На большие расстояния звуковая энергия распространяется только вдоль пологих лучей, которые на всем пути не касаются дна океана. В этом случае ограничением, накладываемым средой на дальность распространения звука, является поглощение его в морской воде. Основной механизм поглощения связан с релаксационными процессами, сопровождающими нарушение акустической волной термодинамического равновесия между ионами и молекулами растворенных в воде солей. Следует отметить, что главная роль в поглощении в широком диапазоне звуковых частот принадлежит серномагниевой соли MgSO4, хотя в процентном отношении ее содержание в морской воде совсем невелико - почти в 10 раз меньше, чем, например, каменной соли NаС1, которая тем не менее не играет сколько-нибудь заметной роли в поглощении звука.
Поглощение в морской воде, вообще говоря, тем больше, чем выше частота звука. На частотах от 3-5 до по крайней мере 100 кГц, где доминирует указанный выше механизм, поглощение пропорционально частоте в степени примерно 3/2. На более низких частотах включается новый механизм поглощения (возможно, он связан с наличием в воде солей бора), который становится особенно заметным в диапазоне сотен герц; здесь уровень поглощения аномально высок и существенно медленнее падает с уменьшением частоты.
Чтобы более наглядно представить себе количественные характеристики поглощения в морской воде, заметим, что за счет этого эффекта звук с частотой 100 Гц ослабляется в 10 раз на пути в 10 тыс. км, а с частотой 10 кГц - на расстоянии только в 10 км (рисунок 2). Таким образом, только низкочастотные звуковые волны могут быть использованы для дальней подводной связи, для дальнего обнаружения подводных препятствий и т.п .
Рисунок 2 – Расстояния, на которых звуки разных частот затухают в 10 раз при распространении в морской воде.
В области слышимых звуков для диапазона частот 20-2000 Гц дальность распространения под водой звуков средней интенсивности достигает 15-20 км, а в области ультразвука – 3-5 км.
Если исходить из величин затухания звука, наблюдаемых в лабораторных условиях в малых объёмах воды, то можно было бы ожидать значительно больших дальностей. Однако в естественных условиях, кроме затухания, обусловленного свойствами самой воды (т. н. вязкого затухания), сказываются ещё его рассеяние и поглощение различными неоднородностями среды.
Рефракция звука, или искривление пути звукового луча, вызывается неоднородностью свойств воды, главным образом по вертикали, вследствие трёх основных причин: изменения гидростатического давления с глубиной, изменения солёности и изменения температуры вследствие неодинакового прогрева массы воды солнечными лучами. В результате совокупного действия этих причин скорость распространения звука, составляющая около 1450 м/сек для пресной воды и около 1500 м/сек для морской, изменяется с глубиной, причём закон изменения зависит от времени года, времени дня, глубины водоёма и ряда др. причин. Звуковые лучи, вышедшие из источника под некоторым углом к горизонту, изгибаются, причём направление изгиба зависит от распределения скоростей звука в среде. Летом, когда верхние слои теплее нижних, лучи изгибаются книзу и в большинстве своём отражаются от дна, теряя при этом значительную долю своей энергии. Наоборот, зимой, когда нижние слои воды сохраняют свою температуру, между тем как верхние слои охлаждаются, лучи изгибаются кверху и претерпевают многократные отражения от поверхности воды, при которых теряется значительно меньше энергии. Поэтому зимой дальность распространения звука больше, чем летом. Вследствие рефракции образуются т. н. мёртвые зоны, т. е. области, расположенные недалеко от источника, в которых слышимость отсутствует.
Наличие рефракции, однако, может приводить к увеличению дальности распространения звука - явлению сверхдальнего распространения звуков под водой. На некоторой глубине под поверхностью воды находится слой, в котором звук распространяется с наименьшей скоростью; выше этой глубины скорость звука увеличивается из-за повышения температуры, а ниже - вследствие увеличения гидростатического давления с глубиной. Этот слой представляет собой своеобразный подводный звуковой канал. Луч, отклонившийся от оси канала вверх или вниз, вследствие рефракции всегда стремится попасть в него обратно. Если поместить источник и приёмник звука в этом слое, то даже звуки средней интенсивности (например, взрывы небольших зарядов в 1-2 кг) могут быть зарегистрированы на расстояниях в сотни и тысячи км. Существенное увеличение дальности распространения звука при наличии подводного звукового канала может наблюдаться при расположении источника и приёмника звука не обязательно вблизи оси канала, а, например, у поверхности. В этом случае лучи, рефрагируя книзу, заходят в глубоководные слои, где они отклоняются кверху и выходят снова к поверхности на расстоянии в несколько десятков км от источника. Далее картина распространения лучей повторяется и в результате образуется последовательность т. н. вторичных освещенных зон, которые обычно прослеживаются до расстояний в несколько сотен км.
