Skaņa pārvietojas pa skaņas viļņiem. Šie viļņi iziet ne tikai caur gāzēm un šķidrumiem, bet arī caur cietām vielām. Jebkuru viļņu darbība galvenokārt ir saistīta ar enerģijas pārnesi. Skaņas gadījumā transportēšana notiek nelielu kustību veidā molekulārā līmenī.

Gāzēs un šķidrumos skaņas vilnis pārvieto molekulas tās kustības virzienā, tas ir, viļņa garuma virzienā. Cietās vielās molekulu skaņas vibrācijas var rasties arī virzienā, kas ir perpendikulārs vilnim.

Skaņas viļņi izplatās no saviem avotiem visos virzienos, kā parādīts attēlā pa labi, kurā redzams, ka metāla zvans periodiski saduras ar mēli. Šīs mehāniskās sadursmes izraisa zvana vibrāciju. Vibrāciju enerģija tiek nodota apkārtējā gaisa molekulām, un tās tiek atstumtas no zvana. Tā rezultātā gaisa slānī, kas atrodas blakus zvanam, palielinās spiediens, kas pēc tam viļņveidīgi izplatās visos virzienos no avota.

Skaņas ātrums nav atkarīgs no skaļuma vai toņa. Visas telpā esošās radio skaņas — skaļas vai klusas, augstas vai zemas — klausītāju sasniedz vienlaikus.

Skaņas ātrums ir atkarīgs no vides veida, kurā tā izplatās, un no tās temperatūras. Gāzēs skaņas viļņi pārvietojas lēni, jo to retinātā molekulārā struktūra maz iebilst pret saspiešanu. Šķidrumos skaņas ātrums palielinās, bet cietās vielās tas kļūst vēl ātrāks, kā parādīts zemāk esošajā diagrammā metros sekundē (m/s).

viļņu ceļš

Skaņas viļņi izplatās gaisā līdzīgi kā parādīts diagrammās pa labi. Viļņu frontes virzās no avota noteiktā attālumā viena no otras, ko nosaka zvana svārstību biežums. Skaņas viļņa frekvenci nosaka, saskaitot viļņu frontes skaitu, kas šķērso noteiktu punktu laika vienībā.

Skaņas viļņu fronte attālinās no vibrējošā zvana.

Vienmērīgi uzkarsētā gaisā skaņa pārvietojas ar nemainīgu ātrumu.

Otrā fronte seko pirmajai attālumā, kas vienāds ar viļņa garumu.

Skaņas intensitāte ir maksimālā avota tuvumā.

Neredzama viļņa grafisks attēlojums

Dziļumu skaņas

Sonāra staru kūlis, kas sastāv no skaņas viļņiem, viegli iziet cauri okeāna ūdenim. Sonāra darbības princips ir balstīts uz to, ka skaņas viļņi atlec no okeāna dibena; šo ierīci parasti izmanto, lai noteiktu zemūdens reljefa iezīmes.

Elastīgas cietvielas

Skaņa izplatās koka plāksnē. Lielāko daļu cietvielu molekulas ir saistītas elastīgā telpiskā režģī, kas ir vāji saspiests un vienlaikus paātrina skaņas viļņu pāreju.

Skaņas izplatīšanās pamatlikumi ietver tās atstarošanas un laušanas likumus uz dažādu mediju robežām, kā arī skaņas difrakciju un tās izkliedi šķēršļu un neviendabīgumu klātbūtnē vidē un saskarnēs starp nesējiem.

Skaņas izplatīšanās attālumu ietekmē skaņas absorbcijas faktors, tas ir, skaņas viļņu enerģijas neatgriezeniska pārnešana citos enerģijas veidos, jo īpaši siltumā. Svarīgs faktors ir arī starojuma virziens un skaņas izplatīšanās ātrums, kas ir atkarīgs no vides un tā īpašā stāvokļa.

Akustiskie viļņi izplatās no skaņas avota visos virzienos. Ja skaņas vilnis iziet cauri salīdzinoši mazam caurumam, tad tas izplatās visos virzienos, nevis iet virzītā starā. Piemēram, ielu skaņas, kas caur atvērtu logu iekļūst telpā, ir dzirdamas visos tās punktos, nevis tikai pret logu.

Skaņas viļņu izplatīšanās raksturs uz šķēršļa ir atkarīgs no šķēršļa izmēru un viļņa garuma attiecības. Ja šķēršļa izmēri ir mazi, salīdzinot ar viļņa garumu, tad vilnis plūst ap šo šķērsli, izplatoties visos virzienos.

Skaņas viļņi, kas iekļūst no vienas vides uz otru, novirzās no sākotnējā virziena, tas ir, tie tiek lauzti. Rerakcijas leņķis var būt lielāks vai mazāks par krišanas leņķi. Tas ir atkarīgs no tā, no kura medija nāk skaņa. Ja skaņas ātrums otrajā vidē ir lielāks, tad laušanas leņķis būs lielāks par krišanas leņķi un otrādi.

Sastopoties ar šķērsli savā ceļā, no tā tiek atstaroti skaņas viļņi saskaņā ar stingri noteiktu likumu - atstarošanas leņķis ir vienāds ar krišanas leņķi - ar to ir saistīts atbalss jēdziens. Ja skaņa tiek atstarota no vairākām virsmām dažādos attālumos, rodas vairākas atbalsis.

Skaņa izplatās atšķirīga sfēriska viļņa veidā, kas aizpilda arvien lielāku apjomu. Palielinoties attālumam, vides daļiņu svārstības vājina, un skaņa izkliedējas. Ir zināms, ka, lai palielinātu pārraides attālumu, skaņa ir jākoncentrē noteiktā virzienā. Kad vēlamies, piemēram, lai mūs sadzird, pieliekam rokas pie mutes vai lietojam iemuti.

Difrakcijai, tas ir, skaņas staru liecei, ir liela ietekme uz skaņas izplatīšanās diapazonu. Jo neviendabīgāka ir vide, jo vairāk skaņas stars ir saliekts un attiecīgi mazāks skaņas izplatīšanās attālums.

skaņas izplatība

Skaņas viļņi var izplatīties gaisā, gāzēs, šķidrumos un cietās vielās. Bezgaisa telpā viļņi neveidojas. To var viegli redzēt no vienkārša eksperimenta. Ja zem hermētiska vāciņa, no kura tiek evakuēts gaiss, novieto elektrisko zvanu, mēs nedzirdēsim nekādu skaņu. Bet, tiklīdz vāciņš ir piepildīts ar gaisu, rodas skaņa.

Svārstību kustību izplatīšanās ātrums no daļiņas uz daļiņu ir atkarīgs no vides. Senatnē karotāji pielika ausis pie zemes un tādējādi atklāja ienaidnieka kavalēriju daudz agrāk, nekā tas parādījās redzeslokā. Un slavenais zinātnieks Leonardo da Vinči 15. gadsimtā rakstīja: “Ja jūs, atrodoties jūrā, ielaidīsiet caurules caurumu ūdenī un pieliksit otru galu pie auss, jūs dzirdēsiet kuģu troksni, kas atrodas ļoti tālu no tu.”

Skaņas ātrumu gaisā pirmo reizi 17. gadsimtā mērīja Milānas Zinātņu akadēmija. Vienā no kalniem bija uzstādīts lielgabals, bet otrā - novērošanas postenis. Laiks tika fiksēts gan kadra uzņemšanas brīdī (ar zibspuldzi), gan skaņas uztveršanas brīdī. Pēc attāluma starp novērošanas posteni un lielgabalu un signāla rašanās laiku skaņas izplatīšanās ātrumu vairs nebija grūti aprēķināt. Tas izrādījās vienāds ar 330 metriem sekundē.

Ūdenī skaņas izplatīšanās ātrums pirmo reizi tika mērīts 1827. gadā Ženēvas ezerā. Divas laivas atradās viena no otras 13847 metru attālumā. Pirmajā zem dibena tika pakārts zvans, bet otrajā ūdenī tika nolaists vienkāršs hidrofons (rags). Pirmajā laivā vienlaikus ar zvana sitienu tika aizdedzināts šaujampulveris, otrā novērotāja zibspuldzes brīdī iedarbināja hronometru un sāka gaidīt, kad atnāks skaņas signāls no zvana. . Izrādījās, ka skaņa ūdenī pārvietojas vairāk nekā 4 reizes ātrāk nekā gaisā, t.i. ar ātrumu 1450 metri sekundē.

Skaņas izplatīšanās ātrums

Jo lielāka ir vides elastība, jo lielāks ātrums: gumijā50, gaisā330, ūdenī 1450 un tēraudā - 5000 metri sekundē. Ja mēs, kas atradāmies Maskavā, varētu kliegt tik skaļi, ka skaņa sasniegtu Pēterburgu, tad mūs tur dzirdētu tikai pēc pusstundas, un, ja skaņa izplatītos tādā pašā attālumā tēraudā, tā tiktu uztverta divu minūšu laikā. .

Skaņas izplatīšanās ātrumu ietekmē tās pašas vides stāvoklis. Kad mēs sakām, ka skaņa ūdenī pārvietojas ar ātrumu 1450 metri sekundē, tas nebūt nenozīmē, ka jebkurā ūdenī un jebkuros apstākļos. Palielinoties temperatūrai un ūdens sāļumam, kā arī palielinoties dziļumam un līdz ar to hidrostatiskajam spiedienam, skaņas ātrums palielinās. Vai arī ņem tēraudu. Arī šeit skaņas ātrums ir atkarīgs gan no temperatūras, gan no tērauda kvalitatīvā sastāva: jo vairāk tajā ir oglekļa, jo tas ir cietāks, jo ātrāk skaņa tajā pārvietojas.

Sastopoties ar šķērsli savā ceļā, skaņas viļņi tiek atstaroti no tā saskaņā ar stingri noteiktu noteikumu: atstarošanas leņķis ir vienāds ar krišanas leņķi. Skaņas viļņi, kas nāk no gaisa, gandrīz pilnībā atstarojas uz augšu no ūdens virsmas, un skaņas viļņi, kas nāk no avota ūdenī, tiek atstaroti no tā uz leju.

