Lois de propagation des ondes sonores. Encyclopédie scolaire
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>>Physique : le son dans différents environnements
La propagation du son nécessite un milieu élastique. Les ondes sonores ne peuvent pas se propager dans le vide car il n'y a rien qui y vibre. Ceci peut être vérifié sur expérience simple. Si nous plaçons une cloche électrique sous une cloche en verre, à mesure que l'air est pompé sous la cloche, nous constaterons que le son de la cloche deviendra de plus en plus faible jusqu'à ce qu'il s'arrête complètement.
bruit dans les gaz. On sait que pendant un orage, nous voyons d'abord un éclair et ce n'est qu'après un certain temps que nous entendons le tonnerre (Fig. 52). Ce retard est dû au fait que la vitesse du son dans l'air est bien inférieure à la vitesse de la lumière provenant de la foudre.
La vitesse du son dans l'air a été mesurée pour la première fois en 1636 par le scientifique français M. Mersenne. A une température de 20 °C, elle est égale à 343 m/s, soit 1235km/h. Notez que c'est à cette valeur que la vitesse d'une balle tirée d'une mitrailleuse Kalachnikov (PK) diminue à une distance de 800 m. La vitesse initiale de la balle est de 825 m/s, ce qui est beaucoup plus élevé que la vitesse du son dans l'air. Par conséquent, une personne qui entend le bruit d'un coup de feu ou le sifflement d'une balle n'a pas à s'inquiéter : cette balle l'a déjà dépassée. La balle dépasse le son du tir et atteint sa victime avant que le son n'arrive.
La vitesse du son dépend de la température du milieu: avec une augmentation de la température de l'air, elle augmente et avec une diminution, elle diminue. A 0 °C, la vitesse du son dans l'air est de 331 m/s.
Le son se propage à différentes vitesses dans différents gaz. Plus la masse des molécules de gaz est grande, plus la vitesse du son y est faible. Ainsi, à une température de 0 ° C, la vitesse du son dans l'hydrogène est de 1284 m/s, dans l'hélium de 965 m/s et dans l'oxygène de 316 m/s.
Son dans les liquides. La vitesse du son dans les liquides est généralement supérieure à la vitesse du son dans les gaz. La vitesse du son dans l'eau a été mesurée pour la première fois en 1826 par J. Colladon et J. Sturm. Ils ont mené leurs expériences sur le lac Léman en Suisse (Fig. 53). Sur un bateau, ils mirent le feu à de la poudre à canon et frappèrent en même temps une cloche plongée dans l'eau. Le son de cette cloche, à l'aide d'un klaxon spécial, également descendu dans l'eau, a été capté sur un autre bateau, situé à une distance de 14 km du premier. La vitesse du son dans l'eau a été déterminée à partir de l'intervalle de temps entre le flash lumineux et l'arrivée du signal sonore. A une température de 8 °C, elle s'est avérée être d'environ 1440 m/s. 
À la frontière entre deux milieux différents, une partie de l'onde sonore est réfléchie et une partie se déplace plus loin. Lorsque le son passe de l'air à l'eau, 99,9% de l'énergie sonore est réfléchie, mais la pression de l'onde sonore qui est passée dans l'eau est presque 2 fois plus élevée. L'appareil auditif des poissons réagit précisément à cela. Par conséquent, par exemple, les cris et les bruits au-dessus de la surface de l'eau sont un moyen sûr d'effrayer la vie marine. Ces cris n'assourdiront pas une personne qui est sous l'eau: lorsqu'elle est immergée dans l'eau, des «bouchons» d'air resteront dans ses oreilles, ce qui lui évitera une surcharge sonore.
Lorsque le son passe de l'eau à l'air, 99,9 % de l'énergie est à nouveau réfléchie. Mais si la pression acoustique a augmenté lors du passage de l'air à l'eau, maintenant, au contraire, elle diminue fortement. C'est pour cette raison, par exemple, que le son qui se produit sous l'eau lorsqu'une pierre en heurte une autre n'atteint pas une personne dans les airs.
Ce comportement du son à la frontière entre l'eau et l'air a donné raison à nos ancêtres de considérer le monde sous-marin comme un "monde du silence". D'où l'expression : « Il est muet comme un poisson ». Cependant, même Léonard de Vinci a suggéré d'écouter les sons sous-marins en mettant votre oreille sur une rame enfoncée dans l'eau. En utilisant cette méthode, vous pouvez voir que les poissons sont en fait assez bavards.
