Чи поширюється звук у воді. Особливості поширення та випромінювання звуку у воді

Якщо звукова хвиля не зустрічає перешкод своєму шляху, вона поширюється рівномірно у всіх напрямах. Але й не всяка перешкода стає перепоною для неї.

Зустрівши перешкоду своєму шляху, звук може огинати його, відбиватися, заломлюватися чи поглинатися.

Дифракція звуку

Ми можемо розмовляти з людиною, що стоїть за рогом будівлі, за деревом або за парканом, хоч і не бачимо його. Ми чуємо його, тому що звук здатний огинати ці предмети і припадати в область, що знаходиться за ними.

Здатність хвилі огинати перешкоду називається дифракцією .

Дифракція можлива, коли довжина звукової хвилі перевищує розмір перешкоди. Звукові хвилі низької частоти мають досить велику довжину. Наприклад, при частоті 100 Гц вона дорівнює 3,37 м. Зі зменшенням частоти довжина стає ще більшою. Тому звукова хвиля з легкістю огинає об'єкти, порівняні з нею. Дерева в парку зовсім не заважають нам чути звук, тому що діаметри їх стовбурів значно менші за довжину звукової хвилі.

Завдяки дифракції, звукові хвилі проникають через щілини та отвори у перешкоді та поширюються за ними.

Розташуємо на шляху звукової хвилі плоский екран з отвором.

У разі коли довжина звукової хвилі ƛ набагато перевищує діаметр отвору D , або ці величини приблизно рівні, то за отвором звук досягне всіх точок області, яка знаходиться за екраном (область звукової тіні). Фронт хвилі буде виглядати як півсфера.

Якщо ж ƛ лише трохи менше діаметра щілини, то основна частина хвилі поширюється прямо, а невелика частина трохи розходиться в сторони. А у випадку, коли ƛ набагато менше D , вся хвиля піде у прямому напрямку.

Відображення звуку

У разі попадання звукової хвилі на межу розділу двох середовищ, можливі різні варіанти її подальшого розповсюдження. Звук може відбитися від поверхні розділу, може перейти в інше середовище без зміни напрямку, а може переломитися, тобто перейти, змінивши свій напрямок.

Припустимо, на шляху звукової хвилі з'явилася перешкода, розмір якої набагато більше довжини хвилі, наприклад, прямовисна скеля. Як поведеться звук? Так як обігнути цю перешкоду він не може, він відіб'ється від нього. За перешкодою перебуває зона акустичної тіні .

Відбитий від перешкоди звук називається луною .

Характер відображення звукової хвилі може бути різним. Він залежить від форми поверхні, що відбиває.

Відображенням називають зміну напрями звукової хвилі межі розділу двох різних середовищ. При відображенні хвиля повертається у середу, з якої вона прийшла.

Якщо поверхня плоска, звук відбивається від неї подібно до того, як відбивається промінь світла в дзеркалі.

Відбиті від увігнутої поверхні звукові промені фокусуються в одній точці.

Випукла поверхня звук розсіює.

Ефект розсіювання дають опуклі колони, великі ліпні прикраси, люстри тощо.

Звук не переходить з одного середовища до іншого, а відбивається від нього, якщо щільності середовищ значно відрізняються. Так, звук, що з'явився у воді, не перетворюється на повітря. Відбиваючись від межі розділу, він залишається у воді. Людина, що стоїть на березі річки, не почує цей звук. Це пояснюється великою різницею хвильових опорів води та повітря. В акустиці хвильовий опір дорівнює добутку щільності середовища на швидкість звуку в ній. Так як хвильовий опір газів значно менше хвильових опорів рідин і твердих тіл, то потрапляючи на межу повітря та води, звукова хвиля відбивається.

Риби у воді не чують звук, що з'являється над поверхнею води, але добре розрізняють звук, джерелом якого є тіло, що вібрує у воді.

Заломлення звуку

Зміна напряму поширення звуку називається заломленням . Це явище виникає, коли звук переходить з одного середовища до іншого, і швидкості його поширення в цих середовищах різні.

Відношення синуса кута падіння до синуса кута відображення дорівнює відношенню швидкостей поширення звуку в середовищах.

де i - Кут падіння,

r - Кут відображення,

v 1 - Швидкість поширення звуку в першому середовищі,

v 2 - Швидкість поширення звуку в другому середовищі,

n - показник заломлення.

Заломлення звуку називають рефракцією .

Якщо звукова хвиля падає не перпендикулярно до поверхні, а під кутом, відмінним від 90 про, то заломлена хвиля відхилиться від напрямку падаючої хвилі.

Рефракція звуку може спостерігатися не лише на межі поділу середовищ. Звукові хвилі можуть змінювати свій напрямок у неоднорідному середовищі – атмосфері, океані.

В атмосфері причиною рефракції є зміни температури повітря, швидкість і напрямок переміщення повітряних мас. А в океані вона виникає через неоднорідність властивостей води – різного гідростатичного тиску на різних глибинах, різної температури та різної солоності.

Поглинання звуку

При зустрічі звукової хвилі з поверхнею частина її енергії поглинається. А скільки енергії може поглинути середовище, можна визначити, знаючи коефіцієнт поглинання звуку. Цей коефіцієнт показує, яку частину енергії звукових коливань поглинає 1 м2 перешкоди. Вона має значення від 0 до 1.

Одиницю виміру звукопоглинання називають себін . Свою назву вона отримала на ім'я американського фізика Уоллес Клемента Себіна, засновника архітектурної акустики. 1 Себін - це енергія, яку поглинає 1 м 2 поверхні, коефіцієнт поглинання якої дорівнює 1. Тобто, така поверхня повинна поглинати абсолютно всю енергію звукової хвилі.

Реверберація

Уоллес Себін

Властивість матеріалів поглинати звук широко використовують у архітектурі. Займаючись дослідженням акустики Лекційного залу, частини побудованого Fogg Museum, Уоллес Клемент Себін дійшов висновку, що існує залежність між розмірами зали, акустичними умовами, типом та площею звукопоглинаючих матеріалів та часом реверберації .

Реверберацією називають процес відображення звукової хвилі від перешкод та її поступове згасання після вимкнення джерела звуку. У закