По преданию, Тифон Александрийский во время осады
Аполлонии определял направление неприятельских подкопов с помощью
подвешенных в траншее сосудов - резонаторов.
Подслушивание противника через землю - таким в течение многих веков
было главное и, видимо, единственное применение подземного звука
Так было и в античные времена, и при осаде Казани Иваном Грозным,
и во время первой мировой войны, когда зарывшиеся в землю друг против
друга противники вели из своих траншей подкопы под вражеские батареи,
склады, командные пункты Пожалуй, чуть усовершенствовалась к этому
времени техника, появились первые приборы - простейшие геофоны.
Свое "военное" назначение акустика сохраняет и теперь,
но техника существенно усовершенствовалась Некая английская фирма
сообщила недавно, что ею разработан сейсмометрический прибор "Гобиас"
для распознавания присутствия движущихся тяжелых машин в радиусе
до 15 километров По заверению фирмы, прибор может отличить шум гусеничных
машин от шума колесных машин На более близких расстояниях он "слышит"
также шаги человека и животных.
Один из главных природных врагов человека - землетрясения Множество
сейсмографов, раскиданных по всему свету, фиксируют любые подземные
толчки Некоторые из этих "сейсмосторожей" снабжены автоматикой
Так, неподалеку от Токио, в сейсмоопасном районе, где в год фиксируются
многие тысячи подземных толчков, сейсмосторож, установленный у железнодорожного
моста, связан со светофором на железнодорожном полотне Когда сила
толчка превысит установленную норму, на пути поездов зажигается
запрещающий красный сигнал, а специальная бригада производит осмотр
моста.
Итак, первое по времени возникновения направление подземной акустики
- подслушивание кого-либо или чего либо, представляющего опасность,
- было, есть и, надо полагать, останется на службе человека на вечные
времена, разумеется, постоянно развиваясь и совершенствуясь Но уже
властно заявила о себе другая область геофонии, связанная с изучением
структуры коры Земли и земной мантии Простейшая схема исследований
здесь такова В какой либо точке производится взрыв углубленного
в землю заряда, в других же точках, достаточно удаленных от первой,
принимают звуковые сигналы - как пришедшие непосредственно от источника
звука, так и отраженные от слоев различных пород
Поистине, однако, скоро сказка сказывается, да не скоро дело делается
Очень трудно бывает разобраться в вакханалии принятых волн К тому
же, в отличие от газовых и жидкостных сред, в которых могут распространяться
только продольные волны, твердой среде присущи еще различные типы
поперечных и поверхностных волн.
Пожалуй, здесь, в этом многообразии колебательных движений, особенно
отчетливо проявляется данное Энгельсом определение физики как механики
Молекул и все же, учитывая различную скорость распространения волн
и некоторые другие признаки, удается по записям геофонов определить
структуру слоев коры Земли и глубину нахождения мантии в данном
участке
Постепенно от взрывных источников переходят к электромагнитным и
электродинамическим излучателям звука, в которых можно задавать
частоту излучения Применяются направленные источники колебаний,
излучающие в узком секторе. Это не только экономит энергию, повышает
точность измерений, но и, в случае звукового зондирования у морского
дна (при этом звуковые волны переходят и в породы дна), уменьшает
возможность гибели морских обитателей от интенсивных звуковых колебаний
Впечатляющи результаты сейсмических исследований в Антарктиде За
какой-нибудь десяток-полтора лет изучены структура ее ледяного панциря
и рельеф материка подо льдом Средняя толщина льда в Антарктиде оказалась
около 2 километров, а максимальная- более 4 километров. Подо льдом
обнаружены крупные горные цепи с высотами до 3 километров, а также
более чем километровые впадины ниже уровня моря. Удалось даже установить,
что строение антарктической платформы сходно со строением платформ
Южной Америки, Австралии и Африки. При всех этих исследованиях применялось
не только "прозвучивание" сред в горизонтальном направлении,
но и эхозондирование - процесс, подобный эхолотированию в море и
заключающийся в направленном излучении колебаний и приеме сигналов,
отраженных от границ и неоднородностей среды.
Геоэхозондирование, звуковая геолокация получили за последние десятилетия
широкое распространение для поиска и разведки нефтяных и газовых
месторождений, картирования при поисках каменного угля, железной
руды и россыпных месторождений. Применение звуковой геолокации и
сейсморазведки позволяет получить комплексную картину месторождений
полезных ископаемых, существенно уменьшает объем дорогостоящих работ
- бурения шурфов, которое ранее делалось почти вслепую, а теперь
- целенаправленно.
А строительство инженерных сооружений, например плотин? Надо, допустим,
определить размеры и конфигурацию скальной платформы, на которую
будет опираться сооружение, - звуковая геолокация даст наглядную
карту глубинных слоев в требуемом месте.
Даже археологи не избежали соблазна привлечь новые методы разведки.
С помощью звуковой локации на дне Бугского лимана были определены
контуры древней застройки и занесенных илом оборонительных сооружений
античного городища Ольвии.
Чисто акустическое эхозондирование (т. е. зондирование, при котором
акустическая энергия сигналов в среде не переходит в другие виды
энергии), в общем, уже не новость. Но лишь совсем недавно обнаружена
возможность комбинированного зондирования пород в земной среде.
"Камни заговорили", "говорящие сокровища",-
как на сенсацию, реагировали журналисты на это открытие ученых Института
физики Земли АН СССР М. П.Воларович и Э.И.Пархоменко.
Пьезоэлектрический эффект таких минералов и веществ, как кварц,
турмалин, сегнетова соль, титанат бария, давно используется в технике.
