Скорость звука
Звук распространяется посредством звуковых волн. Вибрирующий предмет передает свою вибрацию соседним молекулам или частичкам. Происходит передача движения от одной частички к другой, что приводит к появлению звуковой волны.
Средой распространения звуковых волн могут быть различные материалы — дерево, воздух, вода; следовательно, скорость распространения звуковых волн должна быть различной. Если мы говорим о скорости звука, мы должны спросить: а в какой среде? Скорость звука – это характеристика среды, в которой распространяется волна.
Скорость звука в воздухе составляет около 335 м/сек. Но это при температуре 0° С. С повышением температуры скорость распространения звука также увеличивается.
В воде звук распространяется быстрее, чем в воздухе. При температуре 8° С скорость его распространения составляет около 1435 м/сек, или около 6 тыс. км/час. В металле эта скорость достигает порядка 5000 м/сек, или 20 000 км/час.
Звук распространяется посредством звуковых волн. Вибрирующий предмет передает свою вибрацию соседним молекулам или частичкам.
Имя выдающегося поэта, мыслителя, переводчика, одного из создателей литературного азербайджанского языка Мухаммеда Физули навсегда вошло в историю Азербайджана.
Бахрам-шах был искусным охотником и хвастался своей ловкостью после очередной охоты. У шаха была прекрасная наложница по имени Фитнэ.
Радуга – одно из изумительных явлений природы. Она выглядит как разноцветная дуга или окружность, составленная из красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового цветов.
Отец Гаджи Зейналабдина Тагиева был башмачником. Этим он обеспечивал свою семью. Когда Зейналабдину исполнилось 10 лет, он попросил отца найти ему работу.
Гобустан, возраст которого составляет больше 15 тысяч лет, расположен недалеко от Баку. На рисунках, выгравированных на скалах Гобустана, отражены жизнь, быт и образ мышления наших предков.
Проблема распространения звука в воде Текст научной статьи по специальности «Физика»
Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Коваленко Ангелина Александровна
Передача информации в гидроакустическом канале
Векторно-фазовые методы и создание перспективных акустических систем нового поколения
Перспективы технологий, использующих гидроакустические методы, для обеспечения навигации и морских поисково-спасательных работ
Характеристики гидроакустического шума научно-исследовательских судов ТИНРО-центра
Современный уровень технологий, использующих гидроакустические методы для обеспечения навигации и морских поисково-спасательных работ
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Текст научной работы на тему «Проблема распространения звука в воде»
ПРОБЛЕМА РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКА В ВОДЕ Коваленко А.А.
Коваленко Ангелина Александровна — студент, Институт микроприборов и систем управления имени Л.Н. Преснухина Московский институт электронной техники, г. Москва
Вода — идеальная среда для распространения акустических волн, где скорость звука практически в пять раз выше, чем в воздухе. Но все не так просто -распространение звуковых волн зависит от неоднородности среды. Насчитано около тридцати факторов аномалии, влияющих на распространение звука в воде. Отметим следующие, немаловажные факторы, такие как [3]: температура воды. При изменении температуры на 1 градус Цельсия соответственно изменяется скорость звука на 3,58 метров в секунда; соленость воды. Скорость звука изменяется соответственно на 1,2 м/сек; величина давления. Она прямо пропорционально зависит от глубины погружения (чем глубже, тем давление выше), то есть с каждыми 30 метрами скорость звука в воде увеличивается на 0,6 м/сек. На практике заметили, что эти величины изменяются только в вертикальном направлении, поэтому имея информацию об изменении величин в данном направлении, можно судить о типе гидрологии, который как раз определяет траекторию распространения звука.
В гидрологии имеет место быть понятие рефракции звука. Рефракция — это преломление звуковых лучей в неоднородной среде, где скорость звука зависит от координат. Для удобства анализа звука логично представить, что звук в воде распространяется в виде лучей, имея в виду, что из-за особенности водной среды лучи никогда не распространяются по прямой. Использование моделей лучей позволяет отказаться от волновой природы звука и использовать законы оптики.
На рисунке 1 представлена траектория распространения звука, подобно лучу, отражающемуся от некоторых зон водной среды.
