Поширення звуку в воді. Закони поширення звукових хвиль В якому середовищі швидше поширюється звукова хвиля

Відображення звуку У цьому параграфі ми будемо припускати, що довжина звукової хвилі досить мала і, отже, звук поширюється по променям. Що відбувається, коли такий звуковий промінь падає з повітря на тверду поверхню? Ясно, що при цьому відбувається відображення

ВІДКРИТТЯ несподіваних властивостей атмосфери - ДИВНІ ЕКСПЕРИМЕНТИ - ПЕРЕДАЧА електричної енергії по одному дроту Без повернення - ПЕРЕДАЧА ЧЕРЕЗ ЗЕМЛЮ ВЗАГАЛІ БЕЗ ПРОВОДІВ Інша з цих причин в тому, що я прийшов до усвідомлення того, що передача електричної енергії

ПЕРЕДАЧА електричної енергії БЕЗ ПРОВОДІВ * До кінці 1898 систематичні дослідження, що проводилися багато років з метою удосконалення методу передачі електричної енергії через природне середовище, привели мене до розуміння трьох важливих потреб; перша -

Передача звуку по радіо Ламповий генератор, схема якого представлена \u200b\u200bна рис. 24, генерує радіовипромінювання з незмінними параметрами. Зробимо до нього невелике доповнення: до контуру, що подає напругу на сітку електронної лампи, приєднаємо через індукційну

48 Передача енергії через речовину Для досвіду нам буде потрібно: десяток монеток по рублю. Ми вже зустрічалися з різними хвилями. Ось ще один старовинний досвід, який досить забавно виглядає і показує, як хвиля проходить через предмет.Возьміте дрібниця - монети, наприклад

30. Передача повідомлень в минуле Набір правил для глядача Ще до того, як Крістофер Нолан став режисером «Інтерстеллар» і переробив сценарій, його брат Джона розповів мені про набір правіл.Чтоби підтримувати в науково-фантастичному фільмі потрібний рівень

Глава 30. Передача повідомлень в минуле Щодо того, як сучасні фізики уявляють собі подорож назад у часі в чотирьох просторово-часових вимірах без балка, см. Останню главу книги «Чорні діри і складки часу» [Торн 2009], глави,

Глава 30. Передача повідомлень в минуле У балці, так само як і в нашій брані, положення в просторі - часу, в які можна передавати повідомлення і взагалі що-небудь переміщати, обмежені законом, який говорить: ніщо не може рухатися швидше за світло. щоб вивчити

гідроакустики (Від грец. hydor - вода, akusticoc - слуховий) - наука про явища, що відбуваються у водному середовищі і пов'язаних з розповсюдженням, випромінюванням і прийомом акустичних хвиль. Вона включає питання розробки і створення гідроакустичних засобів, призначених для використання у водному середовищі.

Історія розвитку

Перші вимірювання відстані за допомогою звуку справив російський дослідник академік Я. Д. Захаров. 30 червня 1804 року він здійснив політ на повітряній кулі з науковою метою і в цьому польоті скористався відображенням звуку від поверхні землі для визначення висоти польоту. Перебуваючи в кошику кулі, він голосно крикнув в рупор, спрямований вниз. Через 10 сек прийшло чітко чутне відлуння. Звідси Захаров зробив висновок, що висота кулі над землею дорівнювала приблизно 5 х 334 \u003d 1670 м. Цей спосіб ліг в основу радіо і гидролокациі.

Поряд з розробкою теоретичних питань в Росії проводилися практичні дослідження явищ поширення звуків в море. Адмірал С. О. Макаров в 1881 - 1882 рр. запропонував використовувати для передачі інформації про швидкість течії під водою прилад, названий флюктометром. Цим було покладено початок розвитку нової галузі науки і техніки - гідроакустичної телеметрії.

Схема гідрофоніческой станції Балтійського заводу обр.1907г .: 1 - водяний насос; 2 - трубопровід; 3 - регулятор тиску; 4 - електромагнітний гідравлічний затвор (телеграфний клапан); 5 - телеграфний ключ; 6 - гідравлічний мембранний випромінювач; 7 - борт корабля; 8 - танк з водою; 9 - герметизований мікрофон

У 1890-х рр. на Балтійському суднобудівному заводі з ініціативи капітана 2 рангу М. М. Беклемішева почали роботи по розробці приладів гідроакустичної зв'язку. Перші випробування гідроакустичного випромінювача для звукоподводной зв'язку проводилися в кінці XIX в. в дослідному басейні в Галерній гавані в Петербурзі. Випромінювані їм коливання добре прослуховувалися за 7 верст на Невському плавучому маяку. В результаті досліджень в 1905р. створили перший прилад гідроакустичної зв'язку, в якому роль передавального пристрою грала спеціальна підводна сирена, керована телеграфним ключем, а приймачем сигналів служив вугільний мікрофон, закріплений зсередини на корпусі корабля. Сигнали реєструвалися апаратом Морзе і на слух. Пізніше сирену замінили випромінювачем мембранного типу. Ефективність приладу, названого гідрофоніческой станцією, значно підвищилася. Морські випробування нової станції відбулися в березні 1908р. на Чорному морі, де дальність впевненого прийому сигналів перевищувала 10км.

Перші серійні станції звукоподводной зв'язку конструкції Балтійського заводу в 1909-1910 рр. встановили на підводних човнах «Короп», «Пічкур», «Стерлядь», « макрель»І« окунь». При установці станцій на підводних човнах з метою зменшення перешкод приймач розташовувався в спеціальному обтічнику, що буксирується за кормою на кабель-тросі. До подібного рішення англійці прийшли лише під час Першої світової війни. Потім цю ідею забули і тільки в кінці 1950-х г р її знову стали використовувати в різних країнах при створенні перешкодостійких гідролокаційних корабельних станцій.

Поштовхом до розвитку гідроакустики послужила перша світова війна. Під час воїни країни Антанти несли великі втрати торгового і військового флоту через дії німецьких підводних човнів. Виникла необхідність в пошуку засобів боротьби з ними. Незабаром вони були знайдені. Підводний човен в підводному положенні можна почути по шуму, створюваного гребними гвинтами і працюючими механізмами. Прилад, який виявляє шумливі об'єкти і визначає їх місцезнаходження, був названий шумопеленгатори. Французький фізик П. Ланжевен в 1915 році запропонував використовувати чутливий приймач з сегнетової солі для першої шумопеленгаторной станції.

основи гідроакустики

Особливості поширення акустичних хвиль у воді

Компоненти події появи ехосигнала.

Початок всебічних і фундаментальних досліджень з розповсюдження акустичних хвиль у воді було покладено в роки Другої світової війни, що диктувалося необхідністю вирішення практичних завдань військово-морських флотів і в першу чергу підводних човнів. Експериментальні та теоретичні роботи були продовжені і в післявоєнні роки і узагальнені в ряді монографій. В результаті цих робіт були виявлені і уточнені деякі особливості поширення акустичних хвиль у воді: поглинання, загасання, відображення і заломлення.

Поглинання енергії акустичної хвилі в морській воді обумовлюється двома процесами: внутрішнім тертям середовища і дисоціацією розчинених в ній солей. Перший процес перетворює енергію акустичної хвилі в теплову, а другий - перетворюючись в хімічну енергію, виводить молекули з рівноважного стану, і вони розпадаються на іони. Цей вид поглинання різко зростає зі збільшенням частоти акустичного коливання. Наявність у воді зважених часток, мікроорганізмів і температурних аномалій призводить також до загасання акустичної хвилі в воді. Як правило, ці втрати невеликі, і їх включають в загальне поглинання, проте іноді, як, наприклад, в разі розсіювання від сліду корабля, ці втрати можуть скласти до 90%. Наявність температурних аномалій призводить до того, що акустична хвиля потрапляє в зони акустичної тіні, де вона може зазнати багаторазові відображення.

Наявність кордонів 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 відбиття залежить від матеріалу дна: погано відображає мулисте дно, добре - піщане і кам'янисте . На невеликих глибинах через багаторазового відбиття 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)

Розсіювання і поглинання звуку неоднородностями середовища.

Дальність поширення звукових хвиль

Дальність поширення звукових хвиль є складною функцією частоти випромінювання, яка однозначно пов'язана з довжиною хвилі акустичного сигналу. Як відомо, високочастотні акустичні сигнали швидко згасають завдяки сильному поглинанню водним середовищем. Низькочастотні сигнали проти здатні поширюватися в водному середовищі на великі відстані. Так акустичний сигнал з частотою 50 Гц здатний поширюватися в океані на відстані в тисячі кілометрів, в той час як сигнал з частотою 100 кГц, звичайний для бічного огляду, має дальність поширення всього 1-2 км. Приблизні дальності дії сучасних гідролокатором з різною частотою акустичного сигналу (довжиною хвилі) наведені в таблиці:

Області застосування.

