Deniz suyunda ses hızı. Bölüm IX Deniz suyunun akustik özellikleri. Ses hızı
Deniz suyu akustik olarak homojen olmayan bir ortamdır. Heterojenlik deniz suyu derinlikle birlikte yoğunlukta bir değişiklik, sudaki gaz kabarcıklarının, asılı parçacıkların ve planktonun varlığından oluşur. Bu nedenle yayılma deniz suyundaki akustik titreşimler (ses), yoğunluk dağılımına (sıcaklık, tuzluluk, basınç), deniz derinliğine, toprağın doğasına, deniz yüzeyinin durumuna, asılı yabancı maddelerle suyun bulanıklığına bağlı olan karmaşık bir olgudur. organik ve inorganik kökenli ve çözünmüş gazların varlığı.
Geniş anlamda ses, elastik bir ortamdaki parçacıkların gaz, sıvı veya katı ortamlarda dalgalar şeklinde yayılan salınım hareketidir; dar anlamda, insan ve hayvanların özel duyu organları tarafından subjektif olarak algılanan bir olgudur. Bir kişi 16 Hz'den 16-20×10 3 Hz'e kadar frekansta ses duyar. . Sesin fiziksel kavramı hem duyulabilen hem de duyulmayan sesleri kapsar. Frekansı 16 Hz'in altında olan ses infrasound denir , 20 ×10 3 Hz'nin üzerinde - ultrason ; 10 9 ila 10 12 -10 13 Hz aralığındaki en yüksek frekanslı akustik titreşimler başvurmak hiper ses.
Sesin suda yayılması, ses dalgasının hareketi yönünde suyun periyodik olarak sıkıştırılmasını ve seyrelmesini temsil eder. Salınım hareketinin bir su parçacığından diğerine aktarım hızı ses hızı denir.
Sıvılar ve gazlar için ses hızının teorik formülü şöyledir: c = , burada α özgül hacimdir, γ = 
- suyun sabit basınçtaki c p ısı kapasitesinin, sabit hacimdeki c v suyun ısı kapasitesine oranı, yaklaşık olarak birliğe eşittir, k, deniz suyunun gerçek sıkıştırılabilirlik katsayısıdır.
Su sıcaklığının artmasıyla birlikte hem özgül hacmin artması hem de sıkıştırılabilirlik katsayısının azalması nedeniyle ses hızı artar. Bu nedenle sıcaklığın ses hızı üzerindeki etkisi diğer faktörlerle karşılaştırıldığında en fazladır. Suyun tuzluluğu değiştiğinde özgül hacmi ve sıkıştırılabilirlik katsayısı da değişir. Ancak bu değişikliklerden dolayı ses hızına yönelik düzeltmeler yapıldı. farklı işaretler. Bu nedenle tuzluluktaki değişimlerin ses hızına etkisi, sıcaklığın etkisinden daha azdır. Hidrostatik basınç yalnızca ses hızındaki dikey değişimi etkiler; ses hızı derinlikle birlikte artar.
Sesin hızı ses kaynağının gücüne bağlı değildir.
Teorik bir formül kullanılarak, suyun sıcaklığına ve tuzluluğuna göre ses hızının belirlenmesini ve basınca göre düzeltilmesini mümkün kılan tablolar derlenmiştir. Ancak teorik formül, ölçülenlerden ortalama ±4 m·s -1 kadar farklı olan ses hızı değerlerini verir. Bu nedenle pratikte en yaygın olanı formüller olan ampirik formüller kullanılır. Del Grosso ve W. Wilson, en az hatanın sağlanması.
Del Grosso formülü kullanılarak hesaplanan ses hızı hatası, tuzluluk oranı ‰15'ten fazla olan sular için 0,5 m·s -1'i ve tuzluluk oranı ‰15'ten az olan sular için 0,8 m·s -1'i aşmaz. ‰.
Wilson'ın 1960 yılında önerdiği formül daha fazlasını veriyor yüksek doğruluk Del Grosso formülünden daha. Koşullu özgül hacmin yerinde hesaplanması için Bjerknes formülünün oluşturulması ilkesi üzerine inşa edilmiştir ve şu şekle sahiptir:
c = 1449,14 + δс p + δс t + δс s + δс stp ,
burada δс p basınç düzeltmesi, δс t sıcaklık düzeltmesi, δс s tuzluluk düzeltmesi ve δс stp basınç, sıcaklık ve tuzluluk için toplam düzeltmedir.
Wilson formülü kullanılarak ses hızının hesaplanmasındaki ortalama karekök hatası 0,3 m·s -1'dir.
1971'de, ölçülen T, S ve P değerlerinden ve biraz farklı düzeltme değerlerinden ses hızını hesaplamak için başka bir formül önerildi:
c = 1449,30 + δс p + δс t + δс s + δс stp ,
Derinlik bir yankı sireni ile ölçülürken, katmanlar üzerinden ortalama ses hızı hesaplanır, buna sesin dikey hızı denir. Stp'li formülle belirlenir. 
,
burada c i, h i kalınlığındaki bir katmandaki ortalama ses hızıdır .
13 0 C sıcaklıkta, 1 atm basınçta ve ‰ 35 tuzlulukta deniz suyunda sesin hızı 1494 m s -1'e eşittir; daha önce belirtildiği gibi, artan sıcaklık (1 0 C'de 3 m s -1), tuzluluk (‰ 1'de 1,3 m s -1) ve basınç (1 m derinlik başına 0,016 m s -1) ile artar. Atmosferdeki ses hızının yaklaşık 4,5 katıdır (334 m s -1). Dünya Okyanusunda ortalama ses hızı yaklaşık 1500 ms -1'dir ve değişkenlik aralığı okyanus yüzeyinde 1430 ila 1540 ms -1 ve 7 km'den fazla derinliklerde 1570 ila 1580 ms -1 arasındadır.
Ses hayatımızın bileşenlerinden biridir ve insanlar onu her yerde duyar. Bu olguyu daha ayrıntılı olarak ele almak için öncelikle kavramın kendisini anlamamız gerekir. Bunu yapmak için, "ses, bazı elastik ortamlarda yayılan ve içinde mekanik titreşimler yaratan elastik dalgalardır" yazan ansiklopediye dönmeniz gerekir. Daha fazla konuşmak basit bir dille- Bunlar her ortamda duyulabilen titreşimlerdir. Sesin temel özellikleri ne olduğuna bağlıdır. Öncelikle örneğin sudaki yayılma hızı diğer ortamlardan farklıdır.
Herhangi bir ses analogunun belirli özellikleri (fiziksel özellikler) ve nitelikleri (bu özelliklerin insan duyumlarına yansıması) vardır. Örneğin süre-süre, frekans-perde, kompozisyon-tını vb.
Sesin sudaki hızı, örneğin havadakinden çok daha yüksektir. Dolayısıyla daha hızlı yayılıyor ve çok daha fazla duyuluyor. Bu, su ortamının yüksek moleküler yoğunluğu nedeniyle olur. Hava ve çelikten 800 kat daha yoğundur. Buradan sesin yayılmasının büyük ölçüde ortama bağlı olduğu sonucu çıkar. Belirli sayılara bakalım. Yani sesin hızı suda 1430 m/s, havada ise 331,5 m/s'dir.
Düşük frekanslı ses, örneğin çalışan bir geminin motorunun ürettiği gürültü, her zaman geminin görüş alanında görünmesinden biraz daha erken duyulur. Hızı birkaç şeye bağlıdır. Suyun sıcaklığı artarsa doğal olarak sudaki ses hızı da artar. Aynı şey, su derinliğinin artmasıyla birlikte artan su tuzluluğu ve basıncında da meydana gelir. Termoklinler gibi bir olgunun hız üzerinde özel bir rolü olabilir. Buluştukları yerler bunlar farklı sıcaklıklar su katmanları.
Ayrıca bu tür yerlerde farklıdır (farklılıktan dolayı) sıcaklık koşulları). Ve ses dalgaları bu kadar farklı yoğunluktaki katmanlardan geçerken kaybolurlar. en senin gücünden. Bir ses dalgası termokline çarptığında kısmen veya bazen tamamen yansıtılır (yansımanın derecesi sesin düştüğü açıya bağlıdır), ardından buranın diğer tarafında bir gölge bölgesi oluşur. Bir ses kaynağının termoklin üzerindeki bir su kütlesine yerleştirildiği bir örneği ele alırsak, o zaman onun altında herhangi bir şeyi duymak sadece zor değil, aynı zamanda neredeyse imkansız olacaktır.
