聆听大海绘图、说明

聆听大海的声音儿童科学实验室

儿童科学实验室

您可能已经注意到：在涉及海洋时，“神秘”一词的使用频率与在涉及太空时一样频繁。这并非巧合。海洋探索非常非常困难。尽管关于这个元素的知识在不断积累，但时至今日仍然有很多难以理解的地方。

有哪些困难？事实上，从研究船上，仪器可以下降到任何深度，并且可以确定海水的成分、盐度、水流的速度和温度。深海电视摄像机有助于监控海洋居民的生活。还有深海潜水器，您可以在深海潜水器中潜入很深的地方。

这一切都是如此。但大海是变化无常的。如果所谓的静止水流，日复一日，年复一年，沿着相同的方向和相同的深度流动，确实相对容易研究，那么在几个小时内出现和消失的水扰动又如何呢？根据科学家的说法，如何研究水下涡旋环，产生改变全球天气的气旋或反气旋？毕竟，根本没有时间去“感受”它们，用深度仪器进行探测。即使跟踪鱼群的活动以便向渔船发出明确的命令也不容易且昂贵。为此，需要维持几乎整个机队，但其有效性并不是很大，因为只能在相对较浅的深度从空中检测到门框。因此，长期以来，科学家们一直在寻找一种方法，能够详细、完整地了解海洋中发生的现象，而不仅仅是在研究船放下测量仪器的地点获得的零碎数据。。

当然，用某种辐射照射水柱是最诱人的，就像 X 光机照射房屋的混凝土板，在胶片上显示出其所有缺陷一样。但在水中，X射线在传播十几米之前就会消失。无线电波衰减得同样快。所以水下的雷达是盲的。光芒也快速消散。声音依然...

专家们早就知道声音在水中可以传播很远的距离。但它适合在水下定位器中使用吗？

聆听大海
这就是水下“扬声器”的工作原理

为了回答这个问题，苏联科学院普通物理研究所的科学家们做了如下实验：在一艘研究船的水下部分固定了一个发声器——一个巨大的金属圆柱体，上面有两个膜盖，里面有一个电磁体。将音频电压发生器连接到电磁铁绕组上，船就出海了。

聆听大海
这是海洋的另一个谜团：船离海岸越远，声纳接收到的声音幅度就越大。

时间飞逝。船越走越远，安装在岸边的水听器自信地接收到了信号。即使是400公里的距离，几乎没有减弱连接船与岸的声音线索——水听器仍然清晰地接收到发射器的声音。

事实证明，在海岸附近，可以从水听器接收到发生在海洋和数千公里之外的过程的声音回声。他们试图做到这一点，但在听了水听器信号后（在另一项实验中，这些信号是由录音机连续几天记录的），科学家们发现了一些无法破译的东西：来自红外线的所有可能声音的混乱混合物。 - 低到超高，出现在磁带上。没有计算机可以帮助理解如此混乱的声音。

很明显，聆听大海的声音是徒劳的。你需要探测它，用你自己的声音探测它，就像定位器一样。然而，定位器工作的直接原理并不适合物理学家。您可能知道定位器向天空发送无线电信号并接收它们的反射。可以假设水中的鱼群也能够反射落在其上的声音信号 - 它的密度与水的密度不同。但环形涡流或流动很可能不会反射声音或反射声音非常微弱。水毕竟是水，无论是静止的还是运动的，声音都没有区别。因此，他们决定将发声器和水听器分开数十公里的距离。据计算，水或它们之间出现的同一群鱼的扰动，至少一点点，会阻止声音在水中传播，扭曲其幅度或相位。为了防止无关信号进入水听器放大器，他们决定内置一个非常精确地调谐到声音发射器频率的滤波器。

然后有必要考虑海洋测深的完整方案。在这里，物理学家首先记住了多普勒效应。

您可能不止一次经历过这种效果。请记住：当火车接近车站时，它的嘟嘟声比经过时要高。这是因为起初声音和火车的速度相加，声音飞得更快，对于静止的观察者来说，它的频率变得更高。那么火车的速度已经从声速中减去了。其频率正在降低。

对于像我们的耳朵这样的宽带音频接收器来说，这并不重要。但如果它只调谐到喇叭的频率，就像水听器调谐到发射器的频率一样，那么就不会听到更高或更低的频率。因此，他们决定将声音发射器安装在海底，一动不动，而不是安装在船上，因为船上的运动可以改变频率。

聆听大海
该图清楚地显示了由于带有水听器的电缆没有完全沿着半径铺设，信号的相位如何不同。

正如科学家们推断的那样，仅用于精确分析的水听器是不够的。为了覆盖尽可能多的空间，声音接收器至少需要几十个。这样不仅可以记录鱼群或环形涡流，还可以监测它们的运动。也就是说，将有可能创建海洋扰动的特定空间图并找出造成这些扰动的原因。

你可以很长时间地知道实验设备是如何准备的 - 水听器中内置了特殊的前置放大器，既能够听到微弱的信号，又不会因太强的信号而“震耳欲聋”，他们如何寻找保护它们的方法从水压和腐蚀，他们如何从科学的角度选择最有趣的一段海……准备过程中遇到了很多困难。他们在实验期间等待科学家。

当声音发射器和公共电缆上的五十个水听器浸入海底并打开所有设备后，研究人员在示波器屏幕上看到的不是预期的信号，而是五十个不同相位的信号 - 所有水听器都没有看到预期的信号。一起工作，但没有顺序。

原因很简单：为了让所有水听器一致地工作，正如他们所说，它们到声音发射器的距离必须相同。然后所有信号都会在一个阶段到达他们。但毕竟，电缆不可能以微米级的精度完美均匀地铺设到一百米的深度。至于如何跌入谷底，纯属偶然。

然而，水听器成功地在一根吊带中工作。物理学家通过开发特殊的电子相移装置，以非常高的精度对准了相位。现在，固定轨道——专家们如此称呼他们的水下声音定位器——已经在提供信息。现在，理论学家正在分析它，寻找模式，以便能够准确确定这个或那个信号失真的含义，以及它对应于海洋中的什么现象。

未来，科学家们正在考虑在所有海洋上安装这样的路线。而且，显然，他们的秘密将大大减少的日子已经不远了。

作者：A.Fin

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