Datos interesantes: ¿dónde viaja más rápido el sonido?
Durante una tormenta, primero se ve el relámpago y sólo después de un rato se oye el estruendo de un trueno. Este retraso se produce porque la velocidad del sonido en el aire es mucho menor que la velocidad de la luz proveniente del rayo. ¿Es interesante recordar en qué medio el sonido viaja más rápido y en dónde no viaja en absoluto?
Desde el siglo XVII se han realizado experimentos y cálculos teóricos de la velocidad del sonido en el aire, pero sólo dos siglos después el científico francés Pierre-Simon de Laplace derivó la fórmula definitiva para su determinación. La velocidad del sonido depende de la temperatura: a medida que aumenta la temperatura del aire, aumenta y a medida que disminuye, disminuye. A 0° la velocidad del sonido es de 331 m/s (1192 km/h), a +20° ya es de 343 m/s (1235 km/h).
La velocidad del sonido en los líquidos suele ser mayor que la velocidad del sonido en el aire. Los primeros experimentos para determinar la velocidad se llevaron a cabo en el lago Lemán en 1826. Dos físicos subieron a unos barcos y se alejaron 14 kilómetros. En un barco prendieron fuego a pólvora y al mismo tiempo hicieron sonar una campana que habían bajado al agua. El sonido de la campana fue captado en otro barco mediante una bocina especial, que también se sumergió en el agua. A partir del intervalo de tiempo entre el destello de luz y la llegada de la señal sonora, se determinó la velocidad del sonido en el agua. A una temperatura de +8° resultó ser aproximadamente 1440 m/s. Las personas que trabajan en estructuras submarinas confirman que los sonidos de la costa se pueden escuchar claramente bajo el agua y los pescadores saben que los peces se alejan nadando al menor ruido sospechoso en la orilla.
La velocidad del sonido en los sólidos es mayor que en los líquidos y gases. Por ejemplo, si pega la oreja a la barandilla, después de tocar el otro extremo de la barandilla la persona escuchará dos sonidos. Uno de ellos “llegará” al oído por ferrocarril y el otro por aire. La tierra tiene buena conductividad del sonido. Por eso, en la antigüedad, durante un asedio, en los muros de la fortaleza se colocaban “escuchas” que, por el sonido transmitido por la tierra, podían determinar si el enemigo estaba excavando en los muros o no, si la caballería se apresuraba o no. . Por cierto, gracias a esto, las personas que han perdido la audición a veces pueden bailar con una música que llega a sus nervios auditivos no a través del aire y el oído externo, sino a través del suelo y los huesos.
La velocidad del sonido es la velocidad de propagación de las ondas elásticas en un medio, tanto longitudinal (en gases, líquidos o sólidos) como transversal, cortante (en sólidos), determinada por la elasticidad y densidad del medio. La velocidad del sonido en los sólidos es mayor que en los líquidos. En los líquidos, incluida el agua, el sonido viaja más de 4 veces más rápido que en el aire. La velocidad del sonido en los gases depende de la temperatura del medio, en los monocristales, de la dirección de propagación de las ondas.
El sonido es uno de los componentes de nuestra vida y la gente lo escucha en todas partes. Para considerar este fenómeno con más detalle, primero debemos entender el concepto en sí. Para hacer esto, debe recurrir a la enciclopedia, donde está escrito que "el sonido son ondas elásticas que se propagan en algún medio elástico y crean vibraciones mecánicas en él". En términos más simples, se trata de vibraciones audibles en cualquier entorno. Las principales características del sonido dependen de lo que sea. En primer lugar, la velocidad de propagación, por ejemplo, en el agua difiere de la de otros entornos.
Cualquier análogo de sonido tiene ciertas propiedades (características físicas) y cualidades (reflejo de estas características en las sensaciones humanas). Por ejemplo, duración-duración, frecuencia-tono, composición-timbre, etc.
La velocidad del sonido en el agua es mucho mayor que, digamos, en el aire. En consecuencia, se propaga más rápido y se escucha mucho más lejos. Esto sucede debido a la alta densidad molecular del medio acuático. Es 800 veces más denso que el aire y el acero. De ello se deduce que la propagación del sonido depende en gran medida del medio. Veamos números específicos. Así, la velocidad del sonido en el agua es de 1430 m/s, en el aire de 331,5 m/s.
El sonido de baja frecuencia, por ejemplo el ruido producido por el motor de un barco en funcionamiento, siempre se escucha un poco antes de que el barco aparezca en el campo visual. Su velocidad depende de varias cosas. Si la temperatura del agua aumenta, entonces, naturalmente, aumenta la velocidad del sonido en el agua. Lo mismo ocurre con el aumento de la salinidad y la presión del agua, que aumenta al aumentar la profundidad del agua. Un fenómeno como las termoclinas puede tener un papel especial en la velocidad. Son lugares donde se producen capas de agua de diferentes temperaturas.
También en esos lugares es diferente (debido a la diferencia de temperatura). Y cuando las ondas sonoras atraviesan capas de diferentes densidades, pierden la mayor parte de su fuerza. Cuando una onda de sonido golpea una termoclina, se refleja parcial o, a veces, completamente (el grado de reflexión depende del ángulo en el que cae el sonido), después de lo cual se forma una zona de sombra en el otro lado de este lugar. Si tomamos como ejemplo el caso en el que la fuente de sonido se encuentra en el espacio acuático por encima de la termoclina, entonces escuchar algo debajo no sólo será difícil, sino casi imposible.
Que se emiten por encima de la superficie, nunca se escuchan en el agua misma. Y ocurre lo contrario cuando está debajo de la capa de agua: encima no suena. Un ejemplo sorprendente de esto son los buceadores modernos. Su audición se reduce considerablemente debido al hecho de que el agua les afecta, y la alta velocidad del sonido en el agua reduce la calidad de determinar la dirección desde la que se mueve. Esto embota la capacidad estereofónica de percibir el sonido.
Debajo de la capa de agua, ingresa al oído humano principalmente a través de los huesos del cráneo y no, como en la atmósfera, a través de los tímpanos. El resultado de este proceso es su percepción por ambos oídos simultáneamente. En este momento, el cerebro humano no es capaz de distinguir de dónde proceden las señales y con qué intensidad. El resultado es la aparición de la conciencia de que el sonido parece llegar desde todos lados al mismo tiempo, aunque esto está lejos de ser el caso.
Además de lo descrito anteriormente, las ondas sonoras en el agua tienen cualidades tales como absorción, divergencia y dispersión. La primera es cuando la fuerza del sonido en el agua salada se desvanece gradualmente debido a la fricción del medio acuático y las sales que contiene. La divergencia se manifiesta en la distancia del sonido a su fuente. Parece disolverse en el espacio como la luz y, como resultado, su intensidad cae significativamente. Y las oscilaciones desaparecen por completo debido a la dispersión por todo tipo de obstáculos y faltas de homogeneidad del entorno.
Hidroacústica (del griego hydor- agua, acusticoc- auditivo) - la ciencia de los fenómenos que ocurren en el medio acuático y asociados con la propagación, emisión y recepción de ondas acústicas. Incluye cuestiones de desarrollo y creación de dispositivos hidroacústicos destinados a su uso en el medio acuático.
Historia del desarrollo
Conceptos básicos de hidroacústica.
Características de la propagación de ondas acústicas en el agua.
Componentes de un evento de eco.
La investigación exhaustiva y fundamental sobre la propagación de ondas acústicas en el agua comenzó durante la Segunda Guerra Mundial, dictada por la necesidad de resolver problemas prácticos de las armadas y, en primer lugar, de los submarinos. El trabajo experimental y teórico continuó en los años de la posguerra y se resumió en varias monografías. Como resultado de estos trabajos se identificaron y aclararon algunas características de la propagación de ondas acústicas en el agua: absorción, atenuación, reflexión y refracción.
La absorción de la energía de las ondas acústicas en el agua de mar se produce por dos procesos: la fricción interna del medio y la disociación de las sales disueltas en él. El primer proceso convierte la energía de una onda acústica en calor, y el segundo, transformándose en energía química, saca las moléculas de un estado de equilibrio y se desintegran en iones. Este tipo de absorción aumenta drásticamente al aumentar la frecuencia de la vibración acústica. La presencia de partículas en suspensión, microorganismos y anomalías de temperatura en el agua también provocan una atenuación de la onda acústica en el agua. Por regla general, estas pérdidas son pequeñas y se incluyen en la absorción total, pero a veces, como por ejemplo en el caso de la dispersión por la estela de un barco, estas pérdidas pueden ascender hasta el 90%. La presencia de anomalías de temperatura provoca que la onda acústica caiga en zonas de sombra acústica, donde puede sufrir múltiples reflexiones.
