Цікаві факти: де швидше поширюється звук?
Під час грози спочатку видно спалах блискавки і лише через деякий час чуються гуркіт грому. Це запізнення виникає через те, що швидкість звуку в повітрі значно менша за швидкість світла, що йде від блискавки. Цікаво згадати, у якому середовищі звук поширюється найшвидше, а де взагалі не поширюється?
Досліди і теоретичні розрахунки швидкості звуку повітря починалися ще з XVII століття, але тільки два століття французький учений П'єр-Симон де Лаплас вивів остаточну формулу її визначення. Швидкість звуку залежить від температури: зі збільшенням температури повітря вона зростає, і зі зменшенням - падає. При 0° швидкість звуку становить 331 м/с (1192 км/год), за +20° вона вже дорівнює 343 м/с (1235 км/год).
Швидкість звуку в рідинах, як правило, більша за швидкість звуку в повітрі. Досліди щодо визначення швидкості вперше провели на Женевському озері в 1826 році. Два фізики сіли в човни та роз'їхалися на 14 км. На одному човні підпалювали порох і водночас ударяли в дзвін, опущений у воду. Звук дзвона за допомогою спеціального рупора, також опущеного у воду, уловлювався на іншому човні. За інтервалом часу між спалахом світла та приходом звукового сигналу визначили швидкість звуку у воді. При температурі +8° вона дорівнювала приблизно 1440 м/с. Люди, які працюють у підводних спорудах, підтверджують, що під водою виразно чути берегові звуки, а рибалки знають, що риба спливає за найменшого підозрілого шуму на березі.
Швидкість звуку в твердих тілах більша, ніж у рідинах та газах. Наприклад, якщо прикласти вухо до рейки, то після удару по іншому кінці рейки людина почує два звуки. Один з них «прийде» до вуха рейкою, інший – повітрям. Хорошу провідність звуку має земля. Тому в стародавні часи при облогу в фортечних стінах поміщали «слухачів», які за звуком, що передається землею, могли визначити, чи ворог веде ворог підкоп до стін чи ні, мчить кіннота чи ні. До речі, завдяки цьому люди, які втратили слух, іноді здатні танцювати під музику, яка доходить до їхніх слухових нервів не через повітря та зовнішнє вухо, а через підлогу та кістки.
Швидкість звуку – швидкість поширення пружних хвиль у середовищі як у поздовжніх (у газах, рідинах чи твердих тілах), і у поперечних, зсувних (у твердих тілах), визначається пружністю і щільністю середовища. Швидкість звуку в твердих тілах більша, ніж у рідинах. У рідинах, у тому числі у воді, звук мчить у 4 з лишком рази швидше, ніж у повітрі. Швидкість звуку в газах залежить від температури середовища, монокристалах - від напряму поширення хвилі.
Звук - одна із складових нашого життя, і людина чує її скрізь. Щоб детальніше розглянути це явище, спочатку треба розібратися із самим поняттям. Для цього треба звернутися до енциклопедії, де написано, що «звук – це пружні хвилі, що розповсюджуються в будь-якому пружному середовищі і створюють у ній механічні коливання». Говорячи більше простою мовою- це чутні коливання у якомусь середовищі. Від того, яка вона і залежать основні характеристики звуку. Насамперед - швидкість поширення, наприклад, у воді відрізняється від іншого середовища.
Будь-який звуковий аналог має певними властивостями(фізичними особливостями) та якостями (відображення цих ознак у людських відчуттях). Наприклад, тривалість-тривалість, частота-висота, склад-тембр і таке інше.
Швидкість звуку у воді значно вища, ніж, припустимо, у повітрі. Отже, поширюється він швидше і набагато далі чути. Відбувається таке через високу молекулярну щільність водного середовища. Вона у 800 разів щільніша, ніж повітря та сталь. Звідси випливає, що поширення звуку багато в чому залежить від середовища. Звернемося до конкретних цифр. Так, швидкість звуку у воді дорівнює 1430м/с, у повітрі – 331,5м/с.
