Ausbreitungsgesetze von Schallwellen. Schullexikon
>>Physik: Klang in verschiedenen Medien
Für die Schallausbreitung ist ein elastisches Medium erforderlich. Im Vakuum können sich Schallwellen nicht ausbreiten, da dort nichts vibrieren kann. Dies kann unter überprüft werden einfache Erfahrung. Wenn wir eine elektrische Glocke unter eine Glasglocke stellen, werden wir beim Herauspumpen der Luft unter der Glocke feststellen, dass der Klang der Glocke immer schwächer wird, bis er ganz aufhört.
Schall in Gasen. Es ist bekannt, dass wir bei einem Gewitter zunächst einen Blitz sehen und erst nach einiger Zeit das Donnergrollen hören (Abb. 52). Diese Verzögerung entsteht, weil die Schallgeschwindigkeit in der Luft viel geringer ist als die Lichtgeschwindigkeit eines Blitzes.
Die Schallgeschwindigkeit in Luft wurde erstmals 1636 vom französischen Wissenschaftler M. Mersenne gemessen. Bei einer Temperatur von 20 °C beträgt sie 343 m/s, also 1235 km/h. Beachten Sie, dass die Geschwindigkeit einer aus einem Kalaschnikow-Maschinengewehr (PK) abgefeuerten Kugel auf diesen Wert in einer Entfernung von 800 m abnimmt. Die Anfangsgeschwindigkeit des Geschosses beträgt 825 m/s und liegt damit deutlich über der Schallgeschwindigkeit in Luft. Wer also das Geräusch eines Schusses oder das Pfeifen einer Kugel hört, muss sich keine Sorgen machen: Diese Kugel ist bereits an ihm vorbeigegangen. Die Kugel läuft schneller als der Schuss und erreicht ihr Opfer, bevor der Schall eintrifft.
Die Schallgeschwindigkeit hängt von der Temperatur des Mediums ab: Mit steigender Lufttemperatur steigt sie, mit sinkender Lufttemperatur nimmt sie ab. Bei 0 °C beträgt die Schallgeschwindigkeit in Luft 331 m/s.
Schall breitet sich in verschiedenen Gasen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aus. Je größer die Masse der Gasmoleküle ist, desto geringer ist die Schallgeschwindigkeit darin. Bei einer Temperatur von 0 °C beträgt die Schallgeschwindigkeit in Wasserstoff 1284 m/s, in Helium 965 m/s und in Sauerstoff 316 m/s.
Schall in Flüssigkeiten. Die Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten ist normalerweise größer als die Schallgeschwindigkeit in Gasen. Die Schallgeschwindigkeit im Wasser wurde erstmals 1826 von J. Colladon und J. Sturm gemessen. Ihre Experimente führten sie am Genfersee in der Schweiz durch (Abb. 53). Auf einem Boot zündeten sie Schießpulver an und schlugen gleichzeitig auf eine ins Wasser gesenkte Glocke ein. Der Klang dieser Glocke wurde mithilfe eines speziellen Horns, das ebenfalls ins Wasser gesenkt wurde, auf einem anderen Boot eingefangen, das sich 14 km vom ersten entfernt befand. Anhand des Zeitintervalls zwischen dem Lichtblitz und dem Eintreffen des Schallsignals wurde die Schallgeschwindigkeit im Wasser bestimmt. Bei einer Temperatur von 8 °C betrug sie etwa 1440 m/s. 
An der Grenze zwischen zwei unterschiedlichen Medien wird ein Teil der Schallwelle reflektiert, ein Teil breitet sich weiter aus. Wenn Schall von der Luft ins Wasser gelangt, werden 99,9 % der Schallenergie zurückreflektiert, aber der Druck der ins Wasser übertragenen Schallwelle ist fast doppelt so groß. Das Gehörsystem von Fischen reagiert genau darauf. Daher sind beispielsweise Schreie und Geräusche über der Wasseroberfläche ein sicheres Mittel, um Meereslebewesen zu verscheuchen. Eine Person, die sich unter Wasser befindet, wird von diesen Schreien nicht betäubt: Beim Eintauchen ins Wasser bleiben Luftstöpsel in ihren Ohren, die sie vor Schallüberlastung bewahren.
Beim Übergang von Schall vom Wasser in die Luft werden 99,9 % der Energie wieder reflektiert. Wenn jedoch beim Übergang von Luft zu Wasser der Schalldruck zunahm, nimmt er jetzt im Gegenteil stark ab. Aus diesem Grund erreicht beispielsweise das Geräusch, das unter Wasser entsteht, wenn ein Stein auf einen anderen trifft, den Menschen in der Luft nicht.
Dieses Schallverhalten an der Grenze zwischen Wasser und Luft gab unseren Vorfahren die Grundlage, die Unterwasserwelt als „Welt der Stille“ zu betrachten. Daher der Ausdruck: „Stumm wie ein Fisch.“ Allerdings schlug Leonardo da Vinci auch vor, Unterwassergeräusche zu hören, indem man sein Ohr an ein ins Wasser gesenktes Ruder legte. Mit dieser Methode können Sie sicherstellen, dass die Fische tatsächlich recht gesprächig sind.
Klang in Festkörpern. Die Schallgeschwindigkeit ist in Festkörpern größer als in Flüssigkeiten und Gasen. Wenn Sie Ihr Ohr an die Schiene halten, hören Sie nach dem Auftreffen auf das andere Ende der Schiene zwei Geräusche. Einer davon erreicht Ihr Ohr per Bahn, der andere per Flugzeug.
Die Erde hat eine gute Schallleitfähigkeit. Daher wurden früher während einer Belagerung „Zuhörer“ in den Festungsmauern angebracht, die anhand des von der Erde übertragenen Geräusches feststellen konnten, ob sich der Feind in die Mauern grub oder nicht. Sie legten ihre Ohren auf den Boden und beobachteten auch die Annäherung feindlicher Kavallerie.
Feststoffe leiten Schall gut. Dadurch können Menschen, die ihr Gehör verloren haben, manchmal zu Musik tanzen, die ihre Hörnerven nicht über die Luft und das Außenohr, sondern über den Boden und die Knochen erreicht.
1. Warum sehen wir bei einem Gewitter zuerst einen Blitz und hören dann erst den Donner? 2. Wovon hängt die Schallgeschwindigkeit in Gasen ab? 3. Warum hört eine Person, die am Flussufer steht, keine Geräusche, die unter Wasser entstehen? 4. Warum folgten die „Zuhörer“, die in der Antike folgten? Erdarbeiten Feind, gab es oft Blinde?
Experimentelle Aufgabe . Legen Sie ein Brett (oder ein langes Holzlineal) an ein Ende Armbanduhr, legen Sie Ihr Ohr an das andere Ende. Was hörst du? Erklären Sie das Phänomen.
S.V. Gromov, N.A. Rodina, Physik 8. Klasse
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Ausbreitung und Geschwindigkeit des Schalls in verschiedenen Medien
Schall wird nicht nur über die Luft übertragen. Wahrscheinlich weiß jeder, dass man Gespräche im Nebenzimmer hören kann, wenn man sein Ohr an die Wand hält. In diesem Fall erfolgt die Schallübertragung über die Wand. Schall breitet sich im Wasser und anderen Medien aus. Darüber hinaus erfolgt die Schallausbreitung in verschiedenen Umgebungen unterschiedlich. Die Schallgeschwindigkeit variiert je nach Substanz.
Es ist merkwürdig, dass die Schallgeschwindigkeit im Wasser fast viermal höher ist als in der Luft. Das heißt, Fische hören „schneller“ als wir. In Metallen und Glas breitet sich Schall noch schneller aus. Dies liegt daran, dass Schall eine Schwingung eines Mediums ist und sich Schallwellen in besser leitenden Medien schneller ausbreiten.
Die Dichte und Leitfähigkeit von Wasser ist größer als die von Luft, aber geringer als die von Metall. Dementsprechend wird Schall anders übertragen. Beim Übergang von einem Medium zum anderen ändert sich die Schallgeschwindigkeit.
Auch die Länge der Schallwelle ändert sich beim Übergang von einem Medium zum anderen. Lediglich die Frequenz bleibt gleich. Aber gerade deshalb können wir auch durch Wände hindurch erkennen, wer genau spricht.
Da es sich bei Schall um Schwingungen handelt, sind alle Gesetze und Formeln für Schwingungen und Wellen gut auf Schallschwingungen anwendbar. Bei der Berechnung der Schallgeschwindigkeit in Luft ist außerdem zu berücksichtigen, dass diese Geschwindigkeit von der Lufttemperatur abhängt. Mit zunehmender Temperatur nimmt die Geschwindigkeit der Schallausbreitung zu. Bei normale Bedingungen Die Schallgeschwindigkeit in Luft beträgt 340.344 m/s.
Schallwellen
Schallwellen breiten sich, wie aus der Physik bekannt ist, in elastischen Medien aus. Deshalb werden Geräusche von der Erde gut übertragen. Wenn Sie Ihr Ohr auf den Boden legen, können Sie das Geräusch von Schritten, klappernden Hufen usw. schon aus der Ferne hören.
Als Kind hat es wahrscheinlich jedem Spaß gemacht, sein Ohr an die Schienen zu legen. Das Geräusch der Eisenbahnräder wird über mehrere Kilometer entlang der Schienen übertragen. Um den umgekehrten Schallabsorptionseffekt zu erzeugen, werden weiche und poröse Materialien verwendet.
Um beispielsweise einen Raum vor Fremdgeräuschen zu schützen oder umgekehrt zu verhindern, dass Geräusche aus dem Raum nach außen dringen, wird der Raum behandelt und schallisoliert. Wände, Boden und Decke sind mit speziellen Materialien auf Basis geschäumter Polymere verkleidet. In einer solchen Polsterung verklingen alle Geräusche sehr schnell.
Unter Schall werden elastische Wellen verstanden, die im Hörbereich des menschlichen Ohrs liegen, im Schwingungsbereich von 16 Hz bis zu 20 kHz. Schwingungen mit einer Frequenz unter 16 Hz Infraschall genannt, über 20 kHz-Ultraschall.
Im Vergleich zu Luft hat Wasser höhere dichte und geringere Kompressibilität. Dabei ist die Schallgeschwindigkeit im Wasser viereinhalbmal größer als in der Luft und beträgt 1440 m/Sek. Schallschwingungsfrequenz (nackt) hängt mit der Wellenlänge (Lambda) durch die Beziehung zusammen: C= lambda-nu. Schall breitet sich im Wasser ohne Ausbreitung aus. Die Schallgeschwindigkeit im Wasser variiert in Abhängigkeit von zwei Parametern: Dichte und Temperatur. Eine Temperaturänderung um 1° führt zu einer entsprechenden Änderung der Schallgeschwindigkeit um 3,58 M pro Sekunde. Wenn Sie die Geschwindigkeit der Schallausbreitung von der Oberfläche zum Boden überwachen, stellt sich heraus, dass sie aufgrund eines Temperaturabfalls zunächst schnell abnimmt, in einer bestimmten Tiefe ein Minimum erreicht und dann mit zunehmender Tiefe schnell anzusteigen beginnt aufgrund eines Anstiegs des Wasserdrucks, der bekanntermaßen um etwa 1 zunimmt Geldautomat für alle 10 M Tiefe.
Beginnend in einer Tiefe von etwa 1200 M, Wo die Wassertemperatur praktisch konstant bleibt, ändert sich die Schallgeschwindigkeit aufgrund von Druckänderungen. „In einer Tiefe von etwa 1200 M (für den Atlantik) gibt es einen Mindestwert für die Schallgeschwindigkeit; In größerer Tiefe nimmt die Schallgeschwindigkeit durch zunehmenden Druck wieder zu. Da sich Schallstrahlen immer in Richtung der Bereiche des Mediums beugen, in denen ihre Geschwindigkeit am geringsten ist, konzentrieren sie sich in der Schicht mit der minimalen Schallgeschwindigkeit“ (Krasilnikov, 1954). Diese Ebene ist geöffnet Sowjetische Physiker L.D. Rosenberg und L.M. Brekhovskikh wird als „Unterwasser-Schallkanal“ bezeichnet. Schall, der in den Schallkanal gelangt, kann sich ohne Dämpfung über große Entfernungen ausbreiten. Diese Eigenschaft muss bei der akustischen Signalisierung von Tiefseefischen berücksichtigt werden.
Die Schallabsorption im Wasser ist 1000-mal geringer als in der Luft. Eine Schallquelle in der Luft mit einer Leistung von 100 kW im Wasser ist in einer Entfernung von bis zu 15 zu hören km; Im Wasser ist die Schallquelle 1 kW kann in einer Entfernung von 30-40 gehört werden km. Geräusche unterschiedlicher Frequenz werden unterschiedlich absorbiert: Hochfrequente Geräusche werden am stärksten und niederfrequente Geräusche am schnellsten absorbiert. Die geringe Schallabsorption im Wasser ermöglichte den Einsatz für Sonar- und Signalzwecke. Wasserräume sind mit einer Vielzahl unterschiedlicher Geräusche gefüllt. Die Geräusche der Stauseen des Weltmeeres, wie der amerikanische Hydroakustiker Wenz (Wenz, 1962) zeigt, entstehen im Zusammenhang mit folgenden Faktoren: Ebbe und Flut, Strömungen, Wind, Erdbeben und Tsunamis, menschliche Industrietätigkeit und biologisches Leben. Die Art des durch verschiedene Faktoren erzeugten Lärms unterscheidet sich sowohl in der Menge der Schallfrequenzen als auch in ihrer Intensität. In Abb. Abbildung 2 zeigt die Abhängigkeit des Spektrums und des Druckniveaus der Geräusche des Weltmeeres von den sie verursachenden Faktoren.
In verschiedenen Teilen des Weltmeeres wird die Zusammensetzung des Lärms durch unterschiedliche Komponenten bestimmt. Der Grund und die Ufer haben einen großen Einfluss auf die Klangkomposition.
Daher sind Zusammensetzung und Intensität des Lärms in verschiedenen Teilen des Weltozeans äußerst unterschiedlich. Es gibt empirische Formeln, die die Abhängigkeit der Intensität des Meereslärms von der Intensität der ihn verursachenden Faktoren zeigen. Aus praktischen Gründen wird Meereslärm jedoch meist empirisch gemessen.
Es ist zu beachten, dass unter den Geräuschen des Weltmeeres die vom Menschen erzeugten Industriegeräusche am intensivsten sind: der Lärm von Schiffen, Schleppnetzen usw. Laut Shane (1964) ist ihre Intensität 10-100-mal höher als bei anderen Geräusche des Weltozeans. Wie jedoch aus Abb. 2, ihre spektrale Zusammensetzung unterscheidet sich etwas von der spektralen Zusammensetzung von Geräuschen, die durch andere Faktoren verursacht werden.
Bei der Ausbreitung im Wasser können Schallwellen reflektiert, gebrochen, absorbiert werden, Beugung und Interferenz erfahren.
Wenn sie auf ihrem Weg auf ein Hindernis stoßen, können Schallwellen von diesem reflektiert werden, wenn ihre Wellenlänge gleich ist (Lambda) kleiner als die Größe des Hindernisses, oder umrunden (beugen) es, wenn ihre Wellenlänge größer als die des Hindernisses ist. In diesem Fall können Sie hören, was hinter dem Hindernis passiert, ohne die Quelle direkt zu sehen. Wenn sie auf ein Hindernis fallen, können Schallwellen in einem Fall reflektiert werden, in einem anderen Fall können sie in das Hindernis eindringen (von ihm absorbiert werden). Die Energiemenge der reflektierten Welle hängt davon ab, wie stark sich die sogenannten akustischen Widerstände der Medien „р1с1“ und „р2с2“, an deren Grenzfläche die Schallwellen fallen, voneinander unterscheiden. Unter dem akustischen Widerstand eines Mediums versteht man das Produkt aus der Dichte eines gegebenen Mediums p und der SMit drin. Je größer der Unterschied im akustischen Widerstand der Medien ist, desto mehr Energie wird von der Grenzfläche zwischen den beiden Medien reflektiert und umgekehrt. Wenn beispielsweise Schall aus der Luft fällt, rs davon 41, ins Wasser, rs das sind 150.000, es wird nach der Formel widergespiegelt:
In diesem Zusammenhang dringt Schall aus Wasser viel besser in einen festen Körper ein als aus Luft. Von der Luft bis zum Wasser dringt der Schall gut durch Büsche oder Schilfrohr ein, die über die Wasseroberfläche hinausragen.
Aufgrund der Reflexion von Schall an Hindernissen und seiner Wellennatur kommt es zu einer Addition oder Subtraktion der Amplituden der ankommenden Schalldrücke gleicher Frequenz dieser Punkt Raum. Eine wichtige Folge dieser Addition (Interferenz) ist die Bildung stehender Wellen bei der Reflexion. Wenn Sie beispielsweise eine Stimmgabel in Schwingungen versetzen und sie dabei näher und weiter von der Wand entfernen, können Sie aufgrund des Auftretens von Schwingungsbäuchen und Knoten im Schallfeld eine Zunahme und Abnahme der Lautstärke des Klangs hören. Typischerweise entstehen stehende Wellen in geschlossenen Behältern: in Aquarien, Schwimmbädern usw., wenn die Quelle relativ lange beschallt wird.
Unter realen Bedingungen des Meeres oder eines anderen natürlichen Gewässers werden bei der Schallausbreitung zahlreiche komplexe Phänomene beobachtet, die aufgrund der Heterogenität der aquatischen Umwelt entstehen. Die Schallausbreitung in natürlichen Gewässern wird stark durch den Boden und die Grenzflächen (Wasser-Luft), Temperatur und Salzheterogenität, hydrostatischen Druck, Luftblasen und planktonische Organismen beeinflusst. Die Grenzfläche zwischen Wasser und Luft und dem Boden sowie die Heterogenität des Wassers führen zu den Phänomenen der Brechung (Krümmung der Schallstrahlen) oder des Nachhalls (Mehrfachreflexion der Schallstrahlen).
Wasserblasen, Plankton und andere Schwebstoffe tragen zur Schallabsorption im Wasser bei. Eine quantitative Bewertung dieser zahlreichen Faktoren wurde bisher nicht entwickelt. Sie müssen bei der Durchführung akustischer Experimente berücksichtigt werden.
Betrachten wir nun die Phänomene, die im Wasser auftreten, wenn darin Schall abgestrahlt wird.
Stellen wir uns eine Schallquelle als eine pulsierende Kugel im unendlichen Raum vor. Die von einer solchen Quelle emittierte akustische Energie wird umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands von ihrem Zentrum gedämpft.
Die Energie der entstehenden Schallwellen lässt sich durch drei Parameter charakterisieren: Geschwindigkeit, Druck und Verschiebung vibrierender Wasserpartikel. Die letzten beiden Parameter sind bei der Betrachtung des Hörvermögens von Fischen von besonderem Interesse, daher werden wir näher auf sie eingehen.
Nach Harris und Berglijk (1962) wird die Ausbreitung von Druckwellen und Verschiebungseffekten in der nahen (in einem Abstand von weniger als einer Schallwellenlänge) und fernen (in einem Abstand von mehr als einer Schallwellenlänge) akustischen Umgebung unterschiedlich dargestellt Feld.
Im akustischen Fernfeld wird der Druck umgekehrt proportional zur Entfernung von der Schallquelle gedämpft. In diesem Fall sind im fernen akustischen Feld die Verschiebungsamplituden direkt proportional zu den Druckamplituden und stehen in Beziehung zueinander durch die Formel:
Wo R - akustischer Druck in din/cm2;
D- das Ausmaß der Partikelverdrängung in cm.
Im akustischen Nahfeld ist der Zusammenhang zwischen Druck- und Verschiebungsamplituden anders:
Wo R-akustischer Druck in din/cm2;
D - das Ausmaß der Verschiebung von Wasserpartikeln in cm;
F - Schwingungsfrequenz in Hz;
rs- akustischer Widerstand von Wasser gleich 150.000 g/cm² Sek. 2;
Lambda- Schallwellenlänge in M; R - Abstand vom Zentrum der pulsierenden Kugel;
ich= SQR ich
Die Formel zeigt, dass die Amplitude der Verschiebung im akustischen Nahfeld von der Wellenlänge, dem Schall und der Entfernung von der Schallquelle abhängt.
Bei Entfernungen, die kürzer als die Wellenlänge des betreffenden Schalls sind, nimmt die Verschiebungsamplitude umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung ab:
Wo A - Radius der pulsierenden Kugel;
D- Vergrößerung des Kugelradius aufgrund der Pulsation; R - Abstand vom Mittelpunkt der Kugel.
Fische haben, wie weiter unten gezeigt wird, zwei verschiedene Typen Empfänger. Einige von ihnen nehmen Druck wahr, andere nehmen die Verschiebung von Wasserpartikeln wahr. Die angegebenen Gleichungen haben daher sehr wichtig zur korrekten Beurteilung der Reaktion von Fischen auf Unterwasserschallquellen.
Im Zusammenhang mit der Schallemission stellen wir zwei weitere Phänomene fest, die mit Emittern verbunden sind: das Phänomen der Resonanz und die Richtwirkung von Emittern.
Die Schallemission eines Körpers erfolgt aufgrund seiner Schwingungen. Jeder Körper hat seine eigene Schwingungsfrequenz, die durch die Größe des Körpers und seine elastischen Eigenschaften bestimmt wird. Wird ein solcher Körper in Schwingungen versetzt, deren Frequenz mit seiner Eigenfrequenz übereinstimmt, tritt das Phänomen einer deutlichen Vergrößerung der Schwingungsamplitude auf – Resonanz. Die Verwendung des Resonanzkonzepts ermöglicht die Charakterisierung einiger akustischer Eigenschaften von Fischsendern und -empfängern. Die Schallemission ins Wasser kann gerichtet oder ungerichtet sein. Im ersten Fall breitet sich die Schallenergie überwiegend in eine bestimmte Richtung aus. Ein Diagramm, das die räumliche Verteilung der Schallenergie einer bestimmten Schallquelle ausdrückt, wird als Richtungsdiagramm bezeichnet. Eine gerichtete Strahlung wird dann beobachtet, wenn der Durchmesser des Emitters deutlich größer ist als die Wellenlänge des emittierten Schalls.
Bei ungerichteter Abstrahlung divergiert die Schallenergie gleichmäßig in alle Richtungen. Dieses Phänomen tritt auf, wenn die Wellenlänge des emittierten Schalls den Durchmesser des Senders überschreitet Lambda>2A. Der zweite Fall ist am typischsten für Unterwasser-Niederfrequenzstrahler. Typischerweise sind die Wellenlängen niederfrequenter Geräusche viel größer als die Größe der verwendeten Unterwasserstrahler. Das gleiche Phänomen ist typisch für Fischemittenten. In diesen Fällen weisen die Emitter keine Richtungsmuster auf. In diesem Kapitel wurden nur einige allgemeine Aspekte hervorgehoben physikalische Eigenschaften Ton rein aquatische Umgebung im Zusammenhang mit der Bioakustik von Fischen. Einige spezifischere Fragen der Akustik werden in den entsprechenden Abschnitten des Buches behandelt.
Abschließend betrachten wir die von verschiedenen Autoren verwendeten Schallmesssysteme. Schall kann durch seine Intensität, seinen Druck oder sein Druckniveau ausgedrückt werden.
Die Schallintensität in absoluten Einheiten wird entweder durch Zahlen gemessen erg/s-cm 2, oder W/cm2. Gleichzeitig 1 erg/s=10 -7 Di.
Der Schalldruck wird in gemessen Riegel
Es besteht ein Zusammenhang zwischen Schallintensität und Schalldruck:
mit dem Sie diese Werte in einen anderen umrechnen können.
Nicht seltener, insbesondere wenn man das Gehör von Fischen betrachtet, wird der Schalldruck aufgrund der großen Bandbreite an Schwellenwerten in relativen logarithmischen Einheiten von Dezibel ausgedrückt. db. Wenn der Schalldruck eines Tons R, und der andere P o, dann glauben sie, dass der erste Ton lauter ist als der zweite um kdb und berechnen Sie es mit der Formel:
Die meisten Forscher nehmen den Schwellenwert des menschlichen Gehörs von 0,0002 als Nullwert des Schalldrucks P o an Bar für Frequenz 1000 Hz.
Der Vorteil eines solchen Systems ist die Möglichkeit, das Gehör von Menschen und Fischen direkt zu vergleichen, der Nachteil ist die Schwierigkeit, die erzielten Ergebnisse zum Geräusch und Gehör von Fischen zu vergleichen.
Die tatsächlichen Werte des von Fischen erzeugten Schalldrucks liegen vier bis sechs Größenordnungen über dem akzeptierten Nullwert (0,0002). Bar), und die Hörschwellen verschiedener Fische liegen sowohl über als auch unter der herkömmlichen Nullreferenz.
Um den Vergleich der Geräusche und des Gehörs von Fischen zu erleichtern, verwenden amerikanische Autoren (Tavolga a. Wodinsky, 1963 usw.) daher ein anderes Referenzsystem.
Hinter Nullniveau Der Schalldruck wird mit 1 angenommen Bar, also bei 74 db höher als bisher angenommen.
Nachfolgend finden Sie ein ungefähres Verhältnis beider Systeme.
Tatsächliche Werte gem Amerikanisches System Zählungen im Text sind mit einem Sternchen gekennzeichnet.
Hydroakustik (aus dem Griechischen hydor- Wasser, Akustikoc- auditiv) - die Wissenschaft von Phänomenen, die in der aquatischen Umwelt auftreten und mit der Ausbreitung, Emission und dem Empfang akustischer Wellen verbunden sind. Es umfasst Fragen der Entwicklung und Herstellung hydroakustischer Geräte für den Einsatz in Gewässern.
Entwicklungsgeschichte
Grundlagen der Hydroakustik
Merkmale der Ausbreitung akustischer Wellen im Wasser
Komponenten eines Echo-Ereignisses.
Umfassende und grundlegende Forschungen zur Ausbreitung akustischer Wellen im Wasser begannen während des Zweiten Weltkriegs, der von der Notwendigkeit der Lösung praktischer Probleme diktiert wurde Marinen und hauptsächlich U-Boote. Die experimentellen und theoretischen Arbeiten wurden in den Nachkriegsjahren fortgeführt und in mehreren Monographien zusammengefasst. Als Ergebnis dieser Arbeiten wurden einige Merkmale der Ausbreitung akustischer Wellen im Wasser identifiziert und geklärt: Absorption, Dämpfung, Reflexion und Brechung.
Die Absorption der Schallwellenenergie im Meerwasser wird durch zwei Prozesse verursacht: innere Reibung des Mediums und Dissoziation der darin gelösten Salze. Der erste Prozess wandelt die Energie einer akustischen Welle in Wärme um, und der zweite Prozess, der sich in chemische Energie umwandelt, entfernt Moleküle aus ihrem Gleichgewichtszustand und sie zerfallen in Ionen. Diese Art der Absorption nimmt mit zunehmender Frequenz der akustischen Schwingung stark zu. Das Vorhandensein von Schwebeteilchen, Mikroorganismen und Temperaturanomalien im Wasser führen ebenfalls zu einer Dämpfung der akustischen Welle im Wasser. In der Regel sind diese Verluste gering und gehen in die Gesamtabsorption ein, manchmal, wie zum Beispiel bei der Streuung am Kielwasser eines Schiffes, können diese Verluste bis zu 90 % betragen. Das Vorhandensein von Temperaturanomalien führt dazu, dass die akustische Welle in akustische Schattenzonen fällt und dort mehrfach reflektiert werden kann.
Das Vorhandensein von Grenzflächen zwischen Wasser – Luft und Wasser – Boden führt zur Reflexion einer akustischen Welle an ihnen, und wenn im ersten Fall die akustische Welle vollständig reflektiert wird, dann hängt im zweiten Fall der Reflexionskoeffizient vom Bodenmaterial ab: Ein schlammiger Boden reflektiert schlecht, sandiger und felsiger Boden reflektiert gut. . In geringen Tiefen entsteht durch mehrfache Reflexionen der Schallwelle zwischen Boden und Oberfläche ein Unterwasserschallkanal, in dem sich die Schallwelle über große Entfernungen ausbreiten kann. Eine Änderung der Schallgeschwindigkeit in unterschiedlichen Tiefen führt zu einer Ablenkung der Schallstrahlen – Brechung.
Schallbrechung (Krümmung des Schallstrahlengangs)
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Schallbrechung im Wasser: a - im Sommer; b - im Winter; Auf der linken Seite ist die Änderung der Geschwindigkeit mit der Tiefe dargestellt. Die Geschwindigkeit der Schallausbreitung ändert sich mit der Tiefe und hängt von der Jahres- und Tageszeit, der Tiefe des Stausees und einer Reihe anderer Gründe ab. Schallstrahlen, die in einem bestimmten Winkel zum Horizont aus einer Quelle austreten, werden gebeugt, und die Richtung der Krümmung hängt von der Verteilung der Schallgeschwindigkeiten im Medium ab: Im Sommer, wenn die oberen Schichten wärmer sind als die unteren, werden die Strahlen nach unten gebogen und werden größtenteils von unten reflektiert, wobei sie einen erheblichen Teil ihrer Energie verlieren. ; Im Winter, wenn die unteren Wasserschichten ihre Temperatur beibehalten, während die oberen Schichten abkühlen, beugen sich die Strahlen nach oben und werden immer wieder von der Wasseroberfläche reflektiert, wobei deutlich weniger Energie verloren geht. Daher ist die Reichweite der Schallausbreitung im Winter größer als im Sommer. Die vertikale Verteilung der Schallgeschwindigkeit (VSD) und der Geschwindigkeitsgradient haben einen entscheidenden Einfluss auf die Schallausbreitung in der Meeresumwelt. Die Verteilung der Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Bereichen des Weltozeans ist unterschiedlich und ändert sich im Laufe der Zeit. Es gibt mehrere typische Fälle von VRSD: |
Ausbreitung und Absorption von Schall durch Inhomogenitäten des Mediums.
Schallausbreitung im Unterwasserschall. Kanal: a - Änderung der Schallgeschwindigkeit mit der Tiefe; b - Strahlengang im Tonkanal. Die Ausbreitung hochfrequenter Schallwellen wird bei sehr kleinen Wellenlängen durch kleine Inhomogenitäten beeinflusst, die normalerweise in natürlichen Gewässern vorkommen: Gasblasen, Mikroorganismen usw. Diese Inhomogenitäten wirken auf zwei Arten: Sie absorbieren und streuen die Energie des Schalls Wellen. Infolgedessen nimmt die Reichweite der Schallschwingungen mit zunehmender Frequenz der Schallschwingungen ab. Dieser Effekt macht sich besonders in der Oberflächenschicht des Wassers bemerkbar, wo es die meisten Inhomogenitäten gibt. Die Schallausbreitung durch Inhomogenitäten sowie unebene Wasser- und Bodenoberflächen verursacht das Phänomen des Unterwasser-Nachhalls, der mit der Aussendung eines Schallimpulses einhergeht: Schallwellen, die von einer Reihe von Inhomogenitäten reflektiert werden und verschmelzen, erzeugen eine Verlängerung des Schallimpulses, der nach seinem Ende anhält. Die Grenzen der Ausbreitungsreichweite von Unterwassergeräuschen werden auch durch den natürlichen Lärm des Meeres begrenzt, der einen doppelten Ursprung hat: Ein Teil des Lärms entsteht durch den Einfluss von Wellen auf die Wasseroberfläche, durch die Meeresbrandung, durch die Geräusch rollender Kieselsteine usw.; Der andere Teil ist mit der Meeresfauna verbunden (Geräusche, die von Hydrobionten erzeugt werden: Fische und andere Meerestiere). Mit diesem sehr ernsten Aspekt befasst sich die Biohydroakustik. |
Ausbreitungsbereich von Schallwellen
Der Ausbreitungsbereich von Schallwellen beträgt komplexe Funktion Strahlungsfrequenz, die eindeutig mit der Wellenlänge des akustischen Signals zusammenhängt. Bekanntermaßen werden hochfrequente akustische Signale aufgrund der starken Absorption durch die Gewässer schnell gedämpft. Niederfrequente Signale hingegen können sich in Gewässern über große Entfernungen ausbreiten. So kann sich ein akustisches Signal mit einer Frequenz von 50 Hz im Ozean über Entfernungen von Tausenden von Kilometern ausbreiten, während ein Signal mit einer Frequenz von 100 kHz, typisch für Side-Scan-Sonar, eine Ausbreitungsreichweite von nur 1-2 km hat . Die ungefähren Betriebsreichweiten moderner Sonare mit unterschiedlichen akustischen Signalfrequenzen (Wellenlängen) sind in der Tabelle angegeben:
Einsatzgebiete.
Hydroakustik ist weit verbreitet praktischer Nutzen, da es noch nicht erstellt wurde effektives SystemÜberweisungen Elektromagnetische Wellen unter Wasser in beträchtlicher Entfernung, und daher ist der Ton der einzige mögliche Mittel Verbindungen unter Wasser. Dabei kommen Schallfrequenzen von 300 bis 10.000 Hz und Ultraschall ab 10.000 Hz zum Einsatz. Als Sender und Empfänger werden im Audiobereich elektrodynamische und piezoelektrische Sender und Hydrophone eingesetzt, im Ultraschallbereich piezoelektrische und magnetostriktive.
Die wichtigsten Anwendungen der Hydroakustik:
- Um militärische Probleme zu lösen;
- Seenavigation;
- Gesunde Kommunikation;
- Fischereierkundung;
- Ozeanologische Forschung;
- Handlungsfelder zur Erschließung der Ressourcen des Meeresbodens;
- Nutzung der Akustik im Schwimmbad (zu Hause oder im Synchronschwimm-Trainingszentrum)
- Meerestiertraining.
Anmerkungen
Literatur und Informationsquellen
LITERATUR:
- V.V. Schuleikin Physik des Meeres. - Moskau: „Wissenschaft“, 1968. - 1090 S.
- I.A. rumänisch Grundlagen der Hydroakustik. - Moskau: „Schiffbau“, 1979 – 105 S.
- Yu.A. Korjakin Hydroakustische Systeme. - St. Petersburg: „Wissenschaft von St. Petersburg und die Seemacht Russlands“, 2002. - 416 S.
