Zanimljivosti: Gdje zvuk putuje brže?
Za vrijeme grmljavine prvo se vidi bljesak munje, a tek nakon nekog vremena čuje se tutnjava grmljavine. Ovo kašnjenje nastaje jer je brzina zvuka u zraku mnogo manja od brzine svjetlosti koja dolazi od munje. Zanimljivo je prisjetiti se u kojem mediju zvuk putuje najbrže, a gdje uopće ne putuje?
Eksperimenti i teorijski proračuni brzine zvuka u vazduhu vršeni su od 17. veka, ali je samo dva veka kasnije francuski naučnik Pjer-Simon de Laplas izveo konačnu formulu za njeno određivanje. Brzina zvuka ovisi o temperaturi: kako temperatura zraka raste, ona se povećava, a kako temperatura zraka opada, ona opada. Na 0° brzina zvuka je 331 m/s (1192 km/h), na +20° je već 343 m/s (1235 km/h).
Brzina zvuka u tečnostima je obično veća od brzine zvuka u vazduhu. Eksperimenti za određivanje brzine prvi put su izvedeni na Ženevskom jezeru 1826. Dvojica fizičara ušla su u čamce i odvezla se 14 km. Na jednom čamcu zapalili su barut i istovremeno udarili u zvono spušteno u vodu. Zvuk zvona se na drugom čamcu uhvatio posebnom sirenom, također spuštenom u vodu. Na osnovu vremenskog intervala između bljeska svjetlosti i dolaska zvučnog signala određena je brzina zvuka u vodi. Na temperaturi od +8° ispostavilo se da je otprilike 1440 m/s. Ljudi koji rade u podvodnim građevinama potvrđuju da se zvukovi s obale mogu jasno čuti pod vodom, a ribari znaju da ribe otplivaju i na najmanju sumnjivu buku na obali.
Brzina zvuka u čvrstim materijama je veća nego u tečnostima i gasovima. Na primjer, ako prislonite uvo na šinu, tada će nakon udarca u drugi kraj ograde osoba čuti dva zvuka. Jedan od njih će „doći” do uha železnicom, drugi vazdušnim putem. Zemlja ima dobru zvučnu provodljivost. Stoga su u davna vremena, tokom opsade, u zidine tvrđave postavljani "slušači", koji su po zvuku koji je prenosila zemlja mogli utvrditi da li se neprijatelj kopa u zidove ili ne, da li konjica juri ili ne . Inače, zahvaljujući tome, ljudi koji su izgubili sluh ponekad su u stanju da plešu uz muziku koja do njihovih slušnih nerava dopire ne kroz vazduh i spoljašnje uvo, već kroz pod i kosti.
Brzina zvuka je brzina prostiranja elastičnih valova u mediju, uzdužnih (u plinovima, tekućinama ili čvrstim tvarima) i poprečnih, posmičnih (u čvrstim tvarima), određena elastičnošću i gustoćom medija. Brzina zvuka u čvrstim materijama je veća nego u tečnostima. U tečnostima, uključujući vodu, zvuk putuje više od 4 puta brže nego u vazduhu. Brzina zvuka u plinovima ovisi o temperaturi medija, u monokristalima - o smjeru širenja valova.
Zvuk je jedna od komponenti našeg života i ljudi ga čuju svuda. Da bismo detaljnije razmotrili ovaj fenomen, prvo moramo razumjeti sam koncept. Da biste to učinili, trebate se obratiti enciklopediji, gdje piše da je „zvuk elastični talasi, šireći se u bilo kojem elastičnom mediju i stvarajući mehaničke vibracije u njemu.” Govorim više jednostavnim jezikom- Ovo su zvučne vibracije u bilo kom okruženju. Glavne karakteristike zvuka zavise od toga šta je. Prije svega, brzina širenja, na primjer, u vodi se razlikuje od drugih sredina.
Bilo koji analogni zvuk ima određena svojstva(fizičke osobine) i kvalitete (odraz ovih osobina u ljudskim senzacijama). Na primjer, trajanje-trajanje, frekvencija-visina, kompozicija-timbar i tako dalje.
Brzina zvuka u vodi je mnogo veća nego, recimo, u vazduhu. Zbog toga se brže širi i čuje se mnogo dalje. To se događa zbog visoke molekularne gustoće vodenog okoliša. 800 puta je gušći od zraka i čelika. Iz toga slijedi da širenje zvuka u velikoj mjeri ovisi o mediju. Pogledajmo konkretne brojke. Dakle, brzina zvuka u vodi je 1430 m/s, u vazduhu - 331,5 m/s.
Zvuk niske frekvencije, na primjer, buka koju proizvodi motor broda u radu, uvijek se čuje nešto prije nego što se brod pojavi u vizualnom dometu. Njegova brzina ovisi o nekoliko stvari. Ako se temperatura vode poveća, tada se, prirodno, povećava brzina zvuka u vodi. Ista stvar se dešava sa povećanjem saliniteta i pritiska vode, koji se povećava sa povećanjem dubine vode. Takav fenomen kao što su termokline može imati posebnu ulogu u brzini. To su mjesta na kojima se javljaju slojevi vode različitih temperatura.
Također na takvim mjestima je drugačije (zbog razlike u temperaturni uslovi). A kada zvučni valovi prođu kroz takve slojeve različite gustine, oni gube većinu svoje snage. Kada zvučni val udari u termoklinu, on se djelomično, a ponekad i potpuno, reflektira (stepen refleksije ovisi o kutu pod kojim zvuk pada), nakon čega se s druge strane ovog mjesta formira zona sjene. Ako uzmemo u obzir primjer kada se izvor zvuka nalazi u vodnom tijelu iznad termokline, onda će ispod njega biti ne samo teško, već gotovo nemoguće čuti bilo šta.
Koje se emituju iznad površine, nikada se ne čuju u samoj vodi. A suprotno se dešava kada je ispod sloja vode: iznad njega ne zvuči. Upečatljiv primjer za to su moderni ronioci. Sluh im je jako smanjen zbog činjenice da voda utiče na njih velika brzina zvuk u vodi smanjuje kvalitetu određivanja smjera iz kojeg se kreće. Ovo otupljuje stereofonsku sposobnost percepcije zvuka.
Pod slojem vode u ljudsko uho najviše ulazi kroz kosti lobanja glave, a ne kao u atmosferi, kroz bubne opne. Rezultat ovog procesa je njegova percepcija oba uha istovremeno. U ovom trenutku ljudski mozak nije u stanju da razlikuje mjesta odakle signali dolaze i kojim intenzitetom. Rezultat je pojava svijesti da zvuk kao da se kotrlja sa svih strana u isto vrijeme, iako je to daleko od slučaja.
Uz ono što je gore opisano, zvučni valovi u vodi imaju kvalitete kao što su apsorpcija, divergencija i disperzija. Prvi je kada jačina zvuka u slanoj vodi postepeno nestaje zbog trenja vodene sredine i soli u njoj. Divergencija se manifestuje u udaljenosti zvuka od njegovog izvora. Čini se da se rastvara u prostoru poput svjetlosti, a kao rezultat toga njegov intenzitet značajno opada. A oscilacije potpuno nestaju zbog disperzije po svim vrstama prepreka i nehomogenosti okoline.
Hidroakustika (iz grčkog hydor- voda, acousticoc- slušni) - nauka o pojavama koje se javljaju u vodena sredina i odnosi se na širenje, zračenje i prijem akustičnih talasa. Uključuje pitanja razvoja i stvaranja hidroakustičkih uređaja namijenjenih za korištenje u vodenoj sredini.
Istorija razvoja
Osnove hidroakustike
Osobine širenja akustičnih valova u vodi
Komponente eho događaja.
Početak sveobuhvatnog i osnovna istraživanja o širenju akustičnih talasa u vodi započeto je tokom Drugog svetskog rata, što je bilo diktirano potrebom rešavanja praktičnih problema mornarice i to prvenstveno podmornice. Eksperimentalno i teorijski radovi nastavljeni su u poslijeratnih godina i sažeto u nizu monografija. Kao rezultat ovih radova, identifikovane su i razjašnjene neke karakteristike širenja akustičnih talasa u vodi: apsorpcija, slabljenje, refleksija i refrakcija.
