Prędkość dźwięku w wodzie morskiej. Rozdział IX Właściwości akustyczne wody morskiej. Prędkość dźwięku
Woda morska jest ośrodkiem niejednorodnym akustycznie. Niejednorodność woda morska polega na zmianie gęstości wraz z głębokością, obecności w wodzie pęcherzyków gazu, cząstek zawieszonych i planktonu. Dlatego spread drgania akustyczne (dźwięki) w wodzie morskiej są zjawiskiem złożonym, zależnym od rozkładu gęstości (temperatura, zasolenie, ciśnienie), głębokości morza, charakteru gleby, stanu powierzchni morza, zmętnienia wody z zawieszonymi w niej zanieczyszczeniami pochodzenia organicznego i nieorganicznego oraz obecność rozpuszczonych gazów.
Dźwięk w szerokim znaczeniu to ruch oscylacyjny cząstek ośrodka sprężystego, rozchodzący się w postaci fal w ośrodku gazowym, ciekłym lub stałym; w wąskim znaczeniu zjawisko subiektywnie odbierane przez specjalny narząd zmysłów ludzi i zwierząt. Osoba słyszy dźwięk o częstotliwości od 16 Hz do 16-20×10 3 Hz . Fizyczne pojęcie dźwięku obejmuje zarówno dźwięki słyszalne, jak i niesłyszalne. Dźwięk o częstotliwości poniżej 16 Hz zwane infradźwiękami , powyżej 20 × 10 3 Hz - ultradźwięk ; drgania akustyczne o najwyższej częstotliwości w zakresie od 10 9 do 10 12 -10 13 Hz odnieść się do hiperdźwięk.
Rozchodzenie się dźwięku w wodzie oznacza okresową kompresję i rozrzedzenie wody w kierunku ruchu fali dźwiękowej. Prędkość przenoszenia ruchu oscylacyjnego z jednej cząstki wody na drugą zwaną prędkością dźwięku.
Teoretyczny wzór na prędkość dźwięku dla cieczy i gazów to: c = , gdzie α to objętość właściwa, γ = 
- stosunek pojemności cieplnej wody pod stałym ciśnieniem c p do pojemności cieplnej wody przy stałej objętości c v, w przybliżeniu równy jedności, k jest prawdziwym współczynnikiem ściśliwości wody morskiej.
Wraz ze wzrostem temperatury wody prędkość dźwięku wzrasta zarówno ze względu na wzrost objętości właściwej, jak i ze względu na spadek współczynnika ściśliwości. Dlatego wpływ temperatury na prędkość dźwięku jest największy w porównaniu z innymi czynnikami. Kiedy zmienia się zasolenie wody, zmienia się również objętość właściwa i współczynnik ściśliwości. Ale poprawki dotyczące prędkości dźwięku wynikające z tych zmian mają różne znaki. Dlatego wpływ zmian zasolenia na prędkość dźwięku jest mniejszy niż wpływ temperatury.
Prędkość dźwięku nie zależy od siły źródła dźwięku.
Korzystając ze wzoru teoretycznego, zestawiono tabele, które pozwalają wyznaczyć prędkość dźwięku na podstawie temperatury i zasolenia wody oraz skorygować ją o ciśnienie. Jednakże teoretyczny wzór podaje wartości prędkości dźwięku różniące się od zmierzonych średnio o ±4 m·s -1. Dlatego w praktyce stosuje się wzory empiryczne, z których najbardziej rozpowszechnione są wzory Del Grosso i W. Wilsona, zapewniając jak najmniej błędów.
Błąd prędkości dźwięku, obliczony ze wzoru Del Grosso, nie przekracza 0,5 m·s -1 dla wód o zasoleniu większym niż 15‰ i 0,8 m·s -1 dla wód o zasoleniu mniejszym niż 15 ‰.
Formuła Wilsona, zaproponowana przez niego w 1960 roku, daje więcej wysoka dokładność niż formuła Del Grosso. Jest zbudowany na zasadzie konstrukcji wzoru Bjerknesa do obliczania warunkowej objętości właściwej in situ i ma postać:
c = 1449,14 + δс s + δс t + δс s + δс st ,
gdzie δс p to poprawka na ciśnienie, δс t to poprawka na temperaturę, δс s to poprawka na zasolenie, a δс stp to całkowita poprawka na ciśnienie, temperaturę i zasolenie.