Гідроакустики отримала широке практичне застосування, оскільки ще не створено ефективної системи передачі електромагнітних хвиль під водою на скільки-небудь значній відстані, і звук тому є єдиним можливим засобом зв'язку під водою. Для цих цілей користуються звуковими частотами від 300 до 10000 гц і ультразвуками від 10000 гц і вище. Як випромінювачів і приймачів в звуковий області використовуються електродинамічні і п'єзоелектричні випромінювачі і гідрофони, а в ультразвукової - п'єзоелектричні і магнітострикційні.

Найбільш суттєві застосування гідроакустики:

• Для вирішення військових завдань;
• Морська навігація;
• Звукоподводной зв'язок;
• Рибопоїськовоє розвідка;
• Океанологічні дослідження;
• Сфери діяльності з освоєння багатств дна Світового океану;
• Використання акустики в басейні (вдома або в тренувальному центрі з синхронного плавання)
• Тренування морських тварин.

Примітки

Література і джерела інформації

ЛІТЕРАТУРА:

• В.В. Шулейкин 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 і морська могутність Росії», 2002 р .. - 416 с.

Цікаві факти: де швидше поширюється звук?

Під час грози спочатку видно спалах блискавки і лише через деякий час чуються гуркіт грому. Це запізнювання виникає через те, що швидкість звуку в повітрі значно менше швидкості світла, що йде від блискавки. Цікаво згадати, в якому середовищі звук поширюється швидше за все, а де взагалі не поширюється?

Досліди і теоретичні розрахунки швидкості звуку в повітрі робилися ще з XVII століття, але тільки через два століття французький вчений П'єр-Симон де Лаплас вивів остаточну формулу для її визначення. Швидкість звуку залежить від температури: з підвищенням температури повітря вона росте, а зі зменшенням - падає. При 0 ° швидкість звуку становить 331 м / с (1 192 км / ч), при + 20 ° вона вже дорівнює 343 м / с (+1235 км / ч).

Швидкість звуку в рідинах, як правило, більше швидкості звуку в повітрі. Досліди з визначення швидкості вперше провели на Женевському озері в 1826 році. Два фізика сіли в човни і роз'їхалися на 14 км. На одному човні підпалювали порох і одночасно били в дзвін, опущений в воду. Звук дзвони за допомогою спеціального рупора, також опущеного в воду, вчувався в другім човні. За інтервалу часу між спалахом світла і приходом звукового сигналу визначили швидкість звуку у воді. При температурі + 8 ° вона виявилася рівною приблизно 1440 м / с. Люди, що працюють в підводних спорудах, підтверджують, що під водою виразно чутні берегові звуки, а рибалки знають, що риба спливає при найменшому підозрілому шумі на березі.

Швидкість звуку в твердих тілах більше, ніж в рідинах і газах. Наприклад, якщо прикласти вухо до рейки, то після удару по іншого кінця рейки людина почує два звуки. Один з них «прийде» до вуха по рейці, інший - по повітрю. Хорошу провідність звуку володіє земля. Тому в стародавні часи при облозі в фортечних мурах поміщали «слухачем», які по звуку, що передається землею, могли визначити, чи веде ворог підкоп до стін чи ні, мчить кіннота чи ні. До речі, завдяки цьому люди, що втратили слух, іноді здатні танцювати під музику, яка доходить до їх слухових нервів НЕ через повітря і зовнішнє вухо, а через підлогу і кістки.

Швидкість звуку - швидкість поширення пружних хвиль в середовищі як в поздовжніх (в газах, рідинах або твердих тілах), так і в поперечних, зсувних (в твердих тілах), визначається пружністю і щільністю середовища. Швидкість звуку в твердих тілах більше, ніж в рідинах. У рідинах, в тому числі в воді, звук мчить в 4 з гаком рази швидше, ніж в повітрі. Швидкість звуку в газах залежить від температури середовища, в монокристалах - від напрямку поширення хвилі.

Якщо звукова хвиля не зустрічала перешкод на своєму шляху, вона поширюється рівномірно в усіх напрямках. Але і не всяке перешкода стає перепоною для неї.

Зустрівши перешкоду на своєму шляху, звук може огинати його, відбиватися, переломлюватися або поглинатися.

дифракція звуку

Ми можемо розмовляти з людиною, що стоїть за рогом будинку, за деревом або за парканом, хоча і не бачимо його. Ми чуємо його, тому що звук здатний огинати ці предмети і припадати в область, що знаходиться за ними.

