حقایق جالب: صدا در کجا سریعتر حرکت می کند؟
در هنگام رعد و برق، ابتدا رعد و برق قابل مشاهده است و تنها پس از مدتی صدای رعد و برق شنیده می شود. این تاخیر به این دلیل رخ می دهد که سرعت صوت در هوا بسیار کمتر از سرعت نور ناشی از رعد و برق است. جالب است به یاد داشته باشید که در کدام رسانه سریعتر حرکت می‌کند و اصلاً کجا حرکت نمی‌کند؟
آزمایش ها و محاسبات نظری سرعت صوت در هوا از قرن هفدهم انجام شده است، اما تنها دو قرن بعد دانشمند فرانسوی پیر سیمون د لاپلاس فرمول نهایی را برای تعیین آن بدست آورد. سرعت صوت به دما بستگی دارد: با افزایش دمای هوا، افزایش می یابد و با کاهش دمای هوا، کاهش می یابد. در 0 درجه سرعت صوت 331 متر بر ثانیه (1192 کیلومتر بر ساعت) و در +20 درجه در حال حاضر 343 متر بر ثانیه (1235 کیلومتر در ساعت) است.
سرعت صوت در مایعات معمولاً از سرعت صوت در هوا بیشتر است. آزمایشات برای تعیین سرعت اولین بار در سال 1826 در دریاچه ژنو انجام شد. دو فیزیکدان سوار قایق شدند و 14 کیلومتر راندند. در یک قایق باروت را آتش زدند و در همان زمان زنگی را که در آب فرو رفته بود زدند. صدای زنگ در قایق دیگری با استفاده از بوق مخصوص شنیده می شد که آن نیز در آب پایین می آمد. بر اساس فاصله زمانی بین فلاش نور و رسیدن سیگنال صوتی، سرعت صوت در آب تعیین شد. در دمای +8 درجه تقریباً 1440 متر بر ثانیه بود. افرادی که در سازه های زیر آب کار می کنند تأیید می کنند که صداهای ساحل به وضوح در زیر آب شنیده می شود و ماهیگیران می دانند که ماهی ها با کوچکترین صدای مشکوک در ساحل شنا می کنند.
سرعت صوت در جامدات از مایعات و گازها بیشتر است. به عنوان مثال، اگر گوش خود را روی ریل قرار دهید، پس از برخورد به انتهای دیگر ریل، فرد دو صدا را خواهد شنید. یکی از آنها از طریق راه آهن به گوش "می آید" و دیگری از طریق هوا. زمین رسانایی صوتی خوبی دارد. بنابراین، در زمان های قدیم، هنگام محاصره، "شنوندگان" را در دیوارهای قلعه قرار می دادند که با صدایی که از زمین منتقل می شد، می توانستند تشخیص دهند که آیا دشمن در دیوارها حفاری می کند یا نه، سواره نظام می شتابد یا نه. . به هر حال، به لطف این، افرادی که شنوایی خود را از دست داده اند، گاهی اوقات می توانند با موسیقی برقصند که نه از طریق هوا و گوش خارجی، بلکه از طریق کف و استخوان به اعصاب شنوایی آنها می رسد.
سرعت صوت عبارت است از سرعت انتشار امواج الاستیک در یک محیط، هم طولی (در گازها، مایعات یا جامدات) و هم عرضی، برشی (در جامدات)، که توسط کشش و چگالی محیط تعیین می شود. سرعت صوت در جامدات بیشتر از مایعات است. در مایعات، از جمله آب، صدا بیش از 4 برابر سریعتر از هوا حرکت می کند. سرعت صوت در گازها به دمای محیط بستگی دارد، در تک بلورها - به جهت انتشار موج.
صدا یکی از اجزای زندگی ما است و مردم آن را همه جا می شنوند. برای بررسی جزئیات بیشتر این پدیده، ابتدا باید خود مفهوم را درک کنیم. برای انجام این کار، باید به دایره المعارف مراجعه کنید، جایی که نوشته شده است که "صدا امواج الاستیکی است که در یک محیط الاستیک منتشر می شود و ارتعاشات مکانیکی در آن ایجاد می کند." به عبارت ساده تر، این ارتعاشات قابل شنیدن در هر محیطی هستند. ویژگی های اصلی صدا به آن بستگی دارد. اول از همه، سرعت انتشار، به عنوان مثال، در آب با محیط های دیگر متفاوت است.
