Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

6.4: Звук

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    37086

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Звук - це форма енергії, що передається через хвилі тиску; поздовжні або стискаючі хвилі, подібні до сейсмічних P-хвиль, про які ми говорили в розділі 3.3. При океанських звуках енергія передається через молекули води, що вібрують взад-вперед паралельно напрямку звукової хвилі, і передаючи енергію сусіднім молекулам. Тому звук рухається швидше і ефективніше, коли молекули знаходяться ближче один до одного і краще здатні передавати свою енергію сусіднім частинкам. Іншими словами, звук швидше рухається через більш щільні матеріали. Оскільки вода набагато щільніше повітря, швидкість звуку у воді (близько 1500 м/с) приблизно в п'ять разів швидше швидкості в повітрі (близько 330 м/с). Це допомагає пояснити, чому ми іноді відчуваємо труднощі з локалізацією джерела звуку, який ми чуємо під водою. Ми локалізуємо джерела звуку, коли наш мозок виявляє крихітні відмінності у часі надходження звуків, що доходять до наших вух. Звук, що надходить з нашого лівого вуха, досягне нашого лівого вуха частку секунди, перш ніж дійти до нашого правого вуха. Наш мозок може обробити ту невелику різницю в часі прибуття, щоб розпізнати напрямок, з якого надходив звук. У воді звук відбувається набагато швидше, що різниця в часі прибуття між нашими вухами стає занадто малою для нас, щоб інтерпретувати, і ми втрачаємо здатність локалізувати джерело.

    Однак, як і у випадку зі звуком у повітрі, швидкість звуку в океані не є постійною; на неї впливає ряд змінних, включаючи температуру, солоність та тиск, і збільшення будь-якого з цих факторів призведе до збільшення швидкості звуку. Ми бачили, що ці змінні змінюються залежно від глибини та місця розташування; так що швидкість звуку буде відрізнятися в різних регіонах океану.

    Щоб вивчити спосіб зміни швидкості звуку в залежності від глибини, нам потрібно розглянути вертикальні профілі температури і тиску. На поверхні тиск низький, але температура знаходиться в найвищій його точці в товщі води. Температурні ефекти домінують на поверхні, тому швидкість звуку швидка в поверхневих водах. Зі збільшенням глибини температура і швидкість звуку знижуються. Біля дна домінує екстремальний тиск, і навіть незважаючи на низькі температури, швидкість звуку збільшується з глибиною. На помірних глибині (між кількома сотнями і тисячею метрів) є зона, де і температура, і тиск відносно низькі, тому швидкість звуку знаходиться на мінімальному рівні. Ця зона мінімальної швидкості називається каналом SOFAR (So und F фіксування A і R висять) або Deep Sound Channel (рис.\(\PageIndex{1}\)).

    Рисунок\(\PageIndex{1}\) Профілі температури, тиску та швидкості звуку з глибиною. Швидкість звуку висока на поверхні через високі температури, і висока на глибині через високий тиск. На помірній глибині лежить канал SOFAR, область найповільнішої швидкості звуку (PW).

    Канал SOFAR важливий, оскільки звуки, вироблені в цьому регіоні, можуть поширюватися на дуже великі відстані з невеликим загасанням (втратою енергії). Звукові хвилі, що утворюються в каналі, випромінюють у всіх напрямках. Хвилі, які рухаються в більш дрібну або глибшу воду поза звуковим каналом, потрапляють в область швидшої передачі звуку. Як ми бачили з сейсмічними хвилями, коли ці звукові хвилі стикаються з областю різної швидкості передачі, хвилі, як правило, заломлюються або відгинаються назад до області меншої швидкості. В результаті звукові хвилі, що рухаються з каналу SOFAR в більш дрібну воду, будуть заломлюватися назад у напрямку до каналу. Коли звукові хвилі йдуть глибше нижче каналу, вони будуть заломлюватися вгору, назад в канал і область повільнішої швидкості. Таким чином, більша частина звуку не розсіюється у воду у всіх напрямках, а натомість потрапляє в пастку всередині каналу, і може подорожувати дуже великі відстані з невеликою втратою енергії (рис.\(\PageIndex{2}\)).

    Малюнок Поширення\(\PageIndex{2}\) звуку в каналі SOFAR. Звукові хвилі, що виходять від джерела, будуть заломлюватися в сторону області повільнішої швидкості, «вловлюючи» звук в каналі SOFAR (PW).

    Існує кілька практичних застосувань каналу SOFAR. Вважається, що вусаті кити використовують канал SOFAR для спілкування один з одним на великі відстані від сотень до тисяч кілометрів. Їх вокалізації дуже гучні і є низькочастотними дзвінками, які подорожують далі, ніж високочастотні звуки в океанах. Військові змогли відстежувати підводні човни за допомогою каналу SOFAR, а під час Другої світової війни він використовувався для знаходження збитих пілотів або зниклих кораблів і літаків. Мілітарний пілот міг упустити невеликий пристрій у воду, і як тільки він занурився в канал SOFAR, він вибухне, створюючи звук, який можна було почути на декількох станціях прослуховування. Використовуючи час надходження звуку на різні приймачі, розташування джерела можна було визначити за допомогою тріангуляції. У 1990-х роках було запропоновано, що канал SOFAR можна використовувати для моніторингу глобальних температур океану. Був запропонований проект, відомий як ATOC (Акустична термометрія клімату океану), де гучні, низькочастотні звуки, що видаються поблизу Гаваїв та Каліфорнії, подорожуватимуть через канал SOFAR до приймальних станцій навколо Тихого океану. Відстежуючи час, необхідний для того, щоб звуки дійшли до приймачів, вчені могли відстежувати зміни температури океану в глобальному масштабі, оскільки звуки будуть рухатися швидше через потепління океану.

    Оскільки звук краще рухається через воду, ніж повітря, енергія, необхідна для передачі даної звукової хвилі, вище в повітрі, ніж у воді. Енергія, або інтенсивність (гучність) звуку вимірюється за шкалою децибел (дБ). Виходить, що для передачі звуку по повітрю потрібно приблизно в 61 раз більше енергії, ніж через воду. Через цю різницю в енергії існує різниця в 61 дБ між звуками, що передаються через повітря та воду, така, що інтенсивність звуку 120 дБ у воді була б еквівалентна інтенсивності близько 60 дБ у повітрі. Це слід мати на увазі, намагаючись порівняти звуки в океані зі звуками в повітрі. Звук 130 дБ у повітрі приблизно еквівалентний стоянню 100 м від реактивного двигуна при зльоті. Звук 130 дБ у воді еквівалентний приблизно 70 дБ у повітрі, що і є інтенсивністю звуку пилососа. Також слід зазначити, що за шкалою дБ збільшення на 10 дБ означає звук в 10 разів голосніше. Іншими словами, 20 дБ на 10 х голосніше 10 дБ, тоді як 30 дБ - 100 х голосніше 10 дБ.

    Додаткові посилання для отримання додаткової інформації: