Dove viaggiano più velocemente le onde sonore? Propagazione del suono

Le onde sonore possono propagarsi in vari mezzi: liquidi, solidi e gassosi. Le onde non possono formarsi solo nel vuoto. Più denso è il mezzo, maggiore è la velocità di propagazione del suono al suo interno. Nell'acqua, la velocità raggiunta dalle onde sonore è più di quattro volte superiore alla velocità della loro propagazione nell'aria.

Ecco una spiegazione di questo fenomeno dal punto di vista fisico:



Il suono viaggia più velocemente in un mezzo elastico. Maggiore è la densità di questo ambiente, più favorevole è per la diffusione vibrazioni sonore. La velocità del suono nell'acqua raggiunge i 1500 metri al secondo e nell'aria solo 330-340 m/s; la velocità dipende anche dalla temperatura.

Per fare un confronto, la velocità del suono nei metalli è di 5000 metri al secondo.

Le onde sonore non si propagano solo nello spazio senz'aria, in mezzo liquido, gassoso e solido onde sonore diffondersi tranquillamente.

La velocità di propagazione delle onde sonore in linea retta dipende dalla densità del mezzo; maggiore è la densità del mezzo, maggiore è la velocità di propagazione dell'onda.

La densità dell'acqua è molto maggiore della densità dell'aria, quindi la velocità dell'onda sonora nell'acqua è maggiore.

Come argomento, Volodya, citi motivo principale. SÌ. Perché l'acqua è un mezzo meno comprimibile del gas. E un solido è meno comprimibile (durante la propagazione delle onde) di un liquido. L'acqua a grandi profondità conduce il suono più velocemente che in superficie; lì è più compressa. Esiste una relazione inversamente proporzionale tra la velocità del suono e la densità del mezzo. In altre parole, quanto meno comprimibile è il mezzo di propagazione delle onde, tanto più velocemente l’onda si muove.

Ti darò un'analogia approssimativa. Quando il treno inizia a muoversi, una sorta di onda sonora attraversa il treno e l'ultima carrozza inizia a muoversi qualche tempo dopo che la locomotiva ha iniziato a muoversi. La stessa cosa, ma in ordine inverso, avviene durante una sosta. E tutto perché il mezzo è comprimibile, c'è un certo divario tra le auto, che gioca il ruolo della comprimibilità del mezzo. Se al momento dell'avvio (arresto) l'intero treno è teso o compresso (ad esempio, non si trova su una piattaforma orizzontale), l'ultima vettura partirà (si fermerà) quasi contemporaneamente alla locomotiva. Il mezzo non è comprimibile e l'onda si propaga molto più velocemente.

Il suono è un'onda che viaggia attraverso qualsiasi sostanza. L'aria è una sostanza rarefatta e l'acqua è una sostanza molto più densa dell'aria. Pertanto, le onde sonore viaggiano più velocemente nell'acqua che nell'aria.

Le onde sonore si dividono in longitudinali e trasversali. La velocità di propagazione del suono dipende dalla densità del mezzo e può variare in un intervallo abbastanza ampio. Nell'acqua e in un mezzo gassoso, dove le fluttuazioni di densità non sono significative, le onde acustiche si propagano longitudinalmente, cioè nella direzione di vibrazione del particelle del mezzo coincide con la direzione del movimento dell'onda. Nei corpi densi (solidi), oltre ai movimenti longitudinali, si verificano anche deformazioni elastiche di taglio, che provocano la comparsa di onde trasversali (di taglio); Pertanto le particelle oscillano perpendicolarmente alla direzione di propagazione dell'onda. Oltre alla direzione di propagazione delle onde, il impedenza acustica e media pressione. Inoltre, la velocità del suono dipende anche da fattori come la comprimibilità delle sostanze.

È sott’acqua che il suono viaggia più velocemente che nell’aria, cinque volte più velocemente.

Anche le balene riescono a sentirsi a una distanza di 5 chilometri.

Allora perché il suono viaggia più velocemente sott’acqua? È tutta una questione di densità!

La densità dell'acqua è maggiore di quella dell'aria, ma anche inferiore a quella del metallo. Di conseguenza, i suoni verranno trasmessi in modo diverso.

Ma le onde sonore possono propagarsi anche nei mezzi elastici, ad esempio, se appoggi l'orecchio a terra, puoi sentire il rumore dei passi, il rumore degli zoccoli, un'auto che guida e molto altro ancora.

Il suono è una vibrazione meccanica trasmessa con qualsiasi mezzo e percepita dai sensi. Per colpa di Proprietà fisiche ambienti diversi, la velocità di propagazione delle vibrazioni sonore è diversa. Più denso è il mezzo, maggiore è la velocità di trasmissione del suono Risposta al compito: le onde sonore nell'acqua viaggiano più velocemente che nell'aria, perché l'acqua ha una densità maggiore.

IN acqua pulita la velocità del suono è di 1500 metri al secondo, e aumenta in acque più calde e salate. L'acqua è più densa dell'aria, quindi il suono viaggia più velocemente. Inoltre, una persona percepisce il suono sott'acqua attraverso le ossa del cranio e il suono viene percepito da entrambe le orecchie, il che fa sembrare che i suoni provengano da tutti i lati.

Il nostro universo si basa su costanti elementari e fondamentali come la velocità del suono e della luce; questi sono assiomi nel mondo della fisica. È chiaro che tutti abbiamo pensato alla domanda: da cosa dipendono queste velocità? Quando osserviamo i fulmini, prima vediamo la luce e poi ci arriva il ruggito. Perché accade questo e cosa determina il tempo che passa dal lampo al tuono? In effetti è tutto molto semplice e facile da spiegare, basta ricordare alcuni principi base del corso di fisica scolastico, metteranno ogni cosa al suo posto, insomma, quasi tutto... Ma andiamo con ordine...

Qual è la velocità della luce

La diffusione della luce è 299.792.458 m/s, nell'equivalente in chilometri più familiare è 1.079.252.848,8 km/h, ma per facilità d'uso, questa cifra complessa viene solitamente arrotondata e considerata pari a 300 mila km/s. La velocità della luce è la velocità massima alla quale qualcosa può propagarsi nel nostro universo. Ma la cosa più interessante di tutto questo è che è assolutamente indipendente dalla velocità della sorgente che lo emette. Come vanno le cose nel nostro mondo? La differenza tra la velocità del corpo lanciato e l'oggetto da cui è stato lanciato può aumentare o diminuire a seconda dell'accelerazione con cui è stato effettuato il lancio. Facciamo un esempio: stai guidando un'auto la cui velocità è di 100 km orari e lanci un sasso nella direzione di marcia (assumiamo che la velocità del sasso lanciato sia di 10 km/h), per un osservatore esterno che sta in piedi sul ciglio della strada la pietra volerà ad una velocità di -110 km/h. IN in questo caso la velocità del lancio e dell'auto sono riassunte. Ma questo non vale per la velocità della luce. Non importa in quale direzione vola la sorgente, la luce viaggerà alla stessa velocità; non accelererà né rallenterà. Questo è il paradosso. Di almeno Lo pensavano prima, ma come vanno le cose adesso? Ne parleremo più avanti un po'...

Cos'è più veloce: la velocità della luce o la velocità del suono?

Gli scienziati sanno che la velocità della luce è circa un milione di volte più veloce di quella del suono. Ma il tempo del suono può cambiare. Il suo valore medio è di 1450 m/s. La velocità con cui viaggia il suono dipende dal tipo di mezzo, se si tratta di acqua o aria, dalla temperatura e anche dalla pressione. Si scopre che valore esatto questo valore non esiste, esiste solo un valore approssimativo nel nostro ambiente familiare: l'aria. Per quanto riguarda la velocità della luce, sono ancora in corso tutta una serie di esperimenti da parte di scienziati avanzati di tutto il pianeta.

Qual è la velocità del suono nell'aria

Lo scienziato francese M. Mersenne riuscì per la prima volta a determinare la velocità del suono nell'aria nel 1636. Temperatura ambiente era di 20 °C e con questo indicatore il suono volava con un valore di 343 m/s, in chilometri - 1235 km/h. La velocità di movimento del suono dipende direttamente dalla temperatura dell'ambiente in cui si propaga: se la temperatura del gas aumenta, anche il suono comincia a muoversi più velocemente, rispettivamente, al contrario, quanto più bassa è la temperatura dell'aria, tanto più lenta è la temperatura. viaggi sonori.

Ad esempio, a temperatura zero, il suono viene trasmesso ad una velocità di 331 m/s. La velocità del suono dipende anche dal tipo di gas. Quanto maggiore è il diametro delle molecole che compongono un gas, tanto più lento è il movimento del suono. Ad esempio, a temperatura zero, nell'idrogeno la velocità del suono sarà di 1284 m/s, nell'elio di 965 m/s. Differenza notevole.