•95 -90 -85 -80 Transmission Loss (
Рис. 1. Трассировка звуковых лучей
В ситуации, когда с ростом глубины уменьшается скорость звука, звуковые лучи искривляются вниз, что свидетельствует об отрицательной рефракции. Если скорость звука с ростом глубины увеличивается, то звуковые лучи искривляются наоборот — вверх, что свидетельствует о положительной рефракции [2]. В морской природе с большой вероятностью можно встретить такие области глубин, где скорость звука минимальна. Такие области соответствуют местам в водной среде с
очень низкой температурой воды. Если звук будет распространяться в такой области, то часть его лучей будет тормозиться границами сред с температурой выше и это приведет к образованию звукового канала. Если на глубине будет термоклин. Термоклин и есть область, куда практически не попадают звуковые лучи, именно по этой причине обнаружить какое-либо подводное судно или морской объект будет очень затруднительно.
Процесс, который был описан выше, показан на рисунке 2. Так как лучи распространения звука изгибаются к таким участкам среды, где имеется меньшая скорость, то они будут концентрироваться в этом слое. Такой слой называется подводным звуковым каналом.
Скорое 1ъ эаукд Поверхность моря
Не только из-за особенностей распределения звука в воде можно не поймать сигнал от источника. Услышать работу подводной лодки, находящейся на глубине, практически невозможно на суше и из-за шумности следящего наводного корабля и пассивные гидроакустические средства не решают эту проблему. Гидролокаторы, зондирующие толщу океана низкочастотными сигналами, тоже не всегда эффективны из-за того, что их работу на подводной лодке услышат быстрее, чем установится контакт с шумопеленгатором. Шумопеленгатором называется такой прибор, который определяет направление прихода звукового луча или шума. Проблема измерения акустического поля корабля и других подводных объектов является актуальной для современной измерительной гидроакустики. Акустические поля являются единственными полями, которые имеют способность распространяться на значительные расстояния в морской среде.
Величины шумов соизмеримы или имеют большие значения по отношению к значениям уровней полезного сигнала. За это отвечает значение такого технического параметра, как «сигнал/шум». Причиной шума может быть и тепловой шум в компонентах системы, недостаточная разрядность АЦП, аномальные явления морской среды и различные резонансные явления [2]. Для определения отношения сигнал шум как раз потребуется суммарное значение всех шумов. Отношение мощности полезного сигнала к отношению мощности шума характеризует сигнал/шум. Чем больше это отношение, тем меньше шум влияет на характеристики системы [2].
Эта величина позволяет сравнивать различные устройства по частоте передачи сигнала.
Поэтому шумность тесно связана с измерением и достоверностью информации акустического поля. Таким образом, снижение шумности — одна из важнейших задач метрологических организаций, ответственных за создание метрологических средств и гидроакустических измерений. Перед специалистами была поставлена достаточно сложная задача, которая заключалась в обеспечении измерения параметров акустических сигналов в присутствии помех, уровни которых достаточно сильно
Рис. 2. Изменение скорости звука с глубиной
превышают уровни самих измеряемых сигналов. Изучения процессов образования гидроакустических полей, которые обосновывались результатом обтекания объектов жидкостью показало, что также эти поля могут присутствовать в дальнем поле обтекаемого тела. Близкие по принципу поля оказались полезными для гидролокации сигналов. Их спектр принадлежит низкочастотному диапазону ниже 20 Гц, что свидетельствует о распространении на достаточно большие расстояния [1].
Для определения направления источника акустического давления необходимы одиночные системы, или системы с протяженностью больше 2 км, эта необходимость накладывается на условие исследований в диапазоне частот от 1 до 10 Гц. Исследования на низких частотах привело к привлечению внимания к разработкам векторных приемников и увеличению их помехоустойчивости, так как как раз они принимают сигнал на низких частотах.
1. Трохан A.M., Коновалов C. J1. Гидроакустические автономные измерительные системы. Некоторые итоги и перспективы // М.: Проблемы и методы гидроакустических измерений: Сборник научных трудов ФГУП «ВНИИФТРИ». 2003. С. 72-80.
2. Карташев В.Г. Основы теории дискретных сигналов и цифровых фильтров: Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. школа, 1982. 109 с.
3. Кистович А.В. Введение в гидродинамику и акустику океана. Монография. Менделеево: ФГУП «ВНИИФТРИ». 2011, 275 с.
Как звук распространяется в воде
Энциклопедия Кольера
ГИДРОЛОКАТОР: ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКА В МОРСКОЙ ВОДЕ
ГИДРОЛОКАТОР: ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКА В МОРСКОЙ ВОДЕ К статье ГИДРОЛОКАТОР Поглощение. Энергия звуковой волны в морской воде постепенно убывает из-за ее поглощения, обусловленного в основном двумя процессами: внутренним трением среды и диссоциацией растворенных в ней солей. Трение преобразует звуковую энергию в тепловую, а эффективность этого преобразования зависит от вязкости воды; обычно потери на трение составляют ок. 10% всего поглощения. Диссоциация молекул морских солей происходит вследствие того, что энергия звуковой волны, преобразуясь в химическую энергию, выводит молекулы из равновесного состояния, и они распадаются на ионы. Этот вид поглощения резко возрастает с увеличением частоты звука: на трассе длиной 1 км при частоте 1 кГц акустическая мощность падает приблизительно на 2%, а при частоте 20 кГц — уже почти на 60%. Расходимость. Звуковое излучение, удаляясь от источника, расходится в пространстве, как свет и радиоволны; в результате этого интенсивность звука ослабевает пропорционально квадрату расстояния от излучателя. Рассеяние. Затухание звука в море происходит и из-за его рассеяния на различных неоднородностях среды — взвешенных частицах, микроорганизмах и тепловых аномалиях. Обычно такие потери невелики, и их включают в суммарное поглощение; однако рассеяние спутным следом корабля или большим рыбным косяком может дать до 90% всех потерь, и его необходимо учитывать особо. Более важным следствием рассеяния оказывается то, что звук попадает в т.н. зоны акустической тени, где он рассеивается в многократных отражениях от граничных поверхностей. Отражение. Поверхность океана активно отражает звук, но ее волны и рябь вызывают разброс направлений и фаз отраженных звуков, и между падающим и отраженным звуковыми пучками возникает интерференция, так что интенсивность звука в фиксированной точке пространства изменяется со временем по сложному закону. Дно тоже отражает звуки, но его коэффициент отражения сильно зависит от структуры дна и глубины. Илистое дно — плохой отражатель, а песчаное или скалистое — очень хороший. На небольших глубинах над дном из твердых пород вследствие многократных отражений звука от него и от водной поверхности возникает подводный звуковой канал, в котором создаются благоприятные условия для гидролокации. Рефракция. Искривление звуковых «лучей» вызывается тем, что в разных (по глубине) слоях воды скорость звука различна и звуковой пучок отклоняется в сторону слоя с наименьшей скоростью. Скорость звука в морской воде при температуре 13? С, давлении 1 атм и концентрации солей 35 г/л равна 1494 м/с; она увеличивается с ростом температуры (3 м/с на 1? С), давления (0,016 м/с на 1 м глубины) и концентрации солей (1,3 м/с на 1 г/л). По горизонтали эти факторы влияния меняются очень медленно, но по глубине довольно быстро, поэтому океан как бы состоит из горизонтальных слоев с различной скоростью звука. Обычно вариации солености незначительны, и ими пренебрегают. Влияние давления хорошо известно и зависит лишь от глубины. Весьма существенно влияние температуры, а она переменчива, и для определения профиля скорости звука по глубине нужно измерять температуру воды на разных глубинах. Для этой цели с корабля спускают на кабеле специальный аппарат, именуемый батитермографом (он похож на небольшую торпеду), на котором имеются чувствительный термометр и самописец для автоматической регистрации зависимости температуры от глубины. Рефракцией звука в воде определяется формирование специфических условий его распространения, которые приводят к образованию четырех типов особых зон: звукового канала, изотермического слоя, поверхности с отрицательным градиентом и поверхности с положительным градиентом; в действительности могут создаваться и более сложные ситуации, когда условия, характерные для одной зоны, появляются и в другой. Звуковой канал. В таком канале звуковые лучи, отклоняясь от его оси вверх или вниз, попадают в области большей скорости звука и вновь стремятся к оси канала. Когда они ее пересекают, процесс повторяется, и звуковой пучок оказывается в продольной ловушке, на оси которой скорость звука минимальна. Пучок распространяется по ней в горизонтальном направлении (рис. 3) на очень большое расстояние с малыми потерями. Из-за значительных суточных и сезонных колебаний температуры воды в поверхностных слоях океана (до глубины ок. 150 м) профили скорости звука в них очень меняются, но ниже все обстоит иначе — температура там низкая и почти постоянная. Скорость звука минимальна на глубине приблизительно 600 м. Ниже до самого дна температура почти не уменьшается, но скорость звука возрастает из-за повышающегося давления, — так образуется глубинный звуковой канал. Изотермический слой. Температура приповерхностного слоя постоянна, и скорость звука в нем немного растет с глубиной из-за повышения давления. На нижней границе слоя температура резко падает (там он встречается с термоклином, ниже которого температура уменьшается очень медленно). Волны