سرعة الصوت في الماء. أين ينتقل الصوت بشكل أسرع؟ مسار انتشار الصوت في الماء.
نحن ندرك الأصوات على مسافة من مصادرها. عادة ما يصل الصوت إلينا عبر الهواء. الهواء هو وسط مرن ينقل الصوت.
إذا تمت إزالة وسيط نقل الصوت بين المصدر والمستقبل، فلن ينتشر الصوت، وبالتالي لن يستقبله المستقبل. دعونا نثبت هذا تجريبيا.
لنضع منبهًا أسفل جرس مضخة الهواء (الشكل 80). طالما أن هناك هواء في الجرس، يمكن سماع صوت الجرس بوضوح. ومع ضخ الهواء من تحت الجرس، يضعف الصوت تدريجيًا ويصبح في النهاية غير مسموع. وبدون وسيط نقل، لا يمكن لاهتزازات لوحة الجرس أن تنتقل، ولا يصل الصوت إلى أذننا. دعونا نترك الهواء تحت الجرس ونسمع الرنين مرة أخرى.
أرز. 80. تجربة إثبات أن الصوت لا ينتشر في الفضاء حيث لا يوجد وسط مادي
المواد المرنة توصل الأصوات بشكل جيد، مثل المعادن والخشب والسوائل والغازات.
دعونا نضع ساعة جيب على أحد طرفي لوح خشبي، وننتقل إلى الطرف الآخر. ضع أذنك على اللوح، يمكنك سماع دقات الساعة.
اربط خيطًا بملعقة معدنية. ضع نهاية الخيط على أذنك. عندما تضرب الملعقة، ستسمع صوتًا قويًا. سوف نسمع صوتًا أقوى إذا استبدلنا الخيط بالسلك.
الأجسام الناعمة والمسامية هي موصلات ضعيفة للصوت. لحماية أي غرفة من اختراق الأصوات الدخيلة، يتم تغطية الجدران والأرضية والسقف بطبقات من المواد الممتصة للصوت. يتم استخدام اللباد والفلين المضغوط والأحجار المسامية والمواد الاصطناعية المختلفة (على سبيل المثال، رغوة البوليسترين) المصنوعة من البوليمرات الرغوية كطبقات بينية. يتلاشى الصوت في مثل هذه الطبقات بسرعة.
السوائل توصل الصوت بشكل جيد. فالأسماك، على سبيل المثال، تجيد سماع الخطى والأصوات على الشاطئ، وهذا أمر معروف لدى الصيادين ذوي الخبرة.
لذلك، ينتشر الصوت في أي وسيلة مرنة - صلبة وسائلة وغازية، ولكن لا يمكن أن تنتشر في الفضاء حيث لا توجد مادة.
تخلق تذبذبات المصدر موجة مرنة من تردد الصوت في بيئتها. تؤثر الموجة التي تصل إلى الأذن على طبلة الأذن، مما يجعلها تهتز بتردد يتوافق مع تردد مصدر الصوت. تنتقل اهتزازات طبلة الأذن عبر الجهاز العظمي إلى نهايات العصب السمعي، مما يؤدي إلى تهيجها وبالتالي التسبب في الإحساس بالصوت.
ولنتذكر أنه في الغازات والسوائل طولية فقط موجات مرنة. فالصوت في الهواء، على سبيل المثال، ينتقل عن طريق موجات طولية، أي تكثفات وتخلخلات متناوبة للهواء القادم من مصدر الصوت.
الموجة الصوتية، مثل أي موجات ميكانيكية أخرى، لا تنتشر في الفضاء بشكل فوري، ولكن بسرعة معينة. يمكنك التحقق من ذلك، على سبيل المثال، من خلال مشاهدة إطلاق النار من بعيد. في البداية نرى النار والدخان، وبعد فترة نسمع صوت طلقة. يظهر الدخان في نفس الوقت الذي يحدث فيه الاهتزاز الصوتي الأول. وبقياس الفاصل الزمني t بين لحظة ظهور الصوت (لحظة ظهور الدخان) ولحظة وصوله إلى الأذن يمكننا تحديد سرعة انتشار الصوت:
تظهر القياسات أن سرعة الصوت في الهواء عند درجة حرارة 0 درجة مئوية والضغط الجوي الطبيعي تبلغ 332 م/ث.
كلما ارتفعت درجة الحرارة، زادت سرعة الصوت في الغازات. على سبيل المثال، عند درجة حرارة 20 درجة مئوية، تبلغ سرعة الصوت في الهواء 343 م/ث، وعند 60 درجة مئوية - 366 م/ث، وعند 100 درجة مئوية - 387 م/ث. ويفسر ذلك حقيقة أنه مع زيادة درجة الحرارة، تزداد مرونة الغازات، وكلما زادت القوى المرنة التي تنشأ في الوسط أثناء تشوهه، زادت حركة الجزيئات وانتقال الاهتزازات بشكل أسرع من نقطة إلى أخرى.
تعتمد سرعة الصوت أيضًا على خصائص الوسط الذي ينتقل فيه الصوت. على سبيل المثال، عند 0 درجة مئوية، تبلغ سرعة الصوت في الهيدروجين 1284 م/ث، وفي ثاني أكسيد الكربون - 259 م/ث، لأن جزيئات الهيدروجين أقل كتلة وأقل خاملة.
في الوقت الحاضر، يمكن قياس سرعة الصوت في أي بيئة.
تكون الجزيئات في السوائل والمواد الصلبة أقرب إلى بعضها البعض وتتفاعل بقوة أكبر من جزيئات الغاز. ولذلك فإن سرعة الصوت في الوسائط السائلة والصلبة تكون أكبر منها في الوسائط الغازية.
بما أن الصوت عبارة عن موجة، لتحديد سرعة الصوت، بالإضافة إلى الصيغة V = s/t، يمكنك استخدام الصيغ التي تعرفها: V = lect/T وV = vlect. عند حل المسائل، عادة ما تعتبر سرعة الصوت في الهواء 340 م/ث.
أسئلة
- ما هو الغرض من التجربة الموضحة في الشكل 80؟ صف كيفية إجراء هذه التجربة وما النتيجة التي تترتب عليها.
- هل يمكن للصوت أن ينتقل في الغازات والسوائل والمواد الصلبة؟ ادعم إجاباتك بالأمثلة.
- ما هي الأجسام التي تنقل الصوت بشكل أفضل - مرنة أم مسامية؟ أعط أمثلة على الأجسام المرنة والمسامية.
- ما نوع الموجة - الطولية أو المستعرضة - التي ينتشر فيها الصوت في الهواء؟ في الماء؟
- أعط مثالا يوضح أن الموجة الصوتية لا تنتقل على الفور، ولكن بسرعة معينة.
التمرين 30
- هل يمكن سماع صوت انفجار ضخم على القمر على الأرض؟ برر جوابك.
- إذا قمت بربط نصف صحن الصابون بكل طرف من طرفي الخيط، فباستخدام مثل هذا الهاتف يمكنك حتى التحدث بصوت هامس أثناء وجودك في غرف مختلفة. اشرح هذه الظاهرة.
- أوجد سرعة الصوت في الماء إذا كان مصدر يهتز بفترة زمنية مقدارها 0.002 s يثير موجات في الماء طولها 2.9 m.
- حدد الطول الموجي لموجة صوتية ترددها 725 هرتز في الهواء وفي الماء وفي الزجاج.
- تم ضرب أحد طرفي أنبوب معدني طويل بمطرقة. هل سينتشر الصوت الناتج عن الاصطدام إلى الطرف الثاني من الأنبوب عبر المعدن؟ من خلال الهواء داخل الأنبوب؟ كم عدد الضربات التي سيسمعها الشخص الذي يقف على الطرف الآخر من الأنبوب؟
- شاهد أحد المراقبين الذي كان يقف بالقرب من قسم مستقيم من السكة الحديد بخارًا فوق صافرة قاطرة تتحرك في المسافة. بعد ثانيتين من ظهور البخار، سمع صوت صافرة، وبعد 34 ثانية مرت القاطرة بالقرب من المراقب. تحديد سرعة القاطرة.
يتناول هذا الدرس موضوع "الموجات الصوتية". في هذا الدرس سنواصل دراسة الصوتيات. أولاً، دعونا نكرر تعريف الموجات الصوتية، ثم نتناولها نطاقات الترددوالتعرف على مفهوم الموجات فوق الصوتية وتحت الصوتية. وسنناقش أيضًا الخصائص الكامنة في الموجات الصوتية بيئات مختلفة، ومعرفة ما هي الخصائص التي لديهم .
الموجات الصوتية –هذه هي الاهتزازات الميكانيكية التي تنتشر وتتفاعل مع جهاز السمع، ويدركها الشخص (الشكل 1).
أرز. 1. موجة صوتية
فرع الفيزياء الذي يتعامل مع هذه الموجات يسمى الصوتيات. مهنة الأشخاص الذين يطلق عليهم شعبيا "المستمعين" هي الصوتيات. الموجة الصوتية هي موجة تنتشر في وسط مرن، وهي موجة طولية، وعندما تنتشر في وسط مرن يتناوب الضغط والتفريغ. ينتقل مع مرور الوقت عبر مسافة (الشكل 2).
أرز. 2. انتشار الموجات الصوتية
تشمل الموجات الصوتية اهتزازات تحدث بتردد يتراوح من 20 إلى 20000 هرتز. بالنسبة لهذه الترددات، تكون الأطوال الموجية المقابلة 17 مترًا (لـ 20 هرتز) و17 ملم (لـ 20000 هرتز). سيتم تسمية هذا النطاق بالصوت المسموع. يتم إعطاء هذه الأطوال الموجية للهواء، وسرعة الصوت فيه تساوي .
هناك أيضًا نطاقات يتعامل معها اختصاصيو الصوتيات - الموجات فوق الصوتية والموجات فوق الصوتية. الموجات فوق الصوتية هي تلك التي لها تردد أقل من 20 هرتز. والموجات فوق الصوتية هي تلك التي يزيد ترددها عن 20000 هرتز (الشكل 3).
أرز. 3. نطاقات الموجات الصوتية
ويجب على كل شخص متعلم أن يكون على دراية بمدى تردد الموجات الصوتية، وأن يعلم أنه إذا أجرى فحص الموجات فوق الصوتية، فسيتم بناء الصورة على شاشة الكمبيوتر بتردد يزيد عن 20.000 هرتز.
الموجات فوق الصوتية –وهي موجات ميكانيكية تشبه الموجات الصوتية، ولكن بتردد يتراوح بين 20 كيلو هرتز إلى مليار هرتز.
تسمى الموجات التي يزيد ترددها عن مليار هرتز فرط الصوت.
يتم استخدام الموجات فوق الصوتية للكشف عن العيوب في أجزاء الزهر. يتم توجيه تيار من إشارات الموجات فوق الصوتية القصيرة إلى الجزء الذي يتم فحصه. وفي الأماكن التي لا يوجد بها عيوب، تمر الإشارات عبر الجزء دون أن يتم تسجيلها من قبل جهاز الاستقبال.
إذا كان هناك صدع أو تجويف هوائي أو أي عدم تجانس آخر في الجزء، فإن إشارة الموجات فوق الصوتية تنعكس منه وتدخل إلى جهاز الاستقبال. هذه الطريقة تسمى كشف الخلل بالموجات فوق الصوتية.
ومن الأمثلة الأخرى لتطبيقات الموجات فوق الصوتية أجهزة الموجات فوق الصوتية، وأجهزة الموجات فوق الصوتية، والعلاج بالموجات فوق الصوتية.
الموجات فوق الصوتية –موجات ميكانيكية تشبه الموجات الصوتية ولكن ترددها أقل من 20 هرتز. ولا تسمعهم الأذن البشرية.
المصادر الطبيعية للموجات دون الصوتية هي العواصف والتسونامي والزلازل والأعاصير والانفجارات البركانية والعواصف الرعدية.