Velocità del suono nel vuoto

Il suono, nella sua essenza, è la vibrazione delle molecole mentre viaggiano. È chiaro che affinché il suono possa in qualche modo trasmettersi, è necessario un mezzo di molecole che vibri. Nel vuoto non c'è materia, quindi il suono non può passare lì. Ma secondo i risultati ultime ricerche, è diventato chiaro che il suono può superare uno strato di vuoto spesso meno di un micron. Questo fenomeno chiamato “tunneling fononico sotto vuoto”, le informazioni su di esso sono apparse contemporaneamente in due articoli apparsi nell'edizione stampata di “Physical Review Letters”. Va ricordato che le vibrazioni delle molecole del reticolo cristallino trasportano non solo il suono, ma anche energia termica Pertanto, il calore può essere trasferito anche attraverso il vuoto.

Velocità del suono nell'acqua

Tipicamente, la velocità del suono nei liquidi, inclusa l'acqua, è maggiore che in un mezzo gassoso. La prima misurazione di tale rapidità nell'acqua fu effettuata nel 1826 dagli scienziati J. Colladon e J. Sturm. L'esperimento ha avuto luogo in Svizzera, precisamente su uno dei laghi. La sequenza delle azioni seguite dalla misurazione è stata la seguente:

1. Su una barca ancorata fu dato alle fiamme un sacco di polvere da sparo e contemporaneamente venne colpita la campana subacquea;
2. A una distanza di 14 chilometri c'era una seconda barca di osservazione, oltre al lampo di polvere da sparo, visibile da lontano, anche il suono della campana veniva catturato sulla barca attraverso un corno sottomarino;
3. Dalla differenza di tempo tra il lampo e l'arrivo dell'onda sonora è stato possibile calcolare la velocità del suono. Allora l'acqua aveva una temperatura di 8°C e la velocità del suono era di 1440 m/s.

Tra due media diversi, un'onda sonora si comporta in modo interessante. Una parte entra in un altro mezzo, la seconda viene semplicemente riflessa. Se il suono entra in un liquido dall'aria, ne viene riflesso il 99,9%, ma la pressione in quella frazione di suono che passa ancora nell'acqua raddoppia. Questo è esattamente ciò che usano i pesci. Se urli e fai rumore vicino all'acqua, gli abitanti degli abissi dalla coda andranno rapidamente lontano.

Velocità del suono

Anche la luce, così come il suono e le vibrazioni elettromagnetiche, possono cambiare la loro velocità in diversi ambienti fisici. Ultime ricerche in questo ambito hanno dimostrato la possibilità teorica di lanciare un corpo più veloce della luce. Il fatto è che in alcuni gas la velocità dei fotoni (le particelle che compongono la luce) rallenta notevolmente. È chiaro che un fenomeno del genere non può essere visto ad occhio nudo, ma in una scienza esatta come la fisica questo è di grande importanza. Quindi, gli scienziati hanno dimostrato che se si fa passare la luce attraverso un gas, la sua velocità diminuirà così tanto che un corpo lanciato rapidamente può muoversi più velocemente dei fotoni.

Discutere la propagazione del suono nei diversi media

Idroacustica (dal greco idro- acqua, acusticoc- uditivo) - la scienza dei fenomeni che si verificano nell'ambiente acquatico e associati alla propagazione, emissione e ricezione delle onde acustiche. Comprende questioni di sviluppo e creazione di dispositivi idroacustici destinati all'uso nell'ambiente acquatico.

Storia dello sviluppo

Idroacusticaè una scienza in rapido sviluppo che senza dubbio ha un grande futuro. La sua apparizione è stata preceduta da un lungo percorso di sviluppo dell'acustica teorica e applicata. Troviamo le prime informazioni sull'interesse umano per la propagazione del suono nell'acqua negli appunti del famoso scienziato rinascimentale Leonardo da Vinci:

Le prime misurazioni della distanza attraverso il suono furono effettuate dal ricercatore russo accademico Ya. D. Zakharov. Il 30 giugno 1804 riprese il volo mongolfiera per scopi scientifici, e in questo volo usò la riflessione del suono dalla superficie terrestre per determinare l'altitudine di volo. Mentre era nel canestro, ha gridato ad alta voce in un altoparlante rivolto verso il basso. Dopo 10 secondi è arrivata un'eco chiaramente udibile. Da ciò Zakharov concluse che l'altezza della palla dal suolo era di circa 5 x 334 = 1670 m e questo metodo costituì la base della radio e del sonar.

Insieme allo sviluppo di questioni teoriche in Russia, ricerca pratica fenomeni di propagazione del suono in mare. Ammiraglio S. O. Makarov nel 1881-1882 proposto di utilizzare un dispositivo chiamato fluttometro per trasmettere informazioni sulla velocità delle correnti sott'acqua. Ciò segnò l'inizio dello sviluppo di un nuovo ramo della scienza e della tecnologia: la telemetria idroacustica.

Schema della stazione idrofonica della Pianta Baltica modello 1907: 1 - pompa dell'acqua; 2 - conduttura; 3 - regolatore di pressione; 4 - valvola idraulica elettromagnetica (valvola telegrafica); 5 - tasto telegrafico; 6 - emettitore a membrana idraulica; 7 - lato della nave; 8 - serbatoio dell'acqua; 9 - microfono sigillato

Negli anni '90 dell'Ottocento. Nel cantiere navale baltico, su iniziativa del capitano 2° grado M.N. Beklemishev, sono iniziati i lavori per lo sviluppo di dispositivi di comunicazione idroacustica. Furono effettuati i primi test di un emettitore idroacustico per la comunicazione subacquea fine XIX V. nella piscina sperimentale nel porto di Galernaya a San Pietroburgo. Le vibrazioni emesse potevano essere udite chiaramente a 7 miglia di distanza sul faro galleggiante Nevsky. Come risultato della ricerca nel 1905. creò il primo dispositivo di comunicazione idroacustica, in cui il ruolo del dispositivo trasmittente era svolto da una speciale sirena subacquea, controllata da un tasto telegrafico, e il ricevitore del segnale era un microfono in carbonio fissato dall'interno allo scafo della nave. I segnali venivano registrati da un apparato Morse e ad orecchio. Successivamente la sirena è stata sostituita con un emettitore a membrana. L'efficienza del dispositivo, chiamato stazione idrofonica, è aumentata in modo significativo. Prove in mare nuova stazione ebbe luogo nel marzo 1908. sul Mar Nero, dove la portata di ricezione affidabile del segnale superava i 10 km.

Le prime stazioni di comunicazione audio-subacquee seriali progettate dal Baltic Shipyard nel 1909-1910. installato sui sottomarini "Carpa", "Gudgeon", "Sterlet", « Sgombro" E " Pertica". Durante l'installazione delle stazioni sui sottomarini, al fine di ridurre le interferenze, il ricevitore era posizionato in una carenatura speciale, trainato dietro la poppa su una fune. Gli inglesi arrivarono a una tale decisione solo durante la prima guerra mondiale. Poi questa idea venne dimenticata e solo alla fine degli anni ’50 ricominciò ad essere utilizzata paesi diversi durante la creazione di stazioni navali sonar resistenti al rumore.

L'impulso per lo sviluppo dell'idroacustica fu la prima guerra mondiale. Durante la guerra, i paesi dell'Intesa subirono pesanti perdite nelle loro flotte mercantili e militari a causa delle azioni dei sottomarini tedeschi. Era necessario trovare mezzi per combatterli. Furono presto ritrovati. Un sottomarino in posizione sommersa può essere udito dal rumore creato dalle eliche e dai meccanismi di funzionamento. Un dispositivo che rileva oggetti rumorosi e determina la loro posizione è stato chiamato rilevatore di direzione del rumore. Il fisico francese P. Langevin nel 1915 propose di utilizzare un ricevitore sensibile fatto di sale di Rochelle per la prima stazione di rilevamento della direzione del rumore.

Nozioni di base di idroacustica

Caratteristiche della propagazione delle onde acustiche nell'acqua

Componenti di un evento eco.

Durante la seconda guerra mondiale iniziarono ricerche approfondite e fondamentali sulla propagazione delle onde acustiche nell'acqua, dettate dalla necessità di risolvere problemi pratici marine e principalmente sottomarini. Il lavoro sperimentale e teorico venne continuato negli anni del dopoguerra e riassunto in numerose monografie. In seguito a questi lavori sono state individuate e chiarite alcune caratteristiche della propagazione delle onde acustiche nell'acqua: assorbimento, attenuazione, riflessione e rifrazione.

Assorbimento dell'energia delle onde acustiche acqua di mareè causato da due processi: l'attrito interno del mezzo e la dissociazione dei sali in esso disciolti. Il primo processo converte l'energia di un'onda acustica in calore e il secondo, trasformandosi in energia chimica, rimuove le molecole dallo stato di equilibrio e si disintegrano in ioni. Questo tipo di assorbimento aumenta notevolmente con l'aumentare della frequenza della vibrazione acustica. La presenza di particelle sospese, microrganismi e anomalie di temperatura nell'acqua portano anche all'attenuazione dell'onda acustica nell'acqua. Di norma queste perdite sono piccole e sono comprese nell'assorbimento totale, ma a volte, come ad esempio nel caso della dispersione dalla scia di una nave, queste perdite possono arrivare fino al 90%. La presenza di anomalie di temperatura porta al fatto che l'onda acustica cade in zone d'ombra acustiche, dove può subire molteplici riflessioni.

