На первой лодке человек ударил в колокол и одновременно поджег порох (рис. 19, а). На второй лодке человек в момент вспышки пороха запустил секундомер (рис. 19, 6) и стал ждать прихода звукового сигнала от колокола в воде.
Рис. 19. Измерение (скорости звука: а — на первой лодке человек ударил в колокол и поджег порох; б — на второй лодке человек в момент вспышки пороха запустил секундомер.
В момент прихода звука секундомер был остановлен. Зная расстояние и время прохождения звука, вычислили скорость звука в воде, которая оказалась в четыре с лишним раза больше скорости звука в воздухе, т. е. 1450 метров в секунду.
Опытами и теорией установлено, что при увеличении температуры воды на 1 °C скорость звука увеличивается примерно на 0,2 %.
Соленость воды также влияет на скорость звука. С увеличением солености воды на один промилле[1] скорость звука увеличивается на 0,1 %.
В различное время года и в различных морях скорость звука практически колеблется в пределах 1450–1500 метров в секунду.
Звук отражается и преломляется
В конце XIX века русский ученый Ф. В. Петрушевский заметил, что звук на границе двух различных сред, например воздуха и воды, или на границе неоднородности одной и той же среды отражается и преломляется, т. е. меняет направление распространения. Искривление звуковых лучей называется рефракцией.
Если, например, вода имеет различную температуру или соленость, то на границе, разделяющей слои воды с различной температурой или соленостью, звуковой луч изменит свое направление, т. е. преломится, а часть энергии звукового луча отразится (рис. 20).
Рис. 20. Преломление и отражение звукового луча.
Величина преломления луча зависит от различия среды по плотности, температуре и т. д. Чем больше одна среда отличается от другой по температуре или солености, тем больше угол преломления звукового луча. Звуковой луч преломляется потому, что, попав в другую среду, его скорость изменяется.
Чем больше температура воды и ее соленость, тем больше скорость распространения звуковых волн. Звуковые лучи искривляются в сторону тех слоев воды, в которых меньше скорость распространения звука.
Когда звуковой луч проходит из среды I с большей скоростью распространения в среду II с меньшей скоростью распространения, то угол преломления меньше угла падения (рис. 21, a), и наоборот, угол преломления больше угла падения, когда звуковой луч проходит из среды II с меньшей скоростью распространения в среду I с большей скоростью распространения (рис. 21, б).
Рис. 21. Переход звукового луча из одной среды в другую: а — из среды с большей скоростью звука; б — из среды с меньшей скоростью звука.
Летом верхние слои моря нагреваются больше и поэтому звуковые лучи изгибаются вниз (рис. 22, а), а зимой верхние слои моря холоднее нижних и звуковые лучи изгибаются вверх (рис. 22, б).
Рис. 22. Распространение звукового луча: а — летом; б — зимой.
Отражение луча зависит от различия плотности среды, в которой распространяется звук и от которой он отражается. Чем больше разница в плотности двух сред, тем больше энергии будет отражаться. Например, звуковой луч, достигая поверхности воды, полностью отразится, так как разница в плотности воды и воздуха большая. Почти то же самое произойдет, если звуковой луч достигнет дна моря, причем отражение будет наибольшим, если дно каменистое, и наименьшим, если дно илистое.
Реверберация и эхо
Морская среда неоднородна не только потому, что слои моря имеют различные соленость и температуру, а и по другим причинам. В морской воде можно обнаружить много пузырьков воздуха и газа, а также твердых частиц во взвешенном состоянии. Летом температура воды повышается, поэтому количество пузырьков больше, чем зимой.
Звуковые волны, распространяясь в море, отражаются от пузырьков воздуха и газа (рис. 23), что при прослушивании вызывает непрерывное звучание, называемое реверберацией.
Рис. 23. Звуковые волны отражаются от пузырьков воздуха, находящихся в воде.
Непрерывность звучания объясняется тем, что пузырьки находятся близко один от другого и волны не могут отражаться от каждого пузырька в отдельности. Звуковые волны отражаются вначале от пузырьков, расположенных в непосредственной близости от излучателя. При дальнейшем распространении звуковой волны отраженные сигналы приходят от пузырьков, находящихся на все большем расстоянии.
1
Один промилле соответствует одному грамму соли, растворенной в одном литре воды. Океанская вода имеет соленость примерно 35 промилле, вода Черного моря — около 18 промилле, обычная питьевая вода — несколько промилле.