La presencia de interfaces entre agua - aire y agua - fondo conduce a la reflexión de una onda acústica desde ellas, y si en el primer caso la onda acústica se refleja completamente, en el segundo caso el coeficiente de reflexión depende del material del fondo: un fondo fangoso refleja mal, los arenosos y rocosos reflejan bien. A poca profundidad, debido a las múltiples reflexiones de la onda acústica entre el fondo y la superficie, aparece un canal de sonido submarino, en el que la onda acústica puede propagarse a largas distancias. Cambiar la velocidad del sonido a diferentes profundidades conduce a la curvatura de los "rayos" del sonido: la refracción.
Refracción del sonido (curvatura de la trayectoria del haz de sonido)
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Refracción del sonido en el agua: a - en verano; b - en invierno; a la izquierda está el cambio de velocidad con la profundidad. La velocidad de propagación del sonido cambia con la profundidad y los cambios dependen de la época del año y del día, la profundidad del depósito y varias otras razones. Los rayos de sonido que emergen de una fuente en un cierto ángulo con respecto al horizonte se curvan y la dirección de curvatura depende de la distribución de las velocidades del sonido en el medio: en verano, cuando las capas superiores son más cálidas que las inferiores, los rayos se curvan hacia abajo. y se reflejan en su mayoría desde abajo, perdiendo una parte importante de su energía. en invierno, cuando las capas inferiores de agua mantienen su temperatura, mientras que las superiores se enfrían, los rayos se curvan hacia arriba y se reflejan repetidamente desde la superficie del agua, mientras que se pierde mucha menos energía. Por tanto, en invierno el rango de propagación del sonido es mayor que en verano. La distribución vertical de la velocidad del sonido (VSD) y el gradiente de velocidad tienen una influencia decisiva en la propagación del sonido en el medio marino. La distribución de la velocidad del sonido en diferentes zonas del océano mundial es diferente y cambia con el tiempo. Hay varios casos típicos de VRSD: |
Dispersión y absorción del sonido por faltas de homogeneidad del medio.
Propagación del sonido en el sonido submarino. canal: a - cambio en la velocidad del sonido con la profundidad; b - trayectoria del rayo en el canal de sonido. La propagación de sonidos de alta frecuencia, cuando las longitudes de onda son muy pequeñas, está influenciada por pequeñas faltas de homogeneidad que se encuentran habitualmente en las masas de agua naturales: burbujas de gas, microorganismos, etc. Estas faltas de homogeneidad actúan de dos maneras: absorben y dispersan la energía del sonido. ondas. Como resultado, a medida que aumenta la frecuencia de las vibraciones del sonido, el alcance de su propagación disminuye. Este efecto es especialmente notable en la capa superficial del agua, donde hay más heterogeneidades. La dispersión del sonido por faltas de homogeneidad, así como por superficies irregulares del agua y del fondo, provoca el fenómeno de la reverberación submarina, que acompaña al envío de un pulso sonoro: las ondas sonoras, al reflejarse en una multitud de faltas de homogeneidad y fusionarse, dan lugar a una prolongación del pulso sonoro, que continúa después de su finalización. Los límites del rango de propagación de los sonidos submarinos también están limitados por el ruido natural del mar, que tiene un doble origen: parte del ruido surge del impacto de las olas en la superficie del agua, del oleaje del mar, del ruido de guijarros rodando, etc.; la otra parte está asociada a la fauna marina (sonidos producidos por hidrobiontes: peces y otros animales marinos). La biohidroacústica se ocupa de este aspecto tan serio. |
Rango de propagación de ondas sonoras
El rango de propagación de las ondas sonoras es una función compleja de la frecuencia de radiación, que está únicamente relacionada con la longitud de onda de la señal acústica. Como es sabido, las señales acústicas de alta frecuencia se atenúan rápidamente debido a una fuerte absorción por parte del medio acuático. Las señales de baja frecuencia, por el contrario, son capaces de propagarse a largas distancias en el medio acuático. Así, una señal acústica con una frecuencia de 50 Hz puede propagarse en el océano a distancias de miles de kilómetros, mientras que una señal con una frecuencia de 100 kHz, típica del sonar de barrido lateral, tiene un alcance de propagación de sólo 1 a 2 km. . Los alcances aproximados de los sonares modernos con diferentes frecuencias de señales acústicas (longitudes de onda) se dan en la tabla:
Áreas de uso.