La presenza di interfacce tra acqua - aria e acqua - fondo porta alla riflessione di un'onda acustica da esse, e se nel primo caso l'onda acustica viene riflessa completamente, nel secondo caso il coefficiente di riflessione dipende dal materiale del fondo: un fondale fangoso riflette male, quelli sabbiosi e rocciosi riflettono bene. . A basse profondità, a causa delle molteplici riflessioni dell'onda acustica tra il fondo e la superficie, appare un canale sonoro sottomarino, nel quale l'onda acustica può propagarsi lunghe distanze. La modifica della velocità del suono a diverse profondità porta alla deflessione dei “raggi” sonori - rifrazione.

Rifrazione del suono (curvatura del percorso del raggio sonoro)

Rifrazione del suono nell'acqua: a - in estate; b - in inverno; a sinistra c'è la variazione di velocità con la profondità. La velocità di propagazione del suono cambia con la profondità e i cambiamenti dipendono dal periodo dell'anno e del giorno, dalla profondità del serbatoio e da una serie di altri motivi. I raggi sonori che emergono da una sorgente ad una certa angolazione rispetto all'orizzonte sono piegati, e la direzione della curvatura dipende dalla distribuzione delle velocità del suono nel mezzo: in estate, quando gli strati superiori sono più caldi di quelli inferiori, i raggi si piegano verso il basso e si riflettono per lo più dal basso, perdendo una quota significativa della loro energia. ; in inverno, quando gli strati inferiori dell'acqua mantengono la loro temperatura, mentre quelli superiori si raffreddano, i raggi si piegano verso l'alto e vengono riflessi ripetutamente dalla superficie dell'acqua, mentre meno energia. Pertanto in inverno il raggio di propagazione del suono è maggiore che in estate. La distribuzione verticale della velocità del suono (VSD) e il gradiente di velocità hanno un'influenza decisiva sulla propagazione del suono in ambiente marino. La distribuzione della velocità del suono nelle diverse aree dell'Oceano Mondiale è diversa e cambia nel tempo. Esistono diversi casi tipici di VRSD:

Dispersione e assorbimento del suono per disomogeneità del mezzo.

Propagazione del suono nel suono subacqueo. canale: a - cambiamento della velocità del suono con la profondità; b - percorso del raggio nel canale audio. Per la propagazione dei suoni alta frequenza, quando le lunghezze d'onda sono molto piccole, vengono influenzate le piccole disomogeneità che di solito si trovano nei corpi idrici naturali: bolle di gas, microrganismi, ecc. Queste disomogeneità agiscono in due modi: assorbono e disperdono l'energia delle onde sonore. Di conseguenza, all'aumentare della frequenza delle vibrazioni sonore, la portata della loro propagazione diminuisce. Questo effetto è particolarmente evidente nello strato superficiale dell'acqua, dove sono presenti le maggiori disomogeneità. La dispersione del suono per disomogeneità, nonché per superfici irregolari dell'acqua e del fondale, provoca il fenomeno del riverbero subacqueo, che accompagna l'invio di un impulso sonoro: le onde sonore, riflettendosi da un insieme di disomogeneità e fondendosi, danno origine a un prolungamento dell'impulso sonoro, che continua dopo la sua fine. I limiti del raggio di propagazione dei suoni subacquei sono limitati anche dal rumore naturale del mare, che ha una duplice origine: parte del rumore deriva dagli impatti delle onde sulla superficie dell'acqua, dalla risacca marina, dal rumore rumore di ciottoli rotolanti, ecc.; l'altra parte è associata alla fauna marina (suoni prodotti dagli idrobionti: pesci e altri animali marini). La Bioidroacustica si occupa di questo aspetto molto serio.

Campo di propagazione delle onde sonore

L'intervallo di propagazione delle onde sonore è funzione complessa frequenza di radiazione, che è correlata unicamente alla lunghezza d'onda del segnale acustico. Come è noto, i segnali acustici ad alta frequenza si attenuano rapidamente a causa del forte assorbimento da parte dell'ambiente acquatico. I segnali a bassa frequenza, al contrario, sono in grado di propagarsi su lunghe distanze nell'ambiente acquatico. Pertanto, un segnale acustico con una frequenza di 50 Hz può propagarsi nell'oceano per distanze di migliaia di chilometri, mentre un segnale con una frequenza di 100 kHz, tipico del sonar a scansione laterale, ha un raggio di propagazione di soli 1-2 km . Gamme approssimative dei sonar moderni con frequenza diversa segnale acustico (lunghezza d'onda) sono riportati nella tabella:

Aree di utilizzo.