Błąd średniokwadratowy przy obliczaniu prędkości dźwięku przy użyciu wzoru Wilsona wynosi 0,3 m·s -1.
W 1971 roku zaproponowano inny wzór na obliczenie prędkości dźwięku na podstawie zmierzonych wartości T, S i P oraz nieco innych wartości korekcyjnych:
c = 1449,30 + δс s + δс t + δс s + δс st ,
Podczas pomiaru głębokości za pomocą echosondy obliczana jest prędkość dźwięku uśredniona dla warstw, co nazywa się pionową prędkością dźwięku. Określa się to wzorem ze stp 
,
gdzie c i jest średnią prędkością dźwięku w warstwie o grubości h i .
Prędkość dźwięku w wodzie morskiej o temperaturze 13 0 C, ciśnieniu 1 atm i zasoleniu 35‰ wynosi 1494 m s -1; jak już wskazano, wzrasta wraz ze wzrostem temperatury (3 m s -1 na 1 0 C), zasolenia (1,3 m s -1 na 1 ‰) i ciśnienia (0,016 m s -1 na 1 m głębokości) . Jest to około 4,5 razy większa od prędkości dźwięku w atmosferze (334 m s -1). Średnia prędkość dźwięku w Oceanie Światowym wynosi około 1500 m s -1, a zakres jej zmienności wynosi od 1430 do 1540 m s -1 na powierzchni oceanu i od 1570 do 1580 m s -1 na głębokościach przekraczających 7 km.
Dźwięk jest jednym z elementów naszego życia i ludzie słyszą go wszędzie. Aby rozważyć to zjawisko bardziej szczegółowo, musimy najpierw zrozumieć samo pojęcie. Aby to zrobić, należy zwrócić się do encyklopedii, w której napisano, że „dźwięk to fale sprężyste rozchodzące się w jakimś ośrodku sprężystym i wytwarzające w nim wibracje mechaniczne”. Mówiąc więcej w prostym języku- Są to wibracje słyszalne w każdym środowisku. Główne cechy dźwięku zależą od tego, czym on jest. Przede wszystkim prędkość propagacji np. w wodzie różni się od innych środowisk.
Każdy analog dźwięku ma pewne właściwości (cechy fizyczne) i cechy (odbicie tych cech w ludzkich odczuciach). Na przykład czas trwania, częstotliwość – wysokość, kompozycja – barwa i tak dalej.
Prędkość dźwięku w wodzie jest znacznie większa niż, powiedzmy, w powietrzu. W rezultacie rozprzestrzenia się szybciej i jest słyszalny znacznie dalej. Dzieje się tak z powodu dużej gęstości molekularnej środowiska wodnego. Jest 800 razy gęstszy od powietrza i stali. Wynika z tego, że rozchodzenie się dźwięku w dużej mierze zależy od ośrodka. Spójrzmy na konkretne liczby. Zatem prędkość dźwięku w wodzie wynosi 1430 m/s, w powietrzu - 331,5 m/s.
Dźwięki o niskiej częstotliwości, na przykład hałas wytwarzany przez pracujący silnik statku, są zawsze słyszalne nieco wcześniej, niż statek pojawia się w zasięgu wzroku. Jego prędkość zależy od kilku rzeczy. Jeśli temperatura wody wzrasta, wówczas naturalnie wzrasta prędkość dźwięku w wodzie. To samo dzieje się ze wzrostem zasolenia i ciśnienia wody, które wzrasta wraz ze wzrostem głębokości wody. Takie zjawiska jak termokliny mogą mieć szczególny wpływ na prędkość. To są miejsca, w których się spotykają różne temperatury warstwy wody.
Również w takich miejscach jest inaczej (ze względu na różnicę w warunki temperaturowe). A kiedy fale dźwiękowe przechodzą przez takie warstwy o różnej gęstości, tracą większość swojej siły. Kiedy fala dźwiękowa napotyka termoklinę, ulega częściowemu lub czasami całkowitemu odbiciu (stopień odbicia zależy od kąta, pod jakim dźwięk pada), po czym po drugiej stronie tego miejsca tworzy się strefa cienia. Jeśli weźmiemy pod uwagę przykład, w którym źródło dźwięku znajduje się w zbiorniku wodnym powyżej termokliny, wówczas poniżej niego będzie nie tylko trudne, ale prawie niemożliwe, aby cokolwiek usłyszeć.