Son dans les solides. La vitesse du son dans les solides est supérieure à celle des liquides et des gaz. Si vous mettez votre oreille contre le rail, après avoir touché l'autre extrémité du rail, vous entendrez deux sons. L'un d'eux atteindra votre oreille le long du rail, l'autre - dans les airs.
La Terre a une bonne conductivité acoustique. Par conséquent, autrefois, lors d'un siège, des «auditeurs» étaient placés dans les murs de la forteresse, qui, par le son transmis par la terre, pouvaient déterminer si l'ennemi creusait ou non dans les murs. L'oreille collée au sol, ils surveillaient également l'approche de la cavalerie ennemie.
Les corps solides conduisent bien le son. Pour cette raison, les personnes qui ont perdu l'audition sont parfois capables de danser sur une musique qui atteint leurs nerfs auditifs non pas par l'air et l'oreille externe, mais par le sol et les os.
1. Pourquoi, lors d'un orage, voyons-nous d'abord un éclair et n'entendons-nous qu'ensuite le tonnerre ? 2. Qu'est-ce qui détermine la vitesse du son dans les gaz ? 3. Pourquoi une personne debout sur la rive d'une rivière n'entend-elle pas les sons qui se produisent sous l'eau ? 4. Pourquoi les "auditeurs" qui, dans les temps anciens, ont suivi terrassements ennemi, étaient souvent des aveugles ?
Tâche expérimentale . Mettre une extrémité de la planche (ou une longue règle en bois) montre-bracelet, attachez votre oreille à son autre extrémité. Qu'entends-tu? Expliquez le phénomène.
SV Gromov, N. A. Patrie, Physique 8e année
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Propagation et vitesse du son dans différents médias
Le son n'est pas seulement transmis par voie aérienne. Tout le monde sait probablement que si vous mettez votre oreille contre le mur, vous pouvez entendre des conversations dans la pièce voisine. Dans ce cas, le son est transmis par le mur. Les sons se propagent dans l'eau et dans d'autres milieux. De plus, la propagation du son dans différents environnements se produit de différentes manières. La vitesse du son varie selon la substance.
Curieusement, la vitesse de propagation du son dans l'eau est presque quatre fois plus élevée que dans l'air. C'est-à-dire que les poissons entendent "plus vite" que nous. Dans les métaux et le verre, le son voyage encore plus vite. En effet, le son est une vibration du support et les ondes sonores se propagent plus rapidement dans les supports avec une meilleure conductivité.
La densité et la conductivité de l'eau sont supérieures à celles de l'air, mais inférieures à celles du métal. En conséquence, le son est transmis différemment. En passant d'un support à un autre, la vitesse du son change.
La longueur d'une onde sonore change également lorsqu'elle passe d'un milieu à un autre. Seule sa fréquence reste la même. Mais c'est pourquoi nous pouvons distinguer qui parle spécifiquement même à travers les murs.
Le son étant des vibrations, toutes les lois et formules des vibrations et des ondes s'appliquent bien aux vibrations sonores. Lors du calcul de la vitesse du son dans l'air, il faut également tenir compte du fait que cette vitesse dépend de la température de l'air. Lorsque la température augmente, la vitesse de propagation du son augmente. À conditions normales la vitesse du son dans l'air est de 340 344 m/s.
les ondes sonores
Les ondes sonores, comme le sait la physique, se propagent dans les milieux élastiques. C'est pourquoi les sons sont bien transmis par la terre. En posant l'oreille au sol, on entend de loin le bruit des pas, le claquement des sabots, etc.
Dans l'enfance, tout le monde a dû s'amuser en mettant son oreille contre les rails. Le bruit des roues des trains est transmis le long des rails sur plusieurs kilomètres. Pour créer l'effet inverse de l'absorption acoustique, des matériaux souples et poreux sont utilisés.
Par exemple, pour protéger une pièce des bruits parasites, ou au contraire pour éviter que les sons ne s'échappent de la pièce vers l'extérieur, la pièce est traitée et insonorisée. Les murs, le sol et le plafond sont recouverts de matériaux spéciaux à base de polymères expansés. Dans un tel rembourrage, tous les bruits s'atténuent très rapidement.