L'idroacustica è stata diffusa uso pratico, poiché non è stato ancora creato sistema efficace trasmissione di onde elettromagnetiche sott'acqua a qualsiasi distanza significativa, e quindi il suono è l'unico mezzi possibili comunicazioni sott'acqua. Per questi scopi usano frequenze sonore da 300 a 10.000 Hz e ultrasuoni da 10.000 Hz e oltre. Emettitori e idrofoni elettrodinamici e piezoelettrici sono utilizzati come emettitori e ricevitori nel dominio del suono, e quelli piezoelettrici e magnetostrittivi nel dominio degli ultrasuoni.

Le applicazioni più significative dell’idroacustica:

• Per risolvere problemi militari;
• Navigazione marittima;
• Comunicazione sana;
• Esplorazione della pesca;
• Ricerca oceanologica;
• Aree di attività per lo sviluppo delle risorse dei fondali oceanici;
• Utilizzo dell'acustica in piscina (a casa o in un centro di allenamento di nuoto sincronizzato)
• Addestramento di animali marini.

Appunti

Letteratura e fonti di informazione

LETTERATURA:

• V.V. Shuleikin Fisica del mare. - Mosca: “Scienza”, 1968. - 1090 p.
• I.A. rumeno Nozioni di base di idroacustica. - Mosca: “Costruzione navale”, 1979 - 105 p.
• Yu.A. Koryakin Sistemi idroacustici. - San Pietroburgo: “La scienza di San Pietroburgo e la potenza marittima della Russia”, 2002. - 416 p.

Il suono è una delle componenti della nostra vita e le persone lo sentono ovunque. Per considerare questo fenomeno in modo più dettagliato, dobbiamo prima comprendere il concetto stesso. Per fare ciò, è necessario rivolgersi all'enciclopedia, dove è scritto che "il suono è onde elastiche che si propagano in un mezzo elastico e creano vibrazioni meccaniche in esso". Parlando di più in un linguaggio semplice- Si tratta di vibrazioni udibili in qualsiasi ambiente. Le caratteristiche principali del suono dipendono da cosa è. Innanzitutto la velocità di propagazione, ad esempio, nell'acqua è diversa da quella degli altri ambienti.

Qualsiasi suono analogico ha determinate proprietà (caratteristiche fisiche) e qualità (riflesso di questi segni nelle sensazioni umane). Ad esempio, durata-durata, frequenza-altezza, composizione-timbro e così via.

La velocità del suono nell'acqua è molto più elevata che, ad esempio, nell'aria. Di conseguenza, si diffonde più velocemente e viene ascoltato molto più lontano. Ciò accade a causa dell'elevata densità molecolare dell'ambiente acquatico. È 800 volte più denso dell'aria e dell'acciaio. Ne consegue che la propagazione del suono dipende in gran parte dal mezzo. Diamo un'occhiata a numeri specifici. Pertanto, la velocità del suono nell'acqua è 1430 m/s, nell'aria - 331,5 m/s.

Il suono a bassa frequenza, ad esempio il rumore prodotto dal motore di una nave in funzione, viene sempre udito un po' prima di quanto la nave appaia nel campo visivo. La sua velocità dipende da diverse cose. Se la temperatura dell'acqua aumenta, allora, naturalmente, aumenta la velocità del suono nell'acqua. La stessa cosa accade con l'aumento della salinità e della pressione dell'acqua, che aumenta all'aumentare della profondità dell'acqua. Ruolo speciale La velocità può essere influenzata da un fenomeno come i termoclini. Questi sono i luoghi in cui si incontrano temperature diverse strati d'acqua.

Anche in questi luoghi è diverso (a causa della differenza in condizioni di temperatura). E quando le onde sonore attraversano strati di diversa densità, perdono maggior parte della tua forza. Quando un'onda sonora colpisce un termoclino, viene riflessa parzialmente, o talvolta completamente (il grado di riflessione dipende dall'angolo con cui cade il suono), dopo di che si forma una zona d'ombra dall'altra parte di questo luogo. Se consideriamo un esempio in cui la sorgente sonora si trova in spazio acquatico sopra il termoclino, poi sotto sarà non solo difficile, ma quasi impossibile sentire qualcosa.

Quelli emessi sopra la superficie non si sentono mai nell'acqua stessa. E sotto lo strato d'acqua accade il contrario: sopra non suona. Un esempio lampante di ciò sono i subacquei moderni. Il loro udito è notevolmente ridotto a causa del fatto che l'acqua influisce sul loro ad alta velocità il suono nell'acqua riduce la qualità della determinazione della direzione da cui si muove. Ciò attenua la capacità stereofonica di percepire il suono.

Sotto uno strato d'acqua entrano orecchio umano soprattutto attraverso le ossa del cranio, e non come nell'atmosfera, attraverso timpani. Il risultato di questo processo è la sua percezione da entrambe le orecchie contemporaneamente. In questo momento, il cervello umano non è in grado di distinguere tra i luoghi da cui provengono i segnali e con quale intensità. Il risultato è l'emergere della coscienza che il suono sembra arrivare da tutti i lati contemporaneamente, anche se questo è tutt'altro che vero.

Oltre a quanto sopra descritto, le onde sonore nell'acqua hanno qualità come assorbimento, divergenza e dispersione. Il primo avviene quando la forza del suono nell'acqua salata svanisce gradualmente a causa dell'attrito dell'ambiente acquatico e dei sali in esso contenuti. La divergenza si manifesta nella distanza del suono dalla sua sorgente. Sembra dissolversi nello spazio come la luce e di conseguenza la sua intensità diminuisce notevolmente. E le oscillazioni scompaiono completamente a causa della dispersione di ogni sorta di ostacoli e disomogeneità dell'ambiente.

Su lunghe distanze, l'energia sonora viaggia solo lungo raggi delicati che non toccano il fondo dell'oceano lungo l'intero percorso. In questo caso la limitazione imposta dall'ambiente al raggio di propagazione del suono è il suo assorbimento nell'acqua di mare. Il principale meccanismo di assorbimento è associato a processi di rilassamento che accompagnano la perturbazione da parte di un'onda acustica dell'equilibrio termodinamico tra gli ioni e le molecole dei sali disciolti nell'acqua. Si dovrebbe notare che il ruolo principale in termini di assorbimento in un'ampia gamma di frequenze sonore appartiene al sale di zolfo di magnesio MgSO4, sebbene in termini percentuali il suo contenuto nell'acqua di mare sia molto piccolo - quasi 10 volte inferiore, ad esempio, al salgemma NaCl, che tuttavia non gioca alcun effetto evidente ruolo nell’assorbimento del suono.

L'assorbimento nell'acqua di mare, in generale, è tanto maggiore quanto più alta è la frequenza del suono. A frequenze da 3-5 ad almeno 100 kHz, dove domina il meccanismo di cui sopra, l'assorbimento è proporzionale alla frequenza alla potenza di circa 3/2. A frequenze più basse si attiva un nuovo meccanismo di assorbimento (probabilmente dovuto alla presenza di sali di boro nell'acqua), che diventa particolarmente evidente nell'intervallo delle centinaia di hertz; qui il livello di assorbimento è anomalmente elevato e diminuisce significativamente più lentamente e con frequenza decrescente.

Per immaginare più chiaramente le caratteristiche quantitative dell'assorbimento nell'acqua di mare, notiamo che a causa di questo effetto, il suono con una frequenza di 100 Hz viene attenuato 10 volte su un percorso di 10mila km e con una frequenza di 10 kHz - a distanza di soli 10 km (Figura 2). Pertanto, solo le onde sonore a bassa frequenza possono essere utilizzate per la comunicazione subacquea a lunga distanza, il rilevamento a lungo raggio di ostacoli sottomarini, ecc.

Figura 2 - Distanze alle quali i suoni di frequenze diverse si attenuano 10 volte quando si propagano nell'acqua di mare.

In zona suoni udibili per la gamma di frequenza 20-2000 Hz, il raggio di propagazione dei suoni di media intensità sott'acqua raggiunge i 15-20 km e nella regione degli ultrasuoni - 3-5 km.

Sulla base dei valori di attenuazione acustica osservati in condizioni di laboratorio in piccoli volumi d'acqua, ci si aspetterebbero intervalli significativamente maggiori. Tuttavia, dentro condizioni naturali Oltre all'attenuazione causata dalle proprietà dell'acqua stessa (la cosiddetta attenuazione viscosa), su di essa influiscono anche la sua dispersione e l'assorbimento da parte di varie disomogeneità del mezzo.

