Законы распространения звуковых волн. Особенности распространения и излучения звука в воде
Если звуковая волна не встречает препятствий на своём пути, она распространяется равномерно по всем направлениям. Но и не всякое препятствие становится преградой для неё.
Встретив препятствие на своём пути, звук может огибать его, отражаться, преломляться или поглощаться.
Дифракция звука
Мы можем разговаривать с человеком, стоящим за углом здания, за деревом или за забором, хотя и не видим его. Мы слышим его, потому что звук способен огибать эти предметы и приникать в область, находящуюся за ними.
Способность волны огибать препятствие называется дифракцией .
Дифракция возможна, когда длина звуковой волны превышает размер препятствия. Звуковые волны низкой частоты имеют довольно большую длину. Например, при частоте 100 Гц она равна 3,37 м. С уменьшением частоты длина становится ещё больше. Поэтому звуковая волна с лёгкостью огибает объекты, соизмеримые с ней. Деревья в парке совершенно не мешают нам слышать звук, потому что диаметры их стволов значительно меньше длины звуковой волны.
Благодаря дифракции, звуковые волны проникают через щели и отверстия в препятствии и распространяются за ними.
Расположим на пути звуковой волны плоский экран с отверстием.
В случае, когда длина звуковой волны ƛ намного превышает диаметр отверстия D , или эти величины примерно равны, то позади отверстия звук достигнет всех точек области, которая находится за экраном (область звуковой тени). Фронт выходящей волны будет выглядеть как полусфера.
Если же ƛ лишь немного меньше диаметра щели, то основная часть волны распространяется прямо, а небольшая часть незначительно расходится в стороны. А в случае, когда ƛ намного меньше D , вся волна пойдёт в прямом направлении.
Отражение звука
В случае попадания звуковой волны на границу раздела двух сред, возможны разные варианты её дальнейшего распространения. Звук может отразиться от поверхности раздела, может перейти в другую среду без изменения направления, а может преломиться, то есть перейти, изменив своё направление.
Предположим, на пути звуковой волны появилось препятствие, размер которого намного больше длины волны, например, отвесная скала. Как поведёт себя звук? Так как обогнуть это препятствие он не может, то он отразится от него. За препятствием находится зона акустической тени .
Отражённый от препятствия звук называется эхом .
Характер отражения звуковой волны может быть разным. Он зависит от формы отражающей поверхности.
Отражением называют изменение направления звуковой волны на границе раздела двух разных сред. При отражении волна возвращается в среду, из которой она пришла.
Если поверхность плоская, звук отражается от неё подобно тому, как отражается луч света в зеркале.
Отражённые от вогнутой поверхности звуковые лучи фокусируются в одной точке.
Выпуклая поверхность звук рассеивает.
Эффект рассеивания дают выпуклые колонны, крупные лепные украшения, люстры и т.д.
Звук не переходит из одной среды в другую, а отражается от неё, если плотности сред значительно отличаются. Так, звук, появившийся в воде, не переходит в воздух. Отражаясь от границы раздела, он остаётся в воде. Человек, стоящий на берегу реки, не услышит этот звук. Это объясняется большой разницей волновых сопротивлений воды и воздуха. В акустике волновое сопротивление равно произведению плотности среды на скорость звука в ней. Так как волновое сопротивление газов значительно меньше волновых сопротивлений жидкостей и твёрдых тел, то попадая на границу воздуха и воды, звуковая волна отражается.
Рыбы в воде не слышат звук, появляющийся над поверхностью воды, но хорошо различают звук, источником которого является тело, вибрирующее в воде.
Преломление звука
Изменение направления распространения звука называется преломлением . Это явление возникает, когда звук переходит из одной среды в другую, и скорости его распространения в этих средах различны.
Отношение синуса угла падения к синусу угла отражения равно отношению скоростей распространения звука в средах.
где i – угол падения,
r – угол отражения,
v 1 – скорость распространения звука в первой среде,
v 2 – скорость распространения звука во второй среде,
n – показатель преломления.
Преломление звука называют рефракцией .
Если звуковая волна падает не перпендикулярно поверхности, а под углом, отличным от 90 о, то преломлённая волна отклонится от направления падающей волны.
Рефракция звука может наблюдаться не только на границе раздела сред. Звуковые волны могут менять своё направление в неоднородной среде – атмосфере, океане.
В атмосфере причиной рефракции служат изменения температуры воздуха, скорость и направление перемещения воздушных масс. А в океане она появляется из-за неоднородности свойств воды – разного гидростатического давления на разных глубинах, разной температуры и разной солёности.
Поглощение звука
При встрече звуковой волны с поверхностью, часть её энергии поглощается. А какое количество энергии может поглотить среда, можно определить, зная коэффициент поглощения звука. Этот коэффициент показывает, какую часть энергии звуковых колебаний поглощает 1 м 2 препятствия. Он имеет значение от 0 до 1.
Единицу измерения звукопоглощения называют сэбин . Своё название она получила по имени американского физика Уоллеса Клемента Сэбина, основателя архитектурной акустики. 1 сэбин – это энергия, которую поглощает 1 м 2 поверхности, коэффициент поглощения которой равен 1. То есть, такая поверхность должна поглощать абсолютно всю энергию звуковой волны.
Реверберация
Уоллес Сэбин
Свойство материалов поглощать звук широко используют в архитектуре. Занимаясь исследованием акустики Лекционного зала, части построенного Fogg Museum, Уоллес Клемент Сэбин пришёл к выводу, что существует зависимость между размерами зала, акустическими условиями, типом и площадью звукопоглощающих материалов и временем реверберации .
Реверберацией называют процесс отражения звуковой волны от препятствий и её постепенное затухание после выключения источника звука. В закрытом помещении звук может многократно отражаться от стен и предметов. В результате возникают различные эхосигналы, каждый из которых звучит как бы обособленно. Этот эффект называют эффектом реверберации .
Самой важной характеристикой помещения является время реверберации , которое ввёл и вычислил Сэбин.
где V – объём помещения,
А – общее звукопоглощение.
где a i – коэффициент звукопоглощения материала,
S i - площадь каждой поверхности.
Если время реверберации велико, звуки словно "бродят" по залу. Они накладываются друг на друга, заглушают основной источник звука, и зал становится гулким. При маленьком времени реверберации стены быстро поглощают звуки, и они становятся глухими. Поэтому для каждого помещения должен быть свой точный расчёт.
По результатам своих вычислений Сэбин расположил звукопоглощающие материалы таким образом, что уменьшился «эффект эха». А Симфонический Зал Бостона, при создании которого он был акустическим консультантом, до сих пор считается одним из лучших залов в мире.
.Звук распространяется в воде в пять раз быстрее, чем в воздухе. Средняя скорость равняется 1400 - 1500 м/сек (скорость распространения звука в воздухе 340 м/сек). Казалось бы, что слышимость в воде также улучшается. На самом деле это далеко не так. Ведь сила звука зависит не от скорости распространения, а от амплитуды звуковых колебаний и воспринимающей способности органов слуха. В улитке внутреннего уха расположен кортиев орган, состоящий из слуховых клеток. Звуковые волны колеблят барабанную перепонку, слуховые косточки и мембрану кортиевого органа. От волосяных клеток последнего, воспринимающих звуковые колебания, нервное возбуждение идет в слуховой центр, расположенный в височной доли головного мозга.
Звуковая волна может попасть во внутреннее ухо человека двумя путями: воздушной проводимостью через наружный слуховой проход, барабанную перепонку и слуховые косточки среднего уха и посредством костной проводимости - вибрации костей черепа. На поверхности преобладает воздушная, а под водой костная проводимость. В этом убеждает простой опыт. Закройте ладонями рук оба уха. На поверхности слышимость резко ухудшится, под водой же этого не отмечается.
Итак, под водой звуки воспринимаются преимущественно путем костной проводимости. Теоретически это объясняется тем, что акустическое сопротивление воды приближается к акустическому сопротивлению тканей человека. Поэтому потери энергии при переходе звуковых волн из воды в кости головы человека меньше, чем в воздухе. Воздушная же проводимость под водой почти исчезает, так как наружный слуховой проход заполнен водой, а небольшая прослойка воздуха возле барабанной перепонки слабо передает звуковые колебания.