Schallausbreitung im Wasser
Speerfischen
Schallausbreitung im Wasser .
Schall breitet sich im Wasser fünfmal schneller aus als in der Luft. Durchschnittsgeschwindigkeit entspricht 1400 - 1500 m/s (die Schallgeschwindigkeit in Luft beträgt 340 m/s). Es scheint, dass sich auch die Hörbarkeit im Wasser verbessert. Tatsächlich ist dies jedoch bei weitem nicht der Fall. Denn die Stärke des Schalls hängt nicht von der Ausbreitungsgeschwindigkeit ab, sondern von der Amplitude der Schallschwingungen und der Wahrnehmungsfähigkeit der Hörorgane. Das Corti-Organ, das aus Hörzellen besteht, befindet sich in der Cochlea des Innenohrs. Schallwellen bringen das Trommelfell, die Gehörknöchelchen und die Membran des Corti-Organs in Schwingung. Aus dessen Haarzellen, die Schallschwingungen wahrnehmen, nervöse Erregung geht zum Hörzentrum in Temporallappen Gehirn.
Eine Schallwelle kann auf zwei Wegen in das menschliche Innenohr gelangen: durch Luftleitung durch den äußeren Gehörgang, das Trommelfell und die Gehörknöchelchen des Mittelohrs und durch Knochenleitung – Vibration der Schädelknochen. An der Oberfläche überwiegt die Luftleitung und unter Wasser die Knochenleitung. Die einfache Erfahrung überzeugt uns davon. Bedecken Sie beide Ohren mit Ihren Handflächen. An der Oberfläche verschlechtert sich die Hörbarkeit stark, unter Wasser ist dies jedoch nicht zu beobachten.
Unter Wasser werden Geräusche also hauptsächlich über die Knochenleitung wahrgenommen. Theoretisch lässt sich dies dadurch erklären, dass der akustische Widerstand von Wasser dem akustischen Widerstand von menschlichem Gewebe nahe kommt. Daher ist der Energieverlust beim Übergang von Schallwellen vom Wasser zu den Kopfknochen eines Menschen geringer als in Luft. Unter Wasser verschwindet die Luftleitung nahezu, da der äußere Gehörgang mit Wasser gefüllt ist und eine kleine Luftschicht in der Nähe des Trommelfells Schallschwingungen schwach überträgt.
Experimente haben gezeigt, dass die Knochenleitfähigkeit 40 % niedriger ist als die Luftleitfähigkeit. Daher verschlechtert sich die Hörbarkeit unter Wasser generell. Der Hörbereich bei Knochenleitung hängt weniger von der Stärke als von der Tonalität ab: Je höher der Ton, desto weiter ist der Ton zu hören.
Die Unterwasserwelt ist für den Menschen eine Welt der Stille, in der es keine Nebengeräusche gibt. Daher können einfachste Tonsignale unter Wasser in beträchtlichen Entfernungen wahrgenommen werden. Eine Person hört in einer Entfernung von 150–200 m einen Schlag auf einen in Wasser getauchten Metallkanister, in 100 m Entfernung das Geräusch einer Rassel und in 60 m Entfernung eine Glocke.
Unter Wasser erzeugte Geräusche sind an der Oberfläche normalerweise nicht hörbar, ebenso wie Geräusche von außen unter Wasser nicht hörbar sind. Um Unterwassergeräusche wahrnehmen zu können, müssen Sie mindestens teilweise eingetaucht sein. Steigt man bis zu den Knien ins Wasser, nimmt man ein Geräusch wahr, das vorher nicht zu hören war. Beim Tauchen erhöht sich die Lautstärke. Es ist besonders hörbar, wenn der Kopf eingetaucht ist.
Um Schallsignale von der Oberfläche zu senden, müssen Sie die Schallquelle mindestens zur Hälfte ins Wasser absenken, dann ändert sich die Schallstärke. Die Orientierung unter Wasser nach Gehör ist äußerst schwierig. In der Luft erreicht der Schall das eine Ohr 0,00003 Sekunden früher als das andere. Dadurch können Sie den Standort der Schallquelle mit einem Fehler von nur 1-3° bestimmen. Unter Wasser wird der Schall gleichzeitig von beiden Ohren wahrgenommen und es kommt daher nicht zu einer klaren Richtungswahrnehmung. Der Orientierungsfehler kann 180° betragen.
In einem eigens inszenierten Experiment konnten nur einzelne Lichttaucher nach langen Wanderungen und... Die Suche richtete sich auf den Standort der Schallquelle, die sich 100–150 m von ihnen entfernt befand. Es wurde festgestellt, dass durch systematisches Training über einen langen Zeitraum hinweg die Fähigkeit entwickelt werden kann, unter Wasser recht genau anhand von Schall zu navigieren. Sobald das Training jedoch beendet wird, werden seine Ergebnisse ungültig.
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Besonderheiten:
Elastischer Bund.
Elastische Bündchen an Ärmeln und Hose.
1216 reiben