Które słychać nad powierzchnią, nigdy nie słychać w samej wodzie. A odwrotnie dzieje się pod warstwą wody: nad nią nie słychać. Uderzającym tego przykładem są współcześni nurkowie. Ich słuch jest znacznie osłabiony ze względu na działanie wody, a duża prędkość dźwięku w wodzie pogarsza jakość określenia kierunku, z którego się porusza. To osłabia stereofoniczną zdolność odbierania dźwięku.
Pod warstwą wody przedostaje się do ucha człowieka przede wszystkim przez kości czaszki głowy, a nie jak w atmosferze przez błony bębenkowe. Efektem tego procesu jest jego percepcja przez obydwa uszy jednocześnie. W tym momencie ludzki mózg nie jest w stanie rozróżnić miejsc, z których pochodzą sygnały i z jaką intensywnością. Efektem jest pojawienie się świadomości, że dźwięk zdaje się napływać ze wszystkich stron jednocześnie, choć jest to dalekie od przypadku.
Oprócz tego, co opisano powyżej, fale dźwiękowe w wodzie mają takie właściwości, jak absorpcja, rozbieżność i dyspersja. Po pierwsze, siła dźwięku w słonej wodzie stopniowo zanika z powodu tarcia środowiska wodnego i znajdujących się w nim soli. Rozbieżność objawia się w odległości dźwięku od jego źródła. Wydaje się, że rozpuszcza się w przestrzeni jak światło, w wyniku czego jego intensywność znacznie spada. Oscylacje znikają całkowicie z powodu rozproszenia przez różnego rodzaju przeszkody i niejednorodności w środowisku.
Fale dźwiękowe rozchodzą się w wodzie morskiej w postaci wibracji lub fal ciśnienia. Są to mechaniczne fale podłużne. W ośrodku elastycznym, jakim jest woda morska, powodują okresową kompresję i rozrzedzenie cząstek, w wyniku czego każda cząstka porusza się równolegle do kierunku rozchodzenia się fali. Elastyczność ośrodka charakteryzuje się falowym oporem akustycznym, zdefiniowanym jako iloczyn gęstości ośrodka i prędkości propagacji fal dźwiękowych. Stosunek ten pozwala oszacować sztywność ośrodka, która dla wody morskiej jest 3500 razy większa niż dla powietrza. Dlatego do wytworzenia takiego samego ciśnienia w wodzie morskiej jak w powietrzu potrzeba znacznie mniej energii.
Prędkość rozchodzenia się sprężystych fal podłużnych jest prędkością dźwięku. W wodzie morskiej prędkość dźwięku waha się od 1450 do 1540 m/s. Przy częstotliwości oscylacji od 16 do 20 000 Hz są one odbierane przez ludzkie ucho. Wibracje powyżej progu słyszalności nazywane są ultradźwięk", O właściwościach ultradźwięków decyduje ich wysoka częstotliwość i krótka długość fali. Wibracje o częstotliwości poniżej progu słyszalności nazywane są drganiami infradźwięki. Fale dźwiękowe w środowisku morskim są wzbudzane przez źródła naturalne i sztuczne. Wśród tych pierwszych ważną rolę odgrywają fale morskie, wiatr, skupiska zwierząt morskich i ich ruch, ruchy wody w strefach rozbieżności i zbieżności, trzęsienia ziemi itp. Wybuchy, ruchy statków, zjawiska na dużą skalę badania naukowe odpowiedni profil, niektóre rodzaje działalności produkcyjnej człowieka.
Fale dźwiękowe w wodzie morskiej rozchodzą się z różnymi prędkościami. Zależy to od wielu czynników, wśród których najważniejsze to głębokość (ciśnienie), temperatura, zasolenie, struktura wewnętrzna słup wody, nierównomierny rozkład gęstości, pęcherzyki gazu, cząstki zawieszone, nagromadzenie organizmów morskich. Na prędkość rozchodzenia się dźwięku wpływa także szybko zmieniający się stan powierzchni morza, topografia i skład dna.