Опытами установлено, что костная проводимость на 40% ниже воздушной. Поэтому слышимость под водой в общем ухудшается. Дальность слышимости при костной проводимости звука зависит не столько от силы, сколько от тональности: чем выше тон, тем дальше слышен звук.
Подводный мир для человека - это мир тишины, где отсутствуют посторонние шумы. Поэтому простейшие звуковые сигналы могут восприниматься под водой на значительных расстояниях. Человек слышит удар по металлическому баллончику, погруженному в воду, на расстоянии 150-200 м, звук трещотки-на 100 м, колокольчика - на 60 м.
Звуки, издаваемые под водой, обычно не слышны на поверхности, так же как под водой не слышно звуков извне. Для восприятия подводных звуков необходимо хотя бы частично погрузиться. Если войти в воду по колени, начинаешь воспринимать звук, который до этого не был слышен. По мере погружения громкость увеличивается. Особенно хорошо слышно при погружении головы.
Для подачи звуковых сигналов с поверхности обязательно нужно опустить источник звука в воду хотя бы наполовину, и сила звука изменится. Ориентировка под водой по слуху крайне затруднена. В воздушной среде звук приходит в одно ухо раньше на 0,00003 сек., чем в другое. Это позволяет определить нахождение источника звука с ошибкой всего в 1-3°. Под водой же звук одновременно воспринимается обоими ушами и поэтому четкого, направленного восприятия не происходит. Ошибка в ориентировке бывает 180°.
В специально поставленном опыте только отдельные легкие водолазы после долгих блужданий и. поисков выходили к месту расположения источника звука, находившегося от них в 100-150 м. Отмечено, что систематические тренировки в течение длительного времени позволяют выработать способность довольно точно ориентироваться по звуку под водой. Однако как только тренировка прекращается, ее результаты сводятся на нет.
3281 руб
Однослойные. Дышашие. Удобно сидят по руке. Усиление внутренней части пальцев и ладони прорезиненым материалом.
636 руб
Универсальный костюм, который выделяется своей легкостью и мобильностью. Предназначен как для зимней ловли, так и для межсезонья, особенно поздной осенью, когда в лодке или на берегу замерзаешь даже больше чем на льду. Костюм рассчитан на обеспечение комфорта, свободы движения и теплоты при температуре до -20°С.
Материал: Nortex Breathable:
- Водонепроницаемость, мм: 4 000;
- "Дышащая" способность материала, г. кв. м/24 час: 2 000.
- Утеплитель: Fleece.
10484 руб
305 руб
Белье нательное функциональное прилегающего силуэта, состоит из лонгслива с длинными рукавами и кальсон. Трикотажное полотно, используемое для пошива белья, изготовлено из 100% хлопковых нитей. Переплетение тонких и мягких волокон кулирной гладью делает полотно гладким, приятным на ощупь. Белье рекомендовано использовать в холодное время года для обычных прогулок, ежедневной носки, для охоты, рыбалки, а также для сна. Изготовлено из экологически чистого сырья, имеет высокую воздухопроницаемость, гигроскопично, не требует особого ухода.
Звук распространяется посредством звуковых волн. Эти волны проходят не только сквозь газы и жидкости, но и через твердые тела. Действие любых волн заключается главным образом в переносе энергии. В случае звука перенос принимает форму мельчайших перемещений на молекулярном уровне.
В газах и жидкостях звуковая волна сдвигает молекулы в направлении своего движения, то есть в направлении длины волны. В твердых телах звуковые колебания молекул могут происходить и в направлении перпендикулярном волне.
Звуковые волны распространяются из своих источников во всех направлениях, как это показано на рисунке справа, на котором изображен металлический колокол, периодически сталкивающийся со своим языком. Эти механические столкновения заставляют колокол вибрировать. Энергия вибраций сообщается молекулам окружающего воздуха, и они оттесняются от колокола. В результате в прилегающем к колоколу слое воздуха увеличивается давление, которое затем волнообразно распространяется во все стороны от источника.
