الصوت في بيئات مختلفة - المعرفة هايبر ماركت. أين ينتقل الصوت بشكل أسرع؟‏ لوحظ أن انتشار الصوت يكون كثيفًا.

حقائق مثيرة للاهتمام: أين ينتقل الصوت بشكل أسرع؟

أثناء العاصفة الرعدية، يكون وميض البرق مرئيًا لأول مرة، وبعد فترة فقط يُسمع صوت الرعد. ويحدث هذا التأخير لأن سرعة الصوت في الهواء أقل بكثير من سرعة الضوء القادم من البرق. من المثير للاهتمام أن نتذكر في أي الوسائط ينتقل الصوت بشكل أسرع، وأين لا ينتقل على الإطلاق؟

تم إجراء التجارب والحسابات النظرية لسرعة الصوت في الهواء منذ القرن السابع عشر، ولكن بعد قرنين فقط استنتج العالم الفرنسي بيير سيمون دي لابلاس الصيغة النهائية لتحديدها. تعتمد سرعة الصوت على درجة الحرارة: فكلما زادت درجة حرارة الهواء زادت، وكلما انخفضت درجة حرارة الهواء انخفضت. عند 0 درجة تكون سرعة الصوت 331 م/ث (1192 كم/ساعة)، وعند +20 درجة تكون بالفعل 343 م/ث (1235 كم/ساعة).

عادة ما تكون سرعة الصوت في السوائل أكبر من سرعة الصوت في الهواء. أجريت تجارب تحديد السرعة لأول مرة على بحيرة جنيف في عام 1826. ركب اثنان من الفيزيائيين القوارب وابتعدا مسافة 14 كيلومترًا. على أحد القوارب، أشعلوا النار في البارود وفي الوقت نفسه ضربوا جرسًا تم إنزاله في الماء. تم التقاط صوت الجرس على متن قارب آخر باستخدام قرن خاص، تم إنزاله أيضًا في الماء. حسب الفاصل الزمني بين وميض الضوء ووصوله إشارة صوتيةتحديد سرعة الصوت في الماء. عند درجة حرارة +8° كانت السرعة حوالي 1440 م/ث. يؤكد العاملون في الهياكل تحت الماء أن أصوات الشاطئ يمكن سماعها بوضوح تحت الماء، ويعرف الصيادون أن الأسماك تسبح بعيدًا عند أدنى ضجيج مشبوه على الشاطئ.

سرعة الصوت في المواد الصلبة أكبر منها في السوائل والغازات. على سبيل المثال، إذا وضعت أذنك على السكة، فبعد الاصطدام بالطرف الآخر من السكة، سيسمع الشخص صوتين. أحدهما "سيأتي" إلى الأذن بالسكك الحديدية والآخر عن طريق الجو. الأرض لديها الموصلية الصوتية الجيدة. لذلك، في العصور القديمة، أثناء الحصار، تم وضع "مستمعين" في أسوار القلعة، والذين يمكنهم من خلال الصوت الذي تبثه الأرض تحديد ما إذا كان العدو يحفر في الجدران أم لا، وما إذا كان سلاح الفرسان يندفع أم لا . بالمناسبة، بفضل هذا، يتمكن الأشخاص الذين فقدوا السمع في بعض الأحيان من الرقص على الموسيقى التي تصل إلى أعصابهم السمعية ليس من خلال الهواء والأذن الخارجية، ولكن من خلال الأرض والعظام.

سرعة الصوت هي سرعة انتشار الموجات المرنة في الوسط، سواء الطولية (في الغازات أو السوائل أو المواد الصلبة) أو المستعرضة (في المواد الصلبة)، والتي تحددها مرونة الوسط وكثافته. سرعة الصوت في المواد الصلبة أكبر منها في السوائل. في السوائل، بما في ذلك الماء، ينتقل الصوت أسرع بأربع مرات من انتقاله في الهواء. تعتمد سرعة الصوت في الغازات على درجة حرارة الوسط، في البلورات المفردة - على اتجاه انتشار الموجة.

على مسافات طويلة، تنتقل الطاقة الصوتية فقط عبر الأشعة اللطيفة التي لا تلمس قاع المحيط على طول المسار بأكمله. في هذه الحالة، فإن القيد الذي يفرضه الوسط على نطاق انتشار الصوت هو امتصاصه مياه البحر. وترتبط الآلية الرئيسية للامتصاص بعمليات الاسترخاء المصاحبة لاضطراب موجة صوتية في التوازن الديناميكي الحراري بين الأيونات وجزيئات الأملاح الذائبة في الماء. تجدر الإشارة إلى أن الدور الرئيسي في الامتصاص في نطاق واسع من الترددات الصوتية ينتمي إلى ملح كبريت المغنيسيوم MgSO4، على الرغم من أن محتواه في مياه البحر صغير جدًا من حيث النسبة المئوية - أقل بحوالي 10 مرات من الملح الصخري NaCl على سبيل المثال. والتي مع ذلك لا تلعب أي دور مهم في امتصاص الصوت.

وبشكل عام، يكون الامتصاص في مياه البحر أكبر كلما ارتفع تردد الصوت. عند الترددات من 3-5 إلى 100 كيلو هرتز على الأقل، حيث تهيمن الآلية المذكورة أعلاه، يتناسب الامتصاص مع التردد إلى قوة تبلغ حوالي 3/2. عند الترددات المنخفضة، يتم تنشيط آلية امتصاص جديدة (ربما بسبب وجود أملاح البورون في الماء)، والتي تصبح ملحوظة بشكل خاص في نطاق مئات الهرتز؛ هنا يكون مستوى الامتصاص مرتفعًا بشكل غير طبيعي وينخفض ​​بشكل ملحوظ بشكل أبطأ مع تناقص التردد.

لتخيل الخصائص الكمية للامتصاص في مياه البحر بشكل أكثر وضوحًا، نلاحظ أنه نتيجة لهذا التأثير، يتم تخفيف الصوت بتردد 100 هرتز 10 مرات على مسار 10 آلاف كيلومتر، وبتردد 10 كيلو هرتز - عند مسافة 10 كم فقط (الشكل 2). وبالتالي، يمكن استخدام الموجات الصوتية منخفضة التردد فقط للاتصالات تحت الماء لمسافات طويلة، والكشف بعيد المدى عن العوائق تحت الماء، وما إلى ذلك.

الشكل 2 - المسافات التي تضعف فيها الأصوات ذات الترددات المختلفة 10 مرات عند انتشارها في مياه البحر.

في منطقة الأصوات المسموعة لنطاق التردد 20-2000 هرتز، يصل نطاق انتشار الأصوات متوسطة الشدة تحت الماء إلى 15-20 كم، وفي منطقة الموجات فوق الصوتية - 3-5 كم.

واستنادا إلى قيم التوهين الصوتي التي لوحظت في ظروف المختبر في كميات صغيرة من الماء، يمكن للمرء أن يتوقع نطاقات أكبر بكثير. ومع ذلك، في ظل الظروف الطبيعية، بالإضافة إلى التوهين الناجم عن خصائص الماء نفسه (ما يسمى بالتوهين اللزج)، يؤثر عليه أيضًا تشتته وامتصاصه بسبب عدم تجانس الوسط.

يحدث انكسار الصوت، أو انحناء مسار شعاع الصوت، بسبب عدم التجانس في خواص الماء، بشكل عامودي بشكل رئيسي، ويعود ذلك إلى ثلاثة أسباب رئيسية: التغيرات في الضغط الهيدروستاتيكي مع العمق، والتغيرات في الملوحة والتغيرات في درجات الحرارة بسبب عدم تكافؤ المياه. تسخين كتلة الماء بواسطة أشعة الشمس. ونتيجة لتأثير هذه الأسباب مجتمعة فإن سرعة انتشار الصوت والتي تبلغ حوالي 1450 م/ث للمياه العذبة وحوالي 1500 م/ث لمياه البحر تتغير مع العمق، ويعتمد قانون التغير على الزمن. من السنة والوقت من اليوم وعمق الخزان وعدد من الأسباب الأخرى. . تنحني الأشعة الصوتية الخارجة من المصدر 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، مما يفقدها حصة كبيرة من طاقتها. على العكس من ذلك، في فصل الشتاء، عندما تحافظ الطبقات السفلية من الماء على درجة حرارتها، بينما تبرد الطبقات العليا، تنحني الأشعة إلى الأعلى وتخضع لانعكاسات متعددة من سطح الماء، يتم خلالها فقدان طاقة أقل بكثير. ولذلك، في فصل الشتاء نطاق انتشار الصوت أكبر مما كانت عليه في الصيف. بسبب الانكسار، ما يسمى المناطق الميتة، أي المناطق الواقعة بالقرب من المصدر والتي لا يمكن سماع صوتها.

ومع ذلك، فإن وجود الانكسار يمكن أن يؤدي إلى زيادة في نطاق انتشار الصوت - وهي ظاهرة انتشار الأصوات على المدى الطويل للغاية تحت الماء. توجد على عمق ما تحت سطح الماء طبقة ينتقل فيها الصوت بأقل سرعة؛ وفوق هذا العمق تزداد سرعة الصوت بسبب زيادة درجة الحرارة، وتحت هذا العمق بسبب زيادة الضغط الهيدروستاتيكي مع العمق. هذه الطبقة هي نوع من قنوات الصوت تحت الماء. فالشعاع الذي ينحرف عن محور القناة لأعلى أو لأسفل، بسبب الانكسار، يميل دائمًا إلى التراجع فيه. إذا قمت بوضع مصدر الصوت وجهاز الاستقبال في هذه الطبقة، فيمكن تسجيل الأصوات ذات الكثافة المتوسطة (على سبيل المثال، انفجارات الشحنات الصغيرة من 1-2 كجم) على مسافات مئات وآلاف الكيلومترات. يمكن ملاحظة زيادة كبيرة في نطاق انتشار الصوت في وجود قناة صوتية تحت الماء عندما لا يكون مصدر الصوت والمستقبل موجودين بالضرورة بالقرب من محور القناة، ولكن، على سبيل المثال، بالقرب من السطح. في هذه الحالة، تنكسر الأشعة إلى الأسفل، وتدخل طبقات أعماق البحار، حيث تنحرف للأعلى وتخرج مرة أخرى إلى السطح على مسافة عدة عشرات من الكيلومترات من المصدر. بعد ذلك، يتم تكرار نمط انتشار الأشعة ونتيجة لذلك يتم تشكيل سلسلة من الأشعة المزعومة. المناطق المضيئة الثانوية، والتي عادة ما يتم تتبعها إلى مسافات تصل إلى عدة مئات من الكيلومترات.

يتأثر انتشار الأصوات عالية التردد، وخاصة الموجات فوق الصوتية، عندما تكون الأطوال الموجية صغيرة جدًا، بعدم التجانس الصغير الموجود عادة في المسطحات المائية الطبيعية: الكائنات الحية الدقيقة، فقاعات الغاز، وما إلى ذلك. تعمل حالات عدم التجانس هذه بطريقتين: فهي تمتص طاقة الموجات الصوتية وتشتتها. 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 بسبب عدم التجانس، وكذلك الأسطح غير المستوية للمياه والقاع، يسبب ظاهرة الارتداد تحت الماء، والتي تصاحب إرسال دفعة صوتية: الموجات الصوتية، المنعكسة من مجموعة من عدم التجانس والاندماج، تؤدي إلى ظهور إطالة النبضة الصوتية، التي تستمر بعد انتهائها، على غرار الصدى الملاحظ في الأماكن المغلقة. يعد الصدى تحت الماء تداخلًا كبيرًا إلى حد ما لعدد من التطبيقات العملية للصوتيات المائية، وخاصة بالنسبة للسونار.

نطاق انتشار الأصوات تحت الماء محدود أيضًا بما يسمى. أصوات البحر نفسها، والتي لها أصل مزدوج. بعض الضوضاء تأتي من تأثير الأمواج على سطح الماء، من أمواج البحر، من ضجيج الحصى المتدحرج، وما إلى ذلك. أما الجزء الآخر فيتعلق بالحيوانات البحرية؛ وهذا يشمل الأصوات التي تصدرها الأسماك والحيوانات البحرية الأخرى.

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 وسيلة 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 داخلية. 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، تعتبر سرعة الصوت في الهواء عادة 340 م/ث.

أسئلة

1. ما هو الغرض من التجربة الموضحة في الشكل 80؟ صف كيفية إجراء هذه التجربة وما هي النتيجة التي تترتب عليها.
2. هل يمكن للصوت أن ينتقل في الغازات والسوائل والمواد الصلبة؟ ادعم إجاباتك بالأمثلة.
3. ما هي الأجسام التي تنقل الصوت بشكل أفضل - مرنة أم مسامية؟ أعط أمثلة على الأجسام المرنة والمسامية.
4. ما نوع الموجة - الطولية أو المستعرضة - التي ينتشر فيها الصوت في الهواء؟ في الماء؟
5. أعط مثالا يوضح أن الموجة الصوتية لا تنتقل على الفور، ولكن بسرعة معينة.

التمرين 30

1. هل يمكن سماع صوت انفجار ضخم على القمر على الأرض؟ برر جوابك.
2. 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.
3. أوجد سرعة الصوت في الماء إذا كان مصدر يهتز بفترة زمنية مقدارها 0.002 s يثير موجات في الماء طولها 2.9 m.
4. حدد الطول الموجي لموجة صوتية ترددها 725 هرتز في الهواء وفي الماء وفي الزجاج.
5. 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؟
6. شاهد مراقب يقف بالقرب من قسم مستقيم من السكة الحديد بخارًا فوق صافرة قاطرة بخارية تتحرك على مسافة بعيدة. بعد ثانيتين من ظهور البخار، سمع صوت صافرة، وبعد 34 ثانية مرت القاطرة بالقرب من المراقب. تحديد سرعة القاطرة.

ينتقل الصوت عبر الموجات الصوتية. لا تنتقل هذه الموجات عبر الغازات والسوائل فحسب، بل عبر المواد الصلبة أيضًا. يتكون عمل أي موجات بشكل أساسي من نقل الطاقة. وفي حالة الصوت، يأخذ النقل شكل حركات دقيقة على المستوى الجزيئي.

في الغازات والسوائل، تحرك الموجة الصوتية الجزيئات في اتجاه حركتها، أي في اتجاه الطول الموجي. في المواد الصلبة، يمكن أيضًا أن تحدث اهتزازات صوتية للجزيئات في اتجاه عمودي على الموجة.

تنتقل الموجات الصوتية من مصادرها في كافة الاتجاهات، كما هو موضح في الصورة على اليمين، والتي تظهر جرسًا معدنيًا يصطدم بلسانه بشكل دوري. تتسبب هذه الاصطدامات الميكانيكية في اهتزاز الجرس. تنتقل طاقة الاهتزازات إلى جزيئات الهواء المحيط، ويتم دفعها بعيدا عن الجرس. ونتيجة لذلك، يزداد الضغط في طبقة الهواء المجاورة للجرس، والتي تنتشر بعد ذلك على شكل موجات في كل الاتجاهات من المنبع.

سرعة الصوت مستقلة عن مستوى الصوت أو النغمة. جميع الأصوات الصادرة من الراديو في الغرفة، سواء كانت عالية أو هادئة، عالية أو منخفضة الطبقة، تصل إلى المستمع في نفس الوقت.

