Интересни факти: къде звукът пътува по-бързо?
По време на гръмотевична буря първо се вижда светкавица и едва след известно време се чува тътенът на гръмотевицата. Това забавяне възниква, защото скоростта на звука във въздуха е много по-малка от скоростта на светлината, идваща от мълния. Интересно е да запомните в коя среда звукът се разпространява най-бързо и къде изобщо не се разпространява?
Експерименти и теоретични изчисления на скоростта на звука във въздуха са предприети от 17 век, но само два века по-късно френският учен Пиер-Симон дьо Лаплас извежда окончателната формула за нейното определяне. Скоростта на звука зависи от температурата: когато температурата на въздуха се повишава, тя се увеличава, а когато температурата на въздуха намалява, тя намалява. При 0° скоростта на звука е 331 m/s (1192 km/h), при +20° вече е 343 m/s (1235 km/h).
Скоростта на звука в течности обикновено е по-голяма от скоростта на звука във въздуха. Експерименти за определяне на скоростта са проведени за първи път на Женевското езеро през 1826 г. Двама физици се качиха на лодки и изминаха 14 км. На една лодка запалиха барут и в същото време удариха камбана, спусната във водата. Звукът от камбаната беше уловен от друга лодка с помощта на специален клаксон, също спуснат във водата. Въз основа на интервала от време между светкавицата и пристигането на звуковия сигнал е определена скоростта на звука във водата. При температура +8° тя се оказа приблизително 1440 m/s. Хората, работещи в подводни съоръжения, потвърждават, че звуците от брега могат да се чуят ясно под водата, а рибарите знаят, че рибата отплува при най-малкия подозрителен шум на брега.
Скоростта на звука в твърди тела е по-голяма, отколкото в течности и газове. Например, ако поставите ухото си на релсата, след като ударите другия край на релсата, човекът ще чуе два звука. Единият от тях ще „дойде“ до ухото по железопътен транспорт, а другият по въздух. Земята има добра звукопроводимост. Ето защо в древността по време на обсада в крепостните стени са били поставяни „слушатели“, които по звука, предаван от земята, са можели да определят дали врагът се вкопава в стените или не, дали конницата бърза или не . Между другото, благодарение на това хората, които са загубили слуха си, понякога могат да танцуват на музика, която достига до слуховите им нерви не през въздуха и външното ухо, а през пода и костите.
Скоростта на звука е скоростта на разпространение на еластичните вълни в среда, както надлъжна (в газове, течности или твърди тела), така и напречна, срязваща (в твърди тела), определена от еластичността и плътността на средата. Скоростта на звука в твърди тела е по-голяма, отколкото в течности. В течности, включително вода, звукът се разпространява повече от 4 пъти по-бързо, отколкото във въздуха. Скоростта на звука в газовете зависи от температурата на средата, в монокристалите - от посоката на разпространение на вълната.
Звукът е един от компонентите на нашия живот и хората го чуват навсякъде. За да разгледаме по-подробно това явление, първо трябва да разберем самото понятие. За да направите това, трябва да се обърнете към енциклопедията, където е написано, че „звукът е еластични вълни, разпространяващи се в някаква еластична среда и създаващи механични вибрации в нея“. По-просто казано, това са звукови вибрации във всяка среда. Основните характеристики на звука зависят от това какъв е той. На първо място, скоростта на разпространение, например във вода, се различава от тази в други среди.
Всеки звуков аналог има определени свойства (физически характеристики) и качества (отражение на тези характеристики в човешките усещания). Например продължителност-продължителност, честота-височина, композиция-тембър и т.н.
Скоростта на звука във вода е много по-висока, отколкото, да речем, във въздуха. Следователно, той се разпространява по-бързо и се чува много по-далеч. Това се дължи на високата молекулна плътност на водната среда. Той е 800 пъти по-плътен от въздуха и стоманата. От това следва, че разпространението на звука до голяма степен зависи от средата. Нека да разгледаме конкретни цифри. Така скоростта на звука във вода е 1430 m/s, във въздуха - 331,5 m/s.
