магистралей, вдоль которых поток транспорта дви-
гался беспрерывно.
Рис. 104. Типичная картина шума уличного движения.
Одна из трудностей оценки шума уличного движения — это большие флук-
туации, которые не позволяют описывать шум только одним числом.
Гриффитс и Лэнгдон измеряли уровни шума (по
шкале Л) снаружи домов. Основная цель их измере-
ний— составить числовую шкалу, отображающую шум
уличного движения в целом, и привести ее в соответ-
ствие с субъективными измерениями воздействия шу-
мов, которые были получены путем опроса жителей.
Поскольку даже за очень короткий промежуток вре-
мени флуктуации шума чрезвычайно велики (рис. 104),
невозможно установить уровень шума посредством
одного измерения. Поэтому, пользуясь статистическим
анализом, Гриффитс и Лэнгдон получили уровни, ко-
торые шум уличного движения превышал в течение
10 и 90% времени измерения. Другими словами, они
нашли звуковой уровень (в дБА), который превы-
шался в течение 90% времени записи, и второй (не-
сомненно расположенный выше первого), который пре-
вышался лишь в течение 10% времени записи. Грубо
176
говоря, нижний уровень характеризует величину ос-
новного фона, в то время как верхний уровень пока-
зывает значение характерного шума, создаваемого
проходящими транспортными средствами. Комбина-
ция этих двух чисел дает нам величину, названную
Гриффитсом и Лэнгдоном индексом шума уличного
движения, которая чрезвычайно хорошо коррелирует
с субъективными оценками воздействия шума улич-
ного движения. Знание такого индекса позволяет еще
до строительства дома с некоторой вероятностью пред-
сказать, какие неудобства будут испытывать будущие
жильцы от уличного шума.
ШУМ САМОЛЕТОВ
Иногда любят пошутить, что шум на земле откро-
шенного моноплана мощностью в 25 л. с., на котором
Луи Блерио совершил свой исторический перелет че-
рез Ла-Манш, был, по всей вероятности, на 20—30 дБ
больше, чем от современного гражданского реактив-
ного самолета. Несомненно, основная причина этого
заключается в разности высот полета. Действительно,
если реактивные самолеты летят на высоте более
5000 м, то на земле не возникает никаких проблем,
связанных с шумом. Когда же они проходят на вы-
соте полета самолета Блерио, то есть совершают взлет
или посадку, шум их двигателей становится трудно-
переносимым. Большинство используемых сейчас
крупнейших аэропортов были построены еще во вре-
мена винтовых самолетов с поршневыми двигателями,
когда проблема шума не стояла так остро. В прошлом
аэропорты обычно строились возможно ближе к круп-
ным населенным центрам. Такая политика строитель-
ства аэропортов в наш век реактивной авиации соз-
дала серьезную социальную проблему.
Эта проблема возникла одновременно с выходом
на гражданские воздушные линии реактивных само-
летов, точнее с первого с трансатлантического полета
реактивного пассажирского самолета «Комета-4».
Буквально вслед за «Кометой-4» в небе появился
«Боинг-707». Дальнейшее развитие гражданской реак-
тивной авиации поставило проблему шума еще более
остро. В последние годы создано несколько типов
7 Г. Чедд
177
реактивных самолетов-гигантов. В 1956 году в лондон-
ский аэропорт Хитроу, где в течение года садится и
взлетает более 100 тыс. самолетов, поступило 87 писем
от 60 человек с жалобами на шум, а уже в 1958 году
число жалоб на шум от людей, живущих около аэро-
порта Хитроу, возросло до 350, то есть увеличилось на
400% по сравнению с 1956 годом, тогда как число по-
летов за то же время возросло менее чем на 8%.
Рис. 105. Типичная схема турбореактивного двигателя.
В этом двигателе есть три главных источника шума (в основном высоко-
частотного): компрессор, турбинные лопатки и турбулентная смесь реак-
тивной струи с воздухом.
Почему же шум реактивных самолетов более не-
приятен, чем винтовых? Здесь можно назвать две при-
чины: различие частотных характеристик шума двига-
телей, во-первых, и режимов работы двигателей на
малых оборотах при посадке самолетов — во-вторых.
Конечно, следует еще учесть более высокую мощность
реактивных двигателей по сравнению с поршневыми.
В поршневых самолетах шум в основном создается
струей выхлопных газов и пропеллером и наиболее
интенсивен на низких частотах. В турбореактивных
двигателях — двигателях «первого поколения», кото-
рые сегодня еще широко используются, — имеются три
главных источника шума (преимущественно высоко-
частотного), связанных с тремя основными частями
двигателя (рис. 105). Почти в самом начале находится
компрессор — он сжимает воздух, поступающий из
диффузора, расположенного на входе в двигатель. Да-
лее сжатый воздух направляется в камеру сгорания,
где с ним смешивается топливо. Горячие газы, с ре-
178
вом вылетающие из сопла двигателя, создают силу
тяги. Между камерой сгорания и соплом расположена
турбина, сидящая на одном валу с компрессором. Го-
рячие газы после камеры сгорания обтекают лопатки
турбины. Таким образом, все три источника шума —
это турбулентные струи горячих газов в смеси с воз-
духом. Большая часть шума лопаток турбины излу-
чается в том же самом направлении, куда выбрасы-
вается струя отработанных газов. Часть шума лопаток
компрессора излучается в направлении сопла, другая
часть — в сторону диффузора двигателя. Таким обра-
зом, шум, который мы слышим при приближении ре-
активного самолета, в основном обусловлен работой
компрессора.
В реактивных двигателях «первого поколения»
шум струи отработавших газов намного превосходит
шум лопаток компрессора, за исключением лишь того
случая, когда двигатель идущего на посадку самолета
работает на малых оборотах. При небольшой тяге
шум компрессора излучается вперед—мы слышим
вой идущего на посадку самолета. Шум струи пропор-
ционален скорости ее истечения в восьмой степени.