Yüzeyin üzerine yayılanlar suyun içinde asla duyulmaz. Ve su katmanının altında bunun tersi olur: üstünde ses çıkmaz. Bunun çarpıcı bir örneği modern dalgıçlardır. Suyun onları etkilemesi nedeniyle işitme duyuları büyük ölçüde azalır ve sudaki sesin yüksek hızı, hareket ettiği yönü belirleme kalitesini azaltır. Bu, stereofonik ses algılama yeteneğini köreltir.
Su tabakasının altında, insan kulağına atmosferde olduğu gibi kulak zarlarından değil, çoğunlukla kafa kafatasının kemikleri yoluyla girer. Bu sürecin sonucu her iki kulağın aynı anda algılamasıdır. Şu anda insan beyni, sinyallerin nereden geldiğini ve hangi yoğunlukta geldiğini ayırt edemiyor. Sonuç, durumdan çok uzak olmasına rağmen, sesin aynı anda her taraftan geliyormuş gibi göründüğü bilincinin ortaya çıkmasıdır.
Sudaki ses dalgalarının yukarıda anlatılanların yanı sıra soğurma, ıraksama ve dağılma gibi özellikleri de vardır. Birincisi, tuzlu sudaki sesin gücünün, su ortamının ve içindeki tuzların sürtünmesi nedeniyle giderek azalmasıdır. Farklılık, sesin kaynağından olan uzaklığında kendini gösterir. Işık gibi uzayda çözünüyor gibi görünüyor ve bunun sonucunda yoğunluğu önemli ölçüde düşüyor. Ve ortamın her türlü engel ve homojensizlik nedeniyle dağılması nedeniyle salınımlar tamamen ortadan kalkar.
Ses dalgaları deniz suyunda titreşimler veya basınç dalgaları olarak yayılır. Bunlar mekanik uzunlamasına dalgalardır. Deniz suyu gibi elastik bir ortamda, parçacıkların periyodik olarak sıkıştırılmasını ve seyrekleşmesini sağlarlar, bunun sonucunda her bir parçacık dalga yayılma yönüne paralel hareket eder. Bir ortamın esnekliği, ortamın yoğunluğunun ve ses dalgalarının yayılma hızının çarpımı olarak tanımlanan dalga akustik direnci ile karakterize edilir. Bu oran, deniz suyu için havaya göre 3500 kat daha fazla olan ortamın sertliğini tahmin etmemizi sağlar. Bu nedenle deniz suyunda havadakiyle aynı basıncı oluşturmak için çok daha az enerji gerekir.
Elastik boyuna dalgaların yayılma hızı ses hızıdır. Deniz suyunda ses hızı 1450 ile 1540 m/s arasında değişmektedir. 16 ila 20.000 Hz salınım frekansı ile insan kulağı tarafından algılanırlar. İşitilebilirlik eşiğinin üzerindeki titreşimlere denir ultrason", Ultrasonun özellikleri yüksek frekansı ve kısa dalga boyu ile belirlenir. Frekansı işitilebilirlik eşiğinin altında olan titreşimlere denir kızılötesi. Deniz ortamındaki ses dalgaları doğal ve yapay kaynaklar tarafından uyarılır. Bunlardan ilki arasında deniz dalgaları, rüzgar, deniz hayvanlarının birikmesi ve hareketleri, uzaklaşma ve yakınsama bölgelerindeki su hareketleri, depremler vb. önemli bir rol oynar. Patlamalar, gemi hareketleri, büyük ölçekli Bilimsel araştırma karşılık gelen profil, bazı insan üretim faaliyetleri türleri.
Deniz suyundaki ses dalgaları farklı hızlarda hareket eder. Pek çok faktöre bağlıdır; bunların arasında en önemlileri derinlik (basınç), sıcaklık, tuzluluk, iç yapı su sütunu, yoğunluğun eşit olmayan dağılımı, gaz kabarcıkları, asılı parçacıklar, deniz organizmalarının birikmesi. Sesin yayılma hızı aynı zamanda deniz yüzeyinin, dip topoğrafyasının ve kompozisyonunun hızla değişen durumundan da etkilenir.