Нискочестотният звук, например шумът, произведен от работещ корабен двигател, винаги се чува малко по-рано, отколкото корабът се появява в зрителния диапазон. Скоростта му зависи от няколко неща. Ако температурата на водата се повиши, тогава, естествено, скоростта на звука във водата се увеличава. Същото се случва с увеличаване на солеността на водата и налягането, което се увеличава с увеличаване на дълбочината на водата. Такова явление като термоклини може да има специална роля върху скоростта. Това са места, където се срещат слоеве вода с различни температури.
Също така на такива места е различно (поради разликата в температурата). И когато звуковите вълни преминават през такива слоеве с различна плътност, те губят по-голямата част от силата си. Когато звукова вълна удари термоклин, тя се отразява частично или понякога напълно (степента на отражение зависи от ъгъла, под който пада звукът), след което от другата страна на това място се образува зона на сянка. Ако вземем пример, когато източникът на звук се намира във водното пространство над термоклина, тогава чуването на каквото и да било отдолу ще бъде не само трудно, но и почти невъзможно.
Които се излъчват над повърхността, никога не се чуват в самата вода. И обратното се случва, когато е под водния слой: над него не звучи. Ярък пример за това са съвременните водолази. Техният слух е силно намален поради факта, че водата им влияе, а високата скорост на звука във водата намалява качеството на определяне на посоката, от която се движи. Това притъпява стереофоничната способност за възприемане на звук.
Под слоя вода той навлиза в човешкото ухо най-вече през костите на черепа на главата, а не, както в атмосферата, през тъпанчетата. Резултатът от този процес е възприемането му от двете уши едновременно. По това време човешкият мозък не е в състояние да различи местата, откъдето идват сигналите и с каква интензивност. Резултатът е появата на съзнанието, че звукът сякаш се търкаля от всички страни едновременно, въпреки че това далеч не е така.
В допълнение към описаното по-горе, звуковите вълни във водата имат качества като абсорбция, дивергенция и дисперсия. Първият е, когато силата на звука в солената вода постепенно избледнява поради триенето на водната среда и солите в нея. Дивергенцията се проявява в разстоянието на звука от неговия източник. Изглежда, че се разтваря в пространството като светлина и в резултат интензитетът му намалява значително. И трептенията изчезват напълно поради разпръскване от всякакви препятствия и нееднородности на околната среда.
Хидроакустика (от гръцки хидор- вода, акустик- слух) - наука за явления, възникващи във водната среда и свързани с разпространението, излъчването и приемането на акустични вълни. Включва въпроси за разработване и създаване на хидроакустични устройства, предназначени за използване във водна среда.
История на развитието
Основи на хидроакустиката
Характеристики на разпространението на акустичните вълни във вода
Компоненти на ехо събитие.
Цялостни и фундаментални изследвания на разпространението на акустичните вълни във вода започват по време на Втората световна война, което е продиктувано от необходимостта да се решат практически проблеми на флота и на първо място на подводниците. Експерименталната и теоретична работа е продължена в следвоенните години и е обобщена в редица монографии. В резултат на тези работи бяха идентифицирани и изяснени някои характеристики на разпространението на акустичните вълни във вода: абсорбция, затихване, отражение и пречупване.
Поглъщането на енергията на акустичните вълни в морската вода се дължи на два процеса: вътрешно триене на средата и дисоциация на разтворените в нея соли. Първият процес преобразува енергията на акустичната вълна в топлина, а вторият, превръщайки се в химическа енергия, извежда молекулите от равновесно състояние и те се разпадат на йони. Този тип абсорбция се увеличава рязко с увеличаване на честотата на акустичните вибрации. Наличието на суспендирани частици, микроорганизми и температурни аномалии във водата също води до отслабване на акустичната вълна във водата. По правило тези загуби са малки и се включват в общото поглъщане, но понякога, като например в случай на разсейване от следата на кораб, тези загуби могат да достигнат до 90%. Наличието на температурни аномалии води до факта, че акустичната вълна попада в зони на акустична сянка, където може да претърпи множество отражения.