Низькочастотний звук, наприклад, шум, який здійснює працюючий судновий двигун, завжди чується трохи раніше, ніж судно з'являється в зоні видимості. Його швидкість залежить від кількох речей. Якщо температура води збільшується, то, звичайно, підвищується швидкість звуку у воді. Те саме відбувається з підвищенням солоності води та тиску, що зростає зі збільшенням глибини водного простору. Особливу роль швидкість може надати таке явище, як термоклиня. Це такі місця, де зустрічаються різної температури шари води.
Також у таких місцях різна (через різницю в температурному режимі). І коли хвилі звуку проходять через такі різнощі шари, вони втрачають більшу частину своєї сили. Зіткнувшись з термоклином, звукова хвиля частково, котрий іноді повністю, відбивається (ступінь відбиття залежить від кута, під яким падає звук), після чого, з іншого боку цього місця, утворюється тіньова зона. Якщо розглянути приклад, коли звукове джерело розташовується у водному просторі вище за термоклин, то вже нижче почути взагалі щось буде не те що складно, а практично неможливо.
Які видаються над поверхнею, у самій воді ніколи не чути. І навпаки відбувається коли під водним шаром: над ним він не звучить. Яскравий тому приклад – сучасні дайвери. Їх слух сильно знижується через те, що вода впливає на висока швидкістьзвуку у воді знижує якість визначення напрямку, звідки рухається. Цим притуплюється стереофонічна здатність сприйняття звуку.
Під шаром води надходять у людське вухо найбільше через кістки черепної коробкиголови, а не як у атмосфері, через барабанні перетинки. Результатом такого процесу стає його сприйняття одночасно обома вухами. Мозок людини неспроможний тим часом розрізнити місця, звідки надходять сигнали, й у який інтенсивності. Підсумком стає поява свідомості, що звук як би накочує з усіх боків одночасно, хоча це далеко не так.
Крім описаного вище, звукові хвилі у водному просторі мають такі якості, як поглинання, розбіжність та розсіювання. Перше - коли сила звуку в солоній воді поступово сходить нанівець за рахунок тертя водного середовища і солей, що знаходяться в ній. Розбіжність проявляється у віддаленні звуку з його джерела. Він ніби розчиняється у просторі як світло, і в результаті його інтенсивність значно падає. А зникають коливання зовсім через розсіювання на всіляких перешкодах, неоднорідності середовища.
Гідроакустика (Від грец. hydor- вода, akusticoc- слуховий) - наука про явища, що відбуваються в водному середовищіта пов'язаних з поширенням, випромінюванням та прийомом акустичних хвиль. Вона включає питання розробки та створення гідроакустичних засобів, призначених для використання у водному середовищі.
Історія розвитку
Основи гідроакустики
Особливості розповсюдження акустичних хвиль у воді
Компоненти події появи ехосигналу.
Початок всебічних та фундаментальних дослідженьрозповсюдження акустичних хвиль у воді було покладено в роки Другої світової війни, що диктувалося необхідністю вирішення практичних завдань військово-морських флотіві насамперед підводних човнів. Експериментальні та теоретичні роботибули продовжені і в повоєнні рокита узагальнені у ряді монографій. В результаті цих робіт було виявлено та уточнено деякі особливості поширення акустичних хвиль у воді: поглинання, згасання, відображення та рефракція.
Поглинання енергії акустичної хвилі в морській водіобумовлюється двома процесами: внутрішнім тертямсередовища та дисоціацією розчинених у ній солей Перший процес перетворює енергію акустичної хвилі на теплову, а другий - перетворюючись на хімічну енергію, виводить молекули з рівноважного стану, і вони розпадаються на іони. Цей вид поглинання різко зростає із збільшенням частоти акустичного коливання. Наявність у воді завислих частинок, мікроорганізмів та температурних аномалій призводить також до загасання акустичної хвилі у воді. Як правило, ці втрати невеликі, і їх включають у загальне поглинання, проте іноді, як, наприклад, у разі розсіювання від сліду корабля, ці втрати можуть становити до 90%. Наявність температурних аномалій призводить до того, що акустична хвиля потрапляє до зон акустичної тіні, де вона може зазнати багаторазових відображень.