На распространение звуков высокой частоты, в частности ультразвуков, когда длины волн очень малы, оказывают влияние мелкие неоднородности, обычно имеющиеся в естественных водоёмах: микроорганизмы, пузырьки газов и т.д. Эти неоднородности действуют двояким образом: они поглощают и рассеивают энергию звуковых волн. В результате с повышением частоты звуковых колебаний дальность их распространения сокращается. Особенно сильно этот эффект заметен в поверхностном слое воды, где больше всего неоднородностей. Рассеяние звука неоднородностями, а также неровностями поверхности воды и дна вызывает явление подводной реверберации, сопровождающей посылку звукового импульса: звуковые волны, отражаясь от совокупности неоднородностей и сливаясь, дают затягивание звукового импульса, продолжающееся после его окончания, подобно реверберации, наблюдающейся в закрытых помещениях. Подводная реверберация - довольно значительная помеха для ряда практических применений гидроакустики, в частности для гидролокации.
Пределы дальности распространения подводных звуков лимитируются ещё и т.н. собственными шумами моря, имеющими двоякое происхождение. Часть шумов возникает от ударов волн на поверхности воды, от морского прибоя, от шума перекатываемой гальки и т.п. Другая часть связана с морской фауной; сюда относятся звуки, производимые рыбами и др. морскими животными .
Под звуком понимают упругие волны, лежащие в пределах слышимости человеческого уха, в интервале колебаний от 16 гц до 20 кгц. Колебания с частотой ниже 16 гц называются инфразвуком, свыше 20 кгц -ультразвуком.
Вода по сравнению с воздухом обладает большей плотностью и меньшей сжимаемостью. В связи с этим скорость звука в воде в четыре с половиной раза больше, чем в воздухе, и составляет 1440 м/сек. Частота колебаний звука (ню) связана с длиной волны (лямбда) соотношением: c = лямбда-ню. Звук распространяется в воде без дисперсии. Скорость звука в воде изменяется в зависимости от двух параметров: плотности и температуры. Изменение температуры на 1° влечет за собой соответственное изменение скорости звука на 3,58 м в секунду. Если проследить за скоростью распространения звука от поверхности до дна, окажется, что сначала из-за понижения температуры она быстро убывает, достигнув на некоторой глубине минимума, а затем, с глубиной, начинает быстро возрастать за счет увеличения давления воды, которое, как известно, возрастает приблизительно на 1 атм на каждые 10 м глубины.
Начиная с глубины приблизительно 1200 м , где температура воды практически остается постоянной, изменение скорости звука происходит за счет изменения давления. «На глубине, равной приблизительно 1200 м (для Атлантики), имеется минимум значения скорости звука; на больших глубинах благодаря увеличению давления скорость звука опять увеличивается. Так как звуковые лучи всегда изгибаются к участкам среды, где их скорость наименьшая, то они концентрируются в слое с минимальной скоростью звука» (Красильников, 1954). Этот слой, открытый советскими физиками Л. Д. Розенбергом и Л.М. Бреховских, носит название «подводного звукового канала». Звук, попавший в звуковой канал, может распространяться без ослабления на огромные расстояния. Эту особенность необходимо иметь в виду при рассмотрении акустической сигнализации глубоководных рыб.
Поглощение звука в воде в 1000 раз меньше, чем в воздухе. Источник звука в воздухе мощностью в 100 квт в воде слышен на расстоянии до 15 км ; в воде источник звука в 1 квт слышен на расстоянии 30-40 км. Звуки различных частот поглощаются неодинаково: сильнее всего поглощаются звуки высоких частот и мгнее всего - низкие звуки. Малое поглощение звука в воде позволило использовать его для гидролокации и сигнализации. Водные пространства наполнены большим количеством различных звуков. Звуки водоемов Мирового океана, как показал американский гидроакустик Венц (Wenz, 1962), возникают в связи со следующими факторами: приливами и отливами, течениями, ветром, землетрясениями и цунами, индустриальной деятельностью человека и биологической жизнью. Характер шумов, создаваемых различными факторами, отличается как набором звуковых частот, так и их интенсивностью. На рис. 2 показана зависимость спектра и уровня давления звуков Мирового океана от вызывающих их факторов.
В различных участках Мирового океана состав шумов определяют различные компоненты. Большое влияние при этом на состав звуков оказывают дно и берега.
Таким образом, состав и интенсивность шумов в различных участках Мирового океана исключительно разнообразны. Существуют эмпирические формулы, показывающие зависимость интенсивности шумов моря от интенсивности вызывающих их факторов. Однако в практических целях шумы океана измеряются обычно эмпирически.
Следует отметить, что среди звуков Мирового океана наибольшей интенсивностью отличаются индустриальные звуки, создаваемые человеком: шум кораблей, тралов и т. д. По данным Шейна (1964), они по интенсивности в 10-100 раз превышают иные звуки Мирового океана. Однако, как видно из рис. 2, их спектральный состав несколько отличается от спектрального состава звуков, вызываемых другими факторами.
При распространении в воде звуковые волны могут отражаться, преломляться, поглощаться, испытывать диффракцию и интерференцию.
Встречая на своем пути препятствие, звуковые волны могут отразиться от него в случае, когда длина их волны (лямбда) меньше размера препятствия, или обогнуть (диффрагировать) его в случае, когда их длина волны больше препятствия. В этом случае можно слышать то, что происходит за препятствием, не видя источника непосредственно. Падая на препятствие, звуковые волны в одном случае могут отразиться, в другом - проникнуть в него (поглотиться им). Величина энергии отраженной волны зависит от того, как сильно разнятся между собой так называемые акустические сопротивления сред «р1с1» и «р2с2», на границу раздела которых падают звуковые волны. Под акустическим сопротивлением среды подразумевается произведение плотности данной среды р на скорость распространения звука с в ней. Чем больше разница акустических сопротивлений сред, тем большая часть энергии отразится от раздела двух сред, и наоборот. В случае, например, падения звука из воздуха, рс которого 41, в воду, рс которой 150 000, он отражается согласно формуле:
В связи с указанным звук гораздо лучше проникает в твердое тело из воды, чем из воздуха. Из воздуха в воду звук хорошо проникает через кусты или камыши, выступающие над водной поверхностью.
В связи с отражением звука от препятствий и его волновой природой может происходить сложение или вычитание амплитуд звуковых давлений одинаковых частот, пришедших в данную точку пространства. Важным следствием такого сложения (интерференции) является образование стоячих волн при отражении. Если, например, привести в колебание камертон, приближая и удаляя его от стены, можно слышать из-за появления пучностей и узлов в звуковом поле усиление и ослабление громкости звука. Обычно стоячие волны образуются в закрытых емкостях: в аквариумах, бассейнах и пр. при относительно длительном по времени звучании источника.
В реальных условиях моря или другого естественного водоема при распространении звука наблюдаются многочисленные сложные явления, возникающие в связи с неоднородностью водной среды. Огромное влияние на распространение звука в естественных водоемах оказывают дно и границы раздела (вода - воздух), температурная и солевая неоднородность, гидростатическое давление, пузырьки воздуха и планктонные организмы. Поверхности раздела вода - воздух и дно, а также неоднородность воды приводят к явлениям рефракции (искривление звуковых лучей), или реверберации (многократное отражение звуковых лучей).
Пузырьки воды, планктон и другие взвеси способствуют поглощению звука в воде. Количественная оценка этих многочисленных факторов в настоящее время еще не разработана. Учитывать же их при постановке акустических опытов необходимо.
Рассмотрим теперь явления, происходящие в воде при излучении в ней звука.
Представим себе звуковой источник как пульсирующую сферу в бесконечном пространстве. Акустическая энергия, излучаемая таким источником, ослабляется обратно пропорционально квадрату расстояния от его центра.
Энергия образующихся звуковых волн может быть охарактеризована тремя параметрами: скоростью, давлением и смещением колеблющихся частиц воды. Два последних параметра представляют особый интерес при рассмотрении слуховых способностей рыб, поэтому на них остановимся более подробно.
По Гаррису и Бергельджику (Harris a. Berglijk, 1962), распространение волн давления и эффекта смещения по-разному представлены в ближнем (на расстоянии менее одной длины волны звука) и дальнем (на расстоянии, более одной длины волны звука) акустическом поле.
В дальнем акустическом поле давление ослабляется обратно пропорционально расстоянию от источника звука. При этом в дальнем акустическом поле амплитуды смещения прямо пропорциональны амплитудам давления и связаны между собой формулой:
где Р - акустическое давление в дин/см 2 ;
d - величина смещения частиц в см.
