скорость звука в стекле чем в воде

251. Во сколько раз изменится длина звуковой волны при её переходе из воздуха в воду? Температура воды и воздуха 20˚C. Частота колебаний при переходе из одной среды в другую не изменяется.
1450:332 = 4,4
Увеличится в 4 раза.

252. Человек услышал звук грома через 8 с после вспышки молнии. Считая, что скорость звука в воздухе 340 м/c, определите, на каком расстоянии от человека ударила молния?

Источник

Скорость звука: каков ее предел?

Одна из основных задач какой-либо точной науки заключается в измерении и объяснении тех или иных процессов, а также их участников. За многие годы исследований, расчетов и споров научное сообщество пришло к пониманию того, что существуют определенные ограничения в некоторых явлениях. К примеру, скорость света в вакууме равна 299 792 458 м/с. Согласно специальной теории относительности, ничто не может двигаться быстрее. Другими словами, мы имеем верхний скоростной лимит для света. Однако такой лимит для скорости звука пока не был установлен. Ученые из Лондонского университета королевы Марии (Англия, Великобритания) провели расчеты, результатом которых стало открытие верхнего предела скорости звука. Что стало основой расчетов, каковы их результаты, и в каких областях можно применить новообретенные знания? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Звук это волны механических колебаний в какой-либо среде. Скорость распространения этих волн напрямую зависит от самой среды. К примеру, в твердых объектах звук распространяется быстрее, чем в воздухе. Однако и тут могут быть флуктуации в измерениях, поскольку важна не только среда как таковая, но и ее состояние (температура, давление и т.д.).

Логично, что скорость звука сложно назвать константой, так как в разных условиях она будет своя: в воздухе это 331 м/с, в воде 1500 м/с (тут будут вариации в зависимости от температуры, давления и солености воды), а в стекле 4800 м/с.

Но как же рассчитать верхний лимит скорости звука?

Как напоминают нам ученые, некоторые важные свойства конденсированных фаз* определяются фундаментальными физическими константами.

Конденсированные фазы* — состояние вещества, когда число его компонентов (атомов, молекул и т.д.) крайне велико, а взаимодействия между компонентами очень сильны. К числу таких фаз можно отнести и твердые вещества, и жидкости.

Постоянная Ридберга* — предельное значение наивысшего волнового числа любого фотона, который может быть испущен атомом водорода. Также эта постоянная определяет волновое число фотона с наименьшей энергией, способного ионизировать атом водорода в его основном состоянии.

Постоянная тонкой структуры* (⍺) — фундаментальная физическая постоянная, которая характеризует силу электромагнитного взаимодействия. Эта постоянная определяет размер крайне малого изменения величины энергетических уровней атома и образования тонкой структуры, которые являются набором узких и близких частот в его спектральных линиях.

Отношение массы протона к массе электрона* (m_p/m_e — константа, равная 1836,15267261.

Объединение этих констант позволяет определить новую безразмерную константу, описывающую верхнюю границу скорости звука (v_u) в конденсированных фазах (формула №1):

где c — скорость света в вакууме, ⍺ — постоянная тонкой структуры, m_p/m_e — отношение масс протона и электрона, v_u — верхний предел скорости звука.

Подтверждение верности данной формулы было получено благодаря многочисленным экспериментам и моделированию атомарного водорода.

Результаты исследования

Авторы сего труда отмечают, что существует два подхода к определению v (скорости звука). Один поход начинается с оценки упругости системы, а второй — с оценки ее вибрационных свойств. Оба подхода дают сопоставимые результаты (приготовьтесь, формул будет немало).

Используя E = E_R из формулы №3 в формуле №2 мы получим (формула №4):

где ⍺ = (1/4πϵ₀)(e 2 /hc) — постоянная тонкой структуры.

Такой же результат, как и в формуле №4, можно получить и посредством второго подхода, где основной акцент поставлен на рассмотрении вибрационных свойств системы.

Далее выбранный подход был проверен на более практическом уровне.

m_e характеризует электроны, которые отвечают за взаимодействия между атомами. Электронный вклад далее отражается в коэффициенте ⍺c (⍺c ∝ e 2 /h), который представляет собой скорость электронов в модели Бора. Ученые отмечают, что ⍺с и v не зависят от c. Использование формулировки v в виде ⍺с в формуле №4 обусловлено двумя факторами.