هر آنالوگ صوتی دارای خواص (ویژگی های فیزیکی) و کیفیت های خاصی است (انعکاس این ویژگی ها در احساسات انسان). به عنوان مثال، مدت زمان، فرکانس-پیش، ترکیب-تیمبر و غیره.
سرعت صوت در آب بسیار بیشتر از مثلاً در هوا است. در نتیجه، سریعتر پخش می شود و بسیار بیشتر شنیده می شود. این به دلیل چگالی مولکولی بالای محیط آبی اتفاق می افتد. 800 برابر چگالی هوا و فولاد است. نتیجه این است که انتشار صدا تا حد زیادی به رسانه بستگی دارد. بیایید به اعداد خاص نگاه کنیم. بنابراین، سرعت صوت در آب 1430 متر بر ثانیه، در هوا - 331.5 متر بر ثانیه است.
صدای فرکانس پایین، به عنوان مثال، صدای تولید شده توسط موتور کشتی در حال کار، همیشه کمی زودتر از زمانی که کشتی در محدوده بصری ظاهر می شود شنیده می شود. سرعت آن به چند چیز بستگی دارد. اگر دمای آب افزایش یابد، طبیعتاً سرعت صوت در آب افزایش می یابد. همین اتفاق با افزایش شوری و فشار آب می افتد که با افزایش عمق آب افزایش می یابد. پدیده ای مانند ترموکلاین می تواند نقش ویژه ای در سرعت داشته باشد. اینها مکان هایی هستند که در آن لایه هایی از آب با دماهای مختلف رخ می دهد.
همچنین در چنین مکان هایی متفاوت است (به دلیل اختلاف دما). و هنگامی که امواج صوتی از چنین لایه هایی با چگالی های مختلف عبور می کنند، بیشتر قدرت خود را از دست می دهند. هنگامی که یک موج صوتی به ترموکلاین برخورد می کند، تا حدی یا گاهی به طور کامل منعکس می شود (درجه انعکاس به زاویه ای که صدا در آن می افتد بستگی دارد)، پس از آن یک منطقه سایه در طرف دیگر این مکان تشکیل می شود. اگر مثالی را در نظر بگیریم که منبع صدا در فضای آبی بالای ترموکلاین قرار دارد، شنیدن هر چیزی در زیر نه تنها دشوار، بلکه تقریبا غیرممکن خواهد بود.
که در بالای سطح منتشر می شوند، هرگز در خود آب شنیده نمی شوند. و برعکس در زیر لایه آب اتفاق می افتد: بالای آن صدایی ندارد. نمونه بارز این غواصان مدرن است. شنوایی آنها به دلیل تأثیر آب بر آنها بسیار کاهش می یابد و سرعت بالای صدا در آب کیفیت تعیین جهت حرکت آن را کاهش می دهد. این توانایی استریوفونیک برای درک صدا را کسل کننده می کند.
در زیر لایه آب، بیشتر از همه از طریق استخوان های جمجمه سر وارد گوش انسان می شود و نه مانند جو از پرده گوش. نتیجه این فرآیند درک آن توسط هر دو گوش به طور همزمان است. در این زمان، مغز انسان قادر نیست بین مکان هایی که سیگنال ها از آنجا می آیند و با چه شدتی تشخیص دهد. نتیجه ظهور هوشیاری است که به نظر می رسد صدا همزمان از همه طرف به داخل می پیچد، اگرچه این موضوع دور از واقعیت است.
علاوه بر آنچه در بالا توضیح داده شد، امواج صوتی در آب دارای ویژگی هایی مانند جذب، واگرایی و پراکندگی هستند. اولین مورد زمانی است که قدرت صوت در آب شور به دلیل اصطکاک محیط آبی و نمک های موجود در آن به تدریج از بین می رود. واگرایی در فاصله صدا از منبع خود آشکار می شود. به نظر می رسد مانند نور در فضا حل می شود و در نتیجه شدت آن به طور قابل توجهی کاهش می یابد. و نوسانات به دلیل پراکندگی توسط انواع موانع و ناهمگونی های محیط کاملاً ناپدید می شوند.