Наличието на интерфейси между вода - въздух и вода - дъно води до отразяване на акустична вълна от тях и ако в първия случай акустичната вълна е напълно отразена, то във втория случай коефициентът на отражение зависи от материала на дъното: тинестото дъно отразява лошо, пясъчното и каменистото дъно отразяват добре. На малка дълбочина, поради многократни отражения на акустичната вълна между дъното и повърхността, се появява подводен звуков канал, в който акустичната вълна може да се разпространява на големи разстояния. Промяната на скоростта на звука на различни дълбочини води до огъване на звуковите „лъчи“ - пречупване.
Пречупване на звука (кривина на пътя на звуковия лъч)
|
Пречупване на звука във вода: а - през лятото; b - през зимата; отляво е промяната на скоростта с дълбочината. Скоростта на разпространение на звука се променя с дълбочината и промените зависят от времето на годината и деня, дълбочината на резервоара и редица други причини. Звуковите лъчи, излизащи от източник под определен ъгъл спрямо хоризонта, се огъват, а посоката на огъване зависи от разпределението на скоростта на звука в средата: през лятото, когато горните слоеве са по-топли от долните, лъчите се огъват надолу и се отразяват предимно от дъното, като губят значителна част от енергията си. ; през зимата, когато долните слоеве на водата поддържат своята температура, докато горните слоеве се охлаждат, лъчите се огъват нагоре и многократно се отразяват от повърхността на водата, като същевременно се губи значително по-малко енергия. Следователно през зимата обхватът на разпространение на звука е по-голям, отколкото през лятото. Вертикалното разпределение на скоростта на звука (VSD) и градиентът на скоростта имат решаващо влияние върху разпространението на звука в морската среда. Разпределението на скоростта на звука в различните райони на Световния океан е различно и се променя с времето. Има няколко типични случая на VRSD: |
Разсейване и поглъщане на звука от нееднородности на средата.
Разпространение на звука в подводния звук. канал: а - промяна на скоростта на звука с дълбочина; b - път на лъча в звуковия канал. Разпространението на високочестотни звуци, когато дължините на вълните са много малки, се влияе от малки нехомогенности, които обикновено се срещат в естествени водни тела: газови мехурчета, микроорганизми и др. Тези нехомогенности действат по два начина: те абсорбират и разпръскват енергията на звука вълни. В резултат на това с увеличаване на честотата на звуковите вибрации обхватът на тяхното разпространение намалява. Този ефект е особено забележим в повърхностния слой на водата, където има най-много нееднородности. Разсейването на звука от нехомогенности, както и неравни повърхности на водата и дъното, причинява феномена на подводна реверберация, който придружава изпращането на звуков импулс: звуковите вълни, отразяващи се от набор от нехомогенности и сливайки се, пораждат удължаване на звуковия импулс, което продължава и след края му. Границите на обхвата на разпространение на подводните звуци също са ограничени от естествения шум на морето, който има двояк произход: част от шума възниква от ударите на вълните върху повърхността на водата, от морския прибой, от шум от търкалящи се камъчета и др.; другата част е свързана с морската фауна (звуци, произведени от хидробионти: риби и други морски животни). Биохидроакустиката се занимава с този много сериозен аспект. |
Диапазон на разпространение на звуковата вълна
Диапазонът на разпространение на звуковите вълни е сложна функция на честотата на излъчване, която е уникално свързана с дължината на вълната на звуковия сигнал. Както е известно, високочестотните акустични сигнали бързо отслабват поради силното им поглъщане от водната среда. Нискочестотните сигнали, напротив, са способни да се разпространяват на големи разстояния във водната среда. Така акустичен сигнал с честота 50 Hz може да се разпространи в океана на разстояния от хиляди километри, докато сигнал с честота 100 kHz, типичен за сонарите със странично сканиране, има обхват на разпространение само 1-2 km . Приблизителните обхвати на съвременните сонари с различни честоти на акустичния сигнал (дължини на вълните) са дадени в таблицата:
Области на използване.