Наявність меж розділу вода - повітря і вода - дно призводить до відбиття від них акустичної хвилі, причому, якщо в першому випадку акустична хвиля відбивається повністю, то в другому випадку коефіцієнт відображення залежить від матеріалу дна: погано відбиває мулисте дно, добре - піщане та кам'янисте . На невеликих глибинах через багаторазове відображення акустичної хвилі між дном і поверхнею виникає підводний звуковий канал, в якому акустична хвиля може поширюватися на великі відстані. Зміна величини швидкості звуку на різних глибинах призводить до викривлення звукових променів - рефракції.
Рефракція звуку (викривлення шляху звукового променя)
|
Рефракція звуку у воді: а – влітку; б – взимку; ліворуч – зміна швидкості з глибиною. Швидкість поширення звуку змінюється з глибиною, причому зміни залежать від пори року і дня, глибини водойми та інших причин. Звукові промені, що виходять з джерела під деяким кутом до горизонту, згинаються, причому напрямок вигину залежить від розподілу швидкостей звуку в середовищі: влітку, коли верхні шари тепліші за нижні, промені згинаються донизу і в більшості відбиваються від дна, втрачаючи при цьому значну. ; взимку, коли нижні шари води зберігають свою температуру, тим часом як верхні шари охолоджуються, промені згинаються догори і багаторазово відбиваються від поверхні води, при цьому втрачається значно менше енергії. Тому взимку дальність поширення звуку більша, ніж улітку. Вертикальний розподіл швидкості звуку (ВРСЗ) та градієнт швидкості надають визначальний вплив на поширення звуку в морському середовищі. Розподіл швидкості звуку у різних районах Світового океану різний і змінюється у часі. Розрізняють кілька типових випадків ВРСЗ: |
Розсіювання та поглинання звуку неоднорідностями середовища.
Поширення звуку у підводному звук. канал: а - зміна швидкості звуку з глибиною; б - перебіг променів у звуковому каналі. На поширення звуків високої частоти, коли довжини хвиль дуже малі, впливають дрібні неоднорідності, які є у природних водоймах: бульбашки газів, мікроорганізми тощо. буд. Ці неоднорідності діють подвійним чином: вони поглинають і розсіюють енергію звукових хвиль. У результаті підвищення частоти звукових коливань дальність їх поширення скорочується. Особливо сильно цей ефект помітний у поверхневому шарі води, де найбільше неоднорідностей. Розсіювання звуку неоднорідностями, а також нерівностями поверхні води та дна викликає явище підводної реверберації, що супроводжує посилку звукового імпульсу: звукові хвилі, відбиваючись від сукупності неоднорідностей і зливаючись, дають затягування звукового імпульсу, що триває після закінчення. Межі дальності поширення підводних звуків так само обмежуються власними шумами моря, що мають двояке походження: частина шумів виникає від ударів хвиль на поверхні води, від морського прибою, від шуму гальки, що перекочується, і т. п.; інша частина пов'язана з морською фауною (звуки, що виробляються гідробіонтами: рибами та ін морськими тваринами). Цим дуже серйозним аспектом займається біогідроакустика. |
Дальність розповсюдження звукових хвиль
Дальність поширення звукових хвиль є складною функцієючастоти випромінювання, яка однозначно пов'язана із довжиною хвилі акустичного сигналу. Як відомо, високочастотні акустичні сигнали швидко згасають завдяки сильному поглинанню водним середовищем. Низькочастотні сигнали навпаки здатні поширюватися у водному середовищі великі відстані. Так акустичний сигнал з частотою 50 Гц здатний поширюватися в океані на відстані тисячі кілометрів, тоді як сигнал із частотою 100 кГц, звичайний для гідролокатора бічного огляду, має дальність поширення всього 1-2 км. Приблизні дальності дії сучасних гідролокаторів із різною частотою акустичного сигналу (довжиною хвилі) наведені у таблиці:
Області застосування.