Во-первых, так намного удобнее и информативнее представлять границу в отношении v_u/c, что обычно применяется в отношении скорости Ферми и скорости света (v_F/c).

Во-вторых, именно ⍺ (наряду с m_p/m_e) имеет фундаментальное для стабильности протонов и обеспечения синтеза тяжелых элементов и, следовательно, существования твердых тел и жидкостей, в которых звук может распространяться.

m формула №4 характеризует атомы, участвующие в распространении звука. Его масштаб задается массой протона m_p: m = Am_p, где A — атомная масса. Учитывая, что А = 1, а m = m_p, применение формулы №4 позволяет определить значение верхней границы скорости звука (формула №9):

Таким образом было показано, что v_u зависит только от фундаментальных физических констант, включая безразмерную постоянную тонкой структуры и отношение масс протона и электрона.

Вышеуказанная формула является расширенным вариантом формулы №4 для атомарного водорода. Объединение формул №4 и №9, при учете m = Am_p, позволяет получить (формула №10):

Что ж, теперь можно немного отдохнуть от формул и приступить к обсуждению расчетов и экспериментов.

Ученые отмечают, что хоть скорость звука определяется модулями упругости и плотностью, они существенно отличаются в зависимости от типа связи: сильные ковалентная, ионная или металлическая связи, обычно дающей большую энергию связи, промежуточные водородные связи, а также слабые дипольные и ван-дер-ваальсовые взаимодействиям. Модули упругости и плотность также меняются в зависимости от конкретной конструкции, которую принимает система. Кроме того, тип связи и структура сами по себе взаимозависимы: ковалентная связь приводят к образованию открытых структур, а ионная — плотноупакованных. Следовательно, скорость звука для конкретной системы не может быть предсказана аналитически и без явного знания структуры и взаимодействий внутри нее, подобно другим системно-зависимым свойствам, таким как вязкость или теплопроводность.

Тем не менее зависимость v от m или A может быть изучена в семействе элементарных твердых тел. Элементарные твердые вещества не имеют смешанных особенностей, существующих в соединениях из-за смешанной связи между разными атомными разновидностями (включая смешанную ковалентно-ионную связь между одними и теми же парами атомов, а также разные типы связи между разными парами).

Изображение №1

Коэффициент корреляции Пирсона* используется для изучения связи двух переменных, измеренных в метрических шкалах на одной и той же выборке.

Расчетные и экспериментальные значения v_u, показанные на графике прямой и пунктирной линиями, указывают на пересечение в точке 37.350 м/с, что подтверждает верность расчетных походов и, особенно, верность аппроксимации коэффициент в формуле №4, что дает хорошее согласование с экспериментальными данными.

Изображение №2

Далее было решено проверить согласование расчетных данных с экспериментальными с применением более широкого спектра образцов (133 образца). Экспериментальные значения v были меньше, чем верхняя теоретическая граница v_u в формуле №9. v_u примерно вдвое больше v в алмазе, это является самой высокой скоростью звука, измеренной в условиях окружающей среды.

Формула №10 может использоваться для приблизительного прогнозирования средней или характеристической скорости звука (v). A1/2, которая, согласно формуле №10, относится к скорости звука, варьируется по периодической таблице в диапазоне от 1 до 15 со средним значением 8. Согласно расчетам соответствующее значение v равно 4513 м/с. Это на 16% согласуется с 5392 м/с — средним значением по всем элементарным твердым телам, и на 14% с 5267 м/с — средним значением по всем твердым телам на графике выше.

В эксперименты также были включены данные по скорости звука в жидкости при комнатной температуре, которые варьируются от 1000 до 2000 м/с. Однако в высокотемпературных жидких металлах, таких как Al, Fe, Mg и Ni, v достигает более высоких значений в диапазоне от 4000 до 5000 м/с. Из этого следует, что скорость звука в жидкостях полностью удовлетворяет расчетную верхнюю границу скорости.

Ученые отмечают, что хоть приближения, использованные в некоторых формулах, и могут повлиять на вычисление v и его оценку, v_u все же формируется исходя из фундаментальных констант. Другими словами, в конечном итоге приближения не имеют столь значимого влияния.

Также было установлено, что рассчитанное значение верхней границы скорости звука применимо к твердым телам не только с сильной межатомной связью, но и со слабой. Формула №3, 6 и 7 предполагают, что валентные электроны непосредственно участвуют в связывании. Следовательно, они играют важную роль в системах с металлической, ковалентной и ионной связью. Несмотря на то, что связывание в твердых телах со слабой связью также имеет электромагнитное происхождение, слабые дипольные и ван-дер-ваальсовые взаимодействия приводят к меньшему E и, как результат, меньшему v. Потому из этого следует, что верхняя граница v_u применима и к слабосвязанным системам.

Ученые отмечают, что верхняя граница v_u соответствует твердому водороду с прочной металлической связью. Данная фаза вещества существует только при мегабарном давлении и динамически нестабильна при атмосферном давлении, где происходит образование молекул. Посему было решено провести расчеты v в атомарном водороде, чтобы подтвердить верность расчетов как таковых.

Расчеты скорость звука в атомарном водороде проводились с применением структуры I4₁/amd, которая является наилучшей структурой-образцом для твердого атомарного металлического водорода. Известно, что эта структура становится термодинамически стабильной в диапазоне давлений от 400 до 500 ГПа, ниже которого твердый водород является молекулярным твердым телом. Однако было обнаружено, что I4₁/amd динамически устойчива при давлениях выше примерно 250 ГПа, поэтому расчеты проводились в диапазоне давления от 250 до 1000 ГПа.

Изображение №3

На графике выше представлена скорость звука как функция давления и плотности. Рассчитанное значение скорости звука было ниже значения v_u в широком диапазоне давлений. Увеличение v выше расчетной верхней границы возникает лишь при давлении 600 ГПа и выше. Следовательно, при нормальных условиях скорость звука не будет превышать расчетную верхнюю границу.

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В данном труде ученые определили, что важнейшую роль в оценке максимально возможной скорости звука играют две фундаментальные константы — постоянная тонкой структуры и отношение массы протона к массе электрона.

Проведенные расчеты были проверены на практике с применением разнообразных материалов. Эксперименты позволили установить, что скорость звука должна уменьшаться с атомарной массой. Из этого следует, что максимальная скорость звука достигается в твердом атомарном водороде, который может существовать в таком виде лишь при очень высоком давлении. Тем не менее было установлено, что верхняя граница скорости звука в рамках данного исследования составляет 36100 м/с. С практической точки зрения, подобные исследования крайне важны для понимания тех или иных материалов, а также их свойств.

Естественно, ученые не намерены останавливаться на достигнутом. Их расчеты и соответствующие экспериментальные данные требуют перепроверки, уточнения и дополнительного подтверждения. В будущем данное исследование будет продолжено, а верхняя граница скорости звука может неожиданно сместиться в большую или меньшую сторону ввиду новых данных. Как бы то ни было, фундаментальный подход остается прежним, а сам факт лучшего понимания процессов, протекающих вокруг нас, позволяет с уверенностью смотреть на развитие данного исследования.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. 🙂

Немного рекламы

Источник

Скорость звука в воде и других средах

Поговорим теперь о скорости звукав жидкости. В частности, в воде. В жидкости измерить скорость звука было, конечно, сложнее. Но в 1826 году в Женевском озере был проведен следующий эксперимент: в воду был опущен колокол и вместе с этим поднимался факел над водой.

Рис. 1. Определение скорости звука в воде

Исследователи в лодке ударяли в колокол, который находился под водой, молотком. В результате звук, который распространялся по воде и под водой, достигал наблюдателя и в этот момент поднимали другой факел, на другой лодке. Засекали время, в течение которого происходило это наблюдение. Итак, скорость звука в воде именно в этом эксперименте составила 1440 . Скорость звука в воде при 8 °С составляет 1440 .

Обратите внимание, что в данном случае тоже есть зависимость от температуры воды. Конечно, самая большая скорость распространения звука – это распространение звука в твердых телах. Например, в стали скорость распространения звука составляет 5000 , т.е. 5 км в секунду. В зависимости от того, какая сталь по составу, скорость может изменяться. Она может быть и больше и составлять даже 6000 .

Можно сделать следующий вывод о величинах, от которых зависит скорость звука в различных веществах. Во-первых, огромную роль играет плотность вещества. Давайте посмотрим на таблицу и пронаблюдаем, как меняется скорость звука в зависимости от вещества.

Вещество	Скорость звука
Вода	1483
Свинец	2160
Дерево	5000
Стекло	5500
Медь	4700
Сталь	5000 – 6100

Второй параметр, определяющий скорость звука в среде, – это температура. Об этом мы говорили выше.

Отражение звука

Отражение звука

Как можно представить себе отражение звука? Представить можно следующим образом: если звуковая волна распространяется в веществе и доходит до границы с другим веществом, то при взаимодействии частицы второго тела тоже начинают совершать колебания. В свою очередь частицы второго вещества на границе раздела будут передавать свои колебания не только внутрь своей среды, но и передавать среде, из которой волна пришла. Вот таким образом и создается волна отраженная. Отраженная волна, принятая наблюдателем, может нами восприниматься как эхо.

Эхо – отраженная от какого-либо препятствия звуковая волна, которая воспринимается наблюдателем.

Рис.2. Отражение звука. Эхо

Обратите внимание на то, что эхо мы можем слышать не всегда, а только в том случае, если от момента создания звука до момента восприятия отраженного звука пройдет не меньше 0,06 с. Если время будет меньше, то никакого эха мы не услышим. Наш слуховой аппарат не воспринимает сигнал как два отдельных звука. Именно поэтому мы не слышим эха в маленьких помещениях. Огромную роль играет еще и то, много ли вещей находится в комнате, которые поглощают звук. Например, мягкие пористые вещества хорошо поглощают звук, в этом случае никакого эха не создается.

Эхо является одной из основных проблем при проектировании концертных и театральных залов. Поэтому специальная обивка этих залов производится таким образом, чтобы никакого отражения не было или это отражение было минимально. Но есть области, где мы должны обязательно создавать это отражение, усиливать его.

Например, всем известный рупор работает исключительно на принципе отражения звука. Это либо круглая, либо квадратная труба, в которую мы произносим что-то, и звук в результате отражения от стенок рупора собирается в один пучок, который в определенном направлении распространяется с большой интенсивностью. В этом случае этот звук слышно гораздо дальше.

Источник

Восколько раз скорость звука в стекле больше чем в меди?

Восколько раз скорость звука в стекле больше чем в меди.

в меди 3910 м / с в 1, 4 раза.

Пешиход идет со скоростью 5 км \ ч а велосипедист едет со скоростью 5 м \ с Чья скорость больше и восколько раз?

Пешиход идет со скоростью 5 км \ ч а велосипедист едет со скоростью 5 м \ с Чья скорость больше и восколько раз.

Почему скорость звука в металлах больше, чем в воде?

Почему скорость звука в металлах больше, чем в воде?

Почему скорость звука в воде больше чем в воздухе?

Почему скорость звука в пробке ненамного больше чем в воздухе?

Во сколько раз скорость звука в стекле больше чем в воде?

Стекло поглощает звук меньше чем воздух?

Стекло поглощает звук меньше чем воздух.

Почему же уличный звук лучше слышен при открытых окон?

Предельный угол полного отражения для воздуха и стекла равен B?

Предельный угол полного отражения для воздуха и стекла равен B.

Какая скорость света в этом сорте стекла?

Самое быстроходное млекопитающее гепард На коротких дистанциях он может развивать скорость 112км / ч Восколько раз эта скорость превышает скорость автомобиля равного 20м / с?

Самое быстроходное млекопитающее гепард На коротких дистанциях он может развивать скорость 112км / ч Восколько раз эта скорость превышает скорость автомобиля равного 20м / с?

Сравните электроемкости трех одинаковых шариков, изготовленных из стали, меди и стекла?

Сравните электроемкости трех одинаковых шариков, изготовленных из стали, меди и стекла.

Скорость света в стекле 200 000 км / с?

Скорость света в стекле 200 000 км / с.

Во сколько раз стекло оптически более плотное, чем воздух?

Но при ударе о стекло камня массой 100г, летающего с такой же скоростью разбил его.

Стекло разбилась при массе 20г со скоростью 60мс.

Вычислите и сравните импульсы всех трех тел.

Почему при первом случае стекло не разбилось.

Скорость света в вакууме 3 * 10 ^ 8 м / c, длина волны голубого стекла 486, 1 нм, показатель преломления стекла (флинта) для голубого стекла n = 1, 954?