Skaņas viļņi, iekļūstot no vienas vides citā, novirzās no sākotnējā stāvokļa, t.i. ir lauztas. Rerakcijas leņķis var būt lielāks vai mazāks par krišanas leņķi. Tas ir atkarīgs no vides, no kura skaņa iekļūst. Ja skaņas ātrums otrajā vidē ir lielāks nekā pirmajā, tad laušanas leņķis būs lielāks par krišanas leņķi un otrādi.

Gaisā skaņas viļņi izplatās diverģējoša sfēriska viļņa veidā, kas aizpilda arvien lielāku tilpumu, jo skaņas avotu radītās daļiņu vibrācijas tiek pārnestas uz gaisa masu. Tomēr, attālumam palielinoties, daļiņu svārstības vājinās. Ir zināms, ka, lai palielinātu pārraides attālumu, skaņa ir jākoncentrē noteiktā virzienā. Kad vēlamies, lai mūs labāk sadzird, pieliekam plaukstas pie mutes vai lietojam ragu. Šajā gadījumā skaņa tiks vājināta mazāk, un skaņas viļņi izplatīsies tālāk.

Palielinoties sieniņu biezumam, palielinās sonārs zemās vidējās frekvencēs, bet “mānīgā” sakritības rezonanse, kas izraisa sonāra nosmakšanu, sāk izpausties zemākās frekvencēs un uztver plašāku to laukumu.

Šajā nodarbībā tiek apskatīta tēma "Skaņas viļņi". Šajā nodarbībā turpināsim apgūt akustiku. Pirmkārt, mēs atkārtojam skaņas viļņu definīciju, pēc tam apsveram to frekvenču diapazonus un iepazīstamies ar ultraskaņas un infraskaņas viļņu jēdzienu. Apspriedīsim arī skaņas viļņu īpašības dažādos medijos un uzzināsim, kādas īpašības tiem piemīt. .

Skaņas viļņi - tās ir mehāniskās vibrācijas, kuras, izplatoties un mijiedarbojoties ar dzirdes orgānu, cilvēks uztver (1. att.).

Rīsi. 1. Skaņas vilnis

Sadaļu, kas aplūko šos viļņus fizikā, sauc par akustiku. To cilvēku profesija, kurus parasti sauc par "klausītājiem", ir akustika. Skaņas vilnis ir vilnis, kas izplatās elastīgā vidē, tas ir garenvirziena vilnis, un, kad tas izplatās elastīgā vidē, mijas saspiešana un retināšana. Tas tiek pārraidīts laika gaitā attālumā (2. att.).

Rīsi. 2. Skaņas viļņa izplatīšanās

Skaņas viļņi ietver tādas vibrācijas, kas tiek veiktas ar frekvenci no 20 līdz 20 000 Hz. Šīs frekvences atbilst viļņu garumam 17 m (20 Hz) un 17 mm (20 000 Hz). Šis diapazons tiks saukts par dzirdamu skaņu. Šie viļņu garumi ir doti gaisam, kurā skaņas izplatīšanās ātrums ir vienāds ar.

Ir arī tādi diapazoni, ar kuriem nodarbojas akustiķi - infraskaņa un ultraskaņa. Infraskaņas ir tie, kuru frekvence ir mazāka par 20 Hz. Un ultraskaņas ir tās, kuru frekvence ir lielāka par 20 000 Hz (3. att.).

Rīsi. 3. Skaņas viļņu diapazoni

Katram izglītotam cilvēkam ir jāvadās skaņas viļņu frekvenču diapazonā un jāzina, ka, ja viņš dosies uz ultraskaņas skenēšanu, tad attēls datora ekrānā tiks veidots ar frekvenci, kas pārsniedz 20 000 Hz.

Ultraskaņa - Tie ir mehāniski viļņi, kas līdzīgi skaņas viļņiem, bet ar frekvenci no 20 kHz līdz miljardam hercu.

Tiek saukti viļņi, kuru frekvence pārsniedz miljardu hercu hiperskaņas.

Ultraskaņu izmanto, lai noteiktu defektus lietajās daļās. Īsu ultraskaņas signālu plūsma tiek novirzīta uz pārbaudāmo daļu. Tajās vietās, kur nav defektu, signāli iziet cauri daļai, uztvērējam tos nereģistrējot.

Ja daļā ir plaisa, gaisa dobums vai cita neviendabība, tad ultraskaņas signāls tiek atstarots no tā un, atgriežoties, nonāk uztvērējā. Tādu metodi sauc ultraskaņas defektu noteikšana.

Citi ultraskaņas izmantošanas piemēri ir ultraskaņas iekārtas, ultraskaņas iekārtas, ultraskaņas terapija.

Infraskaņa - mehāniski viļņi, kas līdzīgi skaņas viļņiem, bet ar frekvenci mazāku par 20 Hz. Cilvēka auss tos neuztver.

Dabiski infraskaņas viļņu avoti ir vētras, cunami, zemestrīces, viesuļvētras, vulkānu izvirdumi, pērkona negaiss.

Infraskaņa ir arī svarīgi viļņi, ko izmanto, lai vibrētu virsmu (piemēram, lai iznīcinātu dažus lielus objektus). Mēs ielaižam infraskaņu augsnē - un augsne tiek sasmalcināta. Kur šis tiek izmantots? Piemēram, dimanta raktuvēs, kur viņi ņem rūdu, kas satur dimanta komponentus, un sasmalcina to mazās daļiņās, lai atrastu šos dimanta ieslēgumus (4. att.).