Гідроакустика набула широкого практичного застосування, оскільки ще не створено ефективної системипередачі електромагнітних хвиль під водою на скільки-небудь значній відстані, і звук тому є єдиним можливим засобомзв'язку під водою. Для цього користуються звуковими частотами від 300 до 10000 гц і ультразвуками від 10000 гц і від. Як випромінювачі і приймачі в звуковій області використовуються електродинамічні та п'єзоелектричні випромінювачі та гідрофони, а в ультразвуковій - п'єзоелектричні та магнітострикційні.
Найбільш суттєві застосування гідроакустики:
- Для вирішення військових завдань;
- Морська навігація;
- Звукопідводний зв'язок;
- Рибопошукова розвідка;
- Океанологічні дослідження;
- Сфери діяльності з освоєння багатств дна Світового океану;
- Використання акустики в басейні (вдома або в тренувальному центрі із синхронного плавання)
- Тренування морських тварин.
Примітки
Література та джерела інформації
ЛІТЕРАТУРА:
- В.В. Шулейкін Фізика моря. - Москва: "Наука", 1968 р. - 1090 с.
- І.А. Румунська Основи гідроакустики. - Москва: «Суднобудування», 1979 р. - 105 с.
- Ю.А. Корякін Гідроакустичні системи. – СПб: «Наука Санкт-Петербурга та морська міць Росії», 2002 р. – 416 с.
Звук поширюється у вигляді звукових хвиль. Ці хвилі проходять не лише крізь гази та рідини, а й через тверді тіла. Дія будь-яких хвиль полягає головним чином переносі енергії. У разі звуку перенесення набуває форми дрібних переміщень на молекулярному рівні.
У газах і рідинах звукова хвиля зрушує молекули у бік свого руху, тобто у бік довжини хвилі. У твердих тілах звукові коливання молекул можуть відбуватися і у напрямку перпендикулярному хвилі.
Звукові хвилі поширюються зі своїх джерел у всіх напрямках, як це показано на малюнку праворуч, на якому зображено металевий дзвін, що періодично стикається зі своєю мовою. Ці механічні зіткнення змушують дзвін вібрувати. Енергія вібрацій повідомляється молекулам навколишнього повітря, вони відтісняються від дзвони. В результаті в прилеглому до дзвону шарі повітря збільшується тиск, який потім хвилеподібно поширюється на всі боки від джерела.
Швидкість звуку залежить від гучності чи тону. Всі звуки від радіоприймача в кімнаті, будь вони гучними чи тихими, високого тонуабо низького, досягають слухача одночасно.
Швидкість звуку залежить від виду середовища, в якому він поширюється, та від його температури. У газах звукові хвилі поширюються повільно, тому що їхня розріджена молекулярна структура слабо перешкоджає стиску. У рідинах швидкість звуку збільшується, а в твердих тілах стає ще вищою, як це показано на діаграмі внизу в метрах за секунду (м/с).
Шлях хвилі
Звукові хвилі поширюються у повітрі аналогічно показаному на діаграмах праворуч. Хвильові фронти рухаються від джерела на певній відстані один від одного, що визначається частотою коливань дзвона. Частота звукової хвилі визначається шляхом підрахунку числа хвильових фронтів, що пройшли через дану точкуза одиницю часу.
Фронт звукової хвилі віддаляється від дзвона, що вібрує.
У рівномірно прогрітому повітрі звук поширюється постійною швидкістю.
Другий фронт слідує за першим на відстані, що дорівнює довжині хвилі.
Сила звуку максимальна поблизу джерела.