تعد الموجات دون الصوتية أيضًا موجة مهمة تستخدم لاهتزاز السطح (على سبيل المثال، لتدمير بعض الأجسام الكبيرة). نطلق الموجات فوق الصوتية في التربة - وتتفتت التربة. أين يتم استخدام هذا؟ على سبيل المثال، في مناجم الماس، حيث يتم أخذ الخام الذي يحتوي على مكونات الماس وسحقه إلى جزيئات صغيرة للعثور على شوائب الماس (الشكل 4).
أرز. 4. تطبيق الموجات فوق الصوتية
تعتمد سرعة الصوت على الظروف البيئية ودرجة الحرارة (الشكل 5).
أرز. 5. سرعة انتشار الموجات الصوتية في الوسائط المختلفة
يرجى ملاحظة: في الهواء، سرعة الصوت تساوي، وفي ، تزيد السرعة بمقدار . إذا كنت باحثًا، فقد تكون هذه المعرفة مفيدة لك. قد تتوصل أيضًا إلى نوع من أجهزة استشعار درجة الحرارة التي ستسجل الاختلافات في درجات الحرارة عن طريق تغيير سرعة الصوت في الوسط. نحن نعلم بالفعل أنه كلما كان الوسط أكثر كثافة، كلما كان التفاعل بين جزيئات الوسط أكثر خطورة، وانتشرت الموجة بشكل أسرع. في الفقرة الأخيرة ناقشنا هذا باستخدام مثال الهواء الجاف والهواء الرطب. بالنسبة للماء، سرعة انتشار الصوت هي . إذا قمت بإنشاء موجة صوتية (طرق على شوكة رنانة)، فإن سرعة انتشارها في الماء ستكون أكبر بأربع مرات من الهواء. عن طريق الماء، ستصل المعلومات أسرع بأربع مرات من الهواء. وفي الفولاذ يكون الأمر أسرع: 
(الشكل 6).
أرز. 6. سرعة انتشار الموجات الصوتية
أنت تعلم من الملاحم التي استخدمها إيليا موروميتس (وجميع الأبطال والشعب الروسي العادي والأولاد من RVS لـ Gaidar) استخدموا طريقة مثيرة جدًا لاكتشاف كائن يقترب، لكنه لا يزال بعيدًا. الصوت الذي يصدره عند التحرك غير مسموع بعد. يستطيع إيليا موروميتس سماعها وأذنه على الأرض. لماذا؟ لأن الصوت ينتقل فوق الأرض الصلبة بسرعة أعلى، مما يعني أنه سيصل إلى أذن إيليا موروميتس بشكل أسرع، وسيتمكن من الاستعداد للقاء العدو.
الموجات الصوتية الأكثر إثارة للاهتمام هي الأصوات الموسيقية والضوضاء. ما هي الكائنات التي يمكن أن تخلق موجات صوتية؟ إذا أخذنا مصدر موجة ووسطًا مرنًا، وإذا جعلنا مصدر الصوت يهتز بشكل متناغم، فسنحصل على موجة صوتية رائعة، والتي ستسمى الصوت الموسيقي. يمكن أن تكون مصادر الموجات الصوتية هذه، على سبيل المثال، أوتار الجيتار أو البيانو. قد تكون هذه موجة صوتية يتم إنشاؤها في فجوة الهواء في الأنبوب (عضو أو أنبوب). من دروس الموسيقى تعرف النوتات الموسيقية: do، re، mi، fa، sol، la، si. في الصوتيات، تسمى النغمات (الشكل 7).
أرز. 7. النغمات الموسيقية
جميع الكائنات التي يمكنها إنتاج نغمات سيكون لها ميزات. كيف هم مختلفون؟ أنها تختلف في الطول الموجي والتردد. إذا لم يتم إنشاء هذه الموجات الصوتية من خلال أجسام سليمة بشكل متناغم أو غير متصلة بنوع من مقطوعة الأوركسترا الشائعة، فسيتم تسمية هذه الكمية من الأصوات بالضوضاء.
ضوضاء- تذبذبات عشوائية ذات طبيعة فيزيائية مختلفة، تتميز بتعقيد بنيتها الزمنية والطيفية. إن مفهوم الضوضاء محلي ومادي على حد سواء، وهما متشابهان للغاية، وبالتالي فإننا نقدمه كموضوع مهم منفصل للنظر فيه.
دعنا ننتقل إلى التقديرات الكمية للموجات الصوتية. ما هي خصائص الموجات الصوتية الموسيقية؟ تنطبق هذه الخصائص حصريًا على اهتزازات الصوت التوافقية. لذا، حجم الصوت. كيف يتم تحديد حجم الصوت؟ دعونا ننظر في انتشار الموجة الصوتية في الوقت المناسب أو تذبذبات مصدر الموجة الصوتية (الشكل 8).
أرز. 8. حجم الصوت
في الوقت نفسه، إذا لم نضيف الكثير من الصوت إلى النظام (نقر على مفتاح البيانو بهدوء، على سبيل المثال)، فسيكون هناك صوت هادئ. إذا رفعنا يدنا عالياً عالياً، فإننا نتسبب في هذا الصوت بالضغط على المفتاح، فنحصل على صوت عالٍ. على ماذا يعتمد هذا؟ الصوت الهادئ له سعة اهتزاز أصغر من الصوت العالي.
السمة المهمة التالية للصوت الموسيقي وأي صوت آخر هي ارتفاع. على ماذا تعتمد درجة الصوت؟ الارتفاع يعتمد على التردد. يمكننا أن نجعل المصدر يتأرجح بشكل متكرر، أو يمكننا أن نجعله يتأرجح ليس بسرعة كبيرة (أي، إجراء اهتزازات أقل لكل وحدة زمنية). دعونا نفكر في الاجتياح الزمني للصوت العالي والمنخفض بنفس السعة (الشكل 9).
