Zajímavosti: kde se zvuk šíří rychleji?
Při bouřce je nejprve vidět záblesk blesku a teprve po chvíli je slyšet dunění hromu. K tomuto zpoždění dochází, protože rychlost zvuku ve vzduchu je mnohem menší než rychlost světla přicházejícího z blesku. Je zajímavé si pamatovat, ve kterém médiu se zvuk šíří nejrychleji a kde se nešíří vůbec?
Experimenty a teoretické výpočty rychlosti zvuku ve vzduchu se prováděly již od 17. století, ale až o dvě století později francouzský vědec Pierre-Simon de Laplace odvodil konečný vzorec pro její určení. Rychlost zvuku závisí na teplotě: jak teplota vzduchu stoupá, zvyšuje se, a když teplota vzduchu klesá, klesá. Při 0° je rychlost zvuku 331 m/s (1192 km/h), při +20° je to již 343 m/s (1235 km/h).
Rychlost zvuku v kapalinách je obvykle větší než rychlost zvuku ve vzduchu. Experimenty k určení rychlosti byly poprvé provedeny na Ženevském jezeře v roce 1826. Dva fyzici nasedli do člunů a odjeli 14 km. Na jednom člunu zapálili střelný prach a zároveň udeřili na zvon spuštěný do vody. Zvuk zvonu byl zachycen na jiné lodi pomocí speciální houkačky, rovněž spuštěné do vody. Na základě časového intervalu mezi zábleskem světla a příchodem zvukového signálu byla určena rychlost zvuku ve vodě. Při teplotě +8° to vyšlo přibližně na 1440 m/s. Lidé pracující v podvodních strukturách potvrzují, že zvuky pobřeží jsou pod vodou jasně slyšet a rybáři vědí, že ryby odplouvají při sebemenším podezřelém hluku na břehu.
Rychlost zvuku v pevných látkách je větší než v kapalinách a plynech. Pokud například přiložíte ucho ke kolejnici, po dopadu na druhý konec kolejnice osoba uslyší dva zvuky. Jeden z nich „přijede“ k uchu po železnici, druhý vzduchem. Země má dobrou zvukovou vodivost. Proto byli v dávných dobách během obléhání do hradeb pevnosti umístěni „posluchači“, kteří podle zvuku přenášeného zemí mohli určit, zda nepřítel kopá do hradeb nebo ne, zda se kavalerie řítí nebo ne. . Mimochodem, díky tomu mohou lidé, kteří ztratili sluch, někdy tančit na hudbu, která se k jejich sluchovým nervům nedostává vzduchem a zevním uchem, ale podlahou a kostmi.
Rychlost zvuku je rychlost šíření elastických vln v prostředí, a to jak podélných (v plynech, kapalinách nebo pevných látkách), tak i příčných, smykových (v pevných látkách), určená elasticitou a hustotou prostředí. Rychlost zvuku v pevných látkách je větší než v kapalinách. V kapalinách, včetně vody, se zvuk šíří více než 4krát rychleji než ve vzduchu. Rychlost zvuku v plynech závisí na teplotě média, v monokrystalech - na směru šíření vlny.
Zvuk je jednou ze součástí našeho života a lidé ho slyší všude. Abychom tento jev zvážili podrobněji, musíme nejprve porozumět samotnému konceptu. Chcete-li to provést, musíte se obrátit na encyklopedii, kde je napsáno, že „zvuk jsou elastické vlny, které se šíří v nějakém elastickém médiu a vytvářejí v něm mechanické vibrace“. Jednodušeji řečeno, jde o slyšitelné vibrace v jakémkoli prostředí. Hlavní vlastnosti zvuku závisí na tom, co to je. Za prvé, rychlost šíření např. ve vodě se liší od jiných prostředí.
Jakýkoli zvukový analog má určité vlastnosti (fyzické vlastnosti) a kvality (odraz těchto vlastností v lidských pocitech). Například trvání-trvání, frekvence-výška, skladba-timbre a tak dále.
Rychlost zvuku ve vodě je mnohem vyšší než například ve vzduchu. V důsledku toho se šíří rychleji a je slyšet mnohem dále. To se děje kvůli vysoké molekulární hustotě vodního prostředí. Je 800krát hustší než vzduch a ocel. Z toho vyplývá, že šíření zvuku do značné míry závisí na médiu. Podívejme se na konkrétní čísla. Rychlost zvuku ve vodě je tedy 1430 m/s, ve vzduchu - 331,5 m/s.