Но вот оказалось, что ряд горных пород - кварциты, гнейсы и даже
тривиальные граниты - способен откликаться электромагнитной волной
на упругую волну взрыва. Для улавливания этой ответной электромагнитной
волны служат простейшие приемники - металлические стержни, вставленные
в землю. Индуцированный в стержнях электрический ток подводится
к усилительному устройству, связанному с самописцем.
Кварциты часто являются золотоносными, и, таким образом, акустико-электромагнитное
зондирование дает ориентир первичного поиска золотоискателям.
Но и простейший ультразвуковой эхолот с некоторых пор стал помощником
золотодобытчиков, причем не в море, а на земле. При разработке дренажных
котлованов очень важно бывает знать, сколько еще продуктивного золотоносного
песка осталось и как скоро в том или ином месте котлована черпаки
драги достигнут пустой породы. Нужны достаточно мощные и направленные
звуковые импульсы для того, чтобы проникнуть в слой рыхлого песка
до подстилающего грунта и определить толщину слоя (а заодно и глубину
его залегания). Подобный прибор приходит на золотых и платиновых
приисках на смену дедовской маркшейдерской многометровой рейке или
трубе, которую ранее старательно втыкали в донные слои различных
мест котлована.
Соледобытчики, использующие в своей работе метод подземного выщелачивания,
теми же звуколокационными приборами определяют размеры и конфигурацию
солесодержащих включений, размеры пустот и камер, остающихся после
изъятия соли с помощью поверхностных "соляных фонтанов".
Обвалы в шахтах... Эти страшные события могут приводить к гибели
людей, и давно уже во всем мире стали раздумывать, как предугадать
возможное несчастье. Родилась мысль привлечь для этого сейсмоакустические
методы и аппаратуру, значительно более чувствительную, чем человеческий
слух, и способную объективно регистрировать подземные шумы в течение
длительного времени.
Около четверти века назад один из видных советских акустиков М.
С. Анцыферов, занимавшийся до того вопросами архитектурной и электроакустики,
возглавил эту работу. В Институте горного дела имени А.А.Скочинского
была организована соответствующая лаборатория, и начались регулярные
акустические наблюдения в шахтах. Особое внимание обратили на шахты
Донбасса, где уже тогда угледобыча производилась на глубинах до
полукилометра. В настоящее же время осваиваются глубины более километра,
а ведь чем больше глубина, тем выше давление в пластах породы и,
следовательно, тем больше вероятность опасных выбросов газа, угля
и других сред.
Акустическая эмиссия. Этими словами специалисты сейчас обозначают
звуки, которые предшествуют ряду механических явлений например растрескиванию
и разрушению металлов. Горные акустики изучали мощные звуковые сигналы,
которые, как оказалось, начинает излучать порода, перед тем как
в ней произойдут разломы и разрывы.
Спектр этих акустических импульсов достаточно широк, наиболее интенсивные
составляющие находятся в области частот 300--600 герц. Но вот беда:
спектр шумов в породе при работе отбойных молотков и врубовых машин
примерно одинаков. Значит, надо измерять подземные шумы вдали от
забоя, где производятся работы, а также в ночное и обеденное время.
Всегда ли мощные звуковые импульсы предшествуют выбросам угля и
газа? Требуют ли они, эти импульсы, обязательного удаления шахтеров
из забоя? Оказывается, не всегда были случаи когда работа прерывалась,
а динамических явлений в шахте не происходило. Автор как-то спросил
М. С. Анцыферова, часто ли ему приходилось выступать поневоле в
роли пастуха-лжеца из известной басни, которому впоследствии уже
никто не верил. Он ответил
- Бывало, конечно, и недоверие и даже упреки за невыполнение плана
по вине акустиков. Постепенно все сошлись на том, что лучше и раз,
и два, и три выйти из забоя, чем хоть раз быть засыпанными. Но и
мы повысили точность своих прогнозов.
Какова же она сейчас? Накопленный опыт, использование разработанной
горными акустиками системы статистических критериев повысили надежность
текущего сейсмоакустического прогнозирования опасности динамических
явлений в шахтах до 95- 98%. Более того, применение направленных
систем геофонов дало возможность определять координаты очагов акустических
импульсов, то есть, по существу, и очагов возможных подземных катаклизмов,
больших и малых.
Службы производственного акустического прогноза подземных динамических
явлений начали работать в шахтах Донбасса с 1965 года. В первый
же год введения служб количество неожиданных динамических явлений
сократилось в 3,5 раза, а через 5 лет - в 20 раз, хотя в этот период
протяженность вибросоопасных зон в шахтах увеличилась вдвое вследствие
перехода выработок на нижележащие горизонты.
В г.Прокопьевске (Кемеровская область) группа ученых под руководством
П. В. Егорова работает над тем, как на основании акустического прогнозирования
вести разработки угля, чтобы уменьшить вероятность "горного
удара".
Неуютен труд шахтных акустиков. Ученые в комбинезонах и касках с
лампочками шлепают по мокрым штольням, иногда ползают в них на коленях,
отыскивая, где бы установить свои геофоны и усилители. Нет-нет,
и крепкое соленое словцо шахтеров, которым помешали, сопровождает
действия научных работников. Но наградой им служит сознание того,
что их работа сохранила жизнь не одному горняку.
Раз уж земная среда проводит звук, то можно не сомневаться, что
подземная акустика найдет еще множество применений.
Другие страницы из книги И.И. Клюкина « Удивительный мир звука»