Поэтому взлет реактивного самолета, когда тяга мак-
симальна, сопровождается сильным ревом, создавае-
мым струей отработавших газов.
С самого начала развития реактивной авиации
возникла необходимость предпринимать какие-то
меры для уменьшения шума струи отработавших га-
зов. Пытались ставить в сопло двигателя глушитель
шума. Однако такое усовершенствование приводило к
значительным потерям мощности. Позднее конструк-
торы пришли к выводу, что лучшим способом является
уменьшение скорости истечения газов из сопла. По-
теря мощности при этом компенсируется увеличением
массы воздуха, проходящего через двигатель. В ре-
зультате было создано новое поколение двигателей,
называемых турбовентиляторными. В них большая
часть воздуха вообще проходит мимо камеры сгора-
ния. Такой двигатель производит значительно меньше
шума при взлете, но, к сожалению, при посадке высо-
кочастотный шум вентилятора, расположенного перед
компрессором, увеличивает шум. В реактивных двига-
телях следующего поколения, типа Роллс-Ройс РБ 211
7*
179
(см. рис. 119, 120), удалось в значительной степени
снизить шум вентилятора. Все эти типы двигателей
мы рассмотрим более подробно в следующей главе.
В настоящее время в большинстве аэропортов су-
ществуют правила, ограничивающие максимально до-
пустимый уровень шума самолета, совершающего
взлет. Так, в лондонском аэропорту Хитроу днем он
составляет НО ВШдБ, а ночью 102 ВШдБ. Эти уровни
обычно измеряются в специально выбранных участках
вблизи аэропорта. Чтобы не превышать допустимого
уровня шума, летчики совершают взлет при макси-
мальной нагрузке двигателя, как можно круче, с тем
чтобы быстрее достичь высоты. Затем нагрузка и сила
тяги уменьшаются настолько, насколько позволяет
безопасность. Но, несмотря на все правила и ограни-
чения, вопрос о нарушении общественной тишины
стоит очень остро.
ЗВУКОВЫЕ УДАРЫ
Множество слов произносилось за и против поле-
тов пассажирских самолетов со сверхзвуковыми скоро-
стями, особенно в связи с появлением англо-француз-
ского пассажирского сверхзвукового самолета «Кон-
корд»» и разработкой его соперника — американского
самолета «Боинг SST». Всех в основном волновала
лишь одна проблема — те раскаты «грома», которые
обычно сопровождают полет сверхзвукового самолета.
Рассмотрим кратко физику этого явления, а также
обсудим некоторые вопросы воздействия ударных
волн на людей и здания.
С первыми же полетами сверхзвуковых истребите-
лей в нашу жизнь прочно вошло выражение «преодо-
левать звуковой барьер». Многие считали, что грохот
возникает лишь тогда, когда самолет преодолевает
звуковой барьер. В действительности же сверхзвуко-
вой самолет «тащит» за собой многочисленные удар-
ные волны, которые широкой (в несколько километ-
ров) «дорожкой» устилают весь его путь (рис. 106—
109). Поскольку при полете сверхзвукового самолета
образуются две ударных волны, то мы обычно слы-
шим двойной звук, порождаемый ударными волнами.
180
Рис. 106. Излучение звуковых волн неподвижным источником.
Неподвижный источник излучает волны в виде концентрических
сфер.
Рис. 107. Излучение звуковых волн источником, движущимся
со скоростью, меньшей скорости звука.
Такой источник также излучает волны в виде сфер, центр которых все
время сдвигается в направлении движения источника. Сферический фронт
волн 1 соответствует излучению из точки 1. Поскольку реактивный само-
лет, показанный на рисунке, летит со скоростью 0,8 скорости звука, то
он никогда не «пробьет» ни одну из создаваемых им звуковых сфер.
Рис. 108. Излучение звуковых волн сверхзвуковым источником.
Как видно из верхнего рисунка, сверхзвуковой самолет оставляет позади
себя создаваемые им звуковые сферы.
Огибающие поверхности расходящихся сфер (нижний рисунок), тянущиеся
за сверхзвуковым самолетом. Сверхзвуковой самолет создает коническую
ударную волну, вершина которой находится на самолете. Пересечение
этого конуса с поверхностью земли образует параболу, которая движется
по земной поверхности со скоростью самолета.
Рис. 109. Af-волны, образующие два конуса повышенного давле-
ния с вершинами на носу и крыльях самолета соответственно.
Такая картина объясняет, почему обычно мы слышим двойной удар
пролетающего сверхзвукового самолета. На этом рисунке мы видим
TV-волны (сплошные линии), образующиеся при полете «Конкорда» вблизи
его фюзеляжа (а), на расстоянии 350 м ниже самолета (б) и на уровне
земли (в). Горизонтальными линиями представлено атмосферное давление
на двух различных высотах и на уровне земли.
Интенсивность этого звука пропорциональна скач-
ку давления воздуха, вызванного ударной волной. Под
влиянием различных факторов, в первую очередь ат-
мосферных условий, эта интенсивность может значи-
тельно увеличиваться, иногда вдвое. В результате со-
здаются так называемые звуковые сверхудары.
Против полетов сверхзвуковых пассажирских са-
молетов— «Конкорд» и «Боинг SST» — часто высту-
пает общественность. Так, Карл Крайтер, американ-
ский ученый, о котором мы уже говорили в связи
с единицей измерения шума — ноем, написал большую
статью, в которой проанализировал воздействие удар-
ных волн на людей и различные сооружения.
По его подсчетам, в районах вдоль трасс сверхзву-
ковых лайнеров (полоса поверхности земли шириной
40 км, над которой проходит путь самолета) в США
должно находиться около 36 млн. человек, если само-
лет летит в стороне от крупных населенных пунктов,
и около 65 млн. человек, если он летит по обычным
воздушным трассам. Ежедневно на этих людей будет
183
обрушиваться в среднем до 10 ударных волн, причем
в 98% случаев обусловленное ими избыточное давле-
ние составит от 7 до 9 кг/м2, в 1 % случаев — 19,53 кг/м2
и выше, и лишь в 1 % случаев — ниже 5 кг/м2.
При исследованиях полетов сверхзвуковых истре-
бителей ВВС США в районе мыса Канаверал установ-
лено, что при определенных условиях ударные волны,
распространяющиеся вдоль земной поверхности, мо-
гут вызывать слабые землетрясения. В настоящее
время большая часть данных свидетельствует о неже-
лательности полетов сверхзвуковых лайнеров над тер-
риториями стран. Вопрос же о том, насколько выгодно
строительство сверхзвуковых самолетов, летающих
только над океанами, остается открытым.
ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ ГЛУХОТА
В отдаленных районах Судана живет племя мабаа-
нов, жизнь которого свободна от всех «прелестей»
цивилизации, включая и постоянно действующий шум.
Однако для жителей этих районов, как и всех людей,
характерно возрастное ухудшение слуха, которое
обычно начинается в двадцать лет с незаметной по-
тери чувствительности к наиболее высоким частотам.
Затем оно постепенно распространяется на более низ-
кие частоты и со временем доходит до частотного диа-
пазона речи — интервала от 5000 до 500 Гц. Основная
частотная область речи от 3000 до 500 Гц, здесь мы
внятно ощущаем произносимые слова. Частоты же,
лежащие в интервале от 5000 до 3000 Гц, придают
речи характерные индивидуальные оттенки, благодаря
которым мы можем узнавать человека по голосу. При
исследованиях слуха у людей из племени мабаанов,
проведенных в 1962 году, было сделано очень важное
открытие. Оказалось что возрастное ухудшение чув-
ствительности слуха у них значительно меньше по
сравнению с американцами, и особенно с рабочими
промышленных предприятий, подвергающимися про-
должительному воздействию интенсивного шума. Ре-
зультаты этих исследований приведены на диаграмме
рис. НО.
Сам по себе факт профессиональной потери слуха
не нов. В прошлом уже описывались некоторые слу-
J84
Рис. НО. Возрастная потеря слуха у людей из племени ма-
ба а нов (Африка) и американцев.
Исследования слуха, проведенные в 1962 году среди представителей пле-
мени мабаанов, показали, что возрастное ослабление слуха у них зна-
чительно меньше, чем у средних американцев, и особенно тех, кто рабо-
тает на промышленных предприятиях с высоким уровнем шумов.
чаи потери слуха из-за сильного шума. Так, известно,
что английский адмирал лорд Родни на 14 дней ли-
шился слуха, после того как в 1782 году 80 бортовых
пушек его корабля выстрелили залпом. Можно на-
звать множество видов более мирной работы — о не-
которых из них мы уже говорили в начале этой
главы, — вызывающих глухоту вследствие непрерыв-
ного воздействия на человека интенсивного шума. Сте-
пень ухудшения слуха существенно зависит от частот-
ной характеристики шума, его интенсивности и про-
должительности воздействия на человека. Сначала эти
потери обычно незаметны. Во время перерыва на обед
или после работы у людей иногда появляется некоторая
усталость и звон в ушах. В случае временной потери
слуха после его полного восстановления можно, по-
видимому, вновь приступить к работе в условиях повы-
шенного шума. Но эту временную потерю следует рас-
сматривать как первое предостережение об угрозе
вашему слуху. Необходимо своевременно принять
185
какие-то меры, иначе будет поздно что-либо сделать.
Экспериментальное исследование профессиональ-
ной потери слуха весьма трудно. Оно требует чув-
ствительных устройств для проверки слуха различных
людей и измерения уровня шума в окружающей среде.
Но это не главное. Как же приступать к таким иссле-
дованиям? Идеальным, конечно, является непрерывное
изучение в течение года или нескольких лет слуха
рабочих, которые ежедневно работают в условиях
шума. Однако тогда мы сразу же сталкиваемся с эти-
ческой проблемой. Действительно, если исследователь
обнаружил у кого-то ухудшение слуха, то он не может
изучать процесс развития глухоты, не приходя в про-
тиворечие со своей совестью. Поэтому наиболее разум-
ным представляется изучение чувствительности слуха
у большого числа рабочих и сравнение ее с чувстви-
тельностью некоторых «контрольных» людей, работаю-
щих при отсутствии сильных шумов. Но такой подход
не позволяет, оценить индивидуальную восприимчи-
вость отдельных людей.
Можно подойти к этому вопросу иначе, а именно
исследовать временную потерю слуховой чувствитель-
ности. Оказывается, для кратковременной потери чув-
ствительности, именуемой временным сдвигом слухо-
вого порога, характерны почти те же особенности, что
и для постоянной потери слуха, обусловленной дли-
тельным воздействием шума. Следовательно, опыты
можно проводить над людьми, не причиняя последним
никакого вреда.
Проведенные исследования показывают, что сна-
чала у людей ухудшается чувствительность к часто-
там в области 4000 Гц (рис. 111). Если воздействие
шума не прекращается, чувствительность к этим ча-
стотам продолжает падать. После нескольких лет ра-
боты в условиях шума, характерных для промышлен-
ных предприятий (уровень шумов выше 80 дБ, рис.
112), частотный диапазон потери чувствительности
резко увеличивается, захватывая значительную об-
ласть частот активной речи, так что глухота стано-
вится очень заметной. До сих пор еще не установлено,
в каком же органе нашего слухового аппарата проис-
ходят нарушения, приводящие к потере слуха. Суще^
ствуют подозрения, что это кортиев орган,
186
Рис. 111. Результаты исследований потери слуха у работниц
ткацкой фабрики, проработавших на ней от 1 года до 52 лет.
При зарисовке этих кривых была сделана поправка, обусловленная нор-
мальной возрастной потерей слуха. Из кривых отчетливо видно, что
после 35 лет работы потеря слуховой чувствительности происходит не
только в области 4000 Гц (что характерно для первых лет работы), но
и на частотах, лежащих в диапазоне человеческой речи (500—3000 Гц).
Частота (Гц)
Рис. 112. Типичная кривая шума промышленных предприятий,
На многих промышленных предприятиях еще недо-
статочно считаются с хорошо доказанным фактом
вредного воздействия шума на здоровье рабочих.
В Англии, например, глухота даже не считается про-
фессиональной болезнью, и пострадавшим, естествен-
но, не выплачивают компенсации. Такое положение
дел часто объясняют отсутствием достаточного коли-
чества данных относительно индивидуального вос-
приятия шума, которые могли бы лечь в основу зако-
нодательства. В США в ряде штатов существует закон
(впервые он был принят в штате Висконсин более 20
лет назад), согласно которому людям, оглохшим на
работе, выдается компенсация. В настоящее время
отношение к проблеме профессиональной глухоты
стало изменяться. На основании данных, полученных
специалистами по аудиометрии (измерению слуха), на
многих предприятиях приняты соответствующие нор-
мы как на допустимые уровни шумов на различ-
ных частотах, так и продолжительность их воздей-
ствия. На рис. 113 показана диаграмма допустимого
уровня шума.
Принято считать, что профессиональная глухота
в основном связана с работой в тяжелой промышлен-
ности. Однако некоторые исследователи решили выяс-
нить, какому риску подвергают себя музыканты, иг-
рающие в современных джазах. В США было обсле-
188
довано десять джаз-оркестров, и Американскому аку-
стическому обществу представлен соответствующий
доклад. Оказалось, что максимальный уровень шума
в таких случаях достигает 105—120 дБ, то есть при-
близительно уровня шума в котлоремонтном цехе.
У шести музыкантов (из двадцати пяти) после четы-
рех часов игры был обнаружен временный пороговый
сдвиг чувствительности.
Наконец, возвращаясь к обследованиям племени
мабаанов, можно сказать (см. рис. НО), что у всех
представителей современного индустриального обще-
ства (а не только у тех, кто работает в условиях
шума) возрастное ухудшение слуха протекает значи-
тельно быстрее, чем у людей, живущих вдали от цент-
ров цивилизации. Поскольку шум не только раздра-
жает людей, но и наносит вред их здоровью — а в по-
следние годы он непрерывно возрастает, — необходи-
мость контроля уровня шума становится все более
очевидной. Об этом мы и расскажем в следующей
главе.
9.	Контроль уровня шума
Существует три способа борьбы с загрязнением
окружающей среды. Первый — разработка устройств
и технологических процессов, обеспечивающих мини-
мальное загрязнение. Если это невыполнимо, на по-
мощь приходит второй метод — ограничение области
загрязнения специально отведенными для этой цели
местами. В случае когда оба эти подхода не дают же-
лаемых результатов, остается лишь один путь — с по-
мощью законодательства запрещать работу тех пред-
приятий, уровень загрязнения окружающей среды ко-
торыми невозможно понизить существующими техни-
ческими средствами до установленных норм.
Шум является типичным загрязнением, и для огра-
ничения его применимы все перечисленные выше
средства. Но обычно используют второй метод — пы-
таются уменьшить эффекты его воздействия. Таким
образом, люди всячески изощряются в изобретении
различных средств борьбы с шумом, уже создав его,
вместо того чтобы попытаться не производить его во-
обще. Причина этого ясна: люди слишком поздно по-
няли, какой вред может причинять шум. До послед-
него времени при конструировании машин и механиз-
мов никто не задавался вопросом, какой шум они
будут производить. Если шум оказывался значитель-
ным, никто не задумывался над причинами этого. Так
и возник общепринятый подход к борьбе с шумом —
просто заглушать его любыми средствами.
Существовало даже мнение, что некоторые типы
машин по самой природе своей должны быть шумя-
щими. К счастью, за последние пять лет отношение к
шуму изменилось. Сейчас человеческое общество в
целом воинственно настроено против шума. Брешь в
190
традиционной точке зрения — машины не могут не
шуметь — привела к более смелым решениям многих
технологических проблем. Закономерно, что здесь
большая роль отводится акустикам.
ШУМ НА ЗАВОДАХ И ФАБРИКАХ
Традиционное безразличие к шуму на заводах и
фабриках объясняется в первую очередь нежеланием
нести дополнительные расходы. Ведь любое умень-
шение шума на заводах с помощью каких-либо
устройств или введения новой технологии производ-
ства значительно повышает производственные затра-
ты. Часто стоимость мер защиты от шума очень ве-
лика.
Существует два типа систем, ослабляющих звук:
звукопоглощающие и звукоизолирующие. Поскольку
в определении этих систем существует некоторая пу-
таница, мы попытаемся четко провести различие ме-
жду ними. Когда звуковые волны падают на поверх-
ность (допустим, стены комнаты, в которой находится
создающая шум установка), то они частично отра-
жаются назад в комнату, частично поглощаются сте-
нами, нагревая их, а частично проходят сквозь стену.
Как известно, полная энергия звуковых волн не долж-
на меняться. Поэтому иногда полагают, что, макси-
мально увеличивая поглощение звука стенами, можно
добиться минимальной интенсивности отраженного и
проходящего звука. К сожалению, дело обстоит не
так просто. Часто оказывается, что материалы, кото-
рые хорошо поглощают звук, являются в то же самое
время и хорошими проводниками его. Поэтому, покры-
вая стены звукопоглощающими панелями, мы можем
увеличить шум в соседних комнатах.
В главе 3 мы уже рассматривали звукопоглощаю-
щие материалы в связи с проблемой уменьшения ре-
верберации концертных залов. Поскольку основное
назначение звукопоглощающих материалов — преобра-
зование энергии колебаний воздуха (звуковой энер-
гии) в тепловую (причем такой процесс обычно про-
исходит на поверхности материала), то поверхность
последнего должна быть возможно большей. Отсюда
понятно, почему высокопористые материалы хорошо
191
поглощают звук. Далее, поверхность материалов не
должна быть твердой — в этом случае молекулы
воздуха будут возбуждать колебания молекул ма-
териала. Поэтому ткани, пробка, дерево, вспенен-
ный полистирол, стеклянная вата, волокнистый кар-
тон и т. д. — хорошие звукопоглотители. Из них де-
лают звукопоглощающие плитки и панели, которыми
покрывают потолок и стены.
Если же мы хотим, чтобы шум был лишь там, где
он менее вреден, то есть стремимся оградить от него
свои рабочие места, то наибольшее значение приоб-
ретают звукопроводящие свойства материала, из ко-
торого сделаны стены. Эти свойства зависят от веса
квадратного метра стены. Известно, что, чем больше
удельная масса (то есть инерция какой-либо струк-
туры), тем хуже в ней распространяется звук. Напри-
мер, сталь — лучший изолятор, чем дерево. Для мате-
риалов, которые одновременно являются и хорошими
поглотителями, закон масс выглядит более сложно.
Так, стена из волокнистого картона является худшим
изолятором по сравнению со стеной из стали или де-
рева при одной и той же массе квадратного метра
(это достигается за счет толщины стены). Для уве-
личения звукоизоляции применяется и другой ме-
тод— стены делают либо слоистыми, либо из мате-
риалов с неоднородной плотностью. Тогда на границах
плотностей часть энергии звука теряется за счет отра-
жения. Именно поэтому для получения хорошей звуко-
изоляции в стенах создают полости, а в окна вста-
вляют двойные рамы.
До сих пор мы в основном говорили о распростра-
нении звука в воздухе. Однако значительная доля
шума на производстве может передаваться и через
заводские строения. Обычно вибрирующие станки и
механизмы прочно крепят болтами к полу, в резуль-
тате звуковые колебания распространяются через пол,
потолок и стены. Если же мы хотим локализовать шум
вблизи его источника, необходимо при установке ме-
ханизма или устройства, создающего шум, применять
упругие прокладки и окружать сам источник хорошо
изолирующими стенами. Кроме этого, рекомендуются
и такие меры: конструировать вентиляционные систе-
мы так, чтобы через них не распространялся шум;
192
делать звуконепроницаемые двери; добиваться того,
чтобы звуковая энергия не проникала через малень-
кие отверстия, которые обычно делают для прокладки
телефонных проводов, электропроводов и т. д.; выби-
рать строительные материалы, обладающие макси-
мальными звукоизолирующими свойствами в диапа-
зоне частот, характерном для данного шума. Очевид-
но, что выполнение всех этих требований значительно
увеличивает затраты на предприятие.
Сказанное выше позволяет понять, почему с са-
мого начала нужно создавать машины и установки
малошумящими. Здесь возможны различные пути.
Рассмотрим один из них. Наибольший шум установ-
ка производит, если наступает резонанс: собственная
частота установки (или отдельных ее частей) совпа-
дает с одной из частот звука, создаваемого движущи-
мися частями данной установки. При этом выделение
и усиление резонансных частот из всего частотного
диапазона шума происходит точно так же, как и уси-
ление звука камертона, положенного на стол. Тща-
тельно проектируя установку, то есть подбирая раз-
меры и формы резонирующих деталей или применяя
звукопоглощающие материалы, можно ликвидировать
явление резонанса. Вот пример такого резонанса. Соб-
ственная частота вытяжной трубы на одном из заво-
дов была равна частоте вращения вентилятора, на-
гнетающего в нее воздух. Когда возникал резонанс,
труба издавала гул, похожий на звук, который обычно
появляется, если дуть в горлышко пустой бутылки. Но
этот гул был слышен на расстоянии полукилометра от
трубы! И только переделка как самой трубы, так и
вентилятора помогла избавиться от этого гула.
ШУМ ТРАНСПОРТА
Наилучшим техническим решением проблемы
шума уличного движения было бы создание бесшум-
ного движения потока транспортных средств с двига-
телями внутреннего сгорания и разработка новых ти-
пов дорожно-транспортных систем. Разумеется, об этом
значительно легче сказать, чем сделать. В настоящее
время такое решение проблемы шума является нере-
альным. Кое-что в этом отношении делается. Так, в
193
Рис. 114. Основные компоненты газотурбинного двигателя мощ-
ностью 280 л. с. фирмы «Дженерал моторе».
Более 90% отработанных горячих газов в нем снова направляется в ре-
генератор, что понижает на 50% расход топлива и снижает без всяких
глушителей уровень шума. Кроме того, этот двигатель выделяет чрез-
вычайно малое количество отработанных газов, а по своему весу он го-
раздо легче дизельных двигателей той же мощности.
США большой дизельный грузовик заменили более
эффективным газотурбинным, создающим значитель-
но меньше шума. На рис. 114 дана схема газотур-
бинного двигателя. Аналогичную замену пытаются
осуществить и в Англии. Некоторые западногерман-
ские автомобильные фирмы начали ставить на авто-
мобили менее шумящий, чем обычный, роторный дви-
гатель Ванкеля (рис. 115). Он также является двига-
телем внутреннего сгорания, и ему свойственны все
шумовые недостатки последнего, но вследствие значи-
тельно меньшего количества движущихся частей он
шумит слабее.
Большие надежды возлагаются на паровые и элек-
трические автомобили. Идея построения таких авто-
мобилей возникла много раньше создания автомоби-
лей с двигателями внутреннего сгорания, и в послед-
ние годы шансы первых в соревновании с обычными
автомобилями значительно возросли. По своему уст-
ройству паровые и электрические двигатели значи-
тельно проще двигателей внутреннего сгорания. Кро-
ме того, они, особенно электродвигатели, почти бес-
194
Рис. 115. Принцип работы четырехтактного роторного двигателя
Ванкеля.
Поступающее топливо (Л) сжимается (Б) боковой поверхностью треуголь-
ного вращающегося вала. Затем две искровые свечи одновременно поджи-
гают (В) сжатое топливо и отработанные газы (Г) выпускаются через
выходное отверстие. Поскольку у этого двигателя меньше движущихся
деталей, чем у обычных двигателей внутреннего сгорания, то он создает
меньше шума.
шумны. В настоящее время уже имеются реальные
перспективы для строительства паровых автомобилей
и электромобилей: существуют высокоэффективные
котлы и теплообменники, которые можно ставить на
паровые автомобили, и легкие электрические батареи
с большой емкостью, способные выполнять роль ис-
точника энергии для электромобилей. По-видимому, в
недалеком будущем мы увидим такие автомобили. Но
если наступит день, когда наши дороги заполнятся
195
тихо шуршащими паровыми и электрическими авто-
мобилями, то может случиться, что общественное мне-
ние, ныне ратующее за их появление, будет выступать
уже не против шума, а против загрязнения окружаю-
щей среды отработанным паром.
Но пока такой день не наступил, контроль за шумом
дорожного транспорта и борьбу с этим шумом следует
осуществлять с помощью соответствующих технических
средств и опираясь на законы, запрещающие допуск
шума в места, где он особенно вреден (в частности,
в жилые дома). Помимо ограничительного законода-
тельства, существуют три пути снижения шума в до-
мах: во-первых, строительство домов вдали от авто-
страд, причем на таком расстоянии, когда допустимый
уровень шума достигается за счет его естественного
уменьшения с расстоянием; во-вторых, использование
для сооружения домов таких звуконепроницаемых ма-
териалов, которые обеспечивают допустимый уровень
шума, и, в-третьих, строительство вдоль автострад
«акустических заборов», создающих «звуковую тень»
и гарантирующих тем самым в соседних с ними домах
допустимый уровень шума. И опять-таки, рассматри-
вая проблемы шума, мы сталкиваемся с таким не-
определенным понятием, как допустимый. В предыду-
щей главе мы уже обсуждали его значение, когда
говорили об индексе шума дорожного движения. До-
пустимый уровень шума — разумный стандартный уро-
вень в повседневных городских условиях, не вызываю-
щий неприятных раздражений, — оцененный по ин-
дексу шума дорожного движения, должен равняться
74 дБА. Вооружившись такой количественной, хотя и
субъективной мерой, можно выбирать места для
строительства новых жилых домов, а также предпри-
нимать необходимые меры для устранения недостат-
ков звукоизоляции.
И наконец, последний, наименее эффективный спо-
соб понижения шума уличного движения — это зако-
нодательство, ограничивающее чрезмерный шум. Во
многих странах оно принято. В некоторых из них до-
пустимые уровни шума установлены на основе субъ-
ективных показаний автоинспекторов, в других — ис-
пользованы результаты измерений, произведенных е
помощью приборов.
196
Однако такие законы пока еще не сыграли суще-
ственной роли, так как они слишком мягки и недо-
статочно четко сформулированы. Действительного
уменьшения шума уличного движения можно добить-
ся не с помощью законодательства, а путем тщатель-
ного планирования строительства новых магистралей
и жилых домов (пользуясь критерием Лэнгдона и
Гриффитса) и радикально нового подхода к конструи-
рованию транспортных средств.
ШУМ САМОЛЕТОВ
Несмотря на значительные трудности, конструк-
торы самолетных реактивных двигателей за пятна-
дцать лет — времени, в течение которого реактивные
лайнеры летают на гражданских авиалиниях, — про-
делали большую работу по уменьшению шума дви-
гателей (рис. 116). При этом нужно отметить, что
число, размеры и мощность последних существенно
выросли. С самых первых дней появления реак-
тивных двигателей конструкторы занимались вопро-
сами уменьшения шума реактивной струи. Как мы
уже говорили, шум двигателей можно уменьшить,
либо снижая скорость струи с помощью обводных ка-
налов для воздушных потоков, либо используя вмон-
тированные в сопло глушители с целью как можно
быстрее затормозить струю движущегося воздуха по-
сле ее выхода из сопла. В двигателях без глушителей
центральная часть струи отработанных газов уходит
на значительное расстояние от двигателя, постепенно
замедляясь турбулентной смесью вихрей отработан-
ных газов и воздуха. Именно эта область турбулент-
ной смеси воздуха и отработанных газов порождает
шум. Причем, чем она больше по размерам, тем круп-
нее образуются вихри и шум струи становится более
мощным и низкочастотным. Назначение глушителя со-
стоит в том, чтобы ускорить смешение отработанных
газов с воздухом непосредственно вблизи выпускного
сопла, следовательно, затормозить струю газов как
можно раньше и предотвратить образование протя-
женной турбулентной зоны. Один из типов глушителей
197
Первые чисто ргативиш
двигатели
_ 120
S3
•й.
110
<>
I 100
£
90
Двигатели с глушителями, выпуска-
ющие реактивную струю на боль-
шие расстояния
Двигатели с невысоким отноше-
нием потоков воздуха, проходящих
по обводному и прямому каналам, вы-
пускающие реактивную струю на
средние расстояния г
--------------Двигатели с невысоким
отношением потоков воз-
духа,проходящих по обвод-
ному и прямому кан мам,
Ш выпускающие реактивную
ляВ накоР°™кие Расст°'
Двигатели следующего поколе*
ния с высоким отношением
। потоков воздуха,проходящих
'—3—по обводному и пря-
мой мому каналам
Общая направленность
уменьшения шума
J 1956	1960 р л 1970
Время
Рис. 116. Кривая уменьшения шума самолетов при взлете и
посадке.
Благодаря созданию новых типов реактивных авиационных двигателей
за прошедшие три десятилетия удалось значительно снизить шум реак-
тивных самолетов. Эта кривая свидетельствует об общей тенденции
уменьшения шума самолетов, несмотря на увеличение числа полетов.
представляет собой просто гофрированное сопло.