и конвективные потоки интенсивно перемешивают поверхностную толщу океана, выравнивая ее температуру, но глубина этого выравнивания колеблется от нуля (ранней весной) до 120 м (поздней осенью), что ограничивается термоклином (рис. 4). Под воздействием условий поверхностной толщи воды звуковой пучок раздваивается: верхняя часть из-за рефракции возвращается в слой смешения и, отразившись от границы с воздухом, начинает распространяться на большие расстояния; нижняя часть круто отклоняется к термоклину, образуя обширную зону молчания ниже изотермического слоя. Поверхность с отрицательным градиентом. Когда нет условий для формирования изотермического слоя, температура воды падает с увеличением глубины, начиная с поверхности. Так обычно бывает во второй половине безветренного солнечного дня, когда поверхностный слой сильно прогревается, а перемешивания не происходит. В таких случаях весь звуковой пучок резко отклоняется вниз, и зона молчания начинается прямо с поверхности, причем она гораздо глуше, чем та, что образуется под изотермическим слоем, ибо здесь нет рассеяния из верхнего пучка. Поверхность с положительным градиентом. Бывают ситуации, когда температура воды и скорость звука возрастают от поверхности вниз до некоторой глубины. Такие ситуации недолговременны и случаются после обильного холодного дождя или вблизи устьев рек. Тогда звуковой пучок в воде отклоняется к границе с воздухом, от которой и отражается, затем вновь рефрагирует и т.д., так что формируется звуковой канал большой протяженности. Интенсивность эха. Интенсивность эхо-сигнала гидролокатора определяется расстоянием до цели, потерями на поглощение и рефракцию в среде, а также материалом цели и той ее площадью, на которую воздействует акустический импульс, причем характеристики цели учитываются квадратично, так как она является вторичным излучателем. Шум. Шумы при гидролокации производят такой же эффект, как помехи при радиоприеме, поэтому любой нежелательный сигнал называют шумом. Дальность обнаружения цели гидролокатора зависит и от способности его оператора выделить слабый эхо-сигнал из шумового фона. Собственные шумы гидроакустической аппаратуры пренебрежимо малы, так что фон определяется шумами в водной среде, которые весьма ограничивают способность гидролокатора к обнаружению объектов. Реверберация, которая звучит на гидролокационных частотах как раскаты грома, возникает на неровностях поверхности воды и дна, а также на объемных неоднородностях в толще воды. Поверхностная реверберация порой заглушает полезные эхо-сигналы, поступающие с расстояния менее километра, особенно когда море неспокойно. Объемная реверберация в обычных условиях еле слышна. Донная реверберация зависит от расстояния до дна, поэтому в глубоких водах она может и не мешать, так как доходит до акустического приемника значительно позже полезного эха; ее интенсивность определяется породами и рельефом дна. Корабль, на борту которого находится гидролокатор, тоже шумит — своими винтами и самим своим движением в воде; чем выше скорость корабля, тем сильнее его шумы. Поэтому скорость надводных судов гидролокационной разведки до недавнего времени ограничивалась 20 узлами (1 узел = 1 морская миля в час = 1,852 км/ч). Посторонние шумы генерируются на различных частотах; в общий шумовой фон включаются многие отдаленные источники: волны, корабли и даже креветки. В итоге дальность действия гидролокатора в нормальных условиях не превышает нескольких километров. Зондирующий акустический пучок быстро слабеет; из-за поглощения, расходимости и рассеяния уменьшается его интенсивность, а его направленность ухудшается из-за отражения, рефракции и рассеяния. Методы противодействия гидролокатору. Для того чтобы подводная лодка не могла быть обнаружена гидролокатором, ее конструируют и строят так, чтобы бортовые машины и механизмы издавали минимум шумов; корпус делается обтекаемой формы для уменьшения шумов, возникающих из-за его трения о воду; судно может двигаться на очень малых скоростях, при которых на его гребных винтах не возникает кавитация (на таких скоростях лодку обычно не слышит пассивный гидролокатор). Если корабль-разведчик не скрывает своего присутствия и включает активный гидролокатор, то подводной лодке спрятаться от него трудно, но иногда это удается. Проще всего лечь на дно в надежде на то, что эхо-сигнал от лодки затеряется среди множества донных отражений. Если лодка находится в глубоководном районе, то она может продолжать движение, погрузившись ниже термоклина (если таковой имеется; как правило, на беду судна-разведчика он существует, а под ним — обширная зона молчания, где гидролокатор бессилен). Если все эти меры предосторожности оказались напрасны и лодка обнаружена, то у ее капитана есть еще возможности ввести в заблуждение преследователя. Он может приказать выдуть в воду воздушные пузыри, которые сами становятся целью для гидролокатора, либо в качестве ложной цели выпустить акустический отражатель; наконец, он может включить электрические и механические генераторы шумов, чтобы заполнить весь экран индикатора кругового обзора шумами и тем затруднить определение точного местонахождения лодки.