Хидроакустиката получи широко практическо приложение, тъй като все още не е създадена ефективна система за предаване на електромагнитни вълни под вода на значително разстояние и следователно звукът е единственото възможно средство за комуникация под вода. За тези цели се използват звукови честоти от 300 до 10 000 Hz и ултразвук от 10 000 Hz и повече. Като излъчватели и приемници в звуковата област се използват електродинамични и пиезоелектрични излъчватели и хидрофони, а в ултразвуковата - пиезоелектрични и магнитострикционни.
Най-важните приложения на хидроакустиката:
- За решаване на военни проблеми;
- Морска навигация;
- Звукова комуникация;
- Риболовно проучване;
- Океанологични изследвания;
- Области на дейност за разработване на ресурсите на океанското дъно;
- Използване на акустика в басейн (у дома или в център за обучение по синхронно плуване)
- Обучение на морски животни.
Бележки
Литература и източници на информация
ЛИТЕРАТУРА:
- В.В. Шулейкин Физика на морето. - Москва: "Наука", 1968. - 1090 с.
- И.А. румънски Основи на хидроакустиката. - Москва: "Корабостроене", 1979 - 105 с.
- Ю.А. Корякин Хидроакустични системи. - Санкт Петербург: "Науката на Санкт Петербург и морската сила на Русия", 2002. - 416 с.
Звукът се разпространява чрез звукови вълни. Тези вълни преминават не само през газове и течности, но и през твърди тела. Действието на всякакви вълни се състои главно в пренос на енергия. В случая на звука преносът е под формата на минимални движения на молекулярно ниво.
В газовете и течностите звуковата вълна движи молекулите в посоката на своето движение, тоест в посоката на дължината на вълната. В твърдите тела звуковите вибрации на молекулите могат да възникнат и в посока, перпендикулярна на вълната.
Звуковите вълни се разпространяват от своите източници във всички посоки, както е показано на снимката вдясно, която показва метална камбана, която периодично се сблъсква с езика си. Тези механични сблъсъци карат камбаната да вибрира. Енергията на вибрациите се предава на молекулите на околния въздух и те се изтласкват от камбаната. В резултат на това налягането се увеличава в слоя въздух в съседство с камбаната, който след това се разпространява на вълни във всички посоки от източника.
Скоростта на звука не зависи от силата на звука или тона. Всички звуци от радио в една стая, независимо дали са силни или тихи, високи или ниски, достигат до слушателя едновременно.
Скоростта на звука зависи от вида на средата, в която се разпространява, и от нейната температура. В газовете звуковите вълни се разпространяват бавно, тъй като тяхната разредена молекулярна структура предлага малка устойчивост на компресия. В течности скоростта на звука се увеличава, а в твърди вещества става още по-бърза, както е показано на диаграмата по-долу в метри в секунда (m/s).
Вълнова пътека
Звуковите вълни се разпространяват във въздуха по начин, подобен на показания на диаграмите вдясно. Вълновите фронтове се движат от източника на определено разстояние един от друг, определено от честотата на вибрациите на камбаната. Честотата на звуковата вълна се определя чрез преброяване на броя на вълновите фронтове, преминаващи през дадена точка за единица време.
Фронтът на звуковата вълна се отдалечава от вибриращата камбана.
В равномерно нагрят въздух звукът се разпространява с постоянна скорост.
Вторият фронт следва първия на разстояние, равно на дължината на вълната.
Интензитетът на звука е най-голям близо до източника.
Графично представяне на невидима вълна
Звуково озвучаване на дълбините
Сонарен лъч от звукови вълни лесно преминава през океанска вода. Принципът на сонара се основава на факта, че звуковите вълни се отразяват от океанското дъно; Това устройство обикновено се използва за определяне на характеристиките на подводния терен.