La hidroacústica ha recibido una amplia aplicación práctica, ya que aún no se ha creado un sistema eficaz para transmitir ondas electromagnéticas bajo el agua a una distancia significativa y, por lo tanto, el sonido es el único medio posible de comunicación bajo el agua. Para estos fines se utilizan frecuencias de sonido de 300 a 10.000 Hz y ultrasonidos de 10.000 Hz y superiores. Se utilizan emisores e hidrófonos electrodinámicos y piezoeléctricos como emisores y receptores en el dominio del sonido, y piezoeléctricos y magnetoestrictivos en el dominio de los ultrasonidos.
Las aplicaciones más significativas de la hidroacústica:
- Resolver problemas militares;
- Navegación marítima;
- Comunicación sana;
- Exploración pesquera;
- Investigación oceanológica;
- Áreas de actividad para el desarrollo de los recursos del fondo del océano;
- Utilizar la acústica en la piscina (en casa o en un centro de entrenamiento de natación sincronizada)
- Entrenamiento de animales marinos.
Notas
Literatura y fuentes de información.
LITERATURA:
- V.V. Shuleikin fisica del mar. - Moscú: “Ciencia”, 1968. - 1090 p.
- I A. rumano Conceptos básicos de hidroacústica.. - Moscú: “Construcción naval”, 1979 - 105 p.
- Yu.A. Koryakin Sistemas hidroacústicos. - San Petersburgo: “La ciencia de San Petersburgo y el poder marítimo de Rusia”, 2002. - 416 p.
El sonido viaja a través de ondas sonoras. Estas ondas viajan no sólo a través de gases y líquidos, sino también a través de sólidos. La acción de cualquier onda consiste principalmente en la transferencia de energía. En el caso del sonido, la transferencia se produce en forma de pequeños movimientos a nivel molecular.
En gases y líquidos, una onda sonora mueve las moléculas en la dirección de su movimiento, es decir, en la dirección de la longitud de onda. En los sólidos, las vibraciones sonoras de las moléculas también pueden ocurrir en una dirección perpendicular a la onda.
Las ondas sonoras viajan desde sus fuentes en todas direcciones, como se muestra en la imagen de la derecha, que muestra una campana de metal que choca periódicamente con su lengua. Estas colisiones mecánicas hacen que la campana vibre. La energía de las vibraciones se transmite a las moléculas del aire circundante y se alejan de la campana. Como resultado, la presión aumenta en la capa de aire adyacente a la campana, que luego se propaga en ondas en todas direcciones desde la fuente.
La velocidad del sonido es independiente del volumen o del tono. Todos los sonidos de una radio en una habitación, ya sean fuertes o suaves, agudos o graves, llegan al oyente al mismo tiempo.
La velocidad del sonido depende del tipo de medio en el que viaja y de su temperatura. En los gases, las ondas sonoras viajan lentamente porque su estructura molecular enrarecida ofrece poca resistencia a la compresión. En los líquidos la velocidad del sonido aumenta y en los sólidos se vuelve aún más rápida, como se muestra en el siguiente diagrama en metros por segundo (m/s).
Camino de la onda
Las ondas sonoras viajan a través del aire de una manera similar a la que se muestra en los diagramas de la derecha. Los frentes de onda se mueven desde la fuente a una cierta distancia entre sí, determinada por la frecuencia de las vibraciones de la campana. La frecuencia de una onda sonora se determina contando el número de frentes de onda que pasan por un punto determinado por unidad de tiempo.
El frente de ondas sonoras se aleja de la campana vibrante.
En el aire uniformemente calentado, el sonido se propaga a velocidad constante.
El segundo frente sigue al primero a una distancia igual a la longitud de onda.
La intensidad del sonido es mayor cerca de la fuente.
Representación gráfica de una onda invisible.
Sondeo sonoro de profundidades.
Un haz de ondas sonoras de sonar atraviesa fácilmente el agua del océano. El principio del sonar se basa en el hecho de que las ondas sonoras se reflejan desde el fondo del océano; Este dispositivo se utiliza generalmente para determinar las características del terreno submarino.