В ближнем акустическом поле зависимость между амплитудами давления и смещения иная:
где Р -акустическое давление в дин/см 2 ;
d - величины смещения частиц воды в см;
f - частота колебаний в гц;
рс - акустическое сопротивление воды, равное 150 000 г/см 2 сек 2 ;
лямбда - длина волны звука в м ; r - расстояние от центра пульсирующей сферы;
i = SQR i
Из формулы видно, что амплитуда смещения в ближнем акустическом поле зависит от длины волны, звука и расстояния от источника звука.
На расстояниях, меньших, чем длина волны рассматриваемого звука, амплитуда смещения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния:
где А - радиус пульсирующей сферы;
Д - увеличение радиуса сферы за счет пульсации; r - расстояние от центра сферы.
Рыбы, как будет показано ниже, обладают двумя разными типами приемников. Одни из них воспринимают давление, а другие - смещение частиц воды. Приведенные уравненияимеют поэтому большое значение для правильной оценки ответных реакций рыб на подводные источники звука.
В связи с излучением звука отметим еще два явления, связанные с излучателями: явление резонанса и направленности излучателей.
Излучение звука телом происходит в связи с его колебаниями. Каждое тело имеет собственную частоту колебаний, определяемую размером тела и его упругими свойствами. Если такое тело приводится в колебание, частота которого совпадает с его собственной частотой, наступает явление значительного увеличения амплитуды колебания - резонанс. Применение понятия о резонансе позволяет охарактеризовать некоторые акустические свойства излучателей и приемников рыб. Излучение звука в воду может быть направленным и ненаправленным. В первом случае звуковая энергия распространяется преимущественно в определенном направлении. График, выражающий пространственное распределение звуковой энергии данного источника звука, называют диаграммой его направленности. Направленность излучения наблюдается в случае, когда диаметр излучателя значительно больше длины волны излучаемого звука.
В случае ненаправленного излучения звуковая энергия расходится во все стороны равномерно. Такое явление происходит в случае, когда длина волны излучаемого звука превосходит диаметр излучателя лямбда>2А. Второй случай наиболее характерен для подводных излучателей низкой частоты. Обычно длины волн низкочастотных звуков бывают значительно больше размеров применяемых подводных излучателей. Такое же явление характерно и для излучателей рыб. В этих случаях диаграммы направленности у излучателей отсутствуют. В настоящей главе были отмечены лишь некоторые общие физические свойства звука в водной среде в связи с биоакустикой рыб. Некоторые более частные вопросы акустики будут рассмотрены в соответствующих разделах книги.
В заключение рассмотрим применяемые различными авторами системы измерений звука. Звук может быть выражен его интенсивностью, давлением или уровнем давления.
Интенсивность звука в абсолютных единицах измеряется или числом эрг/сек-см 2 , или вт/см 2 . При этом 1 эрг/сек=10 -7 вт.
Давление звука измеряется в барах.
Между интенсивностью и давлением звука существует зависимость:
пользуясь которой можно переводить эти величины одну в другую.
Не менее часто, особенно при рассмотрении слуха рыб, в связи с огромным диапазоном пороговых величин звуковое давление выражают в относительных логарифмических единицах децибеллах, дб. Если звуковое давление одного звука Р , а другого Р о, то считают, что первый звук громче второго на k дб и вычисляют его по формуле:
Большинство исследователей при этом за нулевой отсчет давления звука Р о принимают пороговую величину слуха человека, равную 0,0002 бара для частоты 1000 гц.
Достоинством такой системы является возможность непосредственного сопоставления слуха человека и рыб, недостатком - сложность сопоставления полученных результатов по звучанию и слуху рыб.
Фактические величины звукового давления, создаваемого рыбами, на четыре - шесть порядков выше принятого нулевого уровня (0,0002 бара), а пороговые уровни слуха различных рыб лежат как выше, так и ниже условного нулевого отсчета.
Поэтому для удобства сопоставления звуков и слуха рыб американские авторы (Tavolga a. Wodinsky, 1963, и др.) пользуются другой системой отсчета.
За нулевой уровень отсчета принято давление звука в 1 бар, который на 74 дб выше ранее принятого.
Ниже приводится примерное соотношение обеих систем.
Фактические величины по американской системе отсчета в тексте помечены звездочкой.
Большинство людей прекрасно понимают, что такое звук. Он ассоциируется со слухом и связан с физиологическими и психологическими процессами. В головном мозге осуществляется переработка ощущений, которые поступают через органы слуха. Скорость звука зависит от многих факторов.