Скорость света в вакууме 3 * 10 ^ 8 м / c, длина волны голубого стекла 486, 1 нм, показатель преломления стекла (флинта) для голубого стекла n = 1, 954.

Чему примерно равна скорость света в стекле?

Источник

Акустические свойства морской воды

Содержание

Вычисление скорости звука в морской воде

Если в морской воде создать механические колебание её частиц, например, путём сжатия, то вследствие взаимодействия между ними эти колебания будут распространяться от частицы к частице с некоторой скоростью С. При этих условиях колебания распространяются в жидкости продольными волнами, т. е. каждая частица воды перемещается параллельно направлению распространения волны. Частицы жидкости, в которой распространяется волна, не будут ею переноситься, они будут лишь совершать колебания около своих положений равновесия. Распространяющиеся в воде слабые возмущения, т. е. колебания с малыми амплитудами, и называются звуковыми волнами.

Скорость распространения звуковых волн в жидкостях и газах равна:

где К — модуль объёмной упругости; ρ — плотность невозмущённой среды. Процесс деформации жидкости при распространении в ней звуковых волн может считаться адиабатным благодаря большой частоте колебаний. Модуль объёмной упругости в гидроакустике обычно заменяют коэффициентом сжимаемости K_aд:

где K_aд — коэффициент адиабатической сжимаемости.

Затем формулу (3.1) преобразуют, вводя в неё величины, удобные для расчётов:

где K_из — изотермический коэффициент сжимаемости; С_р — теплоёмкость жидкости при постоянном давлении; С_v — то же при постоянном объёме.

Используя K_из вместо K_aд и заменяя 1/ρ = α, где α — удельный объём, формула принимает вид:

Формула (3.4) называется теоретической. Для расчёта скорости звука по ней можно использовать уравнение состояния морской воды УС–80 для определения K_из. Входящие в формулу (3.4) величины являются функциями температуры, солёности и гидростатического давления. Исследования формулы (3.4) показывают, что при увеличении температуры на 1 °С скорость звука в воде возрастает на 2,2 ÷ 4,7 м/с за счёт увеличения удельного объёма и уменьшения коэффициента сжимаемости.

При увеличении солёности на 1 епс скорость звука возрастает на 1,2 м/с, а при увеличении давления на 100 дбар (100 м) — на 1,8 м.

Формула (3.4) может обеспечить высокую точность определения скорости звука при условии достаточно точного определения К_из. Однако этот коэффициент, в свою очередь, является сложной функцией температуры, солёности и давления и не вычисляется теоретически. Это привело к необходимости найти эмпирические зависимости между скоростью звука, температурой, солёностью и давлением.

В общем случае эмпирические формулы имеют вид:

где С_оп — скорость звука при атмосферном давлении и некоторых «опорных» значениях температуры и солёности, а ΔС — поправки к С_оп за отклонение фактических значений температуры, солёности и давления от принятых при вычислении С_оп.

Входящие в уравнение величины неоднократно определялись российскими и зарубежными исследователями. Наиболее точные и близкие к фактическим скоростям звука в морской воде дают вычисления по формулам В. Д. Вильсона с уточнениями А. С. Полосина, Х. Ф. Фрая и Дж. Д. Пага, Дель Гроссо и Чена и Миллеро. Краткое описание этих формул дано в работе. Из нее следует, что формула Дель Гроссо является наиболее точной и может быть использована для расчётов с погрешностью 0,05 м/с, а с поправочными коэффициентами, выведенными В. Н. Матвиенко и Ю. Ф. Тарасюком, точность расчётов может быть повышена до 0,01 м/с:

где C_S,t,p — скорость звука, м/с; t — температура, °С; S — солёность, епс; р — гидростатическое давление, МПа.

При использовании эхолотов необходимо знать среднюю скорость звука в вертикальном направлении. Она рассчитывается как средняя взвешенная с учётом веса — толщины слоёв h_i между горизонтами:

где h_i — толщина слоёв, С_i — скорость звука в i-ом слое.

Найденное значение скорости используется для вычисления поправки, которую нужно ввести в измеренную эхолотом величину, так как эхолот рассчитан на С = 1500 м/с:

Основы лучевой теории распространения звука в океане

Лучевая теория является эффективным методом для изучения распространения звука в неоднородных средах, таких как океан, для случая достаточно высоких частот. Предполагается, что океан является горизонтально стратифицированным, в котором скорость звука зависит только от глубины, т. е. С = f (z). Поверхность и дно плоские и горизонтальные. Основой лучевой теории является предположение, что звуковая энергия в среде распространяется вдоль некоторых линий — лучей. Это можно представить себе как совокупность лучей, выходящих из излучателя звука (для простоты он предполагается точечным), и проходящих через малый замкнутый контур, лежащий в плоскости, перпендикулярной направлению распространения лучей.

Такая совокупность лучей будет образовывать лучевую трубку, в которой «течёт», не пересекая её стенок, звуковая энергия. Реальную физическую основу имеет световой луч, так как можно получить световой пучок диаметром в несколько десятых мм (т. е. в виде прямой линии). Звуковой луч имеет смысл лишь как нормаль к поверхности волны.

Для распространения звука в океане очень важное значение имеет даже не сама величина скорости звука, а профиль (форма) кривой С = f(z). В зависимости от типа профиля С = f(z) звук одной и той же частоты может распространяться на сотни и даже тысячи километров или на расстояние лишь нескольких километров. В однородной среде звуковые лучи будут представляться прямыми линиями. В слоистой среде, каковой и являются океаны, скорость звука при переходе из слоя в слой будет изменяться, так как будут меняться температура, солёность и давление. В этом случае, вводя понятие звуковых лучей для характеристики распространения звука, можно использовать известные законы геометрической оптики:

где i, β — углы падения и преломление звуковой волны; θ₁, θ₂ — углы скольжения.

На рис. 3.1 показано изменение направления распространения звукового луча при переходе из слоя воды, где скорость звука равна С₁ в слой воды со скоростью звука С₂. Это явление, т. е. искривление звукового луча в неоднородной среде, получило название рефракции звуковых лучей.

При распространении звука в воде со всё возрастающей скоростью углы скольжения будут непрерывно уменьшаться и при достижении слоя с некоторой критической скоростью Со станут равными нулю, т. е. преломлённая звуковая волна в этом слое отсутствует, другими словами, звук в этот слой не проникает. Это явление называется полным внутренним отражением. Величину критического угла скольжения можно найти из уравнения (3.9).

В океане скорость звука меняется в довольно широких пределах от

1600 м/с. При этом даже незначительные изменения скорости оказывают большое влияние на распространение звуковой волны в океане. Подчиняясь законам геометрической оптики, звуковые лучи в океане искривляются, принимая форму довольно сложных кривых.

Тип рефракции звука определяется характером вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ). В методическом отношении сложную рефракционную картину удобно аппроксимировать сочетаниями двух основных типов рефракции звука в океане — положительной и отрицательной. Положительная рефракция наблюдается при увеличении скорости звука с глубиной, отрицательная — при убывании. Поскольку скорость звука зависит от температуры, солёности и давления (меньше всего на скорость влияет солёность, и пределы её изменения несравнимы с изменением температуры в верхних слоях и давления в нижних слоях океана), то тип рефракции будет определяться вертикальным распределением температуры. В глубинной зоне вертикальные градиенты и температуры, и солёности ничтожно малы, и там наблюдается монотонное увеличение скорости звука, обусловленное постоянным увеличением с глубиной гидростатического давления. На рис. 3.2, заимствованном из работы, показаны типы рефракции в зависимости от вертикального распределения температуры.

Положительная рефракция. Наблюдается обычно в холодное время года, когда температура воды в результате конвективного перемешивания становится одинаковой (изотермия) или повышается с глубиной (начало холодного периода года). Лучи, посланные в направлении дна, будут встречать слои воды с возрастающей скоростью звука. Это приводит к уменьшению углов скольжения, и при достижении критических углов будет наблюдаться полное внутреннее отражение лучей в толще воды и искривление их к поверхности (рис. 3.2, б).

Отрицательная рефракция. Наблюдается в тёплое время года при естественном для этого времени убывании температуры с глубиной. Лучи, направленные к поверхности, будут искривляться в сторону дна (рис. 3.2, в) В глубоководных районах и в мелководных с илистым дном дальность действия гидроакустических средств оказывается минимальной, ограниченной траекторией верхнего предельного луча. В мелком море при плотных грунтах звук может распространяться за счёт отражения от дна с колебанием уровня сигнала (донная подсветка), а иногда в тонком слое воды у дна происходит многократное отражение звука и образуется донный звуковой канал.

