С дав­них вре­мен и по сей день на мор­ских и реч­ных судах ко­ман­ды с ка­пи­тан­ско­го мо­сти­ка в ма­шин­ное от­де­ле­ние пе­ре­да­ют­ся при по­мо­щи так на­зы­ва­е­мой пе­ре­го­вор­ной трубы. За­ту­ха­ние звука в воз­ду­хе при рас­про­стра­не­нии по такой трубе очень мало. Пе­ре­го­вор­ная труба яв­ля­ет­ся ярким при­ме­ром аку­сти­че­ско­го вол­но­во­да  — ка­на­ла, в ко­то­ром зву­ко­вые волны рас­про­стра­ня­ют­ся в опре­де­лен­ном на­прав­ле­нии прак­ти­че­ски без ослаб­ле­ния.

Ока­зы­ва­ет­ся, ана­ло­ги таких вол­но­во­дов при опре­де­лен­ных усло­ви­ях могут воз­ни­кать в морях и оке­а­нах. Уче­ные на­зва­ли такие «вол­но­во­ды» «под­вод­ны­ми зву­ко­вы­ми ка­на­ла­ми» (со­кра­щен­но  — ПЗК). Рас­про­стра­ня­ю­щи­е­ся по таким ка­на­лам зву­ко­вые волны могут быть при­ня­ты за ты­ся­чи ки­ло­мет­ров от их ис­точ­ни­ка.

Каков же ме­ха­низм об­ра­зо­ва­ния та­ко­го вол­но­во­да, и что в нем слу­жит от­ра­жа­ю­щи­ми гра­ни­ца­ми? По­верх­ность оке­а­на и его дно слу­жить та­ки­ми гра­ни­ца­ми не могут из-за того, что звук на них силь­но рас­се­и­ва­ет­ся или по­гло­ща­ет­ся. Ис­сле­до­ва­те­ли вы­яс­ни­ли, что гра­ни­ца­ми ги­гант­ско­го под­вод­но­го вол­но­во­да слу­жат слои воды, ко­то­рые на раз­ных глу­би­нах об­ла­да­ют раз­ны­ми свой­ства­ми, бла­го­да­ря чему ско­рость звука в оке­а­не за­ви­сит от глу­би­ны.

С глу­би­ной уве­ли­чи­ва­ет­ся гид­ро­ста­ти­че­ское дав­ле­ние, что, в свою оче­редь при­во­дит к росту ско­ро­сти звука. При по­ни­же­нии тем­пе­ра­ту­ры ско­рость звука убы­ва­ет. В оке­а­не тем­пе­ра­ту­ра воды сна­ча­ла до­воль­но быст­ро па­да­ет по мере уда­ле­ния от по­верх­но­сти, а на боль­шой глу­би­не тем­пе­ра­ту­ра воды ста­но­вит­ся прак­ти­че­ски по­сто­ян­ной. Сов­мест­ное вли­я­ние этих фак­то­ров при­во­дит к слож­ной за­ви­си­мо­сти ско­ро­сти звука от глу­би­ны, ко­то­рая по­ка­за­на на гра­фи­ке.

Вна­ча­ле вб­ли­зи по­верх­но­сти оке­а­на пре­об­ла­да­ю­щее вли­я­ние ока­зы­ва­ет быст­рое па­де­ние тем­пе­ра­ту­ры  — по­это­му в верх­них слоях воды ско­рость звука с умень­ша­ет­ся с ро­стом глу­би­ны z. По мере по­гру­же­ния тем­пе­ра­ту­ра ме­ня­ет­ся все мед­лен­нее, а гид­ро­ста­ти­че­ское дав­ле­ние про­дол­жа­ет воз­рас­тать. На не­ко­то­рой глу­би­не zm вли­я­ние этих двух фак­то­ров урав­но­ве­ши­ва­ет­ся  — на дан­ной глу­би­не ско­рость звука ми­ни­маль­на. При даль­ней­шем по­гру­же­нии ско­рость звука на­чи­на­ет воз­рас­тать за счет роста гид­ро­ста­ти­че­ско­го дав­ле­ния.

Чтобы по­нять, как рас­про­стра­ня­ют­ся зву­ко­вые лучи в оке­а­не, об­ра­тим­ся к оп­ти­че­ской ана­ло­гии. Из за­ко­на пре­лом­ле­ния света сле­ду­ет, что в среде с из­ме­ня­ю­щим­ся по­ка­за­те­лем пре­лом­ле­ния (т. е. при из­ме­не­нии ско­ро­сти света в среде) све­то­вой луч ис­крив­ля­ет­ся. Точно по та­ко­му же за­ко­ну про­ис­хо­дит ис­крив­ле­ние «зву­ко­вых лучей» при рас­про­стра­не­нии звука в не­од­но­род­ной среде, в ко­то­рой ско­рость звука ме­ня­ет­ся. Част­ный слу­чай такой среды и пред­став­ля­ет собой вода в море.

Пред­по­ло­жим, что ис­точ­ник звука на­хо­дит­ся на глу­би­не zm. Луч, иду­щий вдоль го­ри­зон­та­ли z  =  zm, будет пря­мо­ли­ней­ным. А те лучи, ко­то­рые вы­хо­дят под не­ко­то­ры­ми уг­ла­ми j к этой го­ри­зон­та­ли, будут ис­крив­лять­ся со­глас­но за­ко­ну пре­лом­ле­ния. Это яв­ле­ние на­зы­ва­ют ре­фрак­ци­ей звука. По­сколь­ку и выше, и ниже уров­ня zm ско­рость звука воз­рас­та­ет, зву­ко­вые лучи будут (в со­от­вет­ствии с за­ко­ном пре­лом­ле­ния) ис­крив­лять­ся в на­прав­ле­нии го­ри­зон­та­ли z  =  zm. В какой-то мо­мент луч ста­нет «па­рал­лель­ным» этой го­ри­зон­та­ли, и, «от­ра­зив­шись», по­вер­нет об­рат­но к ней.

Итак, ре­фрак­ция звука в море при­во­дит к тому, что не­ко­то­рые зву­ко­вые волны, ис­пус­ка­е­мые ис­точ­ни­ком, могут рас­про­стра­нять­ся, не вы­хо­дя на по­верх­ность воды и не до­хо­дя до дна. А это и озна­ча­ет, что в такой среде ре­а­ли­зу­ет­ся вол­но­вод­ный ме­ха­низм рас­про­стра­не­ния звука  — под­вод­ный зву­ко­вой канал. Роль «сте­нок» этого вол­но­во­да вы­пол­ня­ют слои воды на тех глу­би­нах, где про­ис­хо­дит «по­во­рот» зву­ко­во­го луча.