Звуки, различаемые людьми
В общем смысле слова звук - это физическое явление, которое вызывает воздействие на органы слуха. Он имеет вид продольных волн различной частоты. Люди могут слышать звук, частота которого колеблется в пределах 16-20000 Гц. Эти упругие продольные волны, которые распространяются не только в воздухе, но и в других средах, достигая уха человека, вызывают звуковые ощущения. Люди могут слышать далеко не все. Упругие волны частотой меньше 16 Гц называют инфразвуком, а выше 20000 Гц - ультразвуком. Их человеческое ухо не может слышать.
Характеристики звука
Различают две основные характеристики звука: громкость и высоту. Первая из них связана с интенсивностью упругой звуковой волны. Существует и другой важный показатель. Физической величиной, которая характеризует высоту, является частота колебаний упругой волны. При этом действует одно правило: чем она больше, тем звук выше, и наоборот. Еще одной важнейшей характеристикой является скорость звука. В разных средах она бывает различной. Она представляет собой скорость распространения упругих звуковых волн. В газовой среде этот показатель будет меньше, чем в жидкостях. Скорость звука в твердых телах самая высокая. При этом для волн продольных она всегда больше, чем для поперечных.
Скорость распространения звуковых волн
Этот показатель зависит от плотности среды и ее упругости. В газовых средах на него действует температура вещества. Как правило, скорость звука не зависит от амплитуды и частоты волны. В редких случаях, когда эти характеристики оказывают влияние, говорят о так называемой дисперсии. Скорость звука в парах или газах колеблется в пределах 150-1000 м/с. В жидких средах она составляет уже 750-2000 м/с, а в твердых материалах - 2000-6500 м/с. В нормальных условиях скорость звука в воздухе достигает 331 м/с. В обычной воде - 1500 м/с.
Скорость звуковых волн в разных химических средах
Скорость распространения звука в разных химических средах неодинакова. Так, в азоте она составляет 334 м/с, в воздухе - 331, в ацетилене - 327, в аммиаке - 415, в водороде - 1284, в метане - 430, в кислороде - 316, в гелии - 965, в угарном газе - 338, в углекислоте - 259, в хлоре - 206 м/с. Скорость звуковой волны в газообразных средах возрастает с повышением температуры (Т) и давления. В жидкостях она чаще всего уменьшается при увеличении Т на несколько метров за секунду. Скорость звука (м/с) в жидких средах (при температуре 20°С):
Вода - 1490;
Этиловый спирт - 1180;
Бензол - 1324;
Ртуть - 1453;
Углерод четыреххлористый - 920;
Глицерин - 1923.
Из вышеуказанного правила исключением является только вода, в которой с ростом температуры увеличивается и скорость звука. Своего максимума она достигает при нагревании этой жидкости до 74°С. При дальнейшем повышении температуры скорость звука уменьшается. При увеличении давления она будет увеличиваться на 0,01%/1 Атм. В соленой морской воде с ростом температуры, глубины и солености будет повышаться и скорость звука. В других средах этот показатель изменяется по-разному. Так, в смеси жидкости и газа скорость звука зависит от концентрации ее составляющих. В изотопном твердом теле она определяется его плотностью и модулями упругости. В неограниченных плотных средах распространяются поперечные (сдвиговые) и продольные упругие волны. Скорость звука (м/с) в твердых веществах (продольной/поперечной волны):
Стекло - 3460-4800/2380-2560;
Плавленый кварц - 5970/3762;
Бетон - 4200-5300/1100-1121;
Цинк - 4170-4200/2440;
Тефлон - 1340/*;
Железо - 5835-5950/*;
Золото - 3200-3240/1200;
Алюминий - 6320/3190;
Серебро - 3660-3700/1600-1690;
Латунь - 4600/2080;
Никель - 5630/2960.
В ферромагнетиках скорость звуковой волны зависит от величины напряженности магнитного поля. В монокристаллах скорость звуковой волны (м/с) зависит от направления ее распространения:
- рубин (продольная волна) - 11240;
- сульфид кадмия (продольная/поперечная) - 3580/4500;
- ниобат лития (продольная) - 7330.
Скорость звука в вакууме равняется 0, поскольку в такой среде он просто не распространяется.
Определение скорости звука
Все то, что связано со звуковыми сигналами, интересовало наших предков еще тысячи лет назад. Над определением сущности этого явления работали практически все выдающиеся ученые древнего мира. Еще античные математики установили, что звук обуславливается колебательными движениями тела. Об этом писали Евклид и Птолемей. Аристотель установил, что скорость звука отличается конечной величиной. Первые попытки определения данного показателя были предприняты Ф. Бэконом в XVII в. Он пытался установить скорость путем сравнения временных промежутков между звуком выстрела и вспышкой света. На основании этого метода группа физиков Парижской Академии наук впервые определила скорость звуковой волны. В различных условиях эксперимента она составляла 350-390 м/с. Теоретическое обоснование скорости звука впервые в своих «Началах» рассмотрел И. Ньютон. Произвести правильное определение этого показателя получилось у П.С. Лапласа.
Формулы скорости звука
Для газообразных сред и жидкостей, в которых звук распространяется, как правило, адиабатически, изменение температуры, связанное с растяжениями и со сжатиями в продольной волне, не может быстро выравниваться за короткий период времени. Очевидно, что на этот показатель влияет несколько факторов. Скорость звуковой волны в однородной газовой среде или жидкости определяется по следующей формуле:
где β - адиабатическая сжимаемость, ρ - плотность среды.
В частных производных данная величина считается по такой формуле:
c 2 = -υ 2 (δρ/δυ) S = -υ 2 Cp/Cυ (δρ/δυ) T ,
где ρ, T, υ - давление среды, ее температура и удельный объем; S - энтропия; Cp - изобарная теплоемкость; Cυ - изохорная теплоемкость. Для газовых сред эта формула будет выглядеть таким образом:
c 2 = ζkT/m= ζRt/M = ζR(t + 273,15)/M = ά 2 T,
где ζ - величина адиабаты: 4/3 для многоатомных газов, 5/3 для одноатомных, 7/5 для двухатомных газов (воздух); R - газовая постоянная (универсальная); T - абсолютная температура, измеряемая в кельвинах; k - постоянная Больцмана; t - температура в °С; M - молярная масса; m - молекулярная масса; ά 2 = ζR/ M.
Определение скорости звука в твердом теле
В твердом теле, обладающем однородностью, существует два вида волн, различающихся поляризацией колебаний по отношению направления их распространения: поперечная (S) и продольная (P). Скорость первой (C S) всегда будет ниже, чем второй (C P):
C P 2 = (K + 4/3G)/ρ = E(1 - v)/(1 + v)(1-2v)ρ;
C S 2 = G/ρ = E/2(1 + v)ρ,
где K, E, G - модули сжатия, Юнга, сдвига; v - коэффициент Пуассона. Во время расчета скорости звука в твердом теле используются адиабатические модули упругости.
Скорость звука в многофазных средах
В многофазных средах благодаря неупругому поглощению энергии скорость звука находится в прямой зависимости от частоты колебаний. В двухфазной пористой среде она рассчитывается по уравнениям Био-Николаевского.
Заключение
Измерение скорости звуковой волны используется при определении различных свойств веществ, таких как модули упругости твердого тела, сжимаемость жидкостей и газа. Чувствительным методом определения примесей является измерение малых изменений скорости звуковой волны. В твердых телах колебание этого показателя позволяет проводить исследования зонной структуры полупроводников. Скорость звука является очень важной величиной, измерение которой позволяет узнать многое о самых разных средах, телах и других объектах научных исследований. Без умения ее определять были бы невозможны многие научные открытия.
Гидроакустика (от греч. hydor - вода, akusticoc - слуховой) - наука о явлениях, происходящих в водной среде и связанных с распространением, излучением и приемом акустических волн. Она включает вопросы разработки и создания гидроакустических средств, предназначенных для использования в водной среде.
История развития
Основы гидроакустики
Особенности распространения акустических волн в воде
Компоненты события появления эхосигнала.
Начало всесторонних и фундаментальных исследований по распространению акустических волн в воде было положено в годы Второй мировой войны, что диктовалось необходимостью решения практических задач военно-морских флотов и в первую очередь подводных лодок. Экспериментальные и теоретические работы были продолжены и в послевоенные годы и обобщены в ряде монографий. В результате этих работ были выявлены и уточнены некоторые особенности распространения акустических волн в воде: поглощение, затухание, отражение и рефракция.