Nízkofrekvenční zvuk, například hluk produkovaný běžícím lodním motorem, je vždy slyšet o něco dříve, než se loď objeví ve vizuálním dosahu. Jeho rychlost závisí na několika věcech. Pokud se teplota vody zvýší, pak se přirozeně zvýší rychlost zvuku ve vodě. Totéž se děje se zvýšením slanosti vody a tlaku, který se zvyšuje s rostoucí hloubkou vody. Takový jev jako termokliny může mít zvláštní roli v rychlosti. Jsou to místa, kde se vyskytují vrstvy vody různé teploty.
Také na takových místech je to jiné (vzhledem k rozdílu teplot). A když zvukové vlny procházejí takovými vrstvami různé hustoty, ztrácejí většinu ze své síly. Když zvuková vlna narazí na termoklinu, je částečně nebo někdy úplně odražena (stupeň odrazu závisí na úhlu, pod kterým zvuk dopadá), načež se na druhé straně tohoto místa vytvoří stínová zóna. Pokud vezmeme v úvahu příklad, kdy se zdroj zvuku nachází ve vodním prostoru nad termoklinou, pak bude slyšet vůbec cokoli dole nejen obtížné, ale téměř nemožné.
Které jsou emitovány nad hladinou, nejsou nikdy slyšet ve vodě samotné. A opak se stane, když je pod vodní vrstvou: nad ní to nezní. Pozoruhodným příkladem toho jsou moderní potápěči. Jejich sluch je značně snížen kvůli tomu, že na ně působí voda, a vysoká rychlost zvuku ve vodě snižuje kvalitu určování směru, ze kterého se pohybuje. To otupuje stereofonní schopnost vnímat zvuk.
Pod vrstvou vody se do lidského ucha dostává nejvíce přes kosti lebky hlavy a ne jako v atmosféře přes ušní bubínky. Výsledkem tohoto procesu je jeho vnímání oběma ušima současně. Lidský mozek v tuto chvíli není schopen rozlišit, odkud signály přicházejí a v jaké intenzitě. Výsledkem je vynoření vědomí, že se zvuk jakoby valí ze všech stran současně, i když tomu tak zdaleka není.
Kromě toho, co je popsáno výše, mají zvukové vlny ve vodě takové vlastnosti, jako je absorpce, divergence a rozptyl. První je, když síla zvuku ve slané vodě postupně mizí v důsledku tření vodního prostředí a solí v něm. Divergence se projevuje ve vzdálenosti zvuku od jeho zdroje. Zdá se, že se v prostoru rozpouští jako světlo a v důsledku toho jeho intenzita výrazně klesá. A oscilace zcela mizí rozptylem všemožnými překážkami a nehomogenitami prostředí.
Hydroakustika (z řečtiny hydor- voda, akusticoc- sluchové) - nauka o jevech vyskytujících se ve vodním prostředí a spojených s šířením, vysíláním a příjmem akustických vln. Zahrnuje problematiku vývoje a tvorby hydroakustických zařízení určených pro použití ve vodním prostředí.
Historie vývoje
Základy hydroakustiky
Vlastnosti šíření akustických vln ve vodě
Součásti echo události.
Komplexní a zásadní výzkum šíření akustických vln ve vodě začal během druhé světové války, která byla diktována nutností řešit praktické problémy námořnictva a především ponorek. Experimentální a teoretické práce pokračovaly i v poválečných letech a byly shrnuty do řady monografií. V důsledku těchto prací byly identifikovány a objasněny některé rysy šíření akustických vln ve vodě: absorpce, útlum, odraz a lom.
Absorpci energie akustických vln v mořské vodě způsobují dva procesy: vnitřní tření média a disociace solí v něm rozpuštěných. První proces přeměňuje energii akustické vlny na teplo a druhý, přeměňující se na chemickou energii, odstraňuje molekuly z rovnovážného stavu a ty se rozpadají na ionty. Tento typ absorpce se prudce zvyšuje se zvyšující se frekvencí akustických vibrací. Přítomnost suspendovaných částic, mikroorganismů a teplotních anomálií ve vodě také vede k útlumu akustické vlny ve vodě. Tyto ztráty jsou zpravidla malé a jsou zahrnuty do celkové absorpce, ale někdy, jako například v případě rozptylu od brázdy lodi, mohou tyto ztráty dosahovat až 90 %. Přítomnost teplotních anomálií vede k tomu, že akustická vlna spadá do zón akustického stínu, kde může podléhat mnohonásobným odrazům.
Přítomnost rozhraní mezi vodou - vzduchem a vodou - dnem vede k odrazu akustické vlny od nich, a pokud je v prvním případě akustická vlna zcela odražena, pak ve druhém případě závisí koeficient odrazu na materiálu dna: bahnité dno se špatně odráží, písečné a kamenité dobře. . V malých hloubkách se vlivem mnohonásobných odrazů akustické vlny mezi dnem a hladinou objevuje podvodní zvukový kanál, ve kterém se může akustická vlna šířit na velké vzdálenosti. Změna rychlosti zvuku v různých hloubkách vede k ohýbání zvukových „paprsků“ - lomu.
Lom zvuku (zakřivení dráhy zvukového paprsku)
|
Lom zvuku ve vodě: a - v létě; b - v zimě; vlevo je změna rychlosti s hloubkou. Rychlost šíření zvuku se mění s hloubkou a změny závisí na roční a denní době, hloubce nádrže a řadě dalších důvodů. Zvukové paprsky vycházející ze zdroje pod určitým úhlem k horizontu jsou ohnuty a směr ohybu závisí na rozložení rychlostí zvuku v médiu: v létě, kdy jsou horní vrstvy teplejší než spodní, se paprsky ohýbají dolů. a většinou se odrážejí ode dna a ztrácejí značnou část své energie. v zimě, kdy si spodní vrstvy vody udržují svou teplotu, zatímco horní vrstvy se ochlazují, se paprsky ohýbají vzhůru a opakovaně se odrážejí od hladiny vody, přičemž se ztrácí podstatně méně energie. Proto je v zimě rozsah šíření zvuku větší než v létě. Vertikální rozložení rychlosti zvuku (VSD) a gradient rychlosti mají rozhodující vliv na šíření zvuku v mořském prostředí. Rozložení rychlosti zvuku v různých oblastech Světového oceánu je různé a mění se v čase. Existuje několik typických případů VRSD: |
Rozptyl a pohlcení zvuku nehomogenitami prostředí.
Šíření zvuku v podvodním zvuku. kanál: a - změna rychlosti zvuku s hloubkou; b - dráha paprsku ve zvukovém kanálu. Šíření vysokofrekvenčních zvuků, kdy jsou vlnové délky velmi malé, je ovlivněno malými nehomogenitami, které se obvykle vyskytují v přírodních vodních plochách: bublinky plynu, mikroorganismy atd. Tyto nehomogenity působí dvěma způsoby: pohlcují a rozptylují energii zvuku. vlny. V důsledku toho se s rostoucí frekvencí zvukových vibrací zmenšuje rozsah jejich šíření. Tento efekt je patrný zejména v povrchové vrstvě vody, kde je nejvíce nehomogenit. Rozptyl zvuku nehomogenitami, stejně jako nerovným povrchem vody a dna způsobuje jev podvodního dozvuku, který doprovází vyslání zvukového pulsu: zvukové vlny, které se odrážejí od souboru nehomogenit a splývají, dávají vzniknout prodloužení zvukového pulzu, které pokračuje i po jeho skončení. Limity rozsahu šíření podvodních zvuků jsou také omezeny přirozeným hlukem moře, který má dvojí původ: část hluku vzniká dopady vln na hladinu vody, z mořského příboje, z vodní hladiny. hluk odvalujících se oblázků atd.; druhá část je spojena s mořskou faunou (zvuky produkované hydrobionty: rybami a jinými mořskými živočichy). Tímto velmi závažným aspektem se zabývá biohydroakustika. |
Rozsah šíření zvukové vlny
Rozsah šíření zvukových vln je komplexní funkcí frekvence záření, která jednoznačně souvisí s vlnovou délkou akustického signálu. Jak je známo, vysokofrekvenční akustické signály rychle utlumují díky silné absorpci vodním prostředím. Nízkofrekvenční signály se naopak mohou ve vodním prostředí šířit na velké vzdálenosti. Akustický signál o frekvenci 50 Hz se tak může šířit v oceánu na vzdálenosti tisíců kilometrů, zatímco signál o frekvenci 100 kHz, typický pro side-scan sonar, má dosah šíření pouze 1-2 km. . Přibližné dosahy moderních sonarů s různými frekvencemi akustického signálu (vlnovými délkami) jsou uvedeny v tabulce:
Oblasti použití.
Hydroakustika má široké praktické uplatnění, protože dosud nebyl vytvořen účinný systém pro přenos elektromagnetických vln pod vodou na jakoukoli významnou vzdálenost, a zvuk je proto jediným možným prostředkem komunikace pod vodou. Pro tyto účely se používají zvukové frekvence od 300 do 10 000 Hz a ultrazvuk od 10 000 Hz a výše. Elektrodynamické a piezoelektrické zářiče a hydrofony se používají jako zářiče a přijímače v oblasti zvuku a piezoelektrické a magnetostrikční v oblasti ultrazvuku.
Nejvýznamnější aplikace hydroakustiky:
- Řešení vojenských problémů;
- Námořní navigace;
- Zvuková komunikace;
- Rybářský průzkum;
- Oceánologický výzkum;
- Oblasti činnosti pro rozvoj zdrojů oceánského dna;
- Využití akustiky v bazénu (doma nebo v tréninkovém centru synchronizovaného plavání)
- Trénink mořských zvířat.
Poznámky
Literatura a zdroje informací
LITERATURA:
- V.V. Shuleikin Fyzika moře. - Moskva: "Věda", 1968. - 1090 s.
- IA. rumunština Základy hydroakustiky. - Moskva: „Stavba lodí“, 1979 - 105 s.
- Yu.A. Korjakin Hydroakustické systémy. - Petrohrad: „Věda Petrohradu a mořská mocnost Ruska“, 2002. - 416 s.
Zvuk se šíří zvukovými vlnami. Tyto vlny se šíří nejen přes plyny a kapaliny, ale také přes pevné látky. Působení jakýchkoliv vln spočívá především v přenosu energie. V případě zvuku má přenos podobu nepatrných pohybů na molekulární úrovni.
V plynech a kapalinách zvuková vlna pohybuje molekulami ve směru svého pohybu, tedy ve směru vlnové délky. V pevných látkách se mohou zvukové vibrace molekul vyskytovat i ve směru kolmém na vlnu.
Zvukové vlny se šíří ze svých zdrojů všemi směry, jak je znázorněno na obrázku vpravo, který ukazuje, že kovový zvonek pravidelně naráží na jazyk. Tyto mechanické kolize způsobují vibrace zvonu. Energie vibrací se přenáší na molekuly okolního vzduchu a ty jsou odtlačovány od zvonu. V důsledku toho se ve vrstvě vzduchu přiléhající ke zvonu zvyšuje tlak, který se pak šíří ve vlnách všemi směry od zdroje.
Rychlost zvuku je nezávislá na hlasitosti nebo tónu. Všechny zvuky z rádia v místnosti, ať už hlasité nebo tiché, vysoké nebo nízké, dosáhnou posluchače současně.
Rychlost zvuku závisí na typu média, ve kterém se šíří, a jeho teplotě. V plynech se zvukové vlny šíří pomalu, protože jejich zředěná molekulární struktura nabízí malý odpor vůči kompresi. V kapalinách se rychlost zvuku zvyšuje a v pevných látkách je ještě rychlejší, jak ukazuje níže uvedený diagram v metrech za sekundu (m/s).
Vlnová dráha
Zvukové vlny se šíří vzduchem podobným způsobem, jak je znázorněno na obrázcích vpravo. Čela vln se pohybují od zdroje v určité vzdálenosti od sebe, určené frekvencí vibrací zvonu. Frekvence zvukové vlny je určena počítáním počtu vlnových čel procházejících daným bodem za jednotku času.
Čelo zvukové vlny se vzdaluje od vibrujícího zvonu.
V rovnoměrně ohřátém vzduchu se zvuk šíří konstantní rychlostí.
Druhá fronta následuje první ve vzdálenosti rovné vlnové délce.
Intenzita zvuku je největší blízko zdroje.
Grafické znázornění neviditelné vlny
Zvukové ozvučení hloubek
Sonarový paprsek zvukových vln snadno prochází oceánskou vodou. Princip sonaru je založen na skutečnosti, že zvukové vlny se odrážejí od dna oceánu; Toto zařízení se obvykle používá k určení vlastností podvodního terénu.