Pirinç. 72. Normal şartlarda sıcaklık ve tuzluluğa bağlı olarak ses hızının değişmesi atmosferik basınç (A) ve O °C'de basınç ve tuzlulukta
%35 ( B)(Her biri 127|)
alt çökeltiler. Listelenen faktörler, ses dalgalarının farklı yayılma yönlerine ve hızlarına yol açan homojen olmayan akustik alanlar oluşturur. Ses dalgalarının yayılma hızı üzerindeki en büyük etki deniz suyunun basıncı, sıcaklığı ve tuzluluğundan kaynaklanmaktadır. Bu özellikler sıkıştırılabilirlik katsayısını belirler ve dalgalanmaları sesin yayılma hızında değişikliklere neden olur. Sıcaklık arttıkça deniz suyunun özgül hacmi artar ve sıkıştırılabilirlik katsayısı azalır, bu da ses hızının artmasına neden olur. İÇİNDE yüzey suları Sıcaklık Odo'da 5° arttığında, ses hızındaki artış yaklaşık 4,1 m/s, 5°'den 10°'ye 3,6 m/s ve 30 °C'de yalnızca 2,1 m/s değişir.
Sıcaklık, tuzluluk ve derinlik (basınç) artışıyla birlikte sesin hızı da artar. Bağımlılık, bu parametrelerin değerlerindeki doğrusal bir değişiklikle ifade edilir (Şekil 72). Tuzluluğun %1 s ve basıncın 100 dbar artmasının ses hızını sırasıyla yaklaşık 1,2 ve 1,6 m/s artırdığı tespit edilmiştir. Masadan Sıcaklık ve tuzluluğun ses hızı üzerindeki etkisine ilişkin verileri sunan Şekil 30'da, aynı sıcaklıkta tuzluluğun artmasıyla ses hızında önemli bir artış olduğu anlaşılmaktadır. Bu artış özellikle deniz suyunun sıcaklığının ve tuzluluğunun eş zamanlı artmasıyla fark edilir.
Kızıldeniz ve Weddell Denizi'nde olduğu gibi su sıcaklığı derinlikle birlikte çok az değişirse, Dünya Okyanusunun diğer bölgelerinin büyük çoğunluğunda ses hızı 700 ila 1300 m aralığında keskin bir düşüş olmadan artar. Bu derinlik aralığında ses hızında önemli bir azalma gözlenmektedir ( Şekil 73).
Tablo 30
Tuzluluk ve sıcaklığa bağlı olarak deniz suyunda sesin yayılma hızı (m/s)
(tablonun basitleştirilmiş versiyonu. 1.41 1511)
Su sütununda ses hızındaki değişimlerin eğimi yatay ve dikey yönlerde aynı değildir. Yatay yönde dikey olandan yaklaşık bin kat daha küçüktür. L.M.'nin belirttiği gibi. Brekhovskikh ve Yu.P. Lysanov, istisna, bu gradyanların karşılaştırılabilir olduğu sıcak ve soğuk akımların yakınsama alanlarıdır.
Sıcaklık ve tuzluluk derinliğe bağlı olmadığından dikey eğim sabit bir değerdir. 1450 m/s ses hızında bu değer 0,1110 -4 m~"ye eşittir.
Su sütununun basıncı, sesin yayılma hızı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Derinlik arttıkça sesin hızı da artar. Bu tablodan açıkça görülmektedir. 31, ses hızından derinliğe kadar düzeltmeler sağlar.
Suyun yüzey katmanındaki derinlik için ses hızı düzeltmesi 0,2 m/s, 900 m derinlikte ise 15,1 m/s'dir; 75 kat artıyor. Su sütununun daha derin katmanlarında
ses hızı düzeltmesi çok daha küçük hale gelir ve değeri derinlik arttıkça giderek azalır, ancak mutlak anlamda önemli ölçüde
Pirinç. 73. Dünya Okyanusunun bazı bölgelerinde ses hızının derinliğe göre değişimi (inç), yüzey katmanındaki ses hızı düzeltmesini aşmaktadır. Örneğin 5000 m derinlikte yüzey katmanından 443 kat daha fazladır.
Tablo 31
Ses hızının (m/s) derinliğe göre düzeltilmesi
(tablonun basitleştirilmiş versiyonu. 1.42 151 ])
|
Derinlik, m |
Derinlik, m |
|||||||||
Ses deniz suyunda havaya göre 4,5 kat daha hızlı yayılır. Yayılma hızı sıcaklığa, tuzluluğa ve basınca bağlıdır. Bu faktörlerden herhangi biri arttıkça sesin hızı artar.
Sesin hızı nasıl ölçülür?
