К основным законам распространения звука относятся законы его отражения и преломления на границах различных сред, а также дифракция звука и его рассеяние при наличии препятствий и неоднородностей в среде и на границах раздела сред.

На дальность распространения звука оказывает влияние фактор поглощения звука, то есть необратимый переход энергии звуковой волны в другие виды энергии, в частности, в тепло. Важным фактором является также направленность излучения и скорость распространения звука, которая зависит от среды и её специфического состояния.

От источника звука акустические волны распространяются во все стороны. Если звуковая волна проходит через сравнительно небольшое отверстие, то она распространяется во все стороны, а не идёт направленным пучком. Например, уличные звуки, проникающие через открытую форточку в комнату, слышны во всех её точках, а не только против окна.

Характер распространения звуковых волн у препятствия зависит от соотношения между размерами препятствия и длиной волны. Если размеры препятствия малы по сравнению с длиной волны, то волна обтекает это препятствие, распространяясь во все стороны.

Звуковые волны, проникая из одной среды в другую, отклоняются от своего первоначального направления, то есть преломляются. Угол преломления может быть больше или меньше угла падения. Это зависит от того, из какой среды в какую проникает звук. Если скорость звука во второй среде больше, то угол преломления будет больше угла падения, и наоборот.

Встречая на своём пути препятствие, звуковые волны отражаются от него по строго определённому правилу – угол отражения равен углу падения – с этим связано понятие эха. Если звук отражается от нескольких поверхностей, находящихся на разных расстояниях, возникает многократное эхо.

Звук распространяется в виде расходящейся сферической волны, которая заполняет всё больший объём. С увеличением расстояния, колебания частиц среды ослабевают, и звук рассеивается. Известно, что для увеличения дальности передачи звук необходимо концентрировать в заданном направлении. Когда мы хотим, например, чтобы нас услышали, мы прикладываем ладони ко рту или пользуемся рупором.

Большое влияние на дальность распространения звука оказывает дифракция, то есть искривление звуковых лучей. Чем разнороднее среда, тем больше искривляется звуковой луч и, соответственно, тем меньше дальность распространения звука.

Распространение звука

Звуковые волны могут распространяться в воздухе, газах, жидкостях и твердых телах. В безвоздушном пространстве волны не возникают. В этом легко убедиться на простом опыте. Если электрический звонок поместить под воздухонепроницаемый колпак, из которого откачен воздух, мы никакого звука не услышим. Но как только колпак наполнится воздухом, возникает звук.

Скорость распространения колебательных движений от частицы к частице зависит от среды. В далекие времена воины прикладывали ухо к земле и таким образом обнаруживали конницу противника значительно раньше, чем она появлялась в поле зрения. А известный ученый Леонардо да Винчи в 15 веке писал: «Если ты, будучи на море, опустишь в воду отверстие трубы, а другой конец ее приложишь к уху, то услышишь шум кораблей, очень отдаленных от тебя».

Скорость распространения звука в воздухе впервые была измерена в 17 веке Миланской академией наук. На одном из холмов установили пушку, а на другом расположился наблюдательный пункт. Время засекли и в момент выстрела (по вспышке) и в момент приема звука. По расстоянию между наблюдательным пунктом и пушкой и времени происхождения сигнала скорость распространения звука рассчитать уже не составляло труда. Она оказалась равной 330 метров в секунду.

В воде скорость распространения звука впервые была измерена в 1827 году на Женевском озере. Две лодки находились одна от другой на расстоянии 13847 метров. На первой под днищем подвесили колокол, а со второй опустили в воду простейший гидрофон (рупор). На первой лодке одновременно с ударом в колокол подожгли порох, на второй наблюдатель в момент вспышки запустил секундомер и стал, ждать прихода звукового сигнала от колокола. Выяснилось, что в воде звук распространяется в 4 с лишним раза быстрее, чем в воздухе, т.е. со скоростью 1450 метров в секунду.

Скорость распространения звука

Чем выше упругость среды, тем больше скорость: в каучуке50, в воздухе330, в воде1450, а в стали - 5000 метров в секунду. Если бы мы, находились в Москве, могли крикнуть так громко, чтобы звук долетел до Петербурга, то нас услышали бы там только через полчаса, а если бы звук на это же расстояние распространялся в стали, то он был бы принят через две минуты.

На скорость распространения звука оказывает влияние состояние одной и той же среды. Когда мы говорим, что в воде звук распространяется со скоростью 1450 метров в секунду, это вовсе не означает, что в любой воде и при любых условиях. С повышением температуры и солености воды, а так же с увеличением глубины, а следовательно, и гидростатического давления скорость звука возрастает. Или возьмем сталь. Здесь тоже скорость звука зависит как от температуры, так и от качественного состава стали: чем больше в ней углерода, тем она тверже, тем звук в ней распространяется быстрее.

Встречая на своем пути препятствие, звуковые волны отражаются от него по строго определенному правилу: угол отражения равен углу падения. Звуковые волны, идущие из воздуха, почти полностью отразятся от поверхности воды вверх, а звуковые волны, идущие от источника, находящегося в воде, отражаются от нее вниз.

Звуковые волны, проникая из одной среды в другую, отклоняются от своего первоначального положения, т.е. преломляются. Угол преломления может быть больше или меньше угла падения. Это зависит от того, из какой среды, в какую проникает звук. Если скорость звука во второй среде больше чем в первой, то угол преломления будет больше угла падения и наоборот.

В воздухе звуковые волны распространяются в виде расходящийся сферической волны, которая заполняет все больший объем, так как колебания частиц, вызванные источниками звука, передаются массе воздуха. Однако с увеличением расстояния колебания частиц ослабевают. Известно, что для увеличения дальности передачи, звук необходимо концентрировать в заданном направлении. Когда мы хотим, чтобы нас лучше было слышно, мы прикладываем ладони ко рту или пользуемся рупором. В этом случае звук будет ослабляться меньше, а звуковые волны - распространяются дальше.

При увеличении толщины стенки звуколокация на низких средних частотах увеличивается, но «коварный» резонанс совпадения, вызывающий удушение звуколокации, начинает проявляться, более низких частотах и захватывает более широкую их область.

Данный урок освещает тему «Звуковые волны». На этом уроке мы продолжим изучать акустику. Вначале повторим определение звуковых волн, затем рассмотрим их частотные диапазоны и познакомимся с понятием ультразвуковых и инфразвуковых волн. Мы также обсудим свойства, присущие звуковым волнам в различных средах, и узнаем, какие им присущи характеристики.

Звуковые волны – это механические колебания, которые, распространяясь и взаимодействуя с органом слуха, воспринимаются человеком (рис. 1).

Рис. 1. Звуковая волна

Раздел, который занимается в физике этими волнами, называется акустика. Профессия людей, которых в простонародье называют «слухачами», – акустики. Звуковая волна – это волна, распространяющаяся в упругой среде, это продольная волна, и, когда она распространяется в упругой среде, чередуются сжатие и разряжение. Передается она с течением времени на расстояние (рис. 2).

Рис. 2. Распространение звуковой волны

К звуковым волнам относятся такие колебания, которые осуществляются с частотой от 20 до 20 000 Гц. Для этих частот соответствуют длины волн 17 м (для 20 Гц) и 17 мм (для 20 000 Гц). Этот диапазон будет называться слышимым звуком. Эти длины волн приведены для воздуха, скорость распространения звука в котором равна .

Существуют еще такие диапазоны, которыми занимаются акустики, – инфразвуковые и ультразвуковые. Инфразвуковые – это те, которые имеют частоту меньше 20 Гц. А ультразвуковые – это те, которые имеют частоту больше 20 000 Гц (рис. 3).

Рис. 3. Диапазоны звуковых волн

Каждый образованный человек должен ориентироваться в диапазоне частот звуковых волн и знать, что если он пойдет на УЗИ, то картинка на экране компьютера будет строиться с частотой больше 20 000 Гц.

Ультразвук – это механические волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоту от 20 кГц до миллиарда герц.

Волны, имеющие частоту более миллиарда герц, называют гиперзвуком .

Ультразвук применяется для обнаружения дефектов в литых деталях. На исследуемую деталь направляют поток коротких ультразвуковых сигналов. В тех местах, где дефектов нет, сигналы проходят сквозь деталь, не регистрируясь приемником.

Если же в детали есть трещина, воздушная полость или другая неоднородность, то ультразвуковой сигнал отражается от нее и, возвращаясь, попадает в приемник. Такой метод называют ультразвуковой дефектоскопией .

Другими примерами применения ультразвука являются аппараты ультразвукового исследования, аппараты УЗИ, ультразвуковая терапия.

Инфразвук – механические волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоту менее 20 Гц. Они не воспринимаются человеческим ухом.

Естественными источниками инфразвуковых волн являются шторм, цунами, землетрясения, ураганы, извержения вулканов, гроза.

Инфразвук – тоже важные волны, которые используют для колебаний поверхности (например, чтобы разрушить какие-нибудь большие объекты). Мы запускаем инфразвук в почву – и почва дробится. Где такое используется? Например, на алмазных приисках, где берут руду, в которых есть алмазные компоненты, и дробят на мелкие частицы, чтобы найти эти алмазные вкрапления (рис. 4).

Рис. 4. Применение инфразвука

Скорость звука зависит от условий среды и температуры (рис. 5).

Рис. 5. Скорость распространения звуковой волны в различных средах

Обратите внимание: в воздухе скорость звука при равна , при скорость увеличивается на . Если вы исследователь, то вам могут пригодиться такие знания. Вы, может быть, даже придумаете какой-нибудь температурный датчик, который будет фиксировать расхождения температуры путем изменения скорости звука в среде. Мы уже знаем, что чем плотнее среда, чем более серьезное взаимодействие между частицами среды, тем быстрее распространяется волна. Мы в прошлом параграфе обсудили это на примере сухого и воздуха влажного воздуха. Для воды скорость распространения звука . Если создать звуковую волну (стучать по камертону), то скорость ее распространения в воде будет в 4 раза больше, чем в воздухе. По воде информация дойдет быстрее в 4 раза, чем по воздуху. А в стали и того быстрее: (рис. 6).

Рис. 6. Скорость распространения звуковой волны

Вы знаете из былин, что Илья Муромец пользовался (да и все богатыри и обычные русские люди и мальчики из РВС Гайдара), пользовались очень интересным способом обнаружения объекта, который приближается, но располагается еще далеко. Звук, который он издает при движении, еще не слышен. Илья Муромец, припав ухом к земле, может ее услышать. Почему? Потому что по твердой земле передается звук с большей скоростью, значит, быстрее дойдет до уха Ильи Муромца, и он сможет подготовиться к встрече неприятеля.

Самые интересные звуковые волны – музыкальные звуки и шумы. Какие предметы могут создать звуковые волны? Если мы возьмем источник волны и упругую среду, если мы заставим источник звука колебаться гармонически, то у нас возникнет замечательная звуковая волна, которая будет называться музыкальным звуком. Этими источниками звуковых волн могут быть, например, струны гитары или рояля. Это может быть звуковая волна, которая создана в зазоре воздушном трубы (органа или трубы). Из уроков музыки вы знаете ноты: до, ре, ми, фа, соль, ля, си. В акустике они называются тонами (рис. 7).

Рис. 7. Музыкальные тоны

У всех предметов, которые могут издавать тоны, будут особенности. Чем они различаются? Они различаются длиной волны и частотой. Если эти звуковые волны создаются не гармонически звучащими телами или не связаны в общую какую-то оркестровую пьесу, то такое количество звуков будет называться шумом.

Шум – беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры. Понятие шума есть бытовое и есть физическое, они очень схожи, и поэтому мы его вводим как отдельный важный объект рассмотрения.

Переходим к количественным оценкам звуковых волн. Какие у музыкальных звуковых волн характеристики? Эти характеристики распространяются исключительно на гармонические звуковые колебания. Итак, громкость звука . Чем определяется громкость звука? Рассмотрим распространение звуковой волны во времени или колебания источника звуковой волны (рис. 8).

Рис. 8. Громкость звука

При этом, если мы добавили в систему не очень много звука (стукнули тихонечко по клавише фортепиано, например), то будет тихий звук. Если мы громко, высоко поднимая руку, вызовем этот звук, стукнув по клавише, получим громкий звук. От чего это зависит? У тихого звука амплитуда колебаний меньше, чем у громкого звука .

Следующая важная характеристика музыкального звука и любого другого - высота . От чего зависит высота звука? Высота зависит от частоты. Мы можем заставить источник колебаться часто, а можем заставить его колебаться не очень быстро (то есть совершать за единицу времени меньшее количество колебаний). Рассмотрим развертку по времени высокого и низкого звука одной амплитуды (рис. 9).

Рис. 9. Высота звука

Можно сделать интересный вывод. Если человек поет басом, то у него источник звука (это голосовые связки) колеблется в несколько раз медленнее, чем у человека, который поет сопрано. Во втором случае голосовые связки колеблются чаще, поэтому чаще вызывают очаги сжатия и разряжения в распространении волны.

Есть еще одна интересная характеристика звуковых волн, которую физики не изучают. Это тембр . Вы знаете и легко различаете одну и ту же музыкальную пьесу, которую исполняют на балалайке или на виолончели. Чем отличаются эти звучания или это исполнение? Мы попросили в начале эксперимента людей, которые извлекают звуки, делать их примерно одинаковой амплитуды, чтобы была одинакова громкость звука. Это как в случае оркестра: если не требуется выделения какого-то инструмента, все играют примерно одинаково, в одинаковую силу. Так вот тембр балалайки и виолончели отличается. Если бы мы нарисовали звук, который извлекают из одного инструмента, из другого, с помощью диаграмм, то они были бы одинаковыми. Но вы легко отличаете эти инструменты по звуку.

Еще один пример важности тембра. Представьте себе двух певцов, которые заканчивают один и тот же музыкальный вуз у одинаковых педагогов. Они учились одинаково хорошо на пятерки. Почему-то один становится выдающимся исполнителем, а другой всю жизнь недоволен своей карьерой. На самом деле это определяется исключительно их инструментом, который вызывает как раз голосовые колебания в среде, т. е. у них отличаются голоса по тембру.

Список литературы

1. Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: справочник с примерами решения задач. - 2-е издание передел. - X.: Веста: издательство «Ранок», 2005. - 464 с.
2. Перышкин А.В., Гутник Е.М., Физика. 9 кл.: учебник для общеобразоват. учреждений/А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. - 14-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2009. - 300 с.

1. Интернет-портал «eduspb.com» ()
2. Интернет-портал «msk.edu.ua» ()
3. Интернет-портал «class-fizika.narod.ru» ()

Домашнее задание

1. Как распространяется звук? Что может служить источником звука?
2. Может ли звук распространяться в космосе?
3. Всякая ли волна, достигшая органа слуха человека, воспринимается им?

Передача звука

Не надо думать, что звук передается только через воздух. Он может проходить и через другие вещества – газообразные, жидкие, даже твердые. В воде звук бежит в четыре с лишком раза быстрее, чем в воздухе.

Если вы сомневаетесь, что звук может передаваться через воду, расспросите рабочих, которым приходится бывать в подводных сооружениях: они подтвердят вам, что под водой отчетливо слышны береговые звуки.

А от рыбаков вы узнаете, что рыбы разбегаются при малейшем подозрительном шуме на берегу.

Ученые еще 200 лет назад в точности измерили, с какою скоростью бежит звук под водою. Сделано это было на одном из швейцарских озер – на Женевском. Два физика сели в лодки и разъехались километра на три один от другого. С борта одной лодки свешивался под воду колокол, в который можно было ударять молотком с длинной ручкой. Ручка эта была соединена с приспособлением для зажигания пороха в маленькой мортире, укрепленной на носу лодки: одновременно с ударом в колокол вспыхивал порох, и яркая вспышка видна была далеко кругом. Мог видеть эту вспышку, конечно, и тот физик, который сидел в другой лодке и слушал звук колокола в трубу, спущенную под воду. По запозданию звука в сравнении со вспышкой определялось, сколько секунд бежал звук по воде от одной лодки до другой. Такими опытами найдено было, что звук в воде пробегает около 1 440 м в секунду.

Еще лучше и быстрее передают звук твердые упругие материалы, например, чугун, дерево, кости. Приставьте ухо к торцу длинного деревянного бруса или бревна и попросите товарища ударить палочкой по противоположному концу, вы услышите гулкий звук удара, переданный через всю длину бруса. Если кругом достаточно тихо и не мешают посторонние шумы, то удается даже слышать через брус тиканье часов, приставленных к противоположному концу. Так же хорошо передается звук через железные рельсы или балки, через чугунные трубы, через почву. Приложив ухо к земле, можно расслышать топот лошадиных ног задолго до того, как он донесется по воздуху; а звуки пушечных выстрелов слышны этим способом от таких отдаленных орудий, грохот которых по воздуху совсем не доносится. Так хорошо передают звук упругие твердые материалы; мягкие же ткани, рыхлые, неупругие материалы очень плохо передают через себя звук, – они его «поглощают». Вот почему вешают толстые занавески на дверях, если хотят, чтобы звук не достигал соседней комнаты. Ковры, мягкая мебель, платье действуют на звук подобным же образом.