هیدروآکوستیک (از یونانی هیدور- اب، آکوستیک- شنوایی) - علم پدیده هایی است که در محیط آبی رخ می دهد و با انتشار، انتشار و دریافت امواج صوتی مرتبط است. این شامل مسائل مربوط به توسعه و ایجاد دستگاه های هیدروآکوستیک در نظر گرفته شده برای استفاده در محیط های آبی است.
تاریخ توسعه
مبانی هیدروآکوستیک
ویژگی های انتشار امواج صوتی در آب
اجزای یک رویداد پژواک.
تحقیقات جامع و اساسی در مورد انتشار امواج صوتی در آب در طول جنگ جهانی دوم آغاز شد که نیاز به حل مشکلات عملی نیروی دریایی و قبل از هر چیز زیردریایی ها دیکته شد. کار تجربی و نظری در سالهای پس از جنگ ادامه یافت و در تعدادی تک نگاری خلاصه شد. در نتیجه این کارها، برخی از ویژگی های انتشار امواج صوتی در آب شناسایی و روشن شد: جذب، تضعیف، بازتاب و شکست.
جذب انرژی موج صوتی در آب دریا توسط دو فرآیند ایجاد می شود: اصطکاک داخلی محیط و تفکیک نمک های محلول در آن. فرآیند اول انرژی یک موج صوتی را به گرما تبدیل می کند و فرآیند دوم، تبدیل به انرژی شیمیایی، مولکول ها را از حالت تعادل خارج می کند و آنها به یون تجزیه می شوند. این نوع جذب با افزایش فرکانس ارتعاش صوتی به شدت افزایش می یابد. وجود ذرات معلق، میکروارگانیسم ها و ناهنجاری های دما در آب نیز منجر به تضعیف موج صوتی در آب می شود. به عنوان یک قاعده، این تلفات کوچک است و در کل جذب گنجانده می شود، اما گاهی اوقات، به عنوان مثال، در مورد پراکندگی از دنبال یک کشتی، این تلفات می تواند تا 90٪ باشد. وجود ناهنجاری های دما منجر به این واقعیت می شود که موج صوتی به مناطق سایه آکوستیک می افتد، جایی که می تواند تحت انعکاس های متعدد قرار گیرد.
وجود رابط های بین آب - هوا و آب - پایین منجر به انعکاس موج صوتی از آنها می شود و اگر در حالت اول موج صوتی به طور کامل منعکس شود، در حالت دوم ضریب انعکاس به مواد زیر بستگی دارد: کف گل آلود به خوبی منعکس می شود، شنی و سنگی به خوبی منعکس می شود. در اعماق کم، به دلیل بازتاب های متعدد موج صوتی بین پایین و سطح، یک کانال صوتی زیر آب ظاهر می شود که در آن موج صوتی می تواند در فواصل طولانی منتشر شود. تغییر سرعت صوت در اعماق مختلف منجر به خم شدن "اشعه" صدا - انکسار می شود.
شکست صدا (انحنای مسیر پرتو صوت)
|
شکست صدا در آب: الف - در تابستان; ب - در زمستان؛ در سمت چپ تغییر سرعت با عمق است. سرعت انتشار صوت با عمق تغییر می کند و تغییرات به زمان سال و روز، عمق مخزن و تعدادی دلایل دیگر بستگی دارد. پرتوهای صوتی که از منبعی در زاویه مشخصی نسبت به افق بیرون می‌آیند خم می‌شوند و جهت خمش به توزیع سرعت صدا در محیط بستگی دارد: در تابستان، زمانی که لایه‌های بالایی گرمتر از لایه‌های پایین‌تر هستند، پرتوها به سمت پایین خم می‌شوند. و بیشتر از پایین منعکس می شوند و سهم قابل توجهی از انرژی خود را از دست می دهند. در زمستان، زمانی که لایه‌های پایینی آب دمای خود را حفظ می‌کنند، در حالی که لایه‌های بالایی خنک می‌شوند، پرتوها به سمت بالا خم می‌شوند و مکرراً از سطح آب منعکس می‌شوند، در حالی که انرژی کمتری از دست می‌رود. بنابراین در زمستان دامنه انتشار صدا بیشتر از تابستان است. توزیع عمودی سرعت صوت (VSD) و گرادیان سرعت تأثیر تعیین کننده ای بر انتشار صدا در محیط دریایی دارد. توزیع سرعت صوت در مناطق مختلف اقیانوس جهانی متفاوت است و در طول زمان تغییر می کند. چندین مورد معمول از VRSD وجود دارد: |
پراکندگی و جذب صدا توسط ناهمگنی های محیط.
انتشار صدا در صدای زیر آب کانال: الف - تغییر در سرعت صوت با عمق. b - مسیر پرتو در کانال صدا. انتشار صداهای با فرکانس بالا، زمانی که طول موج‌ها بسیار کوچک هستند، تحت تأثیر ناهمگنی‌های کوچکی است که معمولاً در توده‌های طبیعی آب یافت می‌شود: حباب‌های گاز، میکروارگانیسم‌ها و غیره. امواج. در نتیجه با افزایش فرکانس ارتعاشات صوت، دامنه انتشار آنها کاهش می یابد. این اثر به ویژه در لایه سطحی آب که بیشترین ناهمگنی ها را در آن مشاهده می کند، مشهود است. پراکندگی صدا توسط ناهمگنی ها و همچنین سطوح ناهموار آب و کف، باعث پدیده طنین زیر آب می شود که همراه با ارسال یک پالس صوتی است: امواج صوتی که از مجموعه ای از ناهمگنی ها منعکس می شوند و ادغام می شوند، باعث ایجاد یک طولانی شدن نبض صدا که پس از پایان آن ادامه می یابد. محدودیت‌های دامنه انتشار صداهای زیر آب نیز توسط صدای طبیعی دریا محدود می‌شود که منشأ دوگانه دارد: بخشی از نویز از برخورد امواج بر سطح آب، از موج‌سواری دریا، از صدای غلتاندن سنگریزه ها و غیره؛ بخش دیگر مربوط به جانوران دریایی (صداهای تولید شده توسط هیدروبیونت ها: ماهی و سایر جانوران دریایی) است. Biohydroacoustics با این جنبه بسیار جدی سروکار دارد. |
محدوده انتشار امواج صوتی
محدوده انتشار امواج صوتی تابع پیچیده ای از فرکانس تابش است که به طور منحصر به فردی با طول موج سیگنال صوتی مرتبط است. همانطور که مشخص است، سیگنال های صوتی با فرکانس بالا به دلیل جذب قوی توسط محیط آبی به سرعت ضعیف می شوند. سیگنال های فرکانس پایین، برعکس، قادر به انتشار در فواصل طولانی در محیط آبی هستند. بنابراین، یک سیگنال صوتی با فرکانس 50 هرتز می تواند در اقیانوس در فواصل هزاران کیلومتری منتشر شود، در حالی که سیگنال با فرکانس 100 کیلوهرتز، معمولی برای سونار اسکن جانبی، دارای برد انتشار تنها 1-2 کیلومتر است. . محدوده تقریبی سونارهای مدرن با فرکانس های سیگنال صوتی مختلف (طول موج) در جدول آورده شده است:
مناطق استفاده.
هیدروآکوستیک کاربرد عملی گسترده ای دریافت کرده است، زیرا هنوز یک سیستم موثر برای انتقال امواج الکترومغناطیسی زیر آب در هر فاصله قابل توجهی ایجاد نشده است و بنابراین صدا تنها وسیله ارتباطی ممکن در زیر آب است. برای این منظور از فرکانس های صوتی از 300 تا 10000 هرتز و اولتراسوند از 10000 هرتز و بالاتر استفاده می شود. ساطع کننده های الکترودینامیکی و پیزوالکتریک و هیدروفون ها به عنوان فرستنده و گیرنده در حوزه صدا و از پیزوالکتریک و مغناطیسی در حوزه اولتراسونیک استفاده می شود.
مهمترین کاربردهای هیدروآکوستیک:
- برای حل مشکلات نظامی؛
- ناوبری دریایی؛
- ارتباطات صوتی؛
- اکتشاف ماهیگیری؛
- تحقیقات اقیانوس شناسی؛
- زمینه های فعالیت برای توسعه منابع کف اقیانوس؛
- استفاده از آکوستیک در استخر (در خانه یا در یک مرکز آموزش شنای همزمان)
- آموزش حیوانات دریایی
یادداشت
ادبیات و منابع اطلاعاتی
ادبیات:
- V.V. شولیکین فیزیک دریا. - مسکو: "علم"، 1968. - 1090 ص.