Elastické pevné látky
Zvuk se šíří v dřevěné desce. Molekuly většiny pevných látek jsou vázány do elastické prostorové mřížky, která se špatně stlačuje a zároveň urychluje průchod zvukových vln.
.Zvuk se ve vodě šíří pětkrát rychleji než ve vzduchu. Průměrná rychlost je 1400 - 1500 m/s (rychlost zvuku ve vzduchu je 340 m/s). Zdá se, že se zlepšuje i slyšitelnost ve vodě. Ve skutečnosti tomu tak zdaleka není. Síla zvuku totiž nezávisí na rychlosti šíření, ale na amplitudě zvukových vibrací a vnímací schopnosti sluchových orgánů. Cortiho orgán, který se skládá ze sluchových buněk, se nachází v hlemýždi vnitřního ucha. Zvukové vlny rozvibrují ušní bubínek, sluchové kůstky a membránu Cortiho orgánu. Z vláskových buněk posledně jmenovaných, které vnímají zvukové vibrace, jde nervová stimulace do sluchového centra umístěného ve spánkovém laloku mozku.
Zvuková vlna se může do vnitřního ucha člověka dostat dvěma způsoby: vedením vzduchu zevním zvukovodem, bubínkem a kůstky středního ucha a kostním vedením - vibrací lebečních kostí. Na povrchu převažuje vedení vzduchem a pod vodou kostní vedení. Jednoduchá zkušenost nás o tom přesvědčuje. Zakryjte si obě uši dlaněmi. Na povrchu se slyšitelnost prudce zhorší, ale pod vodou to není pozorováno.
Takže pod vodou jsou zvuky vnímány především kostním vedením. Teoreticky se to vysvětluje tím, že akustický odpor vody se blíží akustickému odporu lidské tkáně. Proto je ztráta energie při přechodu zvukových vln z vody do kostí hlavy člověka menší než ve vzduchu. Vedení vzduchu pod vodou téměř mizí, protože vnější zvukovod je naplněn vodou a malá vrstva vzduchu v blízkosti bubínku slabě přenáší zvukové vibrace.
Experimenty ukázaly, že vodivost kostí je o 40 % nižší než vodivost vzduchu. Proto se slyšitelnost pod vodou obecně zhoršuje. Rozsah slyšitelnosti s kostním vedením zvuku nezávisí ani tak na síle, jako na tonalitě: čím vyšší je tón, tím dále je zvuk slyšet.
Podmořský svět je pro lidi světem ticha, kde nejsou žádné cizí zvuky. Proto lze nejjednodušší zvukové signály vnímat pod vodou na značné vzdálenosti. Člověk slyší ránu na kovový kanystr ponořený ve vodě na vzdálenost 150-200 m, zvuk chrastítka na 100 m a zvonu na 60 m.
Zvuky vydávané pod vodou jsou obvykle neslyšitelné na hladině, stejně jako zvuky zvenčí jsou neslyšitelné pod vodou. Abyste mohli vnímat zvuky pod vodou, musíte být alespoň částečně ponořeni. Pokud vstoupíte do vody po kolena, začnete vnímat zvuk, který dříve nebyl slyšet. Jak se potápíte, hlasitost se zvyšuje. Je to slyšet zejména při ponoření hlavy.
Chcete-li vysílat zvukové signály z hladiny, musíte zdroj zvuku spustit do vody alespoň do poloviny a síla zvuku se změní. Orientace pod vodou sluchem je extrémně obtížná. Ve vzduchu přichází zvuk do jednoho ucha o 0,00003 sekundy dříve než do druhého. To umožňuje určit umístění zdroje zvuku s chybou pouze 1-3°. Pod vodou je zvuk současně vnímán oběma ušima, a proto nedochází k jasnému, směrovému vnímání. Chyba v orientaci může být 180°.
Ve speciálně zinscenovaném experimentu se pouze jednotliví potápěči světla po dlouhém putování a... hledalo se místo zdroje zvuku, které se od nich nacházelo 100–150 m. Bylo zjištěno, že systematický trénink po dlouhou dobu umožňuje vyvinout schopnost poměrně přesné navigace podle zvuku pod vodou. Jakmile se však trénink zastaví, jeho výsledky jsou anulovány.