Ryż. 72. Zmiana prędkości dźwięku w zależności od temperatury i normalnego zasolenia ciśnienie atmosferyczne (A) oraz na ciśnienie w temperaturze O°C i zasolenie
35% o ( B)(127 każdy|)
osady denne. Wymienione czynniki tworzą niejednorodne pola akustyczne, co powoduje różne kierunki propagacji i prędkości fal dźwiękowych. Największy wpływ na prędkość propagacji fal dźwiękowych ma ciśnienie, temperatura i zasolenie wody morskiej. Charakterystyki te determinują współczynnik ściśliwości, a jego wahania powodują zmiany prędkości propagacji dźwięku. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta objętość właściwa wody morskiej, a współczynnik ściśliwości maleje, co prowadzi do wzrostu prędkości dźwięku. W wody powierzchniowe wraz ze wzrostem temperatury od Odo 5° przyrost prędkości dźwięku zmienia się o około 4,1 m/s, od 5 do 10° – o 3,6 m/s, a przy 30°C – zaledwie o 2,1 m/s.
Prędkość dźwięku wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, zasolenia i głębokości (ciśnienia). Zależność wyraża się liniową zmianą wartości tych parametrów (ryc. 72). Ustalono, że wzrost zasolenia o 1% s i ciśnienia o 100 dbar powoduje wzrost prędkości dźwięku odpowiednio o około 1,2 i 1,6 m/s. Ze stołu 30, w którym przedstawiono dane dotyczące wpływu temperatury i zasolenia na prędkość rozchodzenia się dźwięku, wynika, że wraz ze wzrostem zasolenia w tej samej temperaturze następuje znaczny wzrost prędkości dźwięku. Wzrost ten jest szczególnie zauważalny przy jednoczesnym wzroście temperatury i zasolenia wody morskiej.
Jeśli temperatura wody zmienia się nieznacznie wraz z głębokością, jak to ma miejsce w Morzu Czerwonym i Morzu Weddella, wówczas prędkość dźwięku wzrasta bez gwałtownego spadku w zakresie od 700 do 1300 m W zdecydowanej większości innych obszarów Oceanu Światowego , w tym zakresie głębokości obserwuje się znaczny spadek prędkości dźwięku (ryc. 73).
Tabela 30
Prędkość rozchodzenia się dźwięku w wodzie morskiej (m/s) w zależności od zasolenia i temperatury
(uproszczona wersja tabeli. 1.41 1511)
Gradient zmian prędkości dźwięku w słupie wody nie jest taki sam w kierunku poziomym i pionowym. W kierunku poziomym jest około tysiąc razy mniejszy niż w kierunku pionowym. Jak zauważył L.M. Brekhovskikh i Yu.P. Lysanov, wyjątkiem są obszary zbieżności prądów ciepłych i zimnych, gdzie gradienty te są porównywalne.
Ponieważ temperatura i zasolenie nie zależą od głębokości, gradient pionowy jest wartością stałą. Przy prędkości dźwięku 1450 m/s wynosi ona 0,1110–4 m~”.
Ciśnienie słupa wody ma istotny wpływ na prędkość rozchodzenia się dźwięku. Prędkość dźwięku wzrasta wraz z głębokością. Widać to wyraźnie z tabeli. 31, który zapewnia korekty prędkości dźwięku do głębokości.
Korekta prędkości dźwięku dla głębokości w powierzchniowej warstwie wody wynosi 0,2 m/s, a na głębokości 900 m wynosi 15,1 m/s, tj. wzrasta 75 razy. W głębszych warstwach słupa wody
korekta na prędkość dźwięku staje się znacznie mniejsza, a jej wartość stopniowo maleje wraz ze wzrostem głębokości, choć w wartościach bezwzględnych jest znacząco
Ryż. 73. Zmiana prędkości dźwięku wraz z głębokością w niektórych obszarach Oceanu Światowego (w ) przekracza poprawkę na prędkość dźwięku w warstwie powierzchniowej. Przykładowo na głębokości 5000 m jest ona 443 razy większa niż dla warstwy powierzchniowej.
Tabela 31
Korekta prędkości dźwięku (m/s) do głębokości
(uproszczona wersja tabeli. 1.42 151 ])
|
Głębokość, m |
Głębokość, m |
|||||||||
Dźwięk rozchodzi się w wodzie morskiej 4,5 razy szybciej niż w powietrzu. Szybkość jego rozprzestrzeniania się zależy od temperatury, zasolenia i ciśnienia. Wraz ze wzrostem któregokolwiek z tych czynników wzrasta prędkość dźwięku.
Jak mierzy się prędkość dźwięku?