- I.A. رومانیایی مبانی هیدروآکوستیک. - مسکو: "کشتی سازی"، 1979 - 105 ص.
- یو.آ. کوریاکین سیستم های هیدروآکوستیک. - سنت پترزبورگ: "علم سن پترزبورگ و قدرت دریایی روسیه"، 2002. - 416 ص.
صدا از طریق امواج صوتی عبور می کند. این امواج نه تنها از طریق گازها و مایعات، بلکه از طریق جامدات نیز حرکت می کنند. عمل هر موج عمدتاً شامل انتقال انرژی است. در مورد صدا، انتقال به شکل حرکات دقیقه ای در سطح مولکولی انجام می شود.
در گازها و مایعات، موج صوتی، مولکول ها را در جهت حرکت خود، یعنی در جهت طول موج حرکت می دهد. در جامدات، ارتعاشات صوتی مولکول ها نیز می تواند در جهت عمود بر موج رخ دهد.
امواج صوتی از منابع خود در همه جهات حرکت می کنند، همانطور که در تصویر سمت راست نشان داده شده است، که نشان می دهد زنگ فلزی به طور دوره ای با زبان خود برخورد می کند. این برخوردهای مکانیکی باعث ارتعاش زنگ می شود. انرژی ارتعاشات به مولکول های هوای اطراف منتقل می شود و آنها از زنگ رانده می شوند. در نتیجه فشار در لایه هوای مجاور زنگ افزایش می یابد که سپس به صورت امواج در همه جهات از منبع پخش می شود.
سرعت صدا مستقل از میزان صدا یا تن است. همه صداهای یک رادیو در یک اتاق، اعم از بلند یا ملایم، با صدای بلند یا کم، به طور همزمان به شنونده می رسد.
سرعت صوت به نوع محیطی که در آن حرکت می کند و دمای آن بستگی دارد. در گازها، امواج صوتی به آرامی حرکت می کنند، زیرا ساختار مولکولی کمیاب آنها مقاومت کمی در برابر فشرده سازی ارائه می دهد. در مایعات سرعت صوت افزایش می یابد و در جامدات حتی سریعتر می شود، همانطور که در نمودار زیر بر حسب متر بر ثانیه (m/s) نشان داده شده است.
مسیر موج
امواج صوتی در هوا به روشی مشابه آنچه در نمودار سمت راست نشان داده شده است حرکت می کنند. جبهه های موج از منبع در فاصله معینی از یکدیگر حرکت می کنند که با فرکانس ارتعاشات زنگ تعیین می شود. فرکانس یک موج صوتی با شمارش تعداد جبهه‌های موجی که از یک نقطه معین در واحد زمان عبور می‌کنند، تعیین می‌شود.
جلو موج صوتی از زنگ ارتعاشی دور می شود.
در هوای گرم شده یکنواخت صدا با سرعت ثابتی حرکت می کند.
جبهه دوم در فاصله ای برابر با طول موج جبهه اول را دنبال می کند.
شدت صدا نزدیک به منبع است.
نمایش گرافیکی یک موج نامرئی
صدای صوتی از اعماق
یک پرتو سونار از امواج صوتی به راحتی از آب اقیانوس عبور می کند. اصل سونار بر این واقعیت استوار است که امواج صوتی از کف اقیانوس منعکس می شود. این دستگاه معمولا برای تعیین ویژگی های زمین زیر آب استفاده می شود.
جامدات الاستیک
صدا در یک صفحه چوبی حرکت می کند. مولکول‌های اکثر جامدات به یک شبکه فضایی الاستیک متصل می‌شوند که به خوبی فشرده شده و در عین حال عبور امواج صوتی را تسریع می‌کند.