Le son est compris comme des ondes élastiques situées dans les limites de l'audibilité de l'oreille humaine, dans la gamme des oscillations de 16 hertz jusqu'à 20 kHz. Oscillations avec une fréquence inférieure à 16 hertz appelé infrason, plus de 20 kHz-ultrason.
L'eau, par rapport à l'air, a plus grande densité et moins de compressibilité. À cet égard, la vitesse du son dans l'eau est quatre fois et demie supérieure à celle dans l'air et est de 1440 m/sec. Fréquence de vibration sonore (nu) est lié à la longueur d'onde (lambda) par la relation : c= lambda-nu. Le son se propage dans l'eau sans dispersion. La vitesse du son dans l'eau varie en fonction de deux paramètres : la densité et la température. Un changement de température de 1° entraîne un changement correspondant de la vitesse du son de 3,58 m par seconde. Si nous suivons la vitesse de propagation du son de la surface au fond, il s'avère qu'au début, en raison d'une diminution de la température, elle diminue rapidement, atteignant un minimum à une certaine profondeur, puis, avec la profondeur, elle commence à augmenter rapidement en raison d'une augmentation de la pression de l'eau, qui, comme on le sait, augmente d'environ 1 au m pour chaque 10 m profondeurs.
A partir d'une profondeur d'environ 1200 m, où la température de l'eau reste pratiquement constante, le changement de vitesse du son est dû au changement de pression. "A une profondeur d'environ 1200 m (pour l'Atlantique), il existe une valeur minimale pour la vitesse du son ; à de plus grandes profondeurs, en raison de l'augmentation de la pression, la vitesse du son augmente à nouveau. Comme les rayons sonores sont toujours courbés vers les zones du milieu où leur vitesse est la plus faible, ils se concentrent dans la couche où la vitesse du son est minimale » (Krasilnikov, 1954). Cette couche, ouverte Physiciens soviétiques L.D. Rozenberg et L.M. Brekhovskikh, est appelé le "canal sonore sous-marin". Le son entrant dans le canal sonore peut se propager sur de longues distances sans atténuation. Cette caractéristique doit être gardée à l'esprit lors de l'examen de la signalisation acoustique des poissons d'eau profonde.
L'absorption acoustique dans l'eau est 1000 fois moindre que dans l'air. Source sonore dans l'air avec une puissance de 100 kW dans l'eau peut être entendu jusqu'à 15 kilomètres; source sonore dans l'eau 1 kW entendu à une distance de 30-40 km. Les sons de fréquences différentes sont absorbés différemment : les sons à haute fréquence sont les plus fortement absorbés et les sons à basse fréquence sont les moins absorbés. La faible absorption du son dans l'eau a permis de l'utiliser pour le sonar et la signalisation. Les espaces aquatiques sont remplis d'un grand nombre de sons différents. Les sons des masses d'eau de l'océan mondial, comme l'a montré l'hydroacousticien américain Wenz (Wenz, 1962), sont liés aux facteurs suivants : marées, courants, vent, tremblements de terre et tsunamis, activité humaine industrielle et vie biologique. La nature du bruit créé par divers facteurs diffère à la fois par l'ensemble des fréquences sonores et par leur intensité. Sur la fig. La figure 2 montre la dépendance du spectre et du niveau de pression des sons de l'océan mondial aux facteurs qui les provoquent.
Dans différentes parties de l'océan mondial, la composition du bruit est déterminée par différentes composantes. Dans ce cas, le fond et les rives ont une grande influence sur la composition des sons.
Ainsi, la composition et l'intensité du bruit dans différentes parties de l'océan mondial sont extrêmement diverses. Il existe des formules empiriques qui montrent la dépendance de l'intensité du bruit de la mer sur l'intensité des facteurs qui les provoquent. Cependant, à des fins pratiques, le bruit océanique est généralement mesuré de manière empirique.
Il convient de noter que parmi les sons de l'océan mondial, les sons industriels créés par l'homme sont les plus intenses : le bruit des navires, des chaluts, etc. Selon Shane (1964), ils sont 10 à 100 fois plus intenses que les autres sons. de l'océan mondial. Cependant, comme on peut le voir sur la Fig. 2, leur composition spectrale est quelque peu différente de la composition spectrale des sons causés par d'autres facteurs.
Lorsqu'elles se propagent dans l'eau, les ondes sonores peuvent être réfléchies, réfractées, absorbées, diffractées et interférées.
En rencontrant un obstacle sur son chemin, les ondes sonores peuvent en être réfléchies dans le cas où leur longueur d'onde (lambda) inférieure à la taille de l'obstacle, ou le contourner (diffracter) dans le cas où leur longueur d'onde est supérieure à l'obstacle. Dans ce cas, on peut entendre ce qui se passe derrière l'obstacle sans voir directement la source. En tombant sur un obstacle, les ondes sonores dans un cas peuvent être réfléchies, dans un autre cas elles peuvent y pénétrer (être absorbées par lui). La valeur de l'énergie de l'onde réfléchie dépend de la force avec laquelle les impédances dites acoustiques des milieux «p1c1» et «p2c2» diffèrent l'une de l'autre, sur l'interface desquelles les ondes sonores tombent. Par résistance acoustique du milieu, on entend le produit de la densité du milieu donné p et de la vitesse de propagation du son Avec en elle. Plus la différence d'impédance acoustique des médias est grande, plus l'énergie sera réfléchie par la séparation des deux médias, et vice versa. Dans le cas, par exemple, d'un son tombant de l'air, rs qui 41, dans l'eau, rs qui est de 150 000, il se reflète selon la formule :
En relation avec ce qui précède, le son pénètre beaucoup mieux dans un corps solide à partir de l'eau qu'à partir de l'air. De l'air à l'eau, le son pénètre bien à travers les buissons ou les roseaux dépassant de la surface de l'eau.
En relation avec la réflexion du son par les obstacles et sa nature ondulatoire, l'addition ou la soustraction des amplitudes des pressions acoustiques de mêmes fréquences qui sont venues à point donné espace. Une conséquence importante d'une telle addition (interférence) est la formation d'ondes stationnaires lors de la réflexion. Si, par exemple, un diapason est mis en oscillation, le rapprochant et l'éloignant du mur, on peut entendre l'augmentation et la diminution du volume sonore en raison de l'apparition de ventres et de nœuds dans le champ sonore. Habituellement, les ondes stationnaires se forment dans des récipients fermés : dans des aquariums, des piscines, etc., avec une source qui sonne pendant un temps relativement long.
Dans les conditions réelles de la mer ou d'un autre réservoir naturel, lors de la propagation du son, on observe de nombreux phénomènes complexes liés à l'hétérogénéité du milieu aquatique. Une énorme influence sur la propagation du son dans les réservoirs naturels est exercée par le fond et les interfaces (eau - air), l'hétérogénéité de la température et du sel, la pression hydrostatique, les bulles d'air et les organismes planctoniques. L'interface eau-air et le fond, ainsi que l'hétérogénéité de l'eau, conduisent à des phénomènes de réfraction (courbure des rayons sonores), ou de réverbération (réflexion multiple des rayons sonores).
Les bulles d'eau, le plancton et autres matières en suspension contribuent à l'absorption acoustique dans l'eau. La quantification de ces nombreux facteurs n'a pas encore été développée. Il est nécessaire de les prendre en compte lors de la mise en place d'expériences acoustiques.
Considérons maintenant les phénomènes qui se produisent dans l'eau lorsqu'un son y est émis.
Imaginez une source sonore comme une sphère palpitante dans un espace infini. L'énergie acoustique émise par une telle source est atténuée en raison inverse du carré de la distance à son centre.
L'énergie des ondes sonores résultantes peut être caractérisée par trois paramètres : la vitesse, la pression et le déplacement des particules d'eau oscillantes. Les deux derniers paramètres sont particulièrement intéressants lorsque l'on considère les capacités auditives des poissons, nous allons donc nous y attarder plus en détail.
Selon Harris et Bergeldzhik (Harris a. Berglijk, 1962), les effets de propagation et de déplacement des ondes de pression se présentent différemment dans le proche (à une distance de moins d'une longueur d'onde du son) et dans le lointain (à une distance de plus d'une longueur d'onde du son). son) champ acoustique.
Dans le champ acoustique lointain, la pression s'atténue inversement avec la distance à la source sonore. Dans ce cas, dans le champ acoustique lointain, les amplitudes de déplacement sont directement proportionnelles aux amplitudes de pression et sont reliées entre elles par la formule :
où R - pression acoustique dans dynes/cm 2 ;
ré- valeur de déplacement des particules en cm.
Dans le champ acoustique proche, la dépendance entre les amplitudes de pression et de déplacement est différente :
où R-pression acoustique dans dynes/cm 2 ;
ré - déplacement des particules d'eau dans cm;
F - fréquence d'oscillation dans hertz ;
rs- résistance acoustique de l'eau égale à 150 000 g/cm2 s 2 ;
lambda est la longueur d'onde du son dans m; r - distance du centre de la sphère pulsante ;
je= SQR je
On peut voir à partir de la formule que l'amplitude de déplacement dans le champ acoustique proche dépend de la longueur d'onde, du son et de la distance de la source sonore.
A des distances inférieures à la longueur d'onde du son considéré, l'amplitude du déplacement décroît inversement au carré de la distance :
où MAIS est le rayon de la sphère pulsée ;
ré- augmentation du rayon de la sphère due à la pulsation ; r est la distance au centre de la sphère.
Les poissons, comme on le verra ci-dessous, ont deux différents types récepteurs. Certains d'entre eux perçoivent la pression, tandis que d'autres perçoivent le déplacement des particules d'eau. Les équations ci-dessus sont donc grande importance pour l'évaluation correcte des réponses des poissons aux sources sonores sous-marines.
A propos de l'émission du son, on note encore deux phénomènes associés aux émetteurs : le phénomène de résonance et de directivité des émetteurs.
L'émission de son par le corps se produit en relation avec ses vibrations. Chaque corps a sa propre fréquence d'oscillation, déterminée par la taille du corps et ses propriétés élastiques. Si un tel corps est mis en oscillation, dont la fréquence coïncide avec sa propre fréquence, le phénomène d'augmentation significative de l'amplitude de l'oscillation se produit - la résonance. L'utilisation de la notion de résonance permet de caractériser certaines propriétés acoustiques des poissons émetteurs et récepteurs. Le rayonnement sonore dans l'eau peut être directionnel ou non directionnel. Dans le premier cas, l'énergie sonore se propage principalement dans une certaine direction. Un graphique exprimant la distribution spatiale de l'énergie sonore d'une source sonore donnée est appelé son diagramme de directivité. La directivité du rayonnement est observée dans le cas où le diamètre de l'émetteur est bien supérieur à la longueur d'onde du son émis.
Dans le cas d'un rayonnement omnidirectionnel, l'énergie sonore diverge uniformément dans toutes les directions. Ce phénomène se produit lorsque la longueur d'onde du son émis dépasse le diamètre de l'émetteur lambda>2A. Le deuxième cas est le plus typique pour les radiateurs sous-marins à basse fréquence. En règle générale, les longueurs d'onde des sons à basse fréquence sont beaucoup plus grandes que les dimensions des émetteurs sous-marins utilisés. Le même phénomène est typique pour les poissons émetteurs. Dans ces cas, les diagrammes de rayonnement des émetteurs sont absents. Dans ce chapitre, seules quelques généralités propriétés physiques son dans Environnement aquatique en relation avec la bioacoustique des poissons. Certaines questions plus spécifiques d'acoustique seront examinées dans les sections pertinentes du livre.
En conclusion, considérons les systèmes de mesure du son utilisés par divers auteurs. Le son peut être exprimé par son intensité, sa pression ou son niveau de pression.
L'intensité sonore en unités absolues est mesurée soit par un nombre erg / sec-cm 2, ou W/cm2. En même temps 1 erg/sec=10 -7 Mar.
La pression acoustique est mesurée en barres.
Il existe une relation entre l'intensité et la pression du son :
qui peut être utilisé pour convertir ces valeurs de l'une à l'autre.
Non moins souvent, en particulier lorsque l'on considère l'ouïe des poissons, en raison de la vaste gamme de valeurs seuils, la pression acoustique est exprimée en unités de décibels logarithmiques relatives, db. Si la pression acoustique d'un son R, et l'autre R o, alors ils considèrent que le premier son est plus fort que le second par kdb et calculez-le selon la formule :
Dans ce cas, la plupart des chercheurs prennent la valeur seuil de l'audition humaine égale à 0,0002 comme lecture zéro de la pression acoustique P o bar pour fréquence 1000 Hz.
L'avantage d'un tel système est la possibilité d'une comparaison directe de l'ouïe des humains et des poissons, l'inconvénient est la difficulté de comparer les résultats obtenus par le son et l'ouïe des poissons.
Les valeurs réelles de la pression acoustique créée par les poissons sont de quatre à six ordres de grandeur supérieures au niveau zéro accepté (0,0002 bar), et les niveaux seuils d'audition de divers poissons se situent à la fois au-dessus et au-dessous du zéro conditionnel.
Ainsi, pour la commodité de comparer les sons et l'ouïe des poissons, les auteurs américains (Tavolga et Wodinsky, 1963, etc.) utilisent un référentiel différent.
Par niveau zéro la référence prise est la pression acoustique de 1 bar, qui est 74 db supérieur à celui précédemment accepté.
Vous trouverez ci-dessous un rapport approximatif des deux systèmes.
Valeurs réelles selon Système américain les références dans le texte sont marquées d'un astérisque.
Hydroacoustique (du grec. hydraulique- l'eau, acusticocoque- auditif) - la science des phénomènes se produisant dans le milieu aquatique et associés à la propagation, l'émission et la réception des ondes acoustiques. Il comprend le développement et la réalisation de dispositifs hydroacoustiques destinés à être utilisés en milieu aquatique.
L'histoire du développement
Fondamentaux de l'hydroacoustique
Caractéristiques de la propagation des ondes acoustiques dans l'eau
Composants d'un événement d'occurrence d'écho.
Le début de recherches approfondies et fondamentales sur la propagation des ondes acoustiques dans l'eau a été posé pendant la Seconde Guerre mondiale, dictée par la nécessité de résoudre des problèmes pratiques marines et surtout les sous-marins. Les travaux expérimentaux et théoriques ont été poursuivis dans les années d'après-guerre et résumés dans un certain nombre de monographies. Grâce à ces travaux, certaines caractéristiques de la propagation des ondes acoustiques dans l'eau ont été identifiées et affinées : absorption, atténuation, réflexion et réfraction.
L'absorption de l'énergie des ondes acoustiques dans l'eau de mer est causée par deux processus : le frottement interne du milieu et la dissociation des sels qui y sont dissous. Le premier processus convertit l'énergie d'une onde acoustique en énergie thermique, et le second processus, étant converti en énergie chimique, amène les molécules hors d'équilibre et elles se désintègrent en ions. Ce type d'absorption augmente fortement avec une augmentation de la fréquence de la vibration acoustique. La présence de particules en suspension, de micro-organismes et d'anomalies de température dans l'eau entraîne également l'atténuation de l'onde acoustique dans l'eau. En règle générale, ces pertes sont faibles et elles sont incluses dans l'absorption totale, cependant, parfois, comme, par exemple, dans le cas de la diffusion par le sillage d'un navire, ces pertes peuvent atteindre 90%. La présence d'anomalies de température conduit à ce que l'onde acoustique pénètre dans les zones d'ombre acoustique, où elle peut subir de multiples réflexions.
La présence d'interfaces eau-air et eau-fond conduit à la réflexion d'une onde acoustique sur celles-ci, et si dans le premier cas l'onde acoustique est complètement réfléchie, alors dans le second cas le coefficient de réflexion dépend du matériau du fond : il reflète mal le fond vaseux, bien sablonneux et rocheux. À faible profondeur, en raison de la réflexion répétée d'une onde acoustique entre le fond et la surface, un canal sonore sous-marin apparaît, dans lequel l'onde acoustique peut se propager sur de longues distances. La modification de la valeur de la vitesse du son à différentes profondeurs entraîne la courbure des "rayons" sonores - la réfraction.
Réfraction du son (courbure du trajet du faisceau sonore)
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Réfraction du son dans l'eau : a - en été ; b - en hiver; à gauche - changement de vitesse avec la profondeur. La vitesse de propagation du son varie avec la profondeur, et les changements dépendent de la période de l'année et de la journée, de la profondeur du réservoir et d'un certain nombre d'autres raisons. Les rayons sonores émergeant d'une source à un certain angle par rapport à l'horizon sont courbés et la direction de la courbure dépend de la répartition des vitesses du son dans le milieu: en été, lorsque les couches supérieures sont plus chaudes que les couches inférieures, les rayons se courbent vers le bas et se réfléchissent principalement par le bas, tout en perdant une partie importante de leur énergie ; en hiver, lorsque les couches inférieures de l'eau maintiennent leur température, tandis que les couches supérieures se refroidissent, les rayons se courbent vers le haut et sont réfléchis à plusieurs reprises par la surface de l'eau, avec beaucoup moins d'énergie perdue. Ainsi, en hiver, la distance de propagation du son est plus grande qu'en été. La distribution verticale de la vitesse du son (VSDS) et le gradient de vitesse ont une influence déterminante sur la propagation du son dans le milieu marin. La distribution de la vitesse du son dans les différentes régions de l'océan mondial est différente et varie avec le temps. Il existe plusieurs cas typiques de VRSZ : |
Diffusion et absorption du son par inhomogénéités du milieu.