Данный текст является ознакомительным фрагментом. Из книги Новейшая книга фактов. Том 3 [Физика, химия и техника. История и археология. Разное] автора Кондрашов Анатолий Павлович

Из книги Физика на каждом шагу автора Перельман Яков Исидорович

Скорость звука Случалось ли вам наблюдать издали за дровосеком, рубящим дерево? Или, быть может, вы следили за тем, как вдали работает плотник, вколачивая гвозди? Вы могли заметить при этом очень странную вещь: удар раздается не тогда, когда топор врезается в дерево или

Из книги Движение. Теплота автора Китайгородский Александр Исаакович

Сила звука Как ослабевает звук с расстоянием? Физик ответит вам, что звук ослабевает «обратно пропорционально квадрату расстояния». Это означает следующее: чтобы звук колокольчика на тройном расстоянии был слышен так же громко, как на одинарном, нужно одновременно

Из книги НИКОЛА ТЕСЛА. ЛЕКЦИИ. СТАТЬИ. автора Тесла Никола

Скорость звука Не надо бояться грома после того, как сверкнула молния. Вы, наверное, слыхали об этом. А почему? Дело в том, что свет распространяется несравненно быстрее, чем звук, – практически мгновенно. Гром и молния происходят в один и тот же момент, но молнию мы видим в

Из книги Для юных физиков [Опыты и развлечения] автора Перельман Яков Исидорович

Тембр звука Вы видели, как настраивают гитару – струну натягивают на колки. Если длина струны и степень натяжения подобраны, то струна будет издавать, если ее тронуть, вполне определенный тон.Если, однако, вы послушаете звук струны, трогая ее в различных местах –

Из книги О чем рассказывает свет автора Суворов Сергей Георгиевич

Энергия звука Все частицы воздуха, окружающего звучащее тело, находятся в состоянии колебания. Как мы выяснили в главе V, колеблющаяся по закону синуса материальная точка обладает определенной и неизменной полной энергией.Когда колеблющаяся точка проходит положение

Из книги Как понять сложные законы физики. 100 простых и увлекательных опытов для детей и их родителей автора Дмитриев Александр Станиславович

Ослабление звука с расстоянием От звучащего инструмента звуковая волна распространяется, конечно, во все стороны.Проведем мысленно около источника звука две сферы разных радиусов. Разумеется, энергия звука, проходящая через первую сферу, пройдет и через вторую шаровую

Из книги Интерстеллар: наука за кадром автора Торн Кип Стивен

Отражение звука В этом параграфе мы будем предполагать, что длина звуковой волны достаточно мала и, следовательно, звук распространяется по лучам. Что происходит, когда такой звуковой луч падает из воздуха на твердую поверхность? Ясно, что при этом происходит отражение

Из книги автора

ОТКРЫТИЕ НЕОЖИДАННЫХ СВОЙСТВ АТМОСФЕРЫ - СТРАННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ - ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПО ОДНОМУ ПРОВОДУ БЕЗ ВОЗВРАТНОГО - ПЕРЕДАЧА ЧЕРЕЗ ЗЕМЛЮ ВООБЩЕ БЕЗ ПРОВОДОВ Другая из этих причин в том, что я пришел к осознанию того, что передача электрической энергии

Из книги автора

ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ БЕЗ ПРОВОДОВ* К концу 1898 систематические исследования, проводившиеся много лет с целью усовершенствования метода передачи электрической энергии через естественную среду, привели меня к пониманию трех важных потребностей; Первая -

Из книги автора

Из книги автора

Передача звука по радио Ламповый генератор, схема которого представлена на рис. 24, генерирует радиоизлучения с неизменными параметрами. Сделаем к нему небольшое дополнение: к контуру, подающему напряжение на сетку электронной лампы, присоединим через индукционную

Из книги автора

48 Передача энергии через вещество Для опыта нам потребуется: десяток монеток по рублю. Мы уже встречались с разными волнами. Вот еще один старинный опыт, который довольно забавно смотрится и показывает, как волна проходит через предмет.Возьмите мелочь – монеты, например

Из книги автора

30. Передача сообщений в прошлое Набор правил для зрителя Еще до того, как Кристофер Нолан стал режиссером «Интерстеллар» и переработал сценарий, его брат Джона рассказал мне про набор правил.Чтобы поддерживать в научно-фантастическом фильме нужный уровень

Из книги автора

Глава 30. Передача сообщений в прошлое Относительно того, как современные физики представляют себе путешествие назад во времени в четырех пространственно-временных измерениях без балка, см. последнюю главу книги «Черные дыры и складки времени» [Торн 2009], главы,

Из книги автора

Глава 30. Передача сообщений в прошлое В балке, так же как и в нашей бране, положения в пространстве – времени, в которые можно передавать сообщения и вообще что-либо перемещать, ограничены законом, который гласит: ничто не может двигаться быстрее света. Чтобы изучить

ПОДВОДНАЯ ОХОТА

Распространение звука в воде .