.صدا در آب پنج برابر سریعتر از هوا حرکت می کند. سرعت متوسط 1400 - 1500 متر بر ثانیه است (سرعت صوت در هوا 340 متر بر ثانیه است). به نظر می رسد که شنوایی در آب نیز بهبود می یابد. در واقع، این بسیار دور از واقعیت است. به هر حال، قدرت صدا به سرعت انتشار بستگی ندارد، بلکه به دامنه ارتعاشات صدا و توانایی درک اندام های شنوایی بستگی دارد. اندام کورتی که از سلول های شنوایی تشکیل شده است در حلزون گوش داخلی قرار دارد. امواج صوتی پرده گوش، استخوانچه های شنوایی و غشای اندام کورتی را به ارتعاش در می آورند. از سلول های مویی دومی که ارتعاشات صوتی را درک می کنند، تحریک عصبی به مرکز شنوایی واقع در لوب تمپورال مغز می رود.
موج صوتی از دو طریق می تواند وارد گوش داخلی انسان شود: از طریق هدایت هوا از طریق مجرای شنوایی خارجی، پرده گوش و استخوانچه های گوش میانی، و با هدایت استخوان - لرزش استخوان های جمجمه. در سطح، هدایت هوا غالب است و در زیر آب، هدایت استخوانی غالب است. تجربه ساده ما را در این مورد متقاعد می کند. هر دو گوش را با کف دست بپوشانید. در سطح، شنوایی به شدت بدتر می شود، اما در زیر آب این مورد مشاهده نمی شود.
بنابراین، در زیر آب، صداها عمدتاً از طریق هدایت استخوان درک می شوند. از نظر تئوری، این با این واقعیت توضیح داده می شود که مقاومت صوتی آب به مقاومت صوتی بافت انسانی نزدیک می شود. بنابراین، اتلاف انرژی در هنگام انتقال امواج صوتی از آب به استخوان‌های سر انسان کمتر از هوا است. هدایت هوا تقریباً در زیر آب ناپدید می شود، زیرا کانال شنوایی خارجی با آب پر شده است و یک لایه کوچک از هوا در نزدیکی پرده گوش ارتعاشات صوتی را ضعیف منتقل می کند.
آزمایشات نشان داده است که هدایت استخوان 40 درصد کمتر از رسانایی هوا است. بنابراین، شنوایی در زیر آب به طور کلی بدتر می شود. دامنه شنوایی با رسانایی استخوانی صدا نه به قدرت بلکه به تونالیته بستگی دارد: هر چه تون بالاتر باشد، صدا دورتر شنیده می شود.
دنیای زیر آب برای انسان ها دنیایی از سکوت است که در آن هیچ صدای اضافی وجود ندارد. بنابراین، ساده ترین سیگنال های صوتی را می توان در فاصله های قابل توجهی در زیر آب درک کرد. شخص در فاصله 150-200 متری در قوطی فلزی غوطه ور در آب، صدای جغجغه را در فاصله 100 متری و زنگ را در فاصله 60 متری می شنود.
صداهایی که در زیر آب ایجاد می شود معمولاً بر روی سطح غیرقابل شنیدن هستند، همانطور که صداهای خارج در زیر آب قابل شنیدن نیستند. برای درک صداهای زیر آب، باید حداقل تا حدی غوطه ور باشید. اگر تا زانو وارد آب شوید، صدایی را درک می کنید که قبلاً شنیده نشده بود. با شیرجه رفتن، صدا افزایش می یابد. به ویژه هنگامی که سر در آب فرو رفته است شنیده می شود.
برای ارسال سیگنال های صوتی از سطح، باید منبع صدا را حداقل تا نیمه در آب پایین بیاورید و قدرت صدا تغییر می کند. جهت یابی زیر آب با گوش بسیار دشوار است. در هوا، صدا در یک گوش 0.00003 ثانیه زودتر از گوش دیگر می رسد. این به شما امکان می دهد مکان منبع صدا را تنها با خطای 1-3 درجه تعیین کنید. در زیر آب، صدا به طور همزمان توسط هر دو گوش درک می شود و بنابراین درک واضح و جهت دار رخ نمی دهد. خطا در جهت گیری می تواند 180 درجه باشد.
در یک آزمایش ویژه، تنها غواصان نور پس از سرگردانی طولانی و... جستجوها به محل منبع صدا که در فاصله 100-150 متری آنها قرار داشت رفتند. خاطرنشان شد که آموزش سیستماتیک در مدت طولانی امکان ایجاد توانایی حرکت کاملاً دقیق با صدا در زیر آب را فراهم می کند. با این حال، به محض توقف آموزش، نتایج آن باطل می شود.