Еластични твърди тела
Звукът се разпространява в дървена чиния. Молекулите на повечето твърди вещества са свързани в еластична пространствена решетка, която е слабо компресирана и в същото време ускорява преминаването на звуковите вълни.
.Звукът се разпространява пет пъти по-бързо във водата, отколкото във въздуха. Средната скорост е 1400 - 1500 м/сек (скоростта на звука във въздуха е 340 м/сек). Изглежда, че чуваемостта във водата също се подобрява. Всъщност това далеч не е така. В края на краищата силата на звука не зависи от скоростта на разпространение, а от амплитудата на звуковите вибрации и възприемащата способност на слуховите органи. Органът на Корти, който се състои от слухови клетки, се намира в кохлеята на вътрешното ухо. Звуковите вълни вибрират тъпанчето, слуховите костици и мембраната на кортиевия орган. От космените клетки на последния, които възприемат звукови вибрации, нервната стимулация отива към слуховия център, разположен в темпоралния лоб на мозъка.
Звуковата вълна може да навлезе във вътрешното ухо на човека по два начина: чрез въздушна проводимост през външния слухов проход, тъпанчето и костилките на средното ухо и чрез костна проводимост - вибрация на костите на черепа. На повърхността преобладава въздушната проводимост, а под водата – костната. Простият опит ни убеждава в това. Покрийте двете уши с дланите на ръцете си. На повърхността чуваемостта ще се влоши рязко, но под водата това не се наблюдава.
Така че под водата звуците се възприемат предимно чрез костна проводимост. Теоретично това се обяснява с факта, че акустичното съпротивление на водата се доближава до акустичното съпротивление на човешката тъкан. Следователно загубата на енергия по време на прехода на звуковите вълни от водата към костите на главата на човек е по-малка, отколкото във въздуха. Въздушната проводимост почти изчезва под водата, тъй като външният слухов канал е пълен с вода, а малък слой въздух близо до тъпанчето слабо предава звуковите вибрации.
Експериментите показват, че костната проводимост е с 40% по-ниска от тази на въздуха. Следователно чуваемостта под вода като цяло се влошава. Диапазонът на чуваемост с костна проводимост на звука зависи не толкова от силата, колкото от тоналността: колкото по-висок е тонът, толкова по-далеч се чува звукът.
Подводният свят за хората е свят на тишина, където няма външни шумове. Следователно най-простите звукови сигнали могат да се възприемат под вода на значителни разстояния. Човек чува удар върху метална кутия, потопена във вода на разстояние 150-200 m, звук на дрънкалка на 100 m и камбана на 60 m.
Звуците, издавани под вода, обикновено не се чуват на повърхността, точно както звуците отвън не се чуват под водата. За да възприемате подводни звуци, трябва да сте поне частично потопени. Ако влезеш във водата до колене, започваш да долавяш звук, който не е бил чуван преди. Докато се гмуркате, силата на звука се увеличава. Особено се чува, когато главата е потопена.
За да изпращате звукови сигнали от повърхността, трябва да спуснете източника на звук във водата поне наполовина и силата на звука ще се промени. Ориентирането под вода по ухо е изключително трудно. Във въздуха звукът навлиза в едното ухо 0,00003 секунди по-рано, отколкото в другото. Това ви позволява да определите местоположението на източника на звук с грешка от само 1-3 °. Под вода звукът се възприема едновременно от двете уши и следователно не се получава ясно, насочено възприятие. Грешката в ориентацията може да бъде 180°.
В специално организиран експеримент само отделни леководолази след дълги скитания и... търсенията отидоха до местоположението на източника на звук, който се намираше на 100-150 м от тях. Беше отбелязано, че системното обучение за дълго време позволява да се развие способността за доста точно навигиране по звук под вода. Въпреки това, веднага щом обучението спре, резултатите от него се анулират.