Графічне зображення невидимої хвилі
Звукове зондування глибин
Пучок променів гідролокатора, що складається із звукових хвиль, легко проходить через океанську воду. Принцип дії гідролокатора заснований на тому факті, що звукові хвилі відбиваються від океанського дна; цей прилад зазвичай використовується визначення особливостей підводного рельєфу.
Пружні тверді тіла
Звук поширюється на дерев'яні пластини. Молекули більшості твердих тіл пов'язані в пружні просторові ґрати, які погано стискуються і водночас прискорюють проходження звукових хвиль.
.Звук поширюється у воді вп'ятеро швидше, ніж у повітрі. Середня швидкість дорівнює 1400 - 1500 м/сек (швидкість поширення звуку повітря 340 м/сек). Здавалося б, що чутність у воді також покращується. Насправді, це далеко не так. Адже сила звуку залежить не від швидкості розповсюдження, а від амплітуди звукових коливань та здатності органів слуху, що сприймає. У равлику внутрішнього вухарозташований кортієвий орган, що складається з слухових клітин. Звукові хвилі коливають барабанну перетинку, слухові кісточкита мембрану кортієвого органу. Від волосяних клітин останнього, що сприймають звукові коливання, нервове збудженняйде в слуховий центр, розташований у скроневій частині головного мозку.
Звукова хвиля може потрапити у внутрішнє вухо людини двома шляхами: повітряною провідністючерез зовнішній слуховий прохід, барабанну перетинку та слухові кісточки середнього вуха та за допомогою кісткової провідності- Вібрації кісток черепа. На поверхні переважає повітряна, а під водою кісткова провідність. У цьому переконує простий досвід. Закрийте руками обидва вуха. На поверхні чутність різко погіршиться, під водою цього не відзначається.
Отже, під водою звуки сприймаються переважно шляхом кісткової провідності. Теоретично це пояснюється тим, що акустичний опір води наближається до акустичного опору тканин людини. Тому втрати енергії при переході звукових хвиль із води в кістки голови людини менші, ніж у повітрі. Повітряна провідність під водою майже зникає, оскільки зовнішній слуховий прохід заповнений водою, а невеликий прошарок повітря біля барабанної перетинкислабо передає звукові коливання.
Досвідами встановлено, що кісткова провідність на 40% нижча за повітряну. Тому чутність під водою загалом погіршується. Дальність чутності при кістковій провідності звуку залежить не так від сили, як від тональності: що вище тон, то далі чути звук.
Підводний світ людини - це світ тиші, де відсутні сторонні шуми. Тому найпростіші звукові сигнали можуть сприйматися під водою значних відстанях. Людина чує удар по металевому балончику, зануреному у воду, на відстані 150-200 м, звук тріскачки-на 100 м, дзвіночка - на 60 м.
Звуки, що видаються під водою, зазвичай не чути на поверхні, як і під водою не чути звуків ззовні. Для сприйняття підводних звуків потрібно хоча б частково зануритися. Якщо ввійти у воду по коліна, починаєш сприймати звук, який раніше не був чутний. У міру занурення гучність збільшується. Особливо добре чути при зануренні голови.
Для подачі звукових сигналів з поверхні обов'язково потрібно опустити джерело звуку у воду хоча б наполовину і сила звуку зміниться. Орієнтування під водою по слуху вкрай утруднене. У повітряному середовищі звук приходить в одне вухо раніше на 0,00003 с, ніж в інше. Це дозволяє визначити знаходження джерела звуку з помилкою лише 1-3°. Під водою звук одночасно сприймається обома вухами і тому чіткого, спрямованого сприйняття не відбувається. Помилка в орієнтуванні буває 180 °.
У спеціально поставленому досвіді лише окремі легкі водолази після довгих блукань. пошуків виходили до місця розташування джерела звуку, що від них у 100-150 м. Зазначено, що систематичні тренування протягом багато часу дозволяють виробити здатність досить точно орієнтуватися по звуку під водою. Однак, як тільки тренування припиняється, його результати зводяться нанівець.