Скорость звука не зависит от громкости или тона. Все звуки от радиоприемника в комнате, будь они громкими или тихими, высокого тона или низкого, достигают слушателя одновременно.
Скорость звука зависит от вида среды, в которой он распространяется, и от ее температуры. В газах звуковые волны распространяются медленно, потому что их разреженная молекулярная структура слабо препятствует сжатию. В жидкостях скорость звука увеличивается, а в твердых телах становится еще более высокой, как это показано на диаграмме внизу в метрах в секунду (м/с).
Путь волны
Звуковые волны распространяются в воздухе аналогично показанному на диаграммах справа. Волновые фронты движутся от источника на определенном расстоянии друг от друга, определяемом частотой колебаний колокола. Частота звуковой волны определяется путем подсчета числа волновых фронтов, прошедших через данную точку в единицу времени.
Фронт звуковой волны удаляется от вибрирующего колокола.
В равномерно прогретом воздухе звук распространяется с постоянной скоростью.
Второй фронт следует за первым на расстоянии, равном длине волны.
Сила звука максимальна вблизи источника.
Графическое изображение невидимой волны
Звуковое зондирование глубин
Пучок лучей гидролокатора, состоящий из звуковых волн, легко проходит через океанскую воду. Принцип действия гидролокатора основан на том факте, что звуковые волны отражаются от океанского дна; этот прибор обычно используется для определения особенностей подводного рельефа.
Упругие твердые тела
Звук распространяется в деревянной пластине. Молекулы большинства твердых тел связаны в упругую пространственную решетку, которая плохо сжимается и вместе с тем ускоряет прохождение звуковых волн.
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.
Мы воспринимаем звуки, находясь на расстоянии от их источников. Обычно звук доходит до нас по воздуху. Воздух является упругой средой, передающей звук.
Обрати внимание!
Если между источником и приёмником удалить звукопередающую среду, то звук распространяться не будет и, следовательно, приёмник не воспримет его.
Пример:
Поместим под колокол воздушного насоса часы-будильник (рис. 1).
Пока в колоколе находится воздух, звук звонка слышен ясно. При откачивании воздуха из-под колокола звук постепенно слабеет и, наконец, становится неслышимым. Без передающей среды колебания тарелки звонка не могут распространяться, и звук не доходит до нашего уха. Впустим под колокол воздух и снова услышим звон.
Обрати внимание!
Хорошо проводят звуки упругие вещества, например металлы, древесина, жидкости, газы.
Положим на один конец деревянной доски карманные часы, а сами отойдём к другому концу. Приложив ухо к доске, услышим ход часов (рис. 2).
Привяжем к металлической ложке бечёвку. Конец бечёвки приложим к уху. Ударяя по ложке, услышим сильный звук (рис. 3). Ещё более сильный звук услышим, если бечёвку заменим проволокой.
Обрати внимание!
Мягкие и пористые тела - плохие проводники звука.
Чтобы защитить какое-нибудь помещение от проникновения посторонних звуков, стены, пол и потолок прокладывают прослойками из звукопоглощающих материалов. В качестве прослоек используют войлок, прессованную пробку, пористые камни, различные синтетические материалы (например, пенопласт), изготовленные на основе вспененных полимеров. Звук в таких прослойках быстро затухает.
Звук распространяется в любой упругой среде - твёрдой, жидкой и газообразной, но не может распространяться в пространстве, где нет вещества.
Колебания источника создают в окружающей его среде упругую волну звуковой частоты. Волна, достигая уха, воздействует на барабанную перепонку, заставляя её колебаться с частотой, соответствующей частоте источника звука. Дрожания барабанной перепонки передаются посредством системы косточек окончаниям слухового нерва, раздражают их и тем вызывают ощущение звука (рис. 4).
В газах и жидкостях могут существовать только продольные упругие волны. Поэтому звук в воздухе передаётся продольными волнами, то есть чередующимися сгущениями и разрежениями воздуха, идущими от источника звука.
Звуковая волна, как и любые другие механические волны, распространяется в пространстве не мгновенно, а с определённой скоростью.
Наблюдая за стрельбой из ружья, мы сначала видим огонь и дым, а потом через некоторое время слышим звук выстрела.