Звук распространяется в воде в пять раз быстрее, чем в воздухе. Средняя скорость равняется 1400 - 1500 м/сек (скорость распространения звука в воздухе 340 м/сек). Казалось бы, что слышимость в воде также улучшается. На самом деле это далеко не так. Ведь сила звука зависит не от скорости распространения, а от амплитуды звуковых колебаний и воспринимающей способности органов слуха. В улитке внутреннего уха расположен кортиев орган, состоящий из слуховых клеток. Звуковые волны колеблят барабанную перепонку, слуховые косточки и мембрану кортиевого органа. От волосяных клеток последнего, воспринимающих звуковые колебания, нервное возбуждение идет в слуховой центр, расположенный в височной доли головного мозга.

Звуковая волна может попасть во внутреннее ухо человека двумя путями: воздушной проводимостью через наружный слуховой проход, барабанную перепонку и слуховые косточки среднего уха и посредством костной проводимости - вибрации костей черепа. На поверхности преобладает воздушная, а под водой костная проводимость. В этом убеждает простой опыт. Закройте ладонями рук оба уха. На поверхности слышимость резко ухудшится, под водой же этого не отмечается.

Итак, под водой звуки воспринимаются преимущественно путем костной проводимости. Теоретически это объясняется тем, что акустическое сопротивление воды приближается к акустическому сопротивлению тканей человека. Поэтому потери энергии при переходе звуковых волн из воды в кости головы человека меньше, чем в воздухе. Воздушная же проводимость под водой почти исчезает, так как наружный слуховой проход заполнен водой, а небольшая прослойка воздуха возле барабанной перепонки слабо передает звуковые колебания.

Опытами установлено, что костная проводимость на 40% ниже воздушной. Поэтому слышимость под водой в общем ухудшается. Дальность слышимости при костной проводимости звука зависит не столько от силы, сколько от тональности: чем выше тон, тем дальше слышен звук.

Подводный мир для человека - это мир тишины, где отсутствуют посторонние шумы. Поэтому простейшие звуковые сигналы могут восприниматься под водой на значительных расстояниях. Человек слышит удар по металлическому баллончику, погруженному в воду, на расстоянии 150-200 м, звук трещотки-на 100 м, колокольчика - на 60 м.

Звуки, издаваемые под водой, обычно не слышны на поверхности, так же как под водой не слышно звуков извне. Для восприятия подводных звуков необходимо хотя бы частично погрузиться. Если войти в воду по колени, начинаешь воспринимать звук, который до этого не был слышен. По мере погружения громкость увеличивается. Особенно хорошо слышно при погружении головы.

Для подачи звуковых сигналов с поверхности обязательно нужно опустить источник звука в воду хотя бы наполовину, и сила звука изменится. Ориентировка под водой по слуху крайне затруднена. В воздушной среде звук приходит в одно ухо раньше на 0,00003 сек., чем в другое. Это позволяет определить нахождение источника звука с ошибкой всего в 1-3°. Под водой же звук одновременно воспринимается обоими ушами и поэтому четкого, направленного восприятия не происходит. Ошибка в ориентировке бывает 180°.

В специально поставленном опыте только отдельные легкие водолазы после долгих блужданий и. поисков выходили к месту расположения источника звука, находившегося от них в 100-150 м. Отмечено, что систематические тренировки в течение длительного времени позволяют выработать способность довольно точно ориентироваться по звуку под водой. Однако как только тренировка прекращается, ее результаты сводятся на нет.

Звук в воде поглощается в сотни раз меньше, чем в воздухе. Тем не менее слышимость в водной среде значительно хуже, чем в атмосфере. Объясняется это особенностями восприятия звука человеком. В воздухе звук воспринимается двумя путями: передачей колебаний воздуха барабанным перепонкам ушей (воз­душная проводимость) и так называемой костной проводимостью, когда звуковые колебания воспринимаются и передаются в слу­ховой аппарат костями черепа.

В зависимости от типа водолазного снаряжения водолаз вос­принимает звук в воде с преобладанием или воздушной, или кост­ной проводимости. Наличие объемного шлема, заполненного воз­духом, позволяет воспринимать звук путем воздушной проводи­мости. Однако при этом неизбежна значительная потеря зву­ковой энергии в результате отражения звука от поверхности шлема.