Rīsi. 4. Infraskaņas pielietojums

Skaņas ātrums ir atkarīgs no vides apstākļiem un temperatūras (5. att.).

Rīsi. 5. Skaņas viļņu izplatīšanās ātrums dažādos medijos

Lūdzu, ņemiet vērā: gaisā skaņas ātrums ir vienāds ar , bet ātrums palielinās par . Ja esat pētnieks, tad šādas zināšanas jums var noderēt. Jūs pat varat nākt klajā ar kaut kādu temperatūras sensoru, kas noteiks temperatūras atšķirības, mainot skaņas ātrumu vidē. Mēs jau zinām, ka jo blīvāka ir barotne, jo nopietnāka mijiedarbība starp barotnes daļiņām, jo ​​ātrāk izplatās vilnis. Mēs to apspriedām pēdējā rindkopā, izmantojot sausa gaisa un mitra gaisa piemēru. Ūdenim skaņas izplatīšanās ātrums. Ja jūs izveidojat skaņas vilni (klauvējat uz kamertona), tad tā izplatīšanās ātrums ūdenī būs 4 reizes lielāks nekā gaisā. Ar ūdeni informācija sasniegs 4 reizes ātrāk nekā pa gaisu. Un vēl ātrāk tēraudā: (6. att.).

Rīsi. 6. Skaņas viļņa izplatīšanās ātrums

Jūs zināt no eposiem, ko izmantoja Iļja Muromets (un visi varoņi un vienkāršie krievu cilvēki un zēni no Gaidara revolucionārās militārās padomes), izmantoja ļoti interesantu veidu, kā noteikt objektu, kas tuvojas, bet joprojām ir tālu. Skaņa, ko tas rada, pārvietojoties, vēl nav dzirdama. Iļja Muromets, piespiedis ausi pie zemes, viņu dzird. Kāpēc? Tā kā skaņa tiek pārraidīta pa cietu zemi ar lielāku ātrumu, kas nozīmē, ka tā ātrāk sasniegs Iļjas Muromeca ausi, un viņš varēs sagatavoties tikšanai ar ienaidnieku.

Interesantākie skaņas viļņi ir mūzikas skaņas un trokšņi. Kādi objekti var radīt skaņas viļņus? Ja ņemam viļņu avotu un elastīgu vidi, ja liksim skaņas avotam harmoniski vibrēt, tad iegūsim brīnišķīgu skaņas vilni, ko sauksim par mūzikas skaņu. Šie skaņas viļņu avoti var būt, piemēram, ģitāras vai klavieru stīgas. Tas var būt skaņas vilnis, kas rodas gaisa caurules (ērģeļu vai caurules) spraugā. No mūzikas stundām jūs zināt notis: do, re, mi, fa, salt, la, si. Akustikā tos sauc par toņiem (7. att.).

Rīsi. 7. Muzikālie toņi

Visiem priekšmetiem, kas var izdalīt toņus, būs funkcijas. Kā tie atšķiras? Tie atšķiras pēc viļņa garuma un frekvences. Ja šos skaņas viļņus nerada harmoniski skanoši ķermeņi vai tie nav savienoti kopējā orķestra skaņdarbā, tad šādu skaņu skaitu sauks par troksni.

Troksnis- dažādas fiziskas dabas nejaušas svārstības, ko raksturo laika un spektrālās struktūras sarežģītība. Trokšņa jēdziens ir ikdienišķs un fizisks, tie ir ļoti līdzīgi, tāpēc mēs to ieviešam kā atsevišķu svarīgu apskates objektu.

Pāriesim pie skaņas viļņu kvantitatīvām aplēsēm. Kādas ir mūzikas skaņas viļņu īpašības? Šīs īpašības attiecas tikai uz harmoniskām skaņas vibrācijām. Tātad, skaņas skaļums. Kas nosaka skaņas skaļumu? Apsveriet skaņas viļņa izplatīšanos laikā vai skaņas viļņu avota svārstības (8. att.).

Rīsi. 8. Skaņas skaļums

Tajā pašā laikā, ja mēs sistēmai nepievienojām daudz skaņas (piemēram, maigi uzsitiet pa klavieru taustiņu), tad būs klusa skaņa. Ja mēs skaļi, augstu paceļot roku, saucam šo skaņu, nospiežot taustiņu, mēs iegūstam skaļu skaņu. No kā tas ir atkarīgs? Klusām skaņām ir mazāk vibrāciju nekā skaļām skaņām.

Nākamā svarīgā muzikālās skaņas un jebkura cita īpašība ir augstums. Kas nosaka skaņas augstumu? Augstums ir atkarīgs no frekvences. Mēs varam likt avotam svārstīties bieži, vai arī mēs varam likt tam svārstīties ne pārāk ātri (tas ir, radīt mazāk svārstību laika vienībā). Apsveriet vienas amplitūdas augstas un zemas skaņas laika novirzi (9. att.).

Rīsi. 9. Piķis

Var izdarīt interesantu secinājumu. Ja cilvēks dzied basā, tad viņa skaņas avots (tās ir balss saites) svārstās vairākas reizes lēnāk nekā cilvēkam, kurš dzied soprānu. Otrajā gadījumā balss saites vibrē biežāk, tāpēc biežāk izraisa kompresijas un retināšanas perēkļus viļņa izplatībā.

Ir vēl viena interesanta skaņas viļņu īpašība, ko fiziķi nepēta. to tembrs. Jūs zināt un viegli atšķirt vienu un to pašu mūzikas skaņdarbu, kas tiek atskaņots uz balalaikas vai čella. Kāda ir atšķirība starp šīm skaņām vai šo izpildījumu? Eksperimenta sākumā mēs lūdzām cilvēkus, kas rada skaņas, padarīt tās aptuveni vienādu amplitūdu, lai skaņas skaļums būtu vienāds. Tas ir kā ar orķestri: ja nav jāizceļ kāds instruments, visi spēlē aptuveni vienādi, ar vienādu spēku. Tātad balalaikas un čella tembrs ir atšķirīgs. Ja mēs uzzīmētu skaņu, kas tiek iegūta no viena instrumenta, no cita, izmantojot diagrammas, tad tās būtu vienādas. Bet jūs varat viegli atšķirt šos instrumentus pēc to skaņas.

Vēl viens tembra nozīmes piemērs. Iedomājieties divus dziedātājus, kuri absolvē vienu un to pašu mūzikas skolu ar tiem pašiem skolotājiem. Vienlīdz labi viņi mācījās ar pieciniekiem. Viens nez kāpēc kļūst par izcilu izpildītāju, bet otrs visu mūžu ir neapmierināts ar savu karjeru. Faktiski to nosaka tikai viņu instruments, kas vidē izraisa tikai balss vibrācijas, tas ir, viņu balsis atšķiras pēc tembra.

Bibliogrāfija

1. Sokolovičs Ju.A., Bogdanova G.S. Fizika: uzziņu grāmata ar problēmu risināšanas piemēriem. - 2. izdevuma pārdale. - X .: Vesta: izdevniecība "Ranok", 2005. - 464 lpp.
2. Peryshkin A.V., Gutnik E.M., Fizika. 9. klase: vispārējās izglītības mācību grāmata. iestādes / A.V. Periškins, E.M. Gutņiks. - 14. izd., stereotips. - M.: Bustards, 2009. - 300 lpp.

1. Interneta portāls "eduspb.com" ()
2. Interneta portāls "msk.edu.ua" ()
3. Interneta portāls "class-fizika.narod.ru" ()

Mājasdarbs

1. Kā tiek izplatīta skaņa? Kas var būt skaņas avots?
2. Vai skaņa var ceļot kosmosā?
3. Vai katru vilni, kas sasniedz cilvēka ausi, viņš uztver?

Hidroakustika (no grieķu val. hidro- ūdens, acusticococcus- dzirdes) - zinātne par parādībām, kas notiek ūdens vidē un ir saistītas ar akustisko viļņu izplatīšanos, emisiju un uztveršanu. Tas ietver hidroakustisko ierīču izstrādi un izveidi, kas paredzētas lietošanai ūdens vidē.

Attīstības vēsture

Hidroakustika- zinātne, kas šobrīd strauji attīstās un kurai neapšaubāmi ir liela nākotne. Pirms tās parādīšanās bija garš teorētiskās un lietišķās akustikas attīstības ceļš. Pirmo informāciju par cilvēka interesi par skaņas izplatīšanos ūdenī mēs atrodam slavenā renesanses zinātnieka Leonardo da Vinči piezīmēs:

Pirmos attāluma mērījumus ar skaņas palīdzību veica krievu pētnieks akadēmiķis Ja. D. Zaharovs. 1804. gada 30. jūnijā viņš zinātniskos nolūkos lidoja ar gaisa balonu, un šajā lidojumā lidojuma augstuma noteikšanai izmantoja skaņas atstarojumu no zemes virsmas. Atrodoties bumbas grozā, viņš skaļi kliedza lejup vērstā taurē. Pēc 10 sekundēm atskanēja skaidri dzirdama atbalss. No tā Zaharovs secināja, ka bumbiņas augstums virs zemes bija aptuveni 5 x 334 = 1670 m. Šī metode veidoja radio un hidrolokatoru pamatu.

Līdz ar teorētisko jautājumu attīstību Krievijā tika veikti praktiski pētījumi par skaņu izplatīšanās parādībām jūrā. Admirālis S. O. Makarovs 1881. - 1882. gadā ierosināja izmantot ierīci, ko sauc par fluktometru, lai pārraidītu informāciju par straumes ātrumu zem ūdens. Tas iezīmēja jaunas zinātnes un tehnikas nozares - hidroakustiskās telemetrijas - attīstības sākumu.

Baltijas rūpnīcas hidrofoniskās stacijas shēma, modelis 1907: 1 - ūdens sūknis; 2 - cauruļvads; 3 - spiediena regulators; 4 - elektromagnētiskais hidrauliskais aizvars (telegrāfa vārsts); 5 - telegrāfa atslēga; 6 - hidrauliskais membrānas emitētājs; 7 - kuģa klājs; 8 - tvertne ar ūdeni; 9 - noslēgts mikrofons

1890. gados Baltijas kuģu būvētavā pēc kapteiņa 2. pakāpes M. N. Beklemiševa iniciatīvas tika uzsākts darbs pie hidroakustisko sakaru ierīču izstrādes. Pirmie zemūdens sakaru hidroakustiskā raidītāja testi tika veikti 19. gadsimta beigās. eksperimentālajā baseinā Galernajas ostā Sanktpēterburgā. Tā izstarotās vibrācijas bija labi dzirdamas 7 jūdzes uz Ņevska peldošās bākas. Pētījumu rezultātā 1905. g. radīja pirmo hidroakustisko sakaru iekārtu, kurā raidītāja lomu pildīja speciāla zemūdens sirēna, ko vada ar telegrāfa taustiņu, bet kā signāla uztvērējs kalpoja oglekļa mikrofons, kas no iekšpuses nostiprināts uz kuģa korpusa. Signāli tika ierakstīti ar Morzes aparātu un ar auss palīdzību. Vēlāk sirēna tika aizstāta ar membrānas tipa emitētāju. Ierīces, ko sauc par hidrofonisko staciju, efektivitāte ir ievērojami palielinājusies. Jaunās stacijas jūras izmēģinājumi notika 1908. gada martā. Melnajā jūrā, kur uzticama signāla uztveršanas diapazons pārsniedza 10 km.

Pirmās sērijveida stacijas skaņas zemūdens sakariem, ko projektēja Baltijas kuģu būvētava 1909.-1910. uzstādīts uz zemūdenēm "Karpa", "Gudžons", "Sterlete", « Makrele" un " Asaris» . Uzstādot stacijas zemūdenēs, lai samazinātu traucējumus, uztvērējs tika novietots īpašā apvalkā, kas vilkta atpakaļ uz kabeļa-kabeļa. Pie līdzīga lēmuma briti nonāca tikai Pirmā pasaules kara laikā. Tad šī ideja tika aizmirsta, un tikai 50. gadu beigās to atkal izmantoja dažādās valstīs, veidojot trokšņa izturīgas hidrolokatoru stacijas.

Hidroakustikas attīstības stimuls bija Pirmais pasaules karš. Kara laikā Antantes valstis cieta lielus zaudējumus tirdzniecībā un flotē vācu zemūdeņu darbības dēļ. Bija jāatrod līdzekļi, kā ar tiem cīnīties. Drīz viņi tika atrasti. Zemūdeni, kas atrodas iegremdētā stāvoklī, var dzirdēt pēc propelleru un darbības mehānismu radītā trokšņa. Ierīci, kas nosaka trokšņainus objektus un nosaka to atrašanās vietu, sauca par trokšņa virziena meklētāju. Franču fiziķis P. Langevins 1915. gadā ieteica pirmajai trokšņu virziena noteikšanas stacijai izmantot jutīgu uztvērēju, kas izgatavots no Rochelle sāls.

Hidroakustikas pamati

Akustisko viļņu izplatīšanās pazīmes ūdenī

Atbalss rašanās notikuma sastāvdaļas.

Visaptverošu un fundamentālu pētījumu sākums akustisko viļņu izplatībai ūdenī tika likts Otrā pasaules kara laikā, ko noteica nepieciešamība risināt flotes un, pirmkārt, zemūdenes praktiskās problēmas. Eksperimentālais un teorētiskais darbs tika turpināts pēckara gados un apkopots vairākās monogrāfijās. Šo darbu rezultātā tika identificētas un precizētas dažas akustisko viļņu izplatīšanās pazīmes ūdenī: absorbcija, vājināšanās, atstarošana un refrakcija.

Akustisko viļņu enerģijas absorbciju jūras ūdenī izraisa divi procesi: vides iekšējā berze un tajā izšķīdušo sāļu disociācija. Pirmais process pārvērš akustiskā viļņa enerģiju siltumenerģijā, bet otrais process, pārvēršoties ķīmiskajā enerģijā, izved molekulas no līdzsvara, un tās sadalās jonos. Šāda veida absorbcija strauji palielinās, palielinoties akustiskās vibrācijas frekvencei. Suspendēto daļiņu, mikroorganismu un temperatūras anomāliju klātbūtne ūdenī arī noved pie akustiskā viļņa vājināšanās ūdenī. Parasti šie zudumi ir nelieli, un tie tiek iekļauti kopējā absorbcijā, tomēr dažkārt, piemēram, izkliedējot no kuģa, šie zaudējumi var sasniegt pat 90%. Temperatūras anomāliju klātbūtne noved pie tā, ka akustiskais vilnis nonāk akustiskās ēnas zonās, kur tas var vairākkārt atstaroties.

Ūdens-gaisa un ūdens-dibens saskarņu klātbūtne noved pie akustiskā viļņa atstarošanas no tiem, un, ja pirmajā gadījumā akustiskais vilnis ir pilnībā atspoguļots, tad otrajā gadījumā atstarošanas koeficients ir atkarīgs no grunts materiāla: tas slikti atspoguļo dubļainu dibenu, labi - smilšaina un akmeņaina . Seklā dziļumā, atkārtoti atstarojot akustisko vilni starp dibenu un virsmu, rodas zemūdens skaņas kanāls, kurā akustiskais vilnis var izplatīties lielos attālumos. Skaņas ātruma vērtības maiņa dažādos dziļumos noved pie skaņas "staru" izliekuma - refrakcijas.

Skaņas laušana (skaņas stara ceļa izliekums)

Skaņas laušana ūdenī: a - vasarā; b - ziemā; pa kreisi - ātruma maiņa ar dziļumu. Skaņas izplatīšanās ātrums mainās atkarībā no dziļuma, un izmaiņas ir atkarīgas no gada un diennakts laika, rezervuāra dziļuma un vairākiem citiem iemesliem. Skaņas stari, kas izplūst no avota noteiktā leņķī pret horizontu, ir saliekti, un lieces virziens ir atkarīgs no skaņas ātrumu sadalījuma vidē: vasarā, kad augšējie slāņi ir siltāki nekā apakšējie, stari saliecas. uz leju un galvenokārt atspoguļojas no apakšas, vienlaikus zaudējot ievērojamu enerģijas daļu; ziemā, kad ūdens apakšējie slāņi saglabā savu temperatūru, bet augšējie slāņi atdziest, stari noliecas uz augšu un atkārtoti atstarojas no ūdens virsmas, zaudējot daudz mazāk enerģijas. Tāpēc ziemā skaņas izplatīšanās attālums ir lielāks nekā vasarā. Vertikālajam skaņas ātruma sadalījumam (VSDS) un ātruma gradientam ir izšķiroša ietekme uz skaņas izplatīšanos jūras vidē. Skaņas ātruma sadalījums dažādos Pasaules okeāna reģionos ir atšķirīgs un mainās atkarībā no laika. Ir vairāki tipiski VRSZ gadījumi:

Skaņas izkliede un absorbcija vides neviendabīguma dēļ.

Skaņas izplatīšanās zemūdens skaņās. kanāls: a - skaņas ātruma izmaiņas ar dziļumu; b - staru ceļš skaņas kanālā. Augstfrekvences skaņu izplatīšanos, kad viļņu garums ir ļoti mazs, ietekmē nelielas neviendabības, kas parasti sastopamas dabas rezervuāros: gāzes burbuļi, mikroorganismi utt. Šīs neviendabības darbojas divējādi: tās absorbē un izkliedē skaņas viļņu enerģiju. . Tā rezultātā, palielinoties skaņas vibrāciju biežumam, samazinās to izplatīšanās diapazons. Īpaši šis efekts ir jūtams ūdens virsmas slānī, kur ir visvairāk neviendabīgumu. Skaņas izkliede ar neviendabīgumu, kā arī ūdens virsmas un grunts nelīdzenumi izraisa zemūdens reverberācijas fenomenu, kas pavada skaņas impulsa raidīšanu: skaņas viļņi, kas atstarojas no neviendabīguma un saplūšanas kombinācijas, rada savilkšanu. skaņas impulsu, kas turpinās pēc tā beigām. Zemūdens skaņu izplatības diapazona robežas ierobežo arī paši jūras trokšņi, kuriem ir divējāda izcelsme: daļa trokšņu rodas no viļņu ietekmes uz ūdens virsmu, no jūras sērfošanas, no plkst. oļu ripošanas troksnis utt.; otra daļa ir saistīta ar jūras faunu (hidrobiontu radītās skaņas: zivis un citi jūras dzīvnieki). Biohidroakustika nodarbojas ar šo ļoti nopietno aspektu.

Skaņas viļņu izplatīšanās attālums

Skaņas viļņu izplatīšanās diapazons ir sarežģīta starojuma frekvences funkcija, kas ir unikāli saistīta ar akustiskā signāla viļņa garumu. Kā zināms, augstfrekvences akustiskie signāli tiek strauji vājināti, jo ūdens vide tos absorbē spēcīgi. Zemas frekvences signāli, gluži pretēji, spēj izplatīties ūdens vidē lielos attālumos. Tātad akustiskais signāls ar frekvenci 50 Hz spēj izplatīties okeānā tūkstošiem kilometru attālumā, savukārt signālam ar frekvenci 100 kHz, kas raksturīgs sānu skenēšanas sonāram, izplatīšanās diapazons ir tikai 1-2 km. Mūsdienu hidrolokatoru aptuvenie diapazoni ar dažādām akustiskā signāla frekvencēm (viļņa garumu) ir norādīti tabulā:

Lietošanas jomas.

Hidroakustika ir ieguvusi plašu praktisku pielietojumu, jo vēl nav izveidota efektīva sistēma elektromagnētisko viļņu pārraidīšanai zem ūdens jebkurā ievērojamā attālumā, un tāpēc skaņa ir vienīgais iespējamais saziņas līdzeklis zem ūdens. Šiem nolūkiem tiek izmantotas skaņas frekvences no 300 līdz 10 000 Hz un ultraskaņas no 10 000 Hz un vairāk. Elektrodinamiskos un pjezoelektriskos emitētājus un hidrofonus izmanto kā izstarotājus un uztvērējus skaņas apgabalā, bet pjezoelektriskos un magnetostriktīvos - ultraskaņas reģionā.

Nozīmīgākie hidroakustikas pielietojumi ir:

• Risināt militārās problēmas;
• Jūras navigācija;
• Skaņa zemūdens komunikācija;
• Zivju meklēšanas izlūkošana;
• Okeanoloģiskā izpēte;
• Darbības jomas okeānu dibena bagātības attīstībai;
• Akustikas izmantošana baseinā (mājās vai sinhronizētā peldēšanas apmācību centrā)
• Jūras dzīvnieku apmācība.