Поглощение энергии акустической волны в морской воде обуславливается двумя процессами: внутренним трением среды и диссоциацией растворенных в ней солей. Первый процесс преобразует энергию акустической волны в тепловую, а второй - преобразуясь в химическую энергию, выводит молекулы из равновесного состояния, и они распадаются на ионы. Этот вид поглощения резко возрастает с увеличением частоты акустического колебания. Наличие в воде взвешенных частиц, микроорганизмов и температурных аномалий приводит также к затуханию акустической волны в воде. Как правило, эти потери невелики, и их включают в общее поглощение, однако иногда, как, например, в случае рассеяния от следа корабля, эти потери могут составить До 90 %. Наличие температурных аномалий приводит к тому, что акустическая волна попадает в зоны акустической тени, где она может претерпеть многократные отражения.
Наличие границ раздела вода - воздух и вода - дно приводит к отражению от них акустической волны, причем, если в первом случае акустическая волна отражается полностью, то во втором случае коэффициент отражения зависит от материала дна: плохо отражает илистое дно, хорошо - песчаное и каменистое. На небольших глубинах из-за многократного отражения акустической волны между дном и поверхностью возникает подводный звуковой канал, в котором акустическая волна может распространяться на большие расстояния. Изменение величины скорости звука на разных глубинах приводит к искривлению звуковых «лучей» - рефракции.
Рефракция звука (искривление пути звукового луча)
|
Рефракция звука в воде: а - летом; б - зимой; слева - изменение скорости с глубиной. Скорость распространения звука изменяется с глубиной, причём изменения зависят от времени года и дня, глубины водоёма и ряда других причин. Звуковые лучи, выходящие из источника под некоторым углом к горизонту, изгибаются, причём направление изгиба зависит от распределения скоростей звука в среде: летом, когда верхние слои теплее нижних, лучи изгибаются книзу и в большинстве отражаются от дна, теряя при этом значительную долю своей энергии; зимой, когда нижние слои воды сохраняют свою температуру, между тем как верхние слои охлаждаются, лучи изгибаются кверху и многократно отражаются от поверхности воды, при этом теряется значительно меньше энергии. Поэтому зимой дальность распространения звука больше, чем летом. Вертикальное распределение скорости звука (ВРСЗ) и градиент скорости оказывают определяющее влияние на распространение звука в морской среде. Распределение скорости звука в различных районах Мирового океана различно и меняется во времени. Различают несколько типичных случаев ВРСЗ: |
Рассеивание и поглощение звука неоднородностями среды.
Распространение звука в подводном звук. канале: а - изменение скорости звука с глубиной; б - ход лучей в звуковом канале. На распространение звуков высокой частоты, когда длины волн очень малы, оказывают влияние мелкие неоднородности, обычно имеющиеся в естественных водоёмах: пузырьки газов, микроорганизмы и т. д. Эти неоднородности действуют двояким образом: они поглощают и рассеивают энергию звуковых волн. В результате с повышением частоты звуковых колебаний дальность их распространения сокращается. Особенно сильно этот эффект заметен в поверхностном слое воды, где больше всего неоднородностей. Рассеивание звука неоднородностями, а также неровностями поверхности воды и дна вызывает явление подводной реверберации , сопровождающей посылку звукового импульса: звуковые волны, отражаясь от совокупности неоднородностей и сливаясь, дают затягивание звукового импульса, продолжающееся после его окончания. Пределы дальности распространения подводных звуков так же ограничиваются собственными шумами моря, имеющими двоякое происхождение: часть шумов возникает от ударов волн на поверхности воды, от морского прибоя, от шума перекатываемой гальки и т. п.; другая часть связана с морской фауной (звуки, производимые гидробионтами: рыбами и др. морскими животными). Этим очень серьёзным аспектом занимается биогидроакустика. |
Дальность распространения звуковых волн
Дальность распространения звуковых волн является сложной функцией частоты излучения, которая однозначно связана с длиной волны акустического сигнала. Как известно, высокочастотные акустические сигналы быстро затухают благодаря сильному поглощению водной средой. Низкочастотные сигналы напротив способны распространяться в водной среде на большие расстояния. Так акустический сигнал с частотой 50 Гц способен распространяться в океане на расстояния в тысячи километров, в то время как сигнал с частотой 100 кГц, обычный для гидролокатора бокового обзора, имеет дальность распространения всего 1-2 км. Приблизительные дальности действия современных гидролокаторов с различной частотой акустического сигнала (длиной волны) приведены в таблице:
Области применения.
Гидроакустика получила широкое практическое применение, поскольку ещё не создано эффективной системы передачи электромагнитных волн под водой на сколько-нибудь значительном расстоянии, и звук поэтому является единственным возможным средством связи под водой. Для этих целей пользуются звуковыми частотами от 300 до 10000 гц и ультразвуками от 10000 гц и выше. В качестве излучателей и приёмников в звуковой области используются электродинамические и пьезоэлектрические излучатели и гидрофоны, а в ультразвуковой - пьезоэлектрические и магнитострикционные.
Наиболее существенные применения гидроакустики:
- Для решения военных задач;
- Морская навигация;
- Звукоподводная связь;
- Рыбопоисковая разведка;
- Океанологические исследования;
- Сферы деятельности по освоению богатств дна Мирового океана;
- Использование акустики в бассейне (дома или в тренировочном центре по синхронному плаванию)
- Тренировка морских животных.
Примечания
Литература и источники информации
ЛИТЕРАТУРА:
- В.В. Шулейкин Физика моря . - Москва: «Наука», 1968г.. - 1090 с.
- И.А. Румынская Основы гидроакустики . - Москва: «Судостроение», 1979 г.. - 105 с.
- Ю.А. Корякин Гидроакустические системы . - СПб: «Наука Санкт-Петербурга и морская мощь России», 2002 г.. - 416 с.
Звук - одна из составляющих нашей жизни, и человек слышит его везде. Чтобы более подробно рассмотреть это явление, вначале надо разобраться с самим понятием. Для этого надо обратиться к энциклопедии, где написано, что «звук - это упругие волны, распространяющиеся в какой-либо упругой среде и создающие в ней механические колебания». Говоря более простым языком - это слышимые колебания в какой-либо среде. От того, какая она, и зависят основные характеристики звука. В первую очередь - скорость распространения, например, в воде отличается от другой среды.
Любой звуковой аналог обладает определенными свойствами (физическими особенностями) и качествами (отражение этих признаков в человеческих ощущениях). Например, продолжительность-длительность, частота-высота, состав-тембр и так далее.
Скорость звука в воде значительно выше, чем, допустим, в воздухе. Следовательно, распространяется он быстрее и намного дальше слышен. Происходит такое из-за высокой молекулярной плотности водной среды. Она в 800 раз плотнее, чем воздух и сталь. Отсюда следует, что распространение звука во многом зависит от среды. Обратимся к конкретным цифрам. Так, скорость звука в воде равняется 1430м/с, в воздухе - 331,5м/с.
Низкочастотный звук, к примеру, шум, который производит работающий судовой двигатель, всегда слышится несколько раньше, чем судно появляется в зоне видимости. Его скорость зависит от нескольких вещей. Если температура воды повышается, то, естественно, повышается скорость звука в воде. То же самое происходит с повышением солености воды и давления, которое растет с увеличением глубины водного пространства. Особую роль на скорость может оказать такое явление, как термоклинья. Это такие места, в которых встречаются разной температуры слои воды.
Также в таких местах разная (из-за разности в температурном режиме). И когда волны звука проходят через такие разноплотные слои, они утрачивают большую часть своей силы. Столкнувшись с термоклином, звуковая волна частично, а иногда и полностью, отражается (степень отражения зависит от угла, под которым падает звук), после чего, по другую сторону этого места, образуется теневая зона. Если рассмотреть пример, когда звуковой источник располагается в водном пространстве выше термоклина, то уже ниже услышать вообще что-то будет не то что сложно, а практически невозможно.
Которые издаются над поверхностью, в самой воде никогда не слышны. И наоборот происходит, когда под водным слоем: над ним он не звучит. Яркий тому пример - современные дайверы. Их слух сильно снижается из-за того, что вода воздействует на а высокая скорость звука в воде снижает качество определения направления, откуда тот движется. Этим самым притупляется стереофоническая способность восприятия звука.
Под слоем воды поступают в человеческое ухо больше всего через кости черепной коробки головы, а не как в атмосфере, через барабанные перепонки. Результатом такого процесса становится его восприятие одновременно обоими ушами. Мозг человека не способен в это время различить места, откуда поступают сигналы, и в какой интенсивности. Итогом становится появление сознания, что звук как бы накатывает со всех сторон одновременно, хотя это далеко не так.
Кроме описанного выше, звуковые волны в водном пространстве имеют такие качества, как поглощение, расходимость и рассеивание. Первое - когда сила звука в соленой воде постепенно сходит на нет за счет трения водной среды и находящихся в ней солей. Расходимость проявляется в удалении звука от его источника. Он будто растворяется в пространстве как свет, и в итоге его интенсивность значительно падает. А пропадают колебания совсем из-за рассеивания на всяческих препятствиях, неоднородностях среды.