При наличии слоя скачка, образующегося в результате изотермии или инверсии температуры над ним и убывании температуры под ним в приповерхностном слое, рефракция будет положительной, а в нижележащем слое — отрицательной. На границе этих слоёв звуковой луч «расщепляется» и между его ветвями возникает зона акустической тени (3Т) (рис. 3.2, г). Если источник звука будет находиться над слоем скачка, то образуется приповерхностный звуковой канал с благоприятными условиями звукоподводной связи.

Для глубоководных районов Мирового океана типичным является профиль С(z), при котором на некоторой глубине располагается слой с минимальной скоростью звука. Вверх от этого слоя скорость растёт за счёт увеличения температуры, а вниз — за счёт роста гидростатического давления (рис. 3.2, д). Если поместить источник звука на горизонте с минимальной скоростью звука или вблизи него, то лучи, вышедшие из источника как в сторону поверхности, так и в сторону дна, будут встречать слои воды со всё возрастающей скоростью звука.

ПЗК — это природный волновод, в котором существуют наиболее благоприятные условия для распространения звука, т. к. звуковая энергия распространяется концентрированно, не рассеиваясь на поверхности океана и не поглощаясь в донных грунтах. Максимальная дальность распространения звука зависит только от поглощения звука водой. Звук низких частот, для которых поглощение мало, может распространяться на тысячи километров.

Ось ПЗК обычно находится на глубинах 1000–1200 м; в тропической зоне ниже — до 2000 м; в умеренной зоне — 200–500 м; в полярных широтах — 100 м и выше. Скорость звука на оси ПЗК меняется от 1480–1490 м/с в низких широтах и до 1450–1460 м/с в высоких.

Ослабление звука при распространении

Распространение звуковых волн в воде сопровождается потерей части излученной звуковой энергии. Это обусловлено следующими факторами:

Если область распространения звука кроме морской воды включает дно, взволнованную поверхность океана и морские льды, то ослабление звука ещё больше усложняется.

Таким образом, различные по своей природе явления приводят к одному и тому же эффекту — убыванию интенсивности звука по мере удаления от излучателя. Поэтому при изучении процесса ослабления звука при распространении можно измерить только суммарный эффект, обусловленный всеми факторами, который обычно называют затуханием звука.

Поскольку влияние разнообразных факторов на затухание звука пока не поддаётся теоретическим расчётам, то в результате многочисленных натурных измерений получены эмпирические формулы для расчёта коэффициента затухания звука в зависимости от частоты излучения, скорости звука и физических свойств воды: температуры, солёности, гидростатического давления (глубины) и водородного показателя pH (изменяется в пределах 7,6 ÷ 8,2).

В качестве примера приведём формулу для расчёта коэффициента затухания звука в ПЗК на частотах до 1 кГц:

Для диапазона частот от 20 Гц до 60 кГц коэффициент затухания можно определить по формуле:

Эмпирические формулы для расчёта коэффициента затухания для более высоких частот можно найти в работе.

Шумы океана

Важным акустическим параметром морской среды являются шумы океана. Они создают помехи нормальной работе гидроакустических средств, различаются по уровню, частотному составу, временным и другим характеристикам.

По источникам, вызвавшим шум, выделяют искусственные (преднамеренные) и естественные (собственные) шумы океана. Рассмотрим кратко собственные шумы.

Существуют следующие основные источники шумов:

1. Тепловые шумы, обусловленные движением молекул воды. Это постоянный источник шумов на частотах 50–200 кГц.

2. Динамические шумы. Производятся волнением, прибоем на берегу или рифах, течениями, дождём. Главным источником шума в глубоком океане на частотах 100 Гц – 50 кГц является ветровое волнение.

3. Подлёдные шумы связаны с динамикой ледяного покрова: движение льдин и ледяных полей, термическое растрескивание, торошение льда, обтекание ветром и течениями неровностей на его поверхности. «Шумят» айсберги при движении их из полярных районов в более тёплые.

4. Биологические шумы производятся представителями морской фауны: китовые, рыбы, ракообразные и беспозвоночные.

5. Сейсмические шумы вызываются землетрясениями, извержениями вулканов и отдалёнными штормами. Эти источники создают шумы на очень низких частотах (1–100 Гц).

Литература

Источник