أرز. 9. الملعب
يمكن استخلاص نتيجة مثيرة للاهتمام. إذا غنى شخص بصوت جهير، فإن مصدر الصوت (الأحبال الصوتية) يهتز عدة مرات أبطأ من الشخص الذي يغني السوبرانو. في الحالة الثانية، تهتز الحبال الصوتية في كثير من الأحيان، وبالتالي تسبب في كثير من الأحيان جيوب الضغط والتفريغ في انتشار الموجة.
هناك خاصية أخرى مثيرة للاهتمام للموجات الصوتية لا يدرسها الفيزيائيون. هذا طابع الصوت. أنت تعرف وتميز بسهولة نفس القطعة الموسيقية التي يتم إجراؤها على آلة البالاليكا أو التشيلو. كيف تختلف هذه الأصوات أو هذا الأداء؟ في بداية التجربة، طلبنا من الأشخاص الذين يصدرون الأصوات أن يصنعوها بنفس السعة تقريبًا، بحيث يكون حجم الصوت هو نفسه. يبدو الأمر كما هو الحال في حالة الأوركسترا: إذا لم تكن هناك حاجة لتسليط الضوء على أي أداة، فإن الجميع يعزفون بنفس الطريقة تقريبًا وبنفس القوة. لذا فإن جرس البالاليكا والتشيلو مختلف. إذا أردنا أن نرسم الصوت الصادر من آلة موسيقية من آلة أخرى باستخدام الرسوم البيانية، فستكون هي نفسها. ولكن يمكنك بسهولة تمييز هذه الآلات من خلال صوتها.
مثال آخر على أهمية الجرس. تخيل مغنين يتخرجان من نفس جامعة الموسيقى مع نفس المعلمين. لقد درسوا بشكل جيد على قدم المساواة، مع علامة A مباشرة. لسبب ما، يصبح المرء أداء متميزا، والآخر غير راض عن حياته المهنية طوال حياته. في الواقع، يتم تحديد ذلك فقط من خلال أدواتهم التي تسبب اهتزازات صوتية في البيئة، أي أن أصواتهم تختلف في الجرس.
فهرس
- سوكولوفيتش يو.أ.، بوجدانوفا جي.إس. الفيزياء: كتاب مرجعي مع أمثلة لحل المشكلات. - إعادة تقسيم الطبعة الثانية. - عاشرا: فيستا: دار النشر "رانوك"، 2005. - 464 ص.
- بيريشكين إيه في، جوتنيك إي إم، فيزياء. الصف التاسع: كتاب مدرسي للتعليم العام. المؤسسات/أ.ف. بيريشكين، إي. إم. جوتنيك. - الطبعة الرابعة عشرة، الصورة النمطية. - م: حبارى، 2009. - 300 ص.
- بوابة الإنترنت "eduspb.com" ()
- بوابة الإنترنت "msk.edu.ua" ()
- بوابة الإنترنت "class-fizika.narod.ru" ()
العمل في المنزل
- كيف ينتقل الصوت؟ ماذا يمكن أن يكون مصدر الصوت؟
- هل يمكن للصوت أن ينتقل عبر الفضاء؟
- وهل كل موجة تصل إلى جهاز السمع لدى الإنسان يدركها؟
الصوتيات المائية (من اليونانية hydor- ماء، com.acousococ- سمعي) - علم الظواهر التي تحدث في البيئة المائية والمرتبطة بانتشار وانبعاث واستقبال الموجات الصوتية. ويشمل قضايا تطوير وإنشاء الأجهزة الصوتية المائية المعدة للاستخدام في البيئة المائية.
تاريخ التطور
أساسيات الصوتيات المائية
ملامح انتشار الموجات الصوتية في الماء
مكونات الحدث الصدى
بداية شاملة و بحث أساسيبدأت دراسة انتشار الموجات الصوتية في الماء خلال الحرب العالمية الثانية، والتي أملتها الحاجة إلى حل المشكلات العملية للقوات البحرية، وقبل كل شيء، الغواصات. استمر العمل التجريبي والنظري في سنوات ما بعد الحرب وتم تلخيصه في عدد من الدراسات. ونتيجة لهذه الأعمال تم تحديد وتوضيح بعض خصائص انتشار الموجات الصوتية في الماء وهي: الامتصاص والتوهين والانعكاس والانكسار.
امتصاص طاقة الموجات الصوتية مياه البحريحدث بسبب عمليتين: الاحتكاك الداخلي للوسط وتفكك الأملاح الذائبة فيه. تحول العملية الأولى طاقة الموجة الصوتية إلى حرارة، والثانية، التي تتحول إلى طاقة كيميائية، تزيل الجزيئات من حالة التوازن، وتتفكك إلى أيونات. يزداد هذا النوع من الامتصاص بشكل حاد مع زيادة وتيرة الاهتزاز الصوتي. كما يؤدي وجود الجسيمات العالقة والكائنات الحية الدقيقة والشذوذ في درجات الحرارة في الماء إلى توهين الموجة الصوتية في الماء. كقاعدة عامة، تكون هذه الخسائر صغيرة ويتم تضمينها في إجمالي الامتصاص، ولكن في بعض الأحيان، كما هو الحال، على سبيل المثال، في حالة التشتت من أعقاب السفينة، يمكن أن تصل هذه الخسائر إلى 90٪. يؤدي وجود شذوذ في درجات الحرارة إلى سقوط الموجة الصوتية في مناطق الظل الصوتي، حيث يمكن أن تخضع لانعكاسات متعددة.
وجود سطوح بين الماء – الهواء والماء – القاع يؤدي إلى انعكاس الموجة الصوتية منها، وإذا كانت في الحالة الأولى تنعكس الموجة الصوتية بشكل كامل، ففي الحالة الثانية يعتمد معامل الانعكاس على مادة القاع: يعكس القاع الموحل بشكل سيئ، أما القاع الرملي والصخري فيعكس بشكل جيد. وفي الأعماق الضحلة، وبسبب الانعكاسات المتعددة للموجة الصوتية بين القاع والسطح، تظهر قناة صوتية تحت الماء، يمكن أن تنتشر فيها الموجة الصوتية لمسافات طويلة. يؤدي تغيير سرعة الصوت عند أعماق مختلفة إلى انحناء "أشعة" الصوت - الانكسار.
انكسار الصوت (انحناء مسار شعاع الصوت)
|
انكسار الصوت في الماء: أ- في الصيف؛ ب - في الشتاء. على اليسار هو التغير في السرعة مع العمق. تتغير سرعة انتشار الصوت مع العمق، وتعتمد التغييرات على الوقت من السنة واليوم وعمق الخزان وعدد من الأسباب الأخرى. تنحني الأشعة الصوتية الصادرة من مصدر بزاوية معينة نحو الأفق، ويعتمد اتجاه الانحناء على توزيع سرعات الصوت في الوسط: في الصيف، عندما تكون الطبقات العليا أكثر دفئًا من الطبقات السفلية، تنحني الأشعة إلى الأسفل وتنعكس في الغالب من الأسفل، فتفقد جزءًا كبيرًا من طاقتها؛ في الشتاء، عندما تحافظ الطبقات السفلية من الماء على درجة حرارتها، بينما تبرد الطبقات العليا، تنحني الأشعة إلى الأعلى وتنعكس بشكل متكرر عن سطح الماء، بينما يتم فقدان طاقة أقل بكثير. ولذلك، في فصل الشتاء نطاق انتشار الصوت أكبر مما كانت عليه في الصيف. التوزيع الرأسي لسرعة الصوت (VSD) وتدرج السرعة لهما تأثير حاسم على انتشار الصوت في البيئة البحرية. يختلف توزيع سرعة الصوت في مناطق مختلفة من المحيط العالمي ويتغير بمرور الوقت. هناك عدة حالات نموذجية لـ VRSD: |
تشتت وامتصاص الصوت عن طريق عدم تجانس الوسط.
انتشار الصوت في الصوت تحت الماء. القناة: أ - تغير سرعة الصوت مع العمق؛ ب - مسار الشعاع في قناة الصوت. يتأثر انتشار الأصوات عالية التردد، عندما تكون الأطوال الموجية صغيرة جدًا، بعدم التجانسات الصغيرة الموجودة عادةً في المسطحات المائية الطبيعية: فقاعات الغاز، والكائنات الحية الدقيقة، وما إلى ذلك. تعمل حالات عدم التجانس هذه بطريقتين: فهي تمتص طاقة الصوت وتشتتها أمواج. ونتيجة لذلك، كلما زاد تواتر اهتزازات الصوت، انخفض نطاق انتشارها. وهذا التأثير ملحوظ بشكل خاص في الطبقة السطحية من الماء، حيث يوجد معظم عدم التجانس. إن تشتت الصوت عن طريق عدم التجانس، وكذلك الأسطح غير المستوية من الماء والقاع، يسبب ظاهرة الارتداد تحت الماء، والتي تصاحب إرسال نبضة صوتية: الموجات الصوتية، المنعكسة من مجموعة من عدم التجانس والاندماج، تؤدي إلى ظهور إطالة نبض الصوت، الذي يستمر بعد انتهائه. حدود نطاق انتشار الأصوات تحت الماء محدودة أيضًا بالضوضاء الطبيعية للبحر، والتي لها أصل مزدوج: جزء من الضوضاء ينشأ من تأثيرات الأمواج على سطح الماء، من أمواج البحر، من ضجيج الحصى المتدحرجة، وما إلى ذلك؛ ويرتبط الجزء الآخر بالحيوانات البحرية (الأصوات التي تنتجها الكائنات المائية: الأسماك والحيوانات البحرية الأخرى). تتعامل Biohydroacoustics مع هذا الجانب الخطير للغاية. |
نطاق انتشار الموجات الصوتية
يعد نطاق انتشار الموجات الصوتية وظيفة معقدة لتردد الإشعاع، والذي يرتبط بشكل فريد بالطول الموجي للإشارة الصوتية. كما هو معروف، فإن الإشارات الصوتية عالية التردد تضعف بسرعة بسبب الامتصاص القوي للبيئة المائية. وعلى العكس من ذلك، فإن الإشارات ذات التردد المنخفض قادرة على الانتشار لمسافات طويلة في البيئة المائية. وبالتالي، يمكن للإشارة الصوتية بتردد 50 هرتز أن تنتشر في المحيط على مسافات تصل إلى آلاف الكيلومترات، في حين أن الإشارة بتردد 100 كيلو هرتز، النموذجية لسونار المسح الجانبي، لها نطاق انتشار يتراوح بين 1-2 كم فقط. . النطاقات التقريبية للسونار الحديث مع ترددات الإشارة الصوتية المختلفة (الأطوال الموجية) موضحة في الجدول:
مجالات الاستخدام.
لقد انتشرت الصوتيات المائية على نطاق واسع الاستخدام العملينظرًا لأنه لم يتم بعد إنشاء نظام فعال لنقل الموجات الكهرومغناطيسية تحت الماء لأي مسافة كبيرة، وبالتالي فإن الصوت هو وسيلة الاتصال الوحيدة الممكنة تحت الماء. لهذه الأغراض، يتم استخدام الترددات الصوتية من 300 إلى 10000 هرتز والموجات فوق الصوتية من 10000 هرتز وما فوق. تُستخدم الباعثات الكهروديناميكية والكهرضغطية والسماعات المائية كبواعث ومستقبلات في المجال الصوتي، وتستخدم كبواعث كهرضغطية ومغنطيسية في مجال الموجات فوق الصوتية.
أهم تطبيقات الصوتيات المائية:
- لحل المشاكل العسكرية.
- الملاحة البحرية
- التواصل الصوتي
- استكشاف الصيد؛
- البحوث المحيطية؛
- مجالات النشاط لتنمية موارد قاع المحيط العالمي؛
- استخدام الصوتيات في حمام السباحة (في المنزل أو في مركز تدريب السباحة المتزامن)
- تدريب الحيوانات البحرية.
ملحوظات
الأدب ومصادر المعلومات
الأدب:
- في. شوليكين فيزياء البحر. - موسكو: "العلم"، 1968. - 1090 ص.
- I ل. روماني أساسيات الصوتيات المائية. - موسكو: "بناء السفن"، 1979 - 105 ص.
- يو.أ. كورياكين الأنظمة الصوتية المائية. - سانت بطرسبرغ: "علم سانت بطرسبرغ والقوة البحرية لروسيا"، 2002. - 416 ص.
>>الفيزياء: الصوت في بيئات مختلفة
لكي ينتشر الصوت، يلزم وجود وسط مرن. في الفراغ، لا يمكن للموجات الصوتية أن تنتشر، لأنه لا يوجد شيء ليهتز. ويمكن التحقق من ذلك من خلال تجربة بسيطة. فإذا وضعنا جرساً كهربائياً تحت الجرس الزجاجي، فمع ضخ الهواء من تحت الجرس سنجد أن الصوت الصادر من الجرس سوف يضعف أكثر فأكثر حتى يتوقف تماماً.
الصوت في الغازات. من المعروف أنه أثناء العاصفة الرعدية نرى أولاً وميضًا من البرق وبعد مرور بعض الوقت فقط نسمع قعقعة الرعد (الشكل 52). ويحدث هذا التأخير لأن سرعة الصوت في الهواء أقل بكثير من سرعة الضوء القادم من البرق.
تم قياس سرعة الصوت في الهواء لأول مرة عام 1636 على يد العالم الفرنسي م. ميرسين. عند درجة حرارة 20 درجة مئوية تساوي 343 م/ث، أي. 1235 كم/ساعة. لاحظ أنه عند هذه القيمة تنخفض سرعة الرصاصة الصادرة من مدفع رشاش كلاشينكوف (PK) على مسافة 800 متر. السرعة الأولية للرصاصة هي 825 م/ث، وهو ما يتجاوز بشكل كبير سرعة الصوت في الهواء. ولذلك فإن من يسمع صوت رصاصة أو صفير رصاصة لا داعي للقلق: فهذه الرصاصة قد تجاوزته بالفعل. الرصاصة تتجاوز صوت الطلقة وتصل إلى ضحيتها قبل وصول الصوت.
تعتمد سرعة الصوت على درجة حرارة الوسط: مع زيادة درجة حرارة الهواء تزداد، ومع انخفاض درجة حرارة الهواء تنخفض. عند 0 درجة مئوية، تكون سرعة الصوت في الهواء 331 م/ث.
ينتقل الصوت بسرعات مختلفة في الغازات المختلفة. كلما زادت كتلة جزيئات الغاز، قلت سرعة الصوت فيها. وهكذا، عند درجة حرارة 0 درجة مئوية، تبلغ سرعة الصوت في الهيدروجين 1284 م/ث، وفي الهيليوم - 965 م/ث، وفي الأكسجين - 316 م/ث.
الصوت في السوائل. عادة ما تكون سرعة الصوت في السوائل أكبر من سرعة الصوت في الغازات. تم قياس سرعة الصوت في الماء لأول مرة في عام 1826 بواسطة ج. كولادون وج. شتورم. لقد أجروا تجاربهم على بحيرة جنيف في سويسرا (الشكل 53). على أحد القوارب أشعلوا النار في البارود وفي نفس الوقت ضربوا جرسًا تم إنزاله في الماء. تم التقاط صوت هذا الجرس، باستخدام قرن خاص، تم إنزاله أيضًا في الماء، على متن قارب آخر كان على مسافة 14 كم من الأول. حسب الفاصل الزمني بين وميض الضوء ووصوله إشارة صوتيةتحديد سرعة الصوت في الماء. عند درجة حرارة 8 درجات مئوية، كانت السرعة حوالي 1440 م/ث. 
عند الحدود بين وسطين مختلفين، ينعكس جزء من الموجة الصوتية، وينتقل الجزء الآخر لمسافة أبعد. عندما ينتقل الصوت من الهواء إلى الماء 99.9% الطاقة السليمةينعكس مرة أخرى، ولكن الضغط في الموجة الصوتية المنقولة إلى الماء أكبر مرتين تقريبًا. يتفاعل نظام السمع للأسماك بدقة مع هذا. لذلك، على سبيل المثال، الصراخ والضوضاء فوق سطح الماء هي وسيلة مؤكدة لتخويف الحياة البحرية. الشخص الذي يجد نفسه تحت الماء لن يصم الآذان من هذه الصراخ: عند غمره في الماء، ستبقى "سدادات" الهواء في أذنيه، مما سيوفر له من التحميل الزائد للصوت.
عندما ينتقل الصوت من الماء إلى الهواء، ينعكس 99.9% من الطاقة مرة أخرى. ولكن إذا زاد ضغط الصوت أثناء الانتقال من الهواء إلى الماء، فهو الآن، على العكس من ذلك، يتناقص بشكل حاد. ولهذا السبب، على سبيل المثال، فإن الصوت الذي يحدث تحت الماء عندما يضرب حجر آخر لا يصل إلى الإنسان في الهواء.
هذا السلوك للصوت عند الحدود بين الماء والهواء أعطى أسلافنا سببًا للاعتقاد عالم تحت سطح البحر"عالم الصمت." ومن هنا جاء التعبير: "أخرس كالسمكة". ومع ذلك، اقترح ليوناردو دافنشي أيضًا الاستماع إلى الأصوات تحت الماء عن طريق وضع أذنك على مجذاف مغمور في الماء. باستخدام هذه الطريقة، يمكنك التأكد من أن الأسماك ثرثارة بالفعل.
الصوت في المواد الصلبة. سرعة الصوت في المواد الصلبة أكبر منها في السوائل والغازات. إذا وضعت أذنك على السكة، فسوف تسمع صوتين بعد الاصطدام بالطرف الآخر من السكة. واحد منهم سوف يصل إلى أذنك عن طريق السكك الحديدية، والآخر عن طريق الجو.
الأرض لديها الموصلية الصوتية الجيدة. لذلك، في الأيام الخوالي، أثناء الحصار، تم وضع "المستمعين" في أسوار القلعة، والذين يمكنهم من خلال الصوت الذي تنقله الأرض تحديد ما إذا كان العدو يحفر في الجدران أم لا. وضعوا آذانهم على الأرض، وراقبوا أيضًا اقتراب فرسان العدو.
المواد الصلبة توصل الصوت بشكل جيد. وبفضل هذا، يتمكن الأشخاص الذين فقدوا السمع أحيانًا من الرقص على موسيقى تصل إلى أعصابهم السمعية، ليس من خلال الهواء والأذن الخارجية، بل من خلال الأرض والعظام.
1. لماذا أثناء العاصفة الرعدية نرى البرق أولاً ثم نسمع الرعد؟ 2. على ماذا تعتمد سرعة الصوت في الغازات؟ 3. لماذا لا يسمع الشخص الواقف على ضفة النهر الأصوات الصادرة تحت الماء؟ 4. لماذا كان "السامعون" الذين كانوا في العصور القديمة يراقبون أعمال التنقيب التي يقوم بها العدو في كثير من الأحيان عميان؟
مهمة تجريبية . ضع لوحًا (أو مسطرة خشبية طويلة) على أحد طرفيه ساعة اليد، ضع أذنك على طرفها الآخر. ماذا تسمع؟ اشرح هذه الظاهرة.
إس في. جروموف، ن.أ. رودينا، الفيزياء الصف الثامن
مقدمة من القراء من مواقع الإنترنت
تخطيط الفيزياء ، خطط خطة دروس الفيزياء ، المناهج المدرسية ، كتب وكتب الفيزياء للصف الثامن ، دورات وواجبات الفيزياء للصف الثامن
محتوى الدرس ملاحظات الدرسدعم إطار عرض الدرس وأساليب تسريع التقنيات التفاعلية يمارس المهام والتمارين ورش عمل الاختبار الذاتي، والدورات التدريبية، والحالات، وأسئلة مناقشة الواجبات المنزلية أسئلة بلاغيةمن الطلاب الرسوم التوضيحية الصوت ومقاطع الفيديو والوسائط المتعددةصور فوتوغرافية، صور، رسومات، جداول، رسوم بيانية، فكاهة، نوادر، نكت، كاريكاتير، أمثال، أقوال، كلمات متقاطعة، اقتباسات الإضافات الملخصاتالمقالات والحيل لأسرّة الأطفال الفضوليين والكتب المدرسية الأساسية والإضافية للمصطلحات الأخرى تحسين الكتب المدرسية والدروستصحيح الأخطاء في الكتاب المدرسيتحديث جزء من الكتاب المدرسي، وعناصر الابتكار في الدرس، واستبدال المعرفة القديمة بأخرى جديدة فقط للمعلمين دروس مثاليةخطة التقويم للسنة؛ توصيات منهجية؛ دروس متكاملةإذا لم تواجه الموجة الصوتية عوائق في طريقها، فإنها تنتشر بالتساوي في جميع الاتجاهات. لكن ليس كل عقبة تصبح عائقاً أمامها.
بعد أن واجه عقبة في طريقه، يمكن أن ينحني الصوت حوله أو ينعكس أو ينكسر أو يمتص.
حيود الصوت
يمكننا أن نتحدث مع شخص يقف عند زاوية بناية، خلف شجرة، أو خلف سياج، رغم أننا لا نستطيع رؤيته. نسمعه لأن الصوت قادر على الانحناء حول هذه الأشياء والتغلغل في المنطقة التي خلفها.
تسمى قدرة الموجة على الانحناء حول عائق ما الانحراف .
يحدث الحيود عندما يتجاوز الطول الموجي للصوت حجم العائق. الموجات الصوتية ذات التردد المنخفض طويلة جدًا. على سبيل المثال، عند تردد 100 هرتز، يساوي 3.37 مترًا، ومع انخفاض التردد، يصبح الطول أكبر. ولذلك، تنحني الموجة الصوتية بسهولة حول الأجسام المشابهة لها. الأشجار الموجودة في الحديقة لا تتداخل مع سمعنا للصوت على الإطلاق، لأن أقطار جذوعها أصغر بكثير من طول موجة الصوت.
بفضل الحيود، تخترق الموجات الصوتية الشقوق والثقوب الموجودة في أي عائق وتنتشر خلفها.
لنضع شاشة مسطحة بها فتحة في مسار الموجة الصوتية.
في حالة الطول الموجي للصوت ƛ أكبر بكثير من قطر الثقب د ، أو أن تكون هذه القيم متساوية تقريبًا، فخلف الثقب سيصل الصوت إلى جميع النقاط في المنطقة التي تقع خلف الشاشة (منطقة ظل الصوت). ستبدو مقدمة الموجة الصادرة مثل نصف الكرة الأرضية.
لو ƛ أصغر قليلاً من قطر الشق، ثم ينتشر الجزء الرئيسي من الموجة بشكل مستقيم، ويتباعد جزء صغير قليلاً إلى الجانبين. وفي حالة متى ƛ اقل بكثير د ، سوف تسير الموجة بأكملها في الاتجاه الأمامي.
انعكاس الصوت
إذا ضربت موجة صوتية السطح البيني بين وسيلتين، فمن الممكن وجود خيارات مختلفة لانتشارها الإضافي. يمكن أن ينعكس الصوت من الواجهة، أو يمكن أن ينتقل إلى وسط آخر دون تغيير اتجاهه، أو يمكن أن ينكسر، أي يتحرك، ويغير اتجاهه.
لنفترض أن هناك عائقًا يظهر في مسار موجة صوتية، حجمها أكبر بكثير من طول الموجة، على سبيل المثال، منحدر شديد الانحدار. كيف سيتصرف الصوت؟ وبما أنها لا تستطيع الالتفاف حول هذه العقبة، فسوف تنعكس منها. وراء العائق هو منطقة الظل الصوتية .
يسمى الصوت المنعكس من عائق صدى صوت .
قد تكون طبيعة انعكاس الموجة الصوتية مختلفة. ذلك يعتمد على شكل السطح العاكس.
انعكاس يسمى التغيير في اتجاه الموجة الصوتية عند السطح البيني بين وسطين مختلفين. وعندما تنعكس الموجة فإنها تعود إلى الوسط الذي جاءت منه.
وإذا كان السطح مستويا، فإن الصوت ينعكس منه بنفس الطريقة التي ينعكس بها شعاع الضوء في المرآة.
تتركز الأشعة الصوتية المنعكسة من سطح مقعر عند نقطة واحدة.
السطح المحدب يبدد الصوت.
يتم إعطاء تأثير التشتت بواسطة الأعمدة المحدبة والقوالب الكبيرة والثريات وما إلى ذلك.
لا ينتقل الصوت من وسط إلى آخر، بل ينعكس منه إذا اختلفت كثافات الوسط بشكل كبير. وبالتالي فإن الصوت الذي يظهر في الماء لا ينتقل إلى الهواء. ينعكس من الواجهة، ويبقى في الماء. لن يسمع الشخص الذي يقف على ضفة النهر هذا الصوت. وأوضح هذا فرق كبيرمقاومة موجة الماء والهواء. في علم الصوتيات، تساوي المعاوقة الموجية حاصل ضرب كثافة الوسط وسرعة الصوت فيه. نظرًا لأن المقاومة الموجية للغازات أقل بكثير من المقاومة الموجية للسوائل والمواد الصلبة، فعندما تصطدم موجة صوتية بحدود الهواء والماء، فإنها تنعكس.
لا تسمع الأسماك في الماء الصوت الذي يظهر فوق سطح الماء، لكنها تستطيع تمييز الصوت بوضوح، والذي مصدره جسم يهتز في الماء.
انكسار الصوت
يسمى تغيير اتجاه انتشار الصوت الانكسار . وتحدث هذه الظاهرة عندما ينتقل الصوت من وسط إلى آخر، وتختلف سرعة انتشاره في هذه البيئات.
نسبة جيب زاوية السقوط إلى جيب زاوية الانعكاس تساوي نسبة سرعات انتشار الصوت في الوسائط.
أين أنا - زاوية السقوط،
ص - زاوية الانعكاس،
ضد 1 - سرعة انتشار الصوت في الوسط الأول،
ضد 2 - سرعة انتشار الصوت في الوسط الثاني،
ن - معامل الانكسار.
يسمى انكسار الصوت الانكسار .
إذا لم تسقط موجة صوتية عموديًا على السطح، ولكن بزاوية غير 90 درجة، فإن الموجة المنكسرة سوف تنحرف عن اتجاه الموجة الساقطة.
يمكن ملاحظة انكسار الصوت ليس فقط عند الواجهة بين الوسائط. يمكن للموجات الصوتية تغيير اتجاهها في وسط غير متجانس - الغلاف الجوي، والمحيطات.
في الغلاف الجوي، يحدث الانكسار بسبب التغيرات في درجة حرارة الهواء وسرعة واتجاه حركة الكتل الهوائية. ويظهر في المحيط بسبب عدم تجانس خصائص الماء - اختلاف الضغط الهيدروستاتيكي على أعماق مختلفة ودرجات حرارة مختلفة وملوحة مختلفة.
امتصاص الصوت
عندما تصطدم موجة صوتية بسطح ما، يتم امتصاص جزء من طاقتها. ويمكن تحديد مقدار الطاقة التي يمكن أن يمتصها الوسط من خلال معرفة معامل امتصاص الصوت. يوضح هذا المعامل مقدار طاقة الاهتزازات الصوتية التي يمتصها عائق بمساحة 1 م2. ولها قيمة من 0 إلى 1.
وحدة قياس امتصاص الصوت تسمى سابين . حصلت على اسمها من الفيزيائي الأمريكي والاس كليمنت سابين، مؤسس الصوتيات المعمارية. 1 سابين هي الطاقة التي يمتصها 1 م 2 من السطح، ومعامل الامتصاص هو 1. وهذا يعني أن مثل هذا السطح يجب أن يمتص كل طاقة الموجة الصوتية تمامًا.
صدى
والاس سابين
تُستخدم خاصية امتصاص المواد للصوت على نطاق واسع في الهندسة المعمارية. أثناء دراسة الصوتيات في قاعة المحاضرات، وهي جزء من متحف فوغ، توصل والاس كليمنت سابين إلى أن هناك علاقة بين حجم القاعة والظروف الصوتية ونوع ومساحة المواد الممتصة للصوت و وقت صدى .
صدى تسمى عملية انعكاس الموجة الصوتية عن العوائق وتوهينها التدريجي بعد إيقاف مصدر الصوت. في مكان مغلق، يمكن أن ينعكس الصوت بشكل متكرر من الجدران والأشياء. نتيجة لذلك، تنشأ إشارات صدى مختلفة، كل منها يبدو كما لو كان منفصلا. ويسمى هذا التأثير تأثير صدى .
معظم خاصية مهمةالمبنى هو وقت صدى الذي دخله سابين وحسابه.
أين الخامس - حجم الغرفة،
أ - امتصاص الصوت العام.
أين أ - معامل امتصاص الصوت للمادة،
س ط - مساحة كل سطح .
إذا كان وقت الصدى طويلا، يبدو أن الأصوات "تتجول" في جميع أنحاء القاعة. إنهم يتداخلون مع بعضهم البعض، ويغرقون المصدر الرئيسي للصوت، وتصبح القاعة صدى. ومع زمن ارتداد قصير، تمتص الجدران الأصوات بسرعة وتصبح باهتة. ولذلك، يجب أن يكون لكل غرفة حسابها الدقيق الخاص.
وبناءً على حساباته، قام سابين بترتيب المواد الممتصة للصوت بطريقة تقلل من "تأثير الصدى". ولا تزال قاعة بوسطن السيمفونية، التي كان مستشارًا صوتيًا في إنشائها، تعتبر واحدة من أفضل القاعات في العالم.