При спусках без снаряжения или в снаряжении с облегающим шлемом преобладает костная проводимость.

Особенностью звукового восприятия под водой является также утрата способности определять направление на источник звука. Это связано с тем, что человеческие органы слуха приспособлены к скорости распространения звука в воздухе и определяют на­правление на источник звука благодаря разнице во времени при­хода звукового сигнала и относительному уровню звукового дав­ления, воспринимаемых каждым ухом. Благодаря устройству ушной раковины человек в воздушной среде способен определить, где находится источник звука - спереди или сзади, даже одним ухом. В воде все происходит по-иному. Скорость распространения звука в воде в 4,5 раза больше, чем в воздухе. Поэтому разница во времени приема звукового сигнала каждым ухом становится настолько малой, что определить направления на источник звука становится практически невозможно.

При использовании в составе снаряжения жесткого шлема возможность определения направления на источник звука вообще исключается.

Биологическое воздействие газов на организм человека

Вопрос о биологическом воздействии газов поставлен не случайно и обусловлен тем, что процессы газообмена при дыхании человека в обычных условиях и так называемых гипербарических (т. е. под повышенным давлением) существенно отличаются.

Известно, что обычный атмосферный воздух, .которым мы ды­шим, непригоден для дыхания летчиков в высотных полетах. Ог­раниченное применение он находит и для дыхания водолазов. При спусках на глубины более 60 м он заменяется специальными газо­выми смесям.

Рассмотрим основные свойства газов, которые как в чистом виде, так и в смеси с другими используются для дыхания водо­лазов.

По своему составу воздух является смесью различных газов. Основными составляющими воздуха являются: кислород - 20,9%, азот - 78,1%, углекислый газ - 0,03%. Кроме того, в небольших количествах в воздухе содержатся: аргон, водород, гелий, неон, а также пары воды.

Входящие в состав атмосферы газы по их воздействию на че­ловеческий организм можно разделить на три группы: кислород - постоянно потребляется для "поддержания всех жизненных про­цессов; азот, гелий, аргон и др. - не участвуют в газовом обме­не; углекислый газ - при повышенной концентрации для организ­ма вреден.

Кислород (О2) -бесцветный газ без вкуса и запаха с плот­ностью 1,43 кг/м3. Имеет важнейшее значение для человека как участник всех окислительных процессов в организме. В процессе дыхания кислород в легких соединяется с гемоглобином крови и разносится по всему организму, где непрерывно потребляется клетками и тканями. Перерыв в снабжении или даже уменьшение поступления его к тканям вызывает кислородное голодание, со­провождающееся потерей сознания, а в тяжелых случаях - пре­кращением жизнедеятельности. Такое состояние может наступить при снижении содержания кислорода во вдыхаемом воздухе при нормальном давлении ниже 18,5%. С другой стороны, при увели­чении содержания кислорода во вдыхаемой смеси или при дыха­нии под давлением, сверх допустимого, кислород прояв­ляет токсические свойства - наступает кислородное отрав­ление.

Азот (N) -газ без цвета, запаха и вкуса с плотностью 1,25 кг/м3, является основной частью атмосферного воздуха по объему и массе. В Обычных условиях физиологически нейтрален, не принимает участия в обмене веществ. Однако по мере повыше­ния давления с ростом глубины погружения водолаза азот пере­стает быть нейтральным и на глубинах 60 и более метров прояв­ляет ярко выраженные наркотические свойства.

Углекислый газ (СО2) - бесцветный газ с кислым при­вкусом. Он в 1,5 раза тяжелее воздуха (плотность 1,98 кг/м3), в связи с чем может скапливаться в нижних частях закрытых и плохо вентилируемых помещений.

Углекислый газ образуется в тканях как конечный продукт окислительных процессов. Определенное количество этого газа всегда имеется в организме и участвует в регуляции дыхания, а избыток переносится кровью к легким и удаляется с выдыхаемым воздухом. Количество выделяемого человеком углекислого газа з основном зависит от степени физической нагрузки и функциональ­ного состояния организма. При частом, глубоком дыхании (гипер­вентиляции) содержание углекислого газа в организме снижается, что может привести к остановке дыхания (апноэ) и даже к потере сознания. С другой стороны, увеличение его содержания в дыха­тельной смеси более допустимого приводит к отравлению.