Propagation du son dans le son sous-marin. canal: a - changement de la vitesse du son avec la profondeur; b - chemin des rayons dans le canal sonore. La propagation des sons à haute fréquence, lorsque les longueurs d'onde sont très petites, est influencée par de petites inhomogénéités, généralement présentes dans les réservoirs naturels : bulles de gaz, micro-organismes, etc. Ces inhomogénéités agissent de deux manières : elles absorbent et diffusent l'énergie des ondes sonores . En conséquence, avec une augmentation de la fréquence des vibrations sonores, la portée de leur propagation est réduite. Cet effet est particulièrement perceptible dans la couche superficielle de l'eau, où il y a le plus d'inhomogénéités. La diffusion du son par les hétérogénéités, ainsi que les irrégularités de la surface de l'eau et du fond, provoque le phénomène de réverbération sous-marine, qui accompagne l'envoi d'une impulsion sonore : les ondes sonores, réfléchies par une combinaison d'hétérogénéités et se confondant, donnent un resserrement de l'impulsion sonore, qui se poursuit après sa fin. Les limites de la plage de propagation des sons sous-marins sont également limitées par les bruits propres de la mer, qui ont une double origine : certains des bruits proviennent de l'impact des vagues sur la surface de l'eau, du ressac de la mer, de la bruit de cailloux qui roulent, etc.; l'autre partie est associée à la faune marine (sons produits par les hydrobiontes : poissons et autres animaux marins). La biohydroacoustique traite de cet aspect très sérieux. |
Distance de propagation des ondes sonores
La plage de propagation des ondes sonores est fonction complexe fréquence de rayonnement, qui est uniquement liée à la longueur d'onde du signal acoustique. Comme on le sait, les signaux acoustiques à haute fréquence sont rapidement atténués en raison d'une forte absorption par le milieu aquatique. Les signaux basse fréquence, au contraire, sont capables de se propager dans le milieu aquatique sur de longues distances. Ainsi, un signal acoustique d'une fréquence de 50 Hz est capable de se propager dans l'océan sur des distances de milliers de kilomètres, tandis qu'un signal d'une fréquence de 100 kHz, typique d'un sonar à balayage latéral, a une plage de propagation de seulement 1-2 km. Les portées approximatives des sonars modernes avec différentes fréquences du signal acoustique (longueur d'onde) sont données dans le tableau:
Domaines d'utilisation.
L'hydroacoustique reçue largement utilisation pratique car il n'a pas encore été créé. système efficace transmission ondes électromagnétiques sous l'eau à une distance considérable, et le son est donc le seul moyens possibles connexions sous l'eau. À ces fins, des fréquences sonores de 300 à 10 000 Hz et des ultrasons de 10 000 Hz et plus sont utilisés. Des émetteurs et des hydrophones électrodynamiques et piézoélectriques sont utilisés comme émetteurs et récepteurs dans la région sonore, et des émetteurs piézoélectriques et magnétostrictifs sont utilisés dans la région ultrasonique.
Les applications les plus importantes de l'hydroacoustique sont :
- Pour résoudre des problèmes militaires;
- Navigation maritime ;
- Communication sous-marine sonore ;
- Reconnaissance à la recherche de poissons ;
- Recherche océanologique;
- Domaines d'activité pour la valorisation des richesses du fond des océans ;
- Utilisation de l'acoustique en piscine (à domicile ou dans un centre d'entraînement de natation synchronisée)
- Dressage d'animaux marins.
Remarques
Littérature et sources d'information
LITTÉRATURE:
- V.V. Shuleikin Physique de la mer. - Moscou : "Nauka", 1968. - 1090 p.
- I.A. roumain Fondamentaux de l'hydroacoustique. - Moscou : "Construction navale", 1979. - 105 p.
- Yu.A. Koryakin Systèmes hydroacoustiques. - Saint-Pétersbourg : "La science de Saint-Pétersbourg et la puissance navale de la Russie", 2002. - 416 p.
Propagation du son dans l'eau
CHASSE SOUS-MARINE
Propagation du son dans l'eau .
Le son se propage cinq fois plus vite dans l'eau que dans l'air. vitesse moyenne est égal à 1400 - 1500 m/s (la vitesse de propagation du son dans l'air est de 340 m/s). Il semblerait que l'audibilité dans l'eau s'améliore également. En fait, c'est loin d'être le cas. Après tout, la force du son ne dépend pas de la vitesse de propagation, mais de l'amplitude des vibrations sonores et de la capacité de perception des organes auditifs. Dans la cochlée de l'oreille interne se trouve l'organe de Corti, composé de cellules auditives. Les ondes sonores font vibrer le tympan, les osselets auditifs et la membrane de l'organe de Corti. A partir des cellules ciliées de ce dernier, percevant les vibrations sonores, excitation nerveuse se rend au centre auditif situé à lobe temporal cerveau.
Une onde sonore peut pénétrer dans l'oreille interne d'une personne de deux manières: par conduction aérienne à travers le conduit auditif externe, le tympan et les osselets auditifs de l'oreille moyenne, et par conduction osseuse - vibration des os du crâne. En surface, la conduction aérienne prédomine, et sous l'eau, la conduction osseuse. Ceci est confirmé par une simple expérience. Couvrez les deux oreilles avec la paume de vos mains. En surface, l'audibilité se détériorera fortement, mais cela n'est pas observé sous l'eau.
Ainsi, les sons sous-marins sont perçus principalement par conduction osseuse. Théoriquement, cela s'explique par le fait que la résistance acoustique de l'eau se rapproche de la résistance acoustique des tissus humains. Par conséquent, la perte d'énergie lors de la transition des ondes sonores de l'eau aux os de la tête humaine est moindre que dans l'air. La conduction aérienne sous l'eau disparaît presque, car le conduit auditif externe est rempli d'eau et une petite couche d'air près du tympan transmet faiblement les vibrations sonores.
Des expériences ont établi que la conduction osseuse est inférieure de 40 % à la conduction aérienne. Par conséquent, l'audibilité sous l'eau se détériore en général. La plage d'audibilité avec conduction osseuse du son ne dépend pas tant de la force que de la tonalité : plus la tonalité est élevée, plus le son est entendu loin.
Le monde sous-marin pour une personne est un monde de silence, où il n'y a pas de bruits parasites. Par conséquent, les signaux sonores les plus simples peuvent être perçus sous l'eau à des distances considérables. Une personne entend un coup sur une cartouche métallique immergée dans l'eau à une distance de 150-200 m, le bruit d'un hochet à 100 m, une cloche à 60 m.
Les sons émis sous l'eau sont généralement inaudibles à la surface, tout comme les sons provenant de l'extérieur ne sont pas entendus sous l'eau. Pour percevoir les sons sous-marins, vous devez plonger au moins partiellement. Si vous entrez dans l'eau jusqu'aux genoux, vous commencez à percevoir un son qui n'a jamais été entendu auparavant. Au fur et à mesure que vous plongez, le volume augmente. Il est particulièrement bien audible lors de l'immersion de la tête.
Pour émettre des signaux sonores depuis la surface, il est nécessaire d'abaisser au moins la moitié de la source sonore dans l'eau, et la force du son changera. L'orientation sous l'eau à l'oreille est extrêmement difficile. Dans l'air, le son arrive dans une oreille 0,00003 seconde plus tôt que dans l'autre. Cela vous permet de déterminer l'emplacement de la source sonore avec une erreur de seulement 1 à 3 °. Sous l'eau, le son est perçu simultanément par les deux oreilles et il n'y a donc pas de perception claire et directionnelle. L'erreur d'orientation est de 180°.
Dans une expérience spécialement conçue, seuls les plongeurs légers individuels après de longues errances et. les recherches se sont rendues à l'emplacement de la source sonore, qui se trouvait à 100-150 m d'eux.Il a été noté qu'un entraînement systématique pendant une longue période permet de développer la capacité de naviguer assez précisément par le son sous l'eau. Cependant, dès que l'entraînement s'arrête, ses résultats sont annulés.
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