Такие гофрированные сопла поставлены на самолеты
«Комета», «Каравелла» и «Трайдент». Они позволяют
при максимальных оборотах двигателя уменьшить
шум на 5 ВШдБ. Но какие бы усовершенствования
мы ни применяли для снижения шума (например, об-
водные каналы у двигателя, показанного на рис. 117),
все они уменьшают силу тяги двигателя. Так, глуши-
тели, установленные на «Боинге-707» и снижающие
шум на 10 ВШдБ, вызывают падение мощности на
1%. Одной из попыток решить эту проблему является
создание двигателей фирмой Роллс-Ройс для самолета
«Конкорд», где потеря силы тяги в крейсерском ре-
жиме экономически недопустима. Как показано на
рис. 118, у этих двигателей имеются убирающиеся
закрылки. Для уменьшения шума при взлете их опу-
скают в струю отработанных газов, а при полете уби-
рают.
Установка глушителей, несомненно, увеличивает
стоимость полета лайнера. Но в то же время глуши-
тели, пожалуй, являются единственным приспособле-
на
нием, которое не вредит ни безопасности, ни комфор-
ту пассажиров. Среди владельцев авиакомпаний та-
кая постановка вопроса вызвала некоторое неудо-
вольствие. Однако общественное мнение в состоянии
доказать необходимость применения таких глушите-
лей. В странах с развитой авиапромышленностью на
каждый самолет теперь выдается паспорт, где запи-
саны шумовые характеристики самолета. Такое ре-
шение было принято на Первой международной кон-
ференции по проблемам шума самолетов, созванной
Рис. 117. Основные элементы турбовентиляторного авиацион-
ного двигателя нового поколения.
Уменьшение шума компрессора в этом двигателе достигается за счет
того, что большая часть поступающего воздуха направляется по обвод-
ному каналу и лишь меньшая часть поступает в компрессор. Однако уве-
личение отношения потоков воздуха, прошедших по обводному и пря-
мому каналам, приводит к уменьшению силы тяги двигателя.
А—носовой реактивный конус; Б —компрессор; В —камера сгорания;
Г—-реактивная струя отработанных газов; Д—-турбинные лопатки;
Е — обводный канал со звукоизоляционными стенками; Ж — лопатки винта
и статора; 3 —пластины расщепителя звукового потока; И —звукопогло-
щающий материал.
на уровне правительств в 1966 году в Лондоне. С не-
которыми оговорками можно сказать, что в настоя-
щее время всем новым самолетам паспорт шумовых
характеристик столь же необходим, как и паспорт
пригодности к полету.
В период написания данной книги одно из веду-
щих мест в конструировании и изготовлении «мало-
шумных» двигателей занимала английская фирма
Роллс-Ройс, создавшая двигатель РБ-211 (рис. 119 и
120). Как мы уже видели в предыдущей главе, увели-
чивая отношение потоков воздуха по обводному и
прямому каналам, можно понизить скорость струи
до такой величины, что шум струи при этом станет
199
Рис. 118. Убирающиеся закрылки, поставленные на сопло дви-
гателя.
Поскольку глушители, предназначенные для увеличения смешивания ре-
активной струи а с окружающим воздухом, также понижают силу тяги
двигателя, то на сопло двигателя Роллс-Ройс для англо-французского
самолета «Конкорд» были поставлены убирающиеся закрылки, которые
можно погружать в реактивную струю при взлете (А) и убирать во время
полета (Б).
ничтожным, несмотря на возрастание шума вентиля-
тора, вызванное увеличением отношения потоков воз-
духа по обводному и прямому каналам.
В обычных современных турбовентиляторных дви-
гателях с обводными каналами имеется многоступен-
чатый вентилятор с несколькими рядами турбинных
лопаток, расположенных непосредственно за направ-
ляющими лопатками входного отверстия. Английские
инженеры подсчитали, что при отношении потоков
воздуха по обводному и прямому каналам, равном
3:1 или 4:1, можно использовать вентилятор с од-
ним рядом лопаток. Далее, сделав смелый шаг —
убрав лопатки, поставленные во входном отверстии,—
инженеры пришли к новой схеме двигателя, извест-
ного теперь как двигатель РБ-211,
§00
Рис, 119, Реактивный двигатель «Роллс-Ройс РБ-211».
Его уникальная конструкция с тремя соосными валами позволяет при
любой данной тяге сводить к минимуму шум вентилятора турбины и реак-
тивном струи.
Основное достоинство такого трехвального двига-
теля в том, что одновременно удалось понизить как
шум вентилятора, так и турбин. Компрессор двига-
теля состоит из трех блоков: одноступенчатого венти-
лятора, промежуточного компрессора и компрессора
высокого давления. Эти блоки посажены на передних
торцах трех независимых валов, тогда как на задних
торцах последних насажены одноступенчатые тур-
бины. При такой конструкции двигателя можно регу-
лировать шум вентилятора, турбины и струи отрабо-
тавших газов, в результате достигается минимальный
уровень шума при полете самолета с любой данной
силой тяги.
Основными конкурентами двигателя РБ-211 в
США являются турбовентиляторные двигатели нового
поколения, имеющие высокое отношение потоков воз-
духа по обводному и центральному каналам. Но этим
201
Двигателям еще не хватает многих достоинств, прису-
щих двигателям фирмы «Роллс-Ройс». В США со-
зданы новые двигатели: JT-9D—для гигантского са-
молета «Боинг-247» и TF-39 — для самолета «Локхид
С-5А Гэлэкси».
До сих пор, рассматривая вопросы контроля уро-
вня шума, мы говорили о снижении шума самого ис-
точника. Безусловно, это основной метод борьбы с шу-
мом. Однако для уменьшения воздействия шума само-
летов на людей можно применять и более простые
А
Рис. 120. Схема двигателя «Роллс-Ройс РБ-211».
А — одноступенчатый вентилятор; Б — компрессор промежуточного да-
вления; В —компрессор высокого давления; Г —одноступенчатая турбина,
вращающая компрессор В; Д—одноступенчатая турбина, вращающая ком-
прессор В
меры. Одна из них — выполнение определенных пра-
вил взлета и посадки. В предыдущей главе отмеча-
лось, чго летчик в состоянии уменьшить раздражаю-
щее воздействие на людей шума взлетающего само-
лета, если он будет по возможности быстрее подни-
мать машину вверх при полной нагрузке двигателей,
а затем эту нагрузку уменьшать. Проблема снижения
шума самолета, идущего на посадку, значительно
трудней. Согласно международным правилам, само-
лет должен делать посадку при угле планирования 3°.