La rifrazione del suono, o curvatura del percorso di un raggio sonoro, è causata dall'eterogeneità delle proprietà dell'acqua, principalmente verticalmente, per tre ragioni principali: cambiamenti della pressione idrostatica con la profondità, cambiamenti della salinità e cambiamenti della temperatura dovuti a disuguali riscaldamento della massa d'acqua da parte dei raggi del sole. Come risultato dell'effetto combinato di questi motivi, la velocità di propagazione del suono, che è di circa 1450 m/sec per l'acqua dolce e di circa 1500 m/sec per l'acqua di mare, cambia con la profondità e la legge di variazione dipende dal tempo dell'anno, ora del giorno, profondità del serbatoio e una serie di altri motivi. . I raggi sonori che emergono dalla sorgente ad un certo angolo rispetto all'orizzonte sono piegati e la direzione della curvatura dipende dalla distribuzione delle velocità del suono nel mezzo. In estate, quando gli strati superiori sono più caldi di quelli inferiori, i raggi si piegano verso il basso e vengono riflessi prevalentemente dal basso, perdendo una quota significativa della loro energia. Al contrario, in inverno, quando gli strati inferiori dell'acqua mantengono la loro temperatura, mentre quelli superiori si raffreddano, i raggi si piegano verso l'alto e subiscono molteplici riflessioni dalla superficie dell'acqua, durante le quali si perde molta meno energia. Pertanto in inverno il raggio di propagazione del suono è maggiore che in estate. A causa della rifrazione, il cosiddetto zone morte, cioè aree situate vicino alla sorgente in cui non c'è udibilità.

La presenza di rifrazione, tuttavia, può portare ad un aumento del raggio di propagazione del suono, il fenomeno della propagazione dei suoni a raggio ultra lungo sott'acqua. Ad una certa profondità sotto la superficie dell'acqua c'è uno strato in cui il suono viaggia alla velocità più bassa; Al di sopra di questa profondità, la velocità del suono aumenta a causa dell'aumento della temperatura, e al di sotto di questa profondità, a causa dell'aumento della pressione idrostatica con la profondità. Questo strato è una sorta di canale sonoro subacqueo. Un raggio che si è deviato dall'asse del canale verso l'alto o verso il basso, a causa della rifrazione, tende sempre a ricadere al suo interno. Se si posiziona la sorgente e il ricevitore del suono in questo strato, è possibile registrare anche suoni di media intensità (ad esempio esplosioni di piccole cariche di 1-2 kg) a distanze di centinaia e migliaia di km. Un aumento significativo della gamma di propagazione del suono in presenza di un canale sonoro subacqueo può essere osservato quando la sorgente sonora e il ricevitore si trovano non necessariamente vicino all'asse del canale, ma, ad esempio, vicino alla superficie. In questo caso i raggi, rifrangendosi verso il basso, entrano negli strati del mare profondo, dove vengono deviati verso l'alto e escono nuovamente in superficie a una distanza di diverse decine di chilometri dalla sorgente. Successivamente, lo schema di propagazione dei raggi viene ripetuto e di conseguenza si forma una sequenza dei cosiddetti raggi. zone illuminate secondarie, che solitamente sono tracciate a distanze di diverse centinaia di km.

La propagazione dei suoni ad alta frequenza, in particolare degli ultrasuoni, quando le lunghezze d'onda sono molto piccole, è influenzata da piccole disomogeneità normalmente presenti nei corpi idrici naturali: microrganismi, bolle di gas, ecc. Queste disomogeneità agiscono in due modi: assorbono e disperdono l'energia delle onde sonore. Di conseguenza, all'aumentare della frequenza delle vibrazioni sonore, la portata della loro propagazione diminuisce. Questo effetto è particolarmente evidente nello strato superficiale dell'acqua, dove sono presenti le maggiori disomogeneità. La diffusione del suono da parte di disomogeneità, così come superfici irregolari dell'acqua e del fondale, provoca il fenomeno del riverbero subacqueo, che accompagna l'invio di un impulso sonoro: le onde sonore, riflettendosi da un insieme di disomogeneità e fondendosi, danno origine a un prolungamento dell'impulso sonoro, che continua dopo la sua fine, simile al riverbero osservato negli spazi chiusi. Il riverbero subacqueo rappresenta un'interferenza abbastanza significativa per una serie di applicazioni pratiche dell'idroacustica, in particolare per il sonar.

Anche la gamma di propagazione dei suoni subacquei è limitata dal cosiddetto. i rumori propri del mare, che hanno una duplice origine. Una parte del rumore proviene dall'impatto delle onde sulla superficie dell'acqua, dalla risacca del mare, dal rumore dei ciottoli che rotolano, ecc. L'altra parte è legata alla fauna marina; Ciò include i suoni prodotti dai pesci e da altri animali marini.