Można go obliczyć, znając temperaturę, zasolenie i głębokość – trzy główne cechy mierzone na stacjach oceanograficznych. Przez wiele lat ta metoda była jedyną. W ostatnie lata Zaczęto mierzyć bezpośrednio prędkość dźwięku w wodzie morskiej. Mierniki prędkości dźwięku działają na zasadzie pomiaru czasu, w którym impuls dźwiękowy pokonuje określoną odległość.
Jak daleko może przemieszczać się dźwięk w oceanie?
Wibracje dźwiękowe powstałe w wyniku podwodnej eksplozji statku badawczego Vema Uniwersytetu Columbia w 1960 roku zarejestrowano w odległości 20 000 mil. W podwodnym kanale dźwiękowym u wybrzeży Australii zdetonowano ładunek głębinowy i po około 144 minutach wibracje dźwiękowe dotarły do Bermudów, czyli prawie przeciwnego punktu na kuli ziemskiej.
Co to jest kanał audio?
Jest to strefa, w której prędkość dźwięku najpierw maleje wraz z głębokością do pewnego minimum, a następnie wzrasta pod wpływem rosnącego ciśnienia. Fale dźwiękowe wzbudzone w tej strefie nie mogą jej opuścić, ponieważ załamują się i wracają do osi kanału. Kiedy dźwięk dotrze do takiego kanału, może pokonać tysiące kilometrów.
Co to jest SOFAR?
To jest skrót Angielskie słowa„ustawianie i ustalanie zasięgu dźwięku” (wykrywanie źródeł dźwięku i mierzenie odległości do nich). System SOFAR wykorzystuje kanał dźwiękowy na głębokościach 600 – 1200 m Wykorzystując obserwacje z kilku stacji odbiorczych, można określić lokalizację źródła dźwięku w tym kanale z dokładnością do 1 mili. Podczas II wojny światowej system ten posłużył do uratowania wielu pilotów zestrzelonych nad morzem. Ich samoloty miały małe bomby, które eksplodowały pod ciśnieniem, gdy osiągnęły głębokość kanału dźwiękowego.
Co to jest sonar?
Sonar działa na tej samej zasadzie co radar, z tą różnicą, że zamiast fal radiowych wykorzystuje fale dźwiękowe (akustyczne). Sonar może być aktywny lub pasywny. System aktywny emituje wibracje dźwiękowe i odbiera odbity sygnał, czyli echo. Aby określić odległość, należy wziąć połowę iloczynu prędkości dźwięku i czasu, jaki upłynął pomiędzy emisją impulsu dźwiękowego a otrzymaniem odbitego sygnału. System pasywny działa w trybie odsłuchowym i za jego pomocą można jedynie określić kierunek, w którym znajduje się źródło dźwięku. Sonar służy do wykrywania okrętów podwodnych, nawigacji, wyszukiwania ławic ryb i określania głębokości. W tym drugim przypadku sonarem jest konwencjonalna echosonda.
Co to jest załamanie i odbicie fal dźwiękowych?
Ze względu na różnice w gęstości wody morskiej fale dźwiękowe w oceanie nie rozchodzą się prosto. Ich kierunek jest zakrzywiony na skutek zmian prędkości dźwięku w wodzie. Zjawisko to nazywa się refrakcją. Ponadto energia dźwiękowa jest rozpraszana przez zawiesinę i organizmy morskie, odbijana i rozpraszana na powierzchni i na dnie, a ostatecznie tłumiona podczas rozchodzenia się w słupie wody.
Co powoduje szum morza?
Hałas morski obejmuje szum fal i fal, hałas powodowany przez opady atmosferyczne, aktywność sejsmiczną i wulkaniczną, a także dźwięki wydawane przez ryby i inne zwierzęta. organizmy morskie. Za hałas morski uważa się także hałas powodowany ruchem statku, pracą mechanizmów wydobywających kopaliny, a także hałas powstający podczas prac oceanograficznych podwodnych i powierzchniowych, występujący na zewnątrz platform i samych urządzeń pomiarowych.
Fale, pływy, prądy
Dlaczego powstają fale?
Te fale; które zwykliśmy widzieć na powierzchni wody, powstają głównie pod wpływem wiatru. Jednak fale mogą być również spowodowane innymi przyczynami: podwodnymi trzęsieniami ziemi lub podwodnymi erupcjami wulkanów. Pływy to także fale.