Установлено, что если бы удалось увеличить этот угол
вдвое и создать самолеты, способные садиться под та-
ким увеличенным углом, то шум можно было бы по-
низить на ~ 6—8 ВШдБ.
Администрация некоторых аэропортов в целях сни-
жения шума пытается использовать местоположение
аэропортов — самолетам предписывается летать над
202
водой. Выполнение этого предписания часто сопря-
жено с большими трудностями как для летчиков, так
и для пассажиров, поэтому оно не пользуется успехом.
Однако соблюдение его, безусловно, целесообразно,
так как в таком случае самолеты совершают взлет и
посадку, минуя крупные населенные пункты.
ОСЛАБЛЕНИЕ УДАРНЫХ ВОЛН
Можно ли рассчитывать на то, что с помощью тех-
нических средств удастся если не исключить пол-
ностью, то хотя бы ослабить ударные волны, созда-
ваемые сверхзвуковыми самолетами? Мнения здесь
самые противоречивые, как, впрочем, и в других во-
просах, связанных со звуковыми ударами. Некоторые
специалисты полагают, что возможно разработать
устройства, которые вообще не будут создавать зву-
ковых ударов. Такие устройства должны состоять из
полых цилиндров или двух плоскостей, расположен-
ных так, что ударные волны, возникающие в одной
части устройства, гасятся ударными волнами, порож-
денными другой его частью. По мнению же иных спе-
циалистов, все эти приспособления настолько снизят
подъемную силу, что самолет вообще не сможет под-
няться в воздух.
Величина шума, создаваемого ударными волнами,
обратно пропорциональна корню четвертой степени из
длины той части самолета, которая создает подъем-
ную силу. Следовательно, конструируя самолет по
возможности длиннее и тоньше, мы уменьшим интен-
сивность ударной волны. К сожалению, расчеты пока-
зали, что для заметного уменьшения силы звукового
удара необходимо построить длинный и тонкий само-
лет, создание которого невозможно с помощью совре-
менных материалов. Если же в будущем появятся
легкие, жесткие, прочные и тугоплавкие материалы
типа испытываемых сейчас в лабораториях композит-
ных материалов, армированных волокнами бора или
углерода, то положение дел может измениться.
Пожалуй, наиболее обнадеживающий метод сни-
жения шума звуковых ударов был разработан двумя
американскими учеными. Согласно ему, для увеличе-
ния времени нарастания давления в ударной волне,
203
то есть уменьшения крутизны ее фронта, необходимо
ионизировать воздух перед самолетом. Суть данного
метода заключается в кажущемся увеличении длины
самолета. Некоторые исследователи полагают, что,
увеличив эффективную длину самолета на 50% по
сравнению с действительной, можно снизить звуковой
удар наполовину.
Этот метод был предложен в 1968 году на сессии
Американского института аэронавтики и астронав-
тики. В 1969 году на сессии того же института он под-
вергся резкой критике как научно не обоснованный
и слишком дорогостоящий.
В обозримом будущем вряд ли могут быть опро-
вергнуты аргументы, выдвигаемые сейчас многими
учеными против строительства сверхзвуковых пасса-
жирских лайнеров. В конечном итоге вопрос доста-
точно прост. По мнению некоторых ученых, сверхзву-
ковые лайнеры следует рассматривать не более как
проверку технических возможностей развития промы-
шленности. В ближайшие годы в связи с бурным раз-
витием промышленности перед нами еще острее вста-
нет проблема охраны природы, вплоть до защиты
очень нежных, живущих всего лишь день цветов, ко-
торые так украшают нашу жизнь. И возможно, на
первом плане тогда и окажется проблема борьбы с
шумом — хаотическим неконтролируемым звуком.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие ......................................5
1.	Что такое звук?................................7
2.	Речь .........................................25
3.	Музыка .......................................43
4.	Подводный звук................................72
5.	Ультразвук...................................102
6.	Слабый ультразвук............................131
7.	Инфразвук ...................................156
8.	Шум .........................................165
9.	Контроль уровня	шума . ,.....................190
Г. Чедд
ЗВУК
Редактор А. Н. Кондрашова
Художник Ф. Инфантэ
Художественный редактор Ю. Л. Максимов
Технический редактор А. Г. Резоухова
Корректор Е, Г. Литвак
Сдано в набор 19/VIII 1974 г.
Подписано к печати 26/XII 1974 г.
Бумага тип. № 2 84X108752 = 3,25 бум. л. Усл. печ. л.
10,92. Уч.-изд. л. 9,73. Изд. № 12/7442
Цена 46 коп. Зак 299
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР>
Москва, 1-й Рижский пер., 2
Ордена Трудового Красного Знамени
Ленинградская типография № 2
имени Евгении Соколовой Союзполиграфпрома
при Государственном комитете Совета Министров СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли
198052, Ленинград, Л-52, Измайловский проспект, 29
В 1975 году
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР»
В СЕРИИ
„В мире науки и техники"
ВЫПУСТИТ КНИГИ:
И.ПИРСОЛ
„Кавитация",
пер. с англ-, 96 с. с илл.
У. ДЖОЛЛИ
„Криоэлектроника",
пер. с англ., 142 с. с илл.
В 1975 году
В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «МИР»
выходят следующие книги
ПО ЗАНИМАТЕЛЬНОЙ МАТЕМАТИКЕ:
С. ГОЛОМБ
„Полимино“
Г. ДЬЮДЕНИ
„Избранные задачи и головоломки"
Д. БИЗАМ, Я. ГЕРЦЕГ
„Игра и логика"
ИЗДАТЕЛЬСТВО МИР
46 коп.