تعتمد سرعة الصوت على نوع الوسط الذي ينتقل فيه ودرجة حرارته. في الغازات، تنتقل الموجات الصوتية ببطء لأن بنيتها الجزيئية المتخلخلة توفر مقاومة قليلة للضغط. تزداد سرعة الصوت في السوائل، وتصبح أسرع في المواد الصلبة، كما هو موضح في الرسم البياني أدناه بالمتر في الثانية (m/s).

مسار الموجة

تنتقل الموجات الصوتية عبر الهواء بطريقة مشابهة لتلك الموضحة في الأشكال الموجودة على اليمين. تتحرك مقدمات الموجة من المصدر على مسافة معينة من بعضها البعض، يحددها تردد اهتزازات الجرس. يتم تحديد تردد الموجة الصوتية عن طريق حساب عدد مقدمات الموجات التي تمر عبر نقطة معينة لكل وحدة زمنية.

تتحرك مقدمة الموجة الصوتية بعيدًا عن الجرس المهتز.

في الهواء الساخن بشكل منتظم، ينتقل الصوت بسرعة ثابتة.

الجبهة الثانية تتبع الأولى على مسافة تساوي الطول الموجي.

تكون شدة الصوت أعظم ما يكون بالقرب من المصدر.

تمثيل رسومي لموجة غير مرئية

السبر الصوتي للأعماق

يمر شعاع السونار من الموجات الصوتية بسهولة عبر مياه المحيط. يعتمد مبدأ السونار على أن الموجات الصوتية تنعكس من قاع المحيط؛ يستخدم هذا الجهاز عادةً لتحديد ميزات التضاريس تحت الماء.

المواد الصلبة المرنة

ينتقل الصوت في لوح خشبي. ترتبط جزيئات معظم المواد الصلبة بشبكة مكانية مرنة، وهي مضغوطة بشكل سيئ وفي نفس الوقت تعمل على تسريع مرور الموجات الصوتية.

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

الصوتيات المائيةهو علم سريع التطور وله بلا شك مستقبل عظيم. وقد سبق ظهوره مسار طويل من تطوير الصوتيات النظرية والتطبيقية. المعلومات الأولى عن اهتمام الإنسان بانتشار الصوت في الماء نجدها في مذكرات عالم عصر النهضة الشهير ليوناردو دافنشي:

تم إجراء القياسات الأولى للمسافة عبر الصوت بواسطة الباحث الروسي الأكاديمي يا د. زاخاروف. وفي 30 يونيو 1804، طار في منطاد لأغراض علمية واستخدم في هذه الرحلة انعكاس الصوت من سطح الأرض لتحديد ارتفاع الرحلة. أثناء وجوده في سلة الكرة، صرخ بصوت عالٍ في مكبر صوت يشير إلى الأسفل. وبعد 10 ثوانٍ، جاء صدى صوت مسموع بوضوح. ومن هذا استنتج زاخاروف أن ارتفاع الكرة فوق الأرض كان حوالي 5 × 334 = 1670 م، وشكلت هذه الطريقة أساس الراديو والسونار.

جنبا إلى جنب مع تطوير القضايا النظرية، أجريت في روسيا دراسات عملية لظواهر انتشار الصوت في البحر. الأدميرال إس أو ماكاروف في 1881 - 1882 اقترح استخدام جهاز يسمى مقياس التقلب لنقل معلومات حول سرعة التيارات تحت الماء. كان هذا بمثابة بداية تطوير فرع جديد من العلوم والتكنولوجيا - القياس المائي الصوتي عن بعد.