Sólidos elásticos
El sonido viaja en una placa de madera. Las moléculas de la mayoría de los sólidos están unidas en una red espacial elástica, que está poco comprimida y al mismo tiempo acelera el paso de las ondas sonoras.
.El sonido viaja cinco veces más rápido en el agua que en el aire. La velocidad media es de 1400 - 1500 m/seg (la velocidad del sonido en el aire es de 340 m/seg). Parecería que también mejora la audibilidad en el agua. De hecho, esto está lejos de ser el caso. Después de todo, la fuerza del sonido no depende de la velocidad de propagación, sino de la amplitud de las vibraciones del sonido y de la capacidad de percepción de los órganos auditivos. El órgano de Corti, que consta de células auditivas, se encuentra en la cóclea del oído interno. Las ondas sonoras hacen vibrar el tímpano, los huesecillos auditivos y la membrana del órgano de Corti. Desde las células ciliadas de este último, que perciben las vibraciones sonoras, la estimulación nerviosa llega al centro auditivo ubicado en el lóbulo temporal del cerebro.
Una onda sonora puede ingresar al oído interno humano de dos maneras: por conducción aérea a través del canal auditivo externo, el tímpano y los huesecillos del oído medio, y por conducción ósea: vibración de los huesos del cráneo. En la superficie predomina la conducción aérea y bajo el agua predomina la conducción ósea. La simple experiencia nos convence de ello. Cubre ambos oídos con las palmas de tus manos. En la superficie, la audibilidad se deteriorará drásticamente, pero bajo el agua esto no se observa.
Así, bajo el agua, los sonidos se perciben principalmente a través de la conducción ósea. En teoría, esto se explica por el hecho de que la resistencia acústica del agua se aproxima a la resistencia acústica del tejido humano. Por tanto, la pérdida de energía durante la transición de las ondas sonoras del agua a los huesos de la cabeza de una persona es menor que en el aire. La conducción del aire casi desaparece bajo el agua, ya que el conducto auditivo externo está lleno de agua y una pequeña capa de aire cerca del tímpano transmite débilmente las vibraciones del sonido.
Los experimentos han demostrado que la conductividad ósea es un 40% menor que la conductividad del aire. Por lo tanto, la audibilidad bajo el agua generalmente empeora. El rango de audibilidad con conducción ósea del sonido depende no tanto de la fuerza como de la tonalidad: cuanto más alto es el tono, más lejos se escucha el sonido.
El mundo submarino para los humanos es un mundo de silencio, donde no hay ruidos extraños. Por tanto, las señales sonoras más simples se pueden percibir bajo el agua a distancias considerables. Una persona escucha un golpe en un bote de metal sumergido en agua a una distancia de 150-200 m, el sonido de un cascabel a 100 my una campana a 60 m.
Los sonidos producidos bajo el agua suelen ser inaudibles en la superficie, al igual que los sonidos del exterior son inaudibles bajo el agua. Para percibir sonidos bajo el agua, debes estar al menos parcialmente sumergido. Si te sumerges en el agua hasta las rodillas, empiezas a percibir un sonido que antes no se escuchaba. A medida que buceas, el volumen aumenta. Es especialmente audible cuando la cabeza está sumergida.
Para enviar señales de sonido desde la superficie, debes bajar la fuente de sonido al agua al menos hasta la mitad, y la intensidad del sonido cambiará. La orientación de oído bajo el agua es extremadamente difícil. En el aire, el sonido llega a un oído 0,00003 segundos antes que al otro. Esto le permite determinar la ubicación de la fuente de sonido con un error de sólo 1-3°. Bajo el agua, el sonido se percibe simultáneamente en ambos oídos y, por lo tanto, no se produce una percepción clara y direccional. El error de orientación puede ser de 180°.
En un experimento especialmente organizado, sólo buceadores de luz individuales después de largos viajes y... Las búsquedas se dirigieron al lugar de la fuente de sonido, que se encontraba a 100-150 m de ellos, y se observó que el entrenamiento sistemático durante un largo tiempo permite desarrollar la capacidad de navegar con bastante precisión mediante el sonido bajo el agua. Sin embargo, tan pronto como se detiene el entrenamiento, sus resultados quedan anulados.