Oşinografi istasyonlarında ölçülen üç ana özellik olan sıcaklık, tuzluluk ve derinlik bilinerek hesaplanabilir. Uzun yıllar boyunca bu yöntem tek yöntemdi. İÇİNDE son yıllar Deniz suyundaki ses hızı doğrudan ölçülmeye başlandı. Ses hızı ölçerler, ses darbesinin belirli bir mesafeyi kat ettiği süreyi ölçme prensibiyle çalışır.
Ses okyanusta ne kadar uzağa gidebilir?
1960 yılında Columbia Üniversitesi araştırma gemisi Vema'nın su altında patlaması sonucu oluşan ses titreşimleri 12.000 mil mesafeden kaydedildi. Avustralya kıyısı açıklarında bir su altı ses kanalında derinlik bombası patlatıldı ve yaklaşık 144 dakika sonra ses titreşimleri Bermuda'ya, yani dünyanın neredeyse zıt noktasına ulaştı.
Ses kanalı nedir?
Bu, ses hızının derinlikle birlikte önce belirli bir minimuma kadar azaldığı, ardından artan basınç nedeniyle arttığı bir bölgedir. Bu bölgede uyarılan ses dalgaları bükülüp kanal eksenine geri döndükleri için burayı terk edemezler. Ses böyle bir kanala girdiğinde binlerce kilometre yol kat edebilir.
SOFAR nedir?
Bu bir kısaltmadır ingilizce kelimeler“Ses sabitleme ve aralıklandırma” (ses kaynaklarının tespiti ve bunlara olan mesafenin ölçülmesi). SOFAR sistemi 600 - 1200 m derinliklerde bir ses kanalı kullanır. Çeşitli alıcı istasyonlardan alınan gözlemleri kullanarak, bu kanaldaki ses kaynağının konumunu 1 mil hassasiyetle belirleyebilirsiniz. İkinci Dünya Savaşı sırasında denizde düşürülen birçok pilotun kurtarılmasında bu sistem kullanıldı. Uçaklarında ses kanalının derinliğine ulaştıklarında basınç altında patlayan küçük bombalar bulunuyordu.
Sonar nedir?
Sonar, radarla aynı prensipte çalışır, yalnızca radyo dalgaları yerine ses (akustik) dalgalarını kullanır. Sonar aktif veya pasif olabilir. Aktif sistem ses titreşimleri yayar ve yansıyan bir sinyal veya yankı alır. Mesafeyi belirlemek için, ses hızının çarpımının yarısını ve ses darbesinin yayılması ile yansıyan sinyalin alınması arasında geçen süreyi almanız gerekir. Pasif sistem dinleme modunda çalışır ve onun yardımıyla yalnızca ses kaynağının bulunduğu yönü belirleyebilirsiniz. Sonar, denizaltıları tespit etmek, gezinmek, balık sürülerini aramak ve derinliği belirlemek için kullanılıyor. İkinci durumda, sonar geleneksel bir yankı sirenidir.
Ses dalgalarının kırılması ve yansıması nedir?
Deniz suyunun yoğunluk farklılıklarından dolayı okyanustaki ses dalgaları düz bir şekilde ilerlemez. Sudaki ses hızının değişmesi nedeniyle yönleri bükülür. Bu olaya kırılma denir. Ayrıca ses enerjisi, askıdaki maddeler ve deniz organizmaları tarafından dağıtılır, yüzeyden ve tabandan yansıtılır ve dağılır ve sonunda su sütununda yayıldıkça zayıflar.
Deniz sesinin sebebi nedir?
Deniz gürültüsü, dalgaların ve sörfün gürültüsünü, yağışın neden olduğu gürültüyü, sismik ve volkanik faaliyetleri ve son olarak balıkların ve diğer hayvanların çıkardığı sesleri içerir. Deniz organizmaları. Bir geminin hareketinden, mineral çıkaran mekanizmaların çalışmasından kaynaklanan gürültülerin yanı sıra, su altı ve yüzey oşinografi çalışmaları sırasında platformların ve ölçüm ekipmanlarının dışından kaynaklanan gürültü de deniz gürültüsü olarak kabul edilir.
Dalgalar, gelgitler, akıntılar
Dalgalar neden oluşur?
Bu dalgalar; su yüzeyinde görmeye alışık olduğumuz şeyler çoğunlukla rüzgarın etkisiyle oluşuyor. Ancak dalgalar başka nedenlerden de kaynaklanabilir: su altı depremleri veya su altı volkanik patlamaları. Gelgitler aynı zamanda dalgalardır.