Piezīmes

Literatūra un informācijas avoti

LITERATŪRA:

• V.V. Šuleikins Jūras fizika. - Maskava: "Nauka", 1968. - 1090 lpp.
• I.A. rumāņu valoda Hidroakustikas pamati. - Maskava: "Kuģu būve", 1979. - 105 lpp.
• Yu.A. Korjakins Hidroakustiskās sistēmas. - Sanktpēterburga: "Sanktpēterburgas zinātne un Krievijas jūras spēks", 2002. - 416 lpp.

ZVEJAS

Skaņas izplatīšanās ūdenī .

Skaņa ūdenī izplatās piecas reizes ātrāk nekā gaisā. Vidējais ātrums ir 1400 - 1500 m / s (skaņas izplatīšanās ātrums gaisā ir 340 m / s). Šķiet, ka uzlabojas arī dzirdamība ūdenī. Patiesībā tas ir tālu no gadījuma. Galu galā skaņas stiprums nav atkarīgs no izplatīšanās ātruma, bet gan no skaņas vibrāciju amplitūdas un dzirdes orgānu uztveres spējas. Iekšējās auss gliemežnīcā atrodas Corti orgāns, kas sastāv no dzirdes šūnām. Skaņas viļņi vibrē bungādiņu, dzirdes kauli un Korti orgāna membrānu. No pēdējo matu šūnām, uztverot skaņas vibrācijas, nervu uzbudinājums nonāk dzirdes centrā, kas atrodas smadzeņu temporālajā daivā.

Skaņas vilnis cilvēka iekšējā ausī var iekļūt divos veidos: ar gaisa vadību caur ārējo dzirdes kanālu, bungādiņu un vidusauss dzirdes kauliņiem un caur kaula vadīšanu - galvaskausa kaulu vibrāciju. Uz virsmas dominē gaisa vadītspēja, bet zem ūdens - kaulu vadītspēja. To apliecina vienkārša pieredze. Nosedziet abas ausis ar plaukstām. Uz virsmas dzirdamība strauji pasliktināsies, bet zem ūdens tas nav novērojams.

Tātad zemūdens skaņas galvenokārt tiek uztvertas ar kaulu vadīšanu. Teorētiski tas izskaidrojams ar to, ka ūdens akustiskā pretestība tuvojas cilvēka audu akustiskajai pretestībai. Tāpēc enerģijas zudums skaņas viļņu pārejā no ūdens uz cilvēka galvas kauliem ir mazāks nekā gaisā. Gaisa vadītspēja zem ūdens gandrīz pazūd, jo ārējais dzirdes kanāls ir piepildīts ar ūdeni, un neliels gaisa slānis pie bungādiņas vāji pārraida skaņas vibrācijas.

Eksperimenti ir atklājuši, ka kaulu vadītspēja ir par 40% zemāka nekā gaisa vadītspēja. Tāpēc dzirdamība zem ūdens kopumā pasliktinās. Skaņas dzirdamības diapazons ar kaulu vadīšanu ir atkarīgs ne tik daudz no stipruma, cik no toņa: jo augstāks tonis, jo tālāk skaņa tiek dzirdama.

Zemūdens pasaule cilvēkam ir klusuma pasaule, kurā nav svešu trokšņu. Tāpēc vienkāršākos skaņas signālus var uztvert zem ūdens ievērojamos attālumos. Cilvēks dzird sitienu pa metāla kannu, kas iegremdēts ūdenī 150-200 m attālumā, grabulīša skaņu 100 m, zvaniņu 60 m attālumā.

Zem ūdens radītās skaņas parasti virspusē nav dzirdamas, tāpat kā skaņas no ārpuses nav dzirdamas zem ūdens. Lai uztvertu zemūdens skaņas, jums ir vismaz daļēji jāienirst. Ja jūs ieejat ūdenī līdz ceļiem, jūs sākat uztvert skaņu, kas līdz šim nav dzirdēta. Nirstot, skaļums palielinās. Tas ir īpaši labi dzirdams, iegremdējot galvu.

Lai sniegtu skaņas signālus no virsmas, skaņas avots ir jānolaiž ūdenī vismaz uz pusi, un skaņas stiprums mainīsies. Orientēšanās zem ūdens aiz auss ir ārkārtīgi sarežģīta. Gaisā skaņa nonāk vienā ausī par 0,00003 sekundēm agrāk nekā otrā. Tas ļauj noteikt skaņas avota atrašanās vietu ar kļūdu tikai 1-3 °. Zem ūdens skaņu vienlaikus uztver abas ausis un tāpēc nav skaidras, virziena uztveres. Orientācijas kļūda ir 180°.

Speciāli uzstādītā eksperimentā tikai individuālie gaismas nirēji pēc ilgiem klejojumiem un. meklējumi tika veikti līdz skaņas avota atrašanās vietai, kas atradās 100-150 m attālumā no tiem Tika atzīmēts, ka ilgstoša sistemātiska apmācība ļauj attīstīt spēju diezgan precīzi orientēties pēc skaņas zem ūdens. Taču, tiklīdz treniņš beidzas, tā rezultāti tiek anulēti.