Здатність хвилі огинати перешкоду називається дифракцией .

Дифракція можлива, коли довжина звукової хвилі перевищує розмір перешкоди. Звукові хвилі низької частоти мають досить велику довжину. Наприклад, при частоті 100 Гц вона дорівнює 3,37 м. Зі зменшенням частоти довжина стає ще більше. Тому звукова хвиля з легкістю огинає об'єкти, співмірні з нею. Дерева в парку абсолютно не заважають нам чути звук, тому що діаметри їх стовбурів значно менше довжини звукової хвилі.

Завдяки дифракції, звукові хвилі проникають через щілини і отвори в перешкоді і поширюються за ними.

Розташуємо на шляху звукової хвилі плоский екран з отвором.

У разі, коли довжина звукової хвилі ƛ набагато перевищує діаметр отвору D , Або ці величини приблизно рівні, то позаду отвору звук досягне всіх точок області, яка знаходиться за екраном (область звуковий тіні). Фронт виходить хвилі буде виглядати як півсфера.

Якщо ж ƛ лише трохи менше діаметра щілини, то основна частина хвилі поширюється прямо, а невелика частина незначно розходиться в сторони. А в разі, коли ƛ набагато менше D , Вся хвиля піде в прямому напрямку.

відображення звуку

У разі потрапляння звукової хвилі на межу розділу двох середовищ, можливі різні варіанти її подальшого поширення. Звук може відбитися від поверхні розділу, може перейти в інше середовище без зміни напрямку, а може переломити, тобто перейти, змінивши свій напрямок.

Припустимо, на шляху звукової хвилі з'явилося перешкоду, розмір якого набагато більше довжини хвилі, наприклад, прямовисна скеля. Як поведе себе звук? Так як обійти цю перешкоду він не може, то він відіб'ється від нього. За перешкодою знаходиться зона акустичної тіні .

Відбитий від перешкоди звук називається луною .

Характер відображення звукової хвилі може бути різним. Він залежить від форми поверхні, що відбиває.

відображенням називають зміну напрямку звукової хвилі на межі розділу двох різних середовищ. При відображенні хвиля повертається в середу, з якої вона прийшла.

Якщо поверхня плоска, звук відбивається від неї подібно до того, як відбивається промінь світла в дзеркалі.

Відбиті від увігнутої поверхні звукові промені фокусуються в одній точці.

Опукла поверхня звук розсіює.

Ефект розсіювання дають опуклі колони, великі ліпні прикраси, люстри і т.д.

Звук не переходить з одного середовища в іншу, а відбивається від неї, якщо щільності середовищ значно відрізняються. Так, звук, що з'явився в воді, не переходить в повітря. Відбиваючись від кордону розділу, він залишається у воді. Людина, що стоїть на березі річки, не почує цей звук. Це пояснюється великою різницею хвильових опорів води і повітря. В акустиці хвильовий опір дорівнює добутку щільності середовища на швидкість звуку в ній. Так як хвильовий опір газів значно менше хвильових опорів рідин і твердих тіл, то потрапляючи на межу повітря і води, звукова хвиля відбивається.

Риби у воді не чують звук, що з'являється над поверхнею води, але добре розрізняють звук, джерелом якого є тіло, вібруючий в воді.

переломлення звуку

Зміна напрямку поширення звуку називається заломленням . Це явище виникає, коли звук переходить з одного середовища в іншу, і швидкості його поширення в цих середовищах різні.

Ставлення синуса кута падіння до синусу кута відбиття дорівнює відношенню швидкостей поширення звуку в середовищах.

де i - кут падіння,

r - кут відображення,

v 1 - швидкість поширення звуку в першому середовищі,

v 2 - швидкість поширення звуку в другому середовищі,

n - показник заломлення.

Переломлення звуку називають рефракцією .

Якщо звукова хвиля падає не перпендикулярно поверхні, а під кутом, відмінним від 90 о, то переломлених хвиля відхилиться від напрямку падаючої хвилі.

Рефракція звуку може спостерігатися не тільки на кордоні розділу середовищ. Звукові хвилі можуть змінювати свій напрямок в неоднорідному середовищі - атмосфері, океані.

В атмосфері причиною рефракції служать зміни температури повітря, швидкість і напрямок переміщення повітряних мас. А в океані вона з'являється через неоднорідність властивостей води - різного гідростатичного тиску на різних глибинах, різної температури і різної солоності.

