МОРСКОЕ ДНО

КАК УСТРОЕН СОВРЕМЕННЫЙ ЭХОЛОТ

Сели крикнуть в горах, то через короткое время мы услышим отзвук — эхо. Причина этого известного природного явления проста. Звук — это колебания частиц воздуха или иной среды (воды, металла и т. д.). От источ­ника звука распространяется звуковая волна, подобная той, которую мы часто наблюдаем на поверхности воды. Если на пути звуковой волны встречается какое-либо большое препятствие, то она частично отражается им и возвращается обратно в виде эха [6]).

Звук распространяется не мгновенно, а с определённой скоростью. Для воздуха эта скорость приблизительно равна 340 метрам в секунду. Поэтому эхо будет слышно тем быстрее, чем ближе преграда, от которой отразился звук.

На использовании этих свойств и построен эхолот — прибор для измерения глубины моря по времени прохож­дения звуковой волны от источника звука до морского дна и обратно. Эхолот имеет длинную историю; разработать точный метод измерения глубин с помощью звука было очень трудно. Только в последние десятилетия благодаря новейшим достижениям физики этот способ нашёл прак­тическое применение.

Первые действующие образцы эхолотов, в которых звук производился путём взрыва, удара пули о воду или удара молоточка о металлическую пластинку, были со­зданы в 20-х годах нашего столетия. Звук отражался от дна, а эхо улавливалось наблюдателем на борту судна с помощью специальных усилительных приборов. Однако точность такого метода была невелика, так как момент возвращения звуковой волны отмечался человеком на слух.

Этого удалось избежать, когда для излучения и улав­ливания звука было использовано одно интересное свой­ство кристаллов — так называемый пьезоэлектрический эффект. Если кристалл, например кварц, подвергнуть сжа­тию или растяжению, то на его гранях возникают электри­ческие заряды. Если, наоборот, к граням кристалла при­соединить металлические пластины — электроды и под­ключить их к электрической батарее, то кристалл немного сожмётся или, наоборот, расширится (это зависит от того, на какой грани сосредоточен положительный заряд, и на какой отрицательный). Такое явление и называется пьезо­электрическим эффектом (пьезо по-гречески означает да­вить) [7]). Если же подключить электроды к источнику пе­ременного тока [8]), то кристалл начнёт попеременно сжи­маться и растягиваться с частотой этого тока. Когда ча­стота таких колебаний лежит в области звуковых частот [9]), кристалл издаёт сильный звук. И, наоборот, если мы поместим кристалл на пути звуковых волн, то под воздействием звука он станет вибрировать, и на его электродах возбудится слабый переменный ток, который с помощью специальных приборов может быть усилен до нужной величины.

Вот как в общих чертах работает эхолот. Электроды кристалла на мгновенье подключаются к источнику пере­менного тока. При этом в воде, окружающей кристалл, возникает кратковременный импульс звуковых волн — своего рода всплеск. Он достигает дна и, отразившись от него, возвращается обратно к кристаллу, возбуждая в нём ответный импульс тока. Специальные электрические при­боры «засекают» время посылки и время возвращения звукового импульса, а отсюда определяют и глубину моря.

Но крупные кристаллы кварца редки и дороги. По­этому кварцевый кристалл в эхолоте заменён так называе­мым триплетом — набором из нескольких тонких кварце­вых пластинок в стальной оправе.

Вместо кварцевых триплетов часто применяют наборы металлических пластинок из сплава железа с никелем.

Такие пластинки также обладают свойством колебаться с частотой переменного тока. Но здесь это связано с осо­быми магнитными свойствами материалов.

Звуковая волна в воде распространяется от источ­ника звука во все стороны. Когда дно почти горизон­тально, это обстоятельство значения не имеет, но предста­вим себе, что судно приближается к крутой наклонной скале (рис. 9). Тогда обратно к судну первым возвра­тится эхо от ближайшей точки дна, а уже потом добежит эхо, отражённое от дна под корпусом корабля. В таком двойном эхе будет трудно разобраться. Результат изме­рения глубины над наклонным дном будет всегда не­сколько меньше, чем в действительности. Чтобы избежать

Подобных ошибок, стали применять колебания более ча­стые, чем звуковые,— ультразвуки. В современных образ­цах эхолотов частота колебаний составляет более 50 ООО в секунду. Ультразвуковые волны можно посылать узким пучком (подобно лучу света) в нужном направлении, на­пример вертикально вниз.

Были внесены и другие усовершенствования в кон­струкцию эхолота. Так, например, в настоящее время рас­пространены эхолоты-самописцы (рис. 10). Здесь через
прибор медленно движется разграфлённая бумажная

Лента. Над этой лентой рас­положено специальное перо. В момент, когда прибор полу­чает ультразвуковой импульс, перо касается ленты и остав­ляет на ней след. При возвра­щении эха перо вторично ка­сается ленты, и на ней появ­ляется вторая точка или корот­кий штрих. Скорость движения ленты строго постоянна и за­ранее известна, поэтому по рас­стоянию между метками можно судить о глубине моря.

Остановимся на некоторых особенностях измерения мор­ских глубин.

Скорость звука в морской воде не всегда одинакова, она зависит от её солёности и тем­пературы. Поэтому результат измерения нужно ещё испра­вить в зависимости от свойств воды. Так как в океанах и мо­рях вода неоднородна, свойства её в различных слоях неодина­ковы, то для каждого района, где ведутся измерения, необхо­димо знать послойное измене­ние свойств воды, соответствую­щее тому времени года, когда производятся работы.

Недостатком эхолота яв­ляется то, что направленная волна ультразвука не идёт точно по одной линии, а обра­зует в пространстве как бы ко­нус. Поэтому чем глубже море, тем от большей площадки на дне отражается ультразвук (рис. И). Неровности дна, находящиеся в пределах этой площадки, эхолот «не замечает». Поэтому рельеф дна изу-

Если судно сильно качает, эхолота будет направлена то прямо на дно, то влево или вправо, и точно изме­рить глубину моря не удастся.

И всё-таки эхолот в настоящее время неза­меним благодаря своим достоинствам — удобству пользования и возмож­ности быстрого измерения больших глубин, где обыч­ный лот почти непригоден.

У эхолота есть и ещё одно очень важное для учёных и моряков свой­ство. Он может не только показывать глубину моря, но и определять характер дна. Скалистое дно хо­рошо отражает ультразву­ковую волну, поэтому эхо получается резким и до­статочно сильным. Если же дно покрыто мягким илом, то значительная часть энергии ультразвука поглощается, и эхо оказы­вается слабым, размазан­ным. При песчаном дне эхо имеет также иной ха­рактер. А в тех случаях, когда каменистое дно по­крыто тонким слоем ила,

(рис. 12).

Если в самой толще воды имеются какие-либо пред­меты, способные отражать ультразвук, то эхолот их сразу обнаружит. Этим свойством сейчас широко пользуются

При разведке косяков рыбы. Ещё два-три десятилетия назад нельзя было и мечтать о таком на­дёжном способе промысловой разведки,