Из других газов, входящих в состав воздуха, наибольшее при­менение у водолазов получил гелий (Не). Это инертный газ без запаха и вкуса. Обладая малой плотностью (около 0,18 кг/м3) и значительно меньшей способностью вызывать наркотическое воздействие при высоких давлениях, он широко используется как заменитель азота для приготовления искусственных дыхательных смесей при спусках на большие глубины.

Однако применение гелия в составе дыхательных смесей при­водит к другим нежелательным явлениям. Его высокая теплопро­водность, а следовательно, повышенная теплоотдача организма требуют повышенной теплозащиты или активного обогрева водо­лазов.

Давление воздуха . Известно, что окружающая нас атмосфера имеет массу и оказывает давление на поверхность земли и все предметы, находящиеся на ней. Измеренное на уровне моря ат­мосферное давление уравновешивается в трубках сечением Г см2 столбиком ртути высотой 760 мм или воды высотой 10,33 м. Если взвесить эту ртуть или воду, их масса будет равна 1,033 кг. Это значит, что "нормальное атмосферное давление равно 1,033 кгс/см2, что в системе СИ эквивалентно 103,3 кПа *.(* В системе СИ единицей давления является паскаль (Па). При необходи-сти пересчета используются соотношения: 1 кгс/см1 = 105 Па = 102 кПа = =* 0,1 МПа.).

Однако в практике водолазных расчетов пользоваться такими точными единицами измерения неудобно. Поэтому за единицу измерения давления принимают давление, численно равное 1 кгс/см2, которое называют технической атмосферой (ат). Одна техническая атмосфера соответствует давлению 10 м водяного столба.

Воздух при повышении давления легко сжимается, уменьшая объем пропорционально давлению. Давление сжатого воздуха измеряется манометрами, которые показывают избыточное дав­ление , т. е. давление сверх атмосферного . Единица избыточного давления обозначается ати. Сумма избыточного и атмосферного давления называется абсолютным давлением (ата).

В обычных земных условиях воздух со всех сторон равномерно давит на человека. Учитывая, что поверхность тела человека в среднем равна 1,7-1,8 м2, сила давления воздуха, приходящаяся на него, составляет 17-18 тыс. кгс (17-18 тс). Однако человек не ощущает этого давления, так как тело его на 70% состоит из практически несжимаемых жидкостей, а во внутренних полостях - легких, среднем ухе и др. - оно уравновешивается противодав­лением находящегося там и сообщающегося с атмосферой воз­духа.

При погружении в воду человек подвергается воздействию избыточного давления, находящегося над ним столба воды, которое увеличивается на 1 ати через каждые 10 м. Изменение дав­ления может вызывать болевые ощущения и обжим, для преду­преждения которых водолазу необходимо подавать воздух для дыхания под давлением, равным абсолютному давлению окружаю­щей среды.

Поскольку водолазам приходится иметь дело со сжатым воз­духом или газовыми смесями, уместно вспомнить основные законы, которым они подчиняются, и привести некоторые формулы, необ­ходимые для практических расчетов.

Воздух, как и другие реальные газы и газовые смеси, с извест­ным приближением подчиняется физическим законам, абсолютно справедливым для идеальных газов.

ВОДОЛАЗНОЕ СНАРЯЖЕНИЕ

Водолазным снаряжением называют комплект ус­тройств и изделий, надеваемых водолазом, для обеспечения жиз­недеятельности и работы в водной среде в течение заданного про­межутка времени.

Водолазное снаряжение отвечает своему назначению, если оно может обеспечить:

дыхание человека при выполнении им работы под водой;

изоляцию и тепловую защиту от воздействия холодной воды;

достаточную подвижность и устойчивое положение под водой;

безопасность при погружении, выходе на поверхность и в про­цессе работы;

надежную связь с поверхностью.

В зависимости от решаемых задач водолазное снаряжение раз­деляется:

по глубине использования - на снаряжение для малых (сред­них) глубин и глубоководное;

по способу обеспечения дыхательной газовой смесью - на ав­тономное и шланговое;

по способу теплозащиты - на снаряжение с пассивной тепло­защитой, электро- и водообогреваемое;

по способу изоляции - на снаряжение с водогазонепроницае-мыми гидрокомбинезонами «сухого» типа и проницаемыми «мок­рого» типа.

Наиболее полное представление о функциональных особенно­стях работы водолазного снаряжения дает его классификация по способу поддержания необходимого для дыхания состава газовой смеси. Здесь различают снаряжение:

вентилируемое;

с открытой схемой дыхания;

с полузамкнутой схемой дыхания;

с замкнутой схемой дыхания.