Вы можете поставить ссылку на это слово:
Как далеко слышен звук в воде?
Мы в своей повседневной жизни привыкли к восприятию звуков на различных расстояниях. Мы говорим громче или тише в зависимости от того, на каком расстоянии находится от нас собеседник. Если он находится на значительном расстоянии, то приходится повышать голос до крика.
Но существует предел дальности распространения звука в воздухе, и этот предел зависит от многих причин. В лесу, например, можно услышать звуки на большем расстоянии, чем в городе, ночью лучше слышно, чем днем. А какова дальность распространения звука в море?
Дальность распространения звука в море зависит прежде всего от того, как сильно уменьшается интенсивность звука с расстоянием. С увеличением расстояния от источника звука интенсивность звуковых колебаний уменьшается прежде всего за счет расширения фронта волны, а также за счет поглощения и рассеяния звуковой энергии.
Неоднородность среды, как уже было сказано, способствует поглощению и рассеянию звука, что приводит к затуханию звука, а следовательно, к уменьшению дальности его распространения.
Значительное влияние на дальность распространения звука оказывает рефракция. Чем больше разнородность среды, тем больше искривляется звуковой луч, тем меньше дальность распространения звука. Количество неоднородностей в воде различно и зависит от времени года, иногда даже от времени суток.
Установлено, что зимой дальность распространения звука больше, чем летом. Это происходит потому, что условия среды, т. е. распределение температуры слоев, таковы, что звуковой луч не загибается вниз ко дну, а, загибаясь вверх, распространяется вдоль поверхности.
Замечено также, что летом после большого шторма дальность распространения звука увеличивается. Объясняется это тем, что слои воды с различной температурой перемешиваются и среда становится более однородной.
Но в море бывают случаи, когда звуковая энергия в воде распространяется в десятки и сотни раз дальше, чем обычно. Это бывает тогда, когда существует так называемый подводный звуковой канал, создаваемый природой.
Явление распространения звуковой энергии в подводном звуковом канале объяснено советским ученым Л. М. Бреховских.
Подводный звуковой канал возникает чаще всего в океане и представляет собой область глубин, где скорость звука вначале уменьшается, а достигнув минимума, начинает возрастать (рис. 25).
Рис. 25. Распространение звука в подводном звуковом канале.
Верхняя и нижняя границы подводного звукового канала представляют глубину с равными скоростями звука. За ось канала принимается глубина с наименьшей скоростью звука. Звук будет распространяться дальше, если источник звука будет находиться на оси подводного звукового канала.
Очень большая дальность распространения звука в канале объясняется тем, что звуковые лучи проходят большие расстояния, претерпевая полное внутреннее отражение от верхней и нижней границ звукового канала, не выходя за его пределы. Распространяется звук вдоль оси звукового канала.
Когда в таком звуковом канале была взорвана бомба весом 1,8 килограмма, взрыв был слышен на расстоянии 4200 километров вместо 20–30 километров, если бы бомба была взорвана в обычных условиях.
Другой, более характерный, опыт был проведен в районе Австралии. Звук от взрыва бомбы весом 22,5 килограмма был слышен на расстоянии 19 200 километров. Звук прошел этот путь за 3 часа 43 минуты. Но необходимо учесть, что дальность распространения звука в море зависит не только от среды, но и от мощности источника звука, направленности и длины волны. Чем больше мощность, направленность и длина волны, тем больше дальность распространения звука.