поглинання звуку

При зустрічі звукової хвилі з поверхнею, частина її енергії поглинається. А яка кількість енергії може поглинути среда, можна визначити, знаючи коефіцієнт поглинання звуку. Цей коефіцієнт показує, яку частину енергії звукових коливань поглинає 1 м 2 перешкоди. Він має значення від 0 до 1.

Одиницю виміру звукопоглинання називають себін . Свою назву вона отримала на ім'я американського фізика Уоллеса Клемента Себіна, засновника архітектурної акустики. 1 Себін - це енергія, яку поглинає 1 м 2 поверхні, коефіцієнт поглинання якої дорівнює 1. Тобто, така поверхня повинна поглинати абсолютно всю енергію звукової хвилі.

Відлуння

Уоллес Себін

Властивість матеріалів поглинати звук широко використовують в архітектурі. Займаючись дослідженням акустики лекційні зали, частини побудованого Fogg Museum, Уоллес Клемент Себін прийшов до висновку, що існує залежність між розмірами залу, акустичними умовами, типом і площею звукопоглинальних матеріалів і часом реверберації .

реверберацией називають процес відображення звукової хвилі від перешкод і її поступове згасання після виключення джерела звуку. У закритому приміщенні звук може багаторазово відбиватися від стін і предметів. В результаті виникають різні ехосигнали, кожен з яких звучить як би відокремлено. Цей ефект називають ефектом реверберації .

Найважливішою характеристикою приміщення є час реверберації , Яке ввів і обчислив Себін.

де V - обсяг приміщення,

А - загальне звукопоглинання.

де a i - коефіцієнт звукопоглинання матеріалу,

S i - площа кожної поверхні.

Якщо час реверберації велике, звуки немов "бродять" по залу. Вони накладаються один на одного, заглушають основне джерело звуку, і зал стає гучним. При маленькому часу реверберації стіни швидко поглинають звуки, і вони стають глухими. Тому для кожного приміщення повинен бути свій точний розрахунок.

За результатами своїх обчислень Себін розташував звукопоглинальні матеріали таким чином, що зменшився «ефект луни». А Симфонічний Зал Бостона, при створенні якого він був акустичним консультантом, до сих пір вважається одним з кращих залів в світі.

Звук поширюється за допомогою звукових хвиль. Ці хвилі проходять не тільки крізь гази і рідини, а й через тверді тіла. Дія будь-яких хвиль полягає головним чином в перенесенні енергії. У разі звуку перенесення приймає форму найдрібніших переміщень на молекулярному рівні.

У газах і рідинах звукова хвиля зрушує молекули в напрямку свого руху, тобто в напрямку довжини хвилі. У твердих тілах звукові коливання молекул можуть відбуватися і в напрямку перпендикулярному хвилі.

Звукові хвилі поширюються зі своїх джерел у всіх напрямках, як це показано на малюнку справа, на якому зображений металевий дзвін, періодично стикається зі своєю мовою. Ці механічні зіткнення змушують дзвін вібрувати. Енергія вібрацій повідомляється молекулам навколишнього повітря, і 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 не залежить від гучності або тону. Всі звуки від радіоприймача в кімнаті, будь вони гучними або тихими, високого тону або низького, досягають слухача одночасно.

Швидкість звуку залежить від виду середовища, в якій він поширюється, і від її температури. У газах звукові хвилі поширюються повільно, тому що їх розріджена молекулярна структура слабо перешкоджає стисненню. У рідинах швидкість звуку збільшується, а в твердих тілах стає ще більш високою, як це показано на діаграмі внизу в метрах в секунду (м / с).

шлях хвилі

Звукові хвилі поширюються в повітрі аналогічно показаному на діаграмах справа. Хвильові фронти рухаються від джерела на певній відстані один від одного, що визначається частотою коливань дзвони. Частота звукової хвилі визначається шляхом підрахунку числа хвильових фронтів, які пройшли через цю точку в одиницю часу.

Фронт звукової хвилі віддаляється від вібруючого дзвони.

У рівномірно прогрітому повітрі звук поширюється з постійною швидкістю.

Другий фронт слід за першим на відстані, рівному довжині хвилі.

Сила звуку максимальна поблизу джерела.

Графічне зображення невидимої хвилі

Звуковий зондування глибин

Пучок променів гідролокатора, що складається з 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 для визначення особливостей підводного рельєфу.

Пружні тверді тіла

Звук поширюється в дерев'яній пластині. Молекули більшості твердих тіл пов'язані в пружну просторову решітку, яка погано стискається і разом з тим прискорює проходження звукових хвиль.