رسم تخطيطي للمحطة المائية لمصنع البلطيق موديل 1907: 1- مضخة المياه؛ 2 - خط الأنابيب. 3 - منظم الضغط. 4 - الصمام الهيدروليكي الكهرومغناطيسي (صمام التلغراف)؛ 5 - مفتاح التلغراف. 6 - باعث الغشاء الهيدروليكي. 7 - جانب السفينة. 8 - خزان المياه. 9- ميكروفون مغلق

في تسعينيات القرن التاسع عشر. في حوض بناء السفن في بحر البلطيق، بمبادرة من الكابتن من الرتبة الثانية M. N. بدأ Beklemishev العمل على تطوير أجهزة الاتصالات الصوتية المائية. تم إجراء الاختبارات الأولى للباعث المائي الصوتي للاتصالات تحت الماء في نهاية القرن التاسع عشر. في المسبح التجريبي في ميناء جاليرنايا في سانت بطرسبرغ. ويمكن سماع الاهتزازات المنبعثة بوضوح على بعد 7 أميال في منارة نيفسكي العائمة. نتيجة للبحث في عام 1905. أنشأ أول جهاز اتصال صوتي مائي، حيث تم لعب دور جهاز الإرسال بواسطة صفارة إنذار خاصة تحت الماء، يتم التحكم فيها بواسطة مفتاح التلغراف، وكان جهاز استقبال الإشارة عبارة عن ميكروفون كربوني متصل من الداخل بهيكل السفينة. تم تسجيل الإشارات بواسطة جهاز مورس وعن طريق الأذن. في وقت لاحق، تم استبدال صفارة الإنذار بباعث من النوع الغشائي. وزادت كفاءة الجهاز، المسمى بالمحطة المائية، بشكل ملحوظ. أجريت التجارب البحرية للمحطة الجديدة في مارس 1908. على البحر الأسود، حيث تجاوز نطاق استقبال الإشارة الموثوقة 10 كم.

أول محطات اتصالات تسلسلية للصوت تحت الماء صممها حوض بناء السفن البلطيقي في 1909-1910. المثبتة على الغواصات "الكارب", "سمك", "ستيرليت", « سمك الأسقمري البحري" و " جثم". عند تركيب محطات على الغواصات، من أجل تقليل التداخل، كان جهاز الاستقبال موجودًا في هدية خاصة، يتم سحبه خلف المؤخرة على حبل كابل. توصل البريطانيون إلى مثل هذا القرار فقط خلال الحرب العالمية الأولى. ثم تم نسيان هذه الفكرة ولم يبدأ استخدامها مرة أخرى إلا في نهاية الخمسينيات دول مختلفةعند إنشاء محطات السفن السونار المقاومة للضوضاء.

كان الدافع لتطوير الصوتيات المائية هو الحرب العالمية الأولى. خلال الحرب، تكبدت دول الوفاق خسائر فادحة في أساطيلها التجارية والعسكرية بسبب تصرفات الغواصات الألمانية. وكان من الضروري إيجاد وسائل لمكافحتها. وسرعان ما تم العثور عليهم. يمكن سماع صوت الغواصة وهي في وضع مغمور من خلال الضوضاء الناتجة عن المراوح وآليات التشغيل. كان الجهاز الذي يكتشف الأجسام المزعجة ويحدد موقعها يسمى جهاز تحديد اتجاه الضوضاء. اقترح الفيزيائي الفرنسي ب. لانجفين في عام 1915 استخدام جهاز استقبال حساس مصنوع من ملح روشيل لأول محطة لتحديد اتجاه الضوضاء.

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.

إن امتصاص طاقة الموجات الصوتية في مياه البحر يحدث 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. ويزداد هذا النوع من الامتصاص بشكل حاد مع زيادة وتيرة الاهتزازات الصوتية. 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: فالقاع الموحل يعكس بشكل سيء، والقاع الرملي والصخري يعكس 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 نحو الأسفل وتنعكس في معظمها من الأسفل، فتفقد حصة كبيرة 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. . نطاقات التشغيل التقريبية للسونار الحديث بترددات إشارة صوتية مختلفة (أطوال موجية) 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؛
• 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.