Apsorpcija energije akustičnog talasa u morska voda uzrokovano je dva procesa: unutrašnjeg trenja okoline i disocijacije soli rastvorenih u njoj. Prvi proces pretvara energiju akustičnog talasa u toplotu, a drugi, pretvarajući se u hemijsku energiju, uklanja molekule iz ravnotežnog stanja i oni se raspadaju u ione. Ova vrsta apsorpcije naglo se povećava sa povećanjem frekvencije akustične vibracije. Prisustvo suspendiranih čestica, mikroorganizama i temperaturnih anomalija u vodi također dovodi do slabljenja akustičnog vala u vodi. Po pravilu, ovi gubici su mali i ulaze u ukupnu apsorpciju, ali ponekad, kao npr. u slučaju raspršivanja iz traga broda, ovi gubici mogu iznositi i do 90%. Prisustvo temperaturnih anomalija dovodi do činjenice da akustični val pada u zone akustične sjene, gdje može doživjeti višestruke refleksije.
Prisutnost sučelja između voda - zrak i voda - dno dovodi do refleksije akustičnog vala od njih, a ako se u prvom slučaju akustični val potpuno reflektira, onda u drugom slučaju koeficijent refleksije ovisi o materijalu dna: muljevito dno se slabo odražava, pješčano i kamenito dobro. Na malim dubinama, zbog višestrukih refleksija akustičkog vala između dna i površine, pojavljuje se podvodni zvučni kanal u kojem se akustični val može širiti do velike udaljenosti. Promjena brzine zvuka na različitim dubinama dovodi do savijanja zvučnih "zraka" - refrakcije.
Refrakcija zvuka (zakrivljenost putanje zvučnog snopa)
|
Prelamanje zvuka u vodi: a - ljeti; b - zimi; na lijevoj strani je promjena brzine sa dubinom. Brzina širenja zvuka mijenja se sa dubinom, a promjene zavise od doba godine i dana, dubine rezervoara i niza drugih razloga. Zvučne zrake koje izlaze iz izvora pod određenim uglom prema horizontu su savijene, a smjer savijanja ovisi o raspodjeli brzina zvuka u mediju: ljeti, kada su gornji slojevi topliji od donjih, zraci se savijaju prema dolje. i uglavnom se reflektuju odozdo, gubeći značajan dio svoje energije. zimi, kada donji slojevi vode održavaju svoju temperaturu, dok se gornji slojevi hlade, zraci se savijaju prema gore i više puta se odbijaju od površine vode, pri čemu se gubi znatno manje energije. Zbog toga je zimi opseg širenja zvuka veći nego ljeti. Vertikalna raspodjela brzine zvuka (VSD) i gradijent brzine imaju odlučujući utjecaj na širenje zvuka u morskom okruženju. Distribucija brzine zvuka u različitim područjima Svjetskog okeana je različita i mijenja se tokom vremena. Postoji nekoliko tipičnih slučajeva VRSD-a: |
Disperzija i apsorpcija zvuka nehomogenostima medija.
Širenje zvuka u podvodnom zvuku. kanal: a - promjena brzine zvuka sa dubinom; b - putanja zraka u zvučnom kanalu. Na širenje visokofrekventnih zvukova, kada su talasne dužine veoma male, utiču male nehomogenosti koje se obično nalaze u prirodnim vodenim tijelima: mjehurići plina, mikroorganizmi, itd. Ove nehomogenosti djeluju na dva načina: apsorbiraju i rasipaju energiju zvučni talasi. Kao rezultat toga, kako se frekvencija zvučnih vibracija povećava, opseg njihovog širenja se smanjuje. Ovaj efekat je posebno uočljiv u površinskom sloju vode, gde ima najviše nehomogenosti. Disperzija zvuka nehomogenostima, kao i neravnim površinama vode i dna, uzrokuje pojavu podvodne reverberacije, koja prati slanje zvučnog impulsa: zvučni valovi, odbijajući se od skupa nehomogenosti i spajajući se, dovode do pojave produženje zvučnog pulsa, koje se nastavlja nakon njegovog završetka. Granice raspona širenja podvodnih zvukova ograničene su i prirodnom bukom mora koja ima dvojako porijeklo: dio buke nastaje od udara valova na površinu vode, od morskog valova, od buka kotrljanja kamenčića itd.; drugi dio je povezan s morskom faunom (zvukovi koje proizvode hidrobiont: ribe i druge morske životinje). Biohidroakustika se bavi ovim vrlo ozbiljnim aspektom. |
Opseg širenja zvučnog talasa
Opseg širenja zvučnih talasa je složena funkcija frekvencija zračenja, koja je jedinstveno povezana sa talasnom dužinom akustičnog signala. Kao što je poznato, visokofrekventni akustični signali brzo slabe zbog snažne apsorpcije vodene sredine. Niskofrekventni signali, naprotiv, mogu se širiti na velike udaljenosti u vodenom okruženju. Dakle, akustični signal frekvencije od 50 Hz može se širiti u okeanu na udaljenosti od hiljada kilometara, dok signal frekvencije od 100 kHz, tipičan za sonar sa bočnim skeniranjem, ima raspon širenja od samo 1-2 km. . Približni rasponi modernih sonara sa različitim frekvencijama akustičnog signala (valne dužine) su dati u tabeli:
Područja upotrebe.
Hidroakustika je dobila široku praktičnu primjenu, budući da još nije stvorena efikasan sistem prijenos elektromagnetnih valova pod vodom na bilo koju značajnu udaljenost, a zvuk je stoga jedini mogućim sredstvima veze pod vodom. U te svrhe koriste se zvučne frekvencije od 300 do 10.000 Hz i ultrazvuk od 10.000 Hz i više. Kao emiteri i prijemnici u domenu zvuka koriste se elektrodinamički i piezoelektrični emiteri i hidrofoni, a u ultrazvučnom piezoelektrični i magnetostriktivni.
Najznačajnije primjene hidroakustike:
- Za rješavanje vojnih problema;
- Pomorska navigacija;
- Zvučna komunikacija;
- Ribolovno istraživanje;
- Oceanološka istraživanja;
- Područja aktivnosti za razvoj resursa dna Svjetskog okeana;
- Korištenje akustike u bazenu (kod kuće ili u trening centru za sinhrono plivanje)
- Dresiranje morskih životinja.
Bilješke
Literatura i izvori informacija
LITERATURA:
- V.V. Shuleikin Fizika mora. - Moskva: "Nauka", 1968. - 1090 str.
- I.A. rumunski Osnove hidroakustike. - Moskva: "Brodogradnja", 1979 - 105 str.
- Yu.A. Koryakin Hidroakustični sistemi. - Sankt Peterburg: "Nauka Sankt Peterburga i morska sila Rusije", 2002. - 416 str.
Zvuk putuje kroz zvučne talase. Ovi talasi putuju ne samo kroz gasove i tečnosti, već i kroz čvrsta tela. Djelovanje bilo kojeg valova sastoji se uglavnom u prijenosu energije. U slučaju zvuka, prijenos ima oblik sitnih pokreta na molekularnom nivou.
U plinovima i tekućinama zvučni val pomiče molekule u smjeru njihovog kretanja, odnosno u smjeru valne dužine. IN čvrste materije Međutim, zvučne vibracije molekula mogu se pojaviti i u smjeru okomitom na val.
Zvučni valovi putuju od svojih izvora u svim smjerovima, kao što je prikazano na slici desno, koja prikazuje metalno zvono koje se povremeno sudara sa svojim jezikom. Ovi mehanički sudari uzrokuju vibriranje zvona. Energija vibracija se prenosi na molekule okolnog zraka, te se isti potiskuju od zvona. Kao rezultat, povećava se pritisak u sloju zraka pored zvona, koji se zatim širi u valovima u svim smjerovima od izvora.
Brzina zvuka je nezavisna od jačine ili tona. Svi zvuci radija u prostoriji, glasni ili tihi, visoki ton ili nisko, istovremeno dopre do slušaoca.
Brzina zvuka ovisi o vrsti medija u kojem putuje i njegovoj temperaturi. U plinovima, zvučni valovi putuju sporo jer njihova rijetka molekularna struktura pruža mali otpor kompresiji. U tečnostima brzina zvuka raste, a u čvrstim materijama postaje još brža, kao što je prikazano na donjem dijagramu u metrima u sekundi (m/s).
Wave path
Zvučni valovi putuju kroz zrak na način sličan onom prikazanom na dijagramima desno. Valni frontovi se kreću od izvora na određenoj udaljenosti jedan od drugog, određenom frekvencijom vibracija zvona. Frekvencija zvučnog talasa se određuje brojanjem frontova talasa koji prolaze kroz njih ovu tačku po jedinici vremena.
Front zvučnog talasa se udaljava od vibrirajućeg zvona.
U ravnomjerno zagrijanom zraku, zvuk putuje konstantnom brzinom.
Drugi front prati prvi na udaljenosti jednakoj talasnoj dužini.
Intenzitet zvuka je najveći u blizini izvora.
Grafički prikaz nevidljivog talasa
Zvučno sondiranje dubina
Sonarni snop zvučnih talasa lako prolazi kroz okeansku vodu. Princip sonara se zasniva na činjenici da se zvučni talasi reflektuju od okeanskog dna; Ovaj uređaj se obično koristi za određivanje karakteristika podvodnog terena.
Elastični čvrsti materijali
Zvuk putuje u drvenoj ploči. Molekuli većine čvrstih tijela vezani su u elastičnu prostornu rešetku, koja je slabo komprimirana i istovremeno ubrzava prolazak zvučnih valova.
.Zvuk putuje pet puta brže u vodi nego u vazduhu. Prosječna brzina je 1400 - 1500 m/sec (brzina zvuka u zraku je 340 m/sec). Čini se da se i čujnost u vodi poboljšava. U stvari, ovo je daleko od slučaja. Uostalom, jačina zvuka ne ovisi o brzini širenja, već o amplitudi zvučnih vibracija i perceptivnoj sposobnosti organa sluha. U pužu unutrasnje uho Kortijev organ se nalazi i sastoji se od slušnih ćelija. Zvučni talasi vibriraju bubnu opnu slušne koščice i membrana Cortijevog organa. Iz ćelija dlačica potonjeg, koje percipiraju zvučne vibracije, nervozno uzbuđenje ide u slušni centar koji se nalazi u temporalnom režnju mozga.
Zvučni talas može ući u unutrašnje uho osobe na dva načina: provodljivost vazduha kroz spoljašnji slušni kanal, bubnu opnu i koščice srednjeg uha i kroz koštanu provodljivost- vibracije kostiju lobanje. Na površini prevladava zračna provodljivost, a pod vodom prevladava koštana provodljivost. U to nas uvjerava jednostavno iskustvo. Pokrijte oba uha dlanovima. Na površini će se čujnost naglo pogoršati, ali pod vodom se to ne opaža.
Dakle, pod vodom se zvukovi percipiraju prvenstveno kroz koštanu provodljivost. Teoretski, to se objašnjava činjenicom da se akustična otpornost vode približava akustičnoj otpornosti ljudskog tkiva. Stoga je gubitak energije prilikom prelaska zvučnih valova iz vode u kosti glave osobe manji nego u zraku. Provodljivost zraka gotovo nestaje pod vodom, jer je vanjski slušni kanal ispunjen vodom, a mali sloj zraka u blizini bubna opna slabo prenosi zvučne vibracije.
Eksperimenti su pokazali da je provodljivost kostiju 40% manja od provodljivosti zraka. Stoga se čujnost pod vodom općenito pogoršava. Opseg čujnosti tokom koštane provodljivosti zvuka ne zavisi toliko od jačine koliko od tonaliteta: što je ton viši, to se zvuk dalje čuje.
Podvodni svijet za ljude je svijet tišine, u kojem nema stranih zvukova. Stoga se najjednostavniji zvučni signali mogu percipirati pod vodom na značajnim udaljenostima. Osoba čuje udarac u metalni kanister uronjen u vodu na udaljenosti od 150-200 m, zveckanje na 100 m, zvono na 60 m.
Zvukovi koji se stvaraju pod vodom obično su nečujni na površini, baš kao što su zvukovi izvana nečujni pod vodom. Da biste osjetili podvodne zvukove, morate biti barem djelomično uronjeni. Ako uđete u vodu do koljena, počinjete opažati zvuk koji se prije nije čuo. Kako ronite, jačina se povećava. Posebno se čuje kada je glava uronjena.
Da biste slali zvučne signale s površine, morate izvor zvuka spustiti u vodu barem do pola, a jačina zvuka će se promijeniti. Orijentacija pod vodom po sluhu je izuzetno teška. U vazduhu, zvuk dolazi u jedno uho 0,00003 sekunde ranije nego u drugo. Ovo vam omogućava da odredite lokaciju izvora zvuka sa greškom od samo 1-3°. Pod vodom se zvuk istovremeno percipira oba uha i stoga ne dolazi do jasne percepcije usmjerene. Greška u orijentaciji može biti 180°.
U posebno postavljenom eksperimentu, samo pojedinačni ronioci nakon dugih lutanja i... pretrage su išle do lokacije izvora zvuka, koji se nalazio 100-150 m od njih. Uočeno je da sistematska obuka tokom dužeg vremena omogućava razvijanje sposobnosti prilično preciznog snalaženja pod vodom. Međutim, čim obuka prestane, njeni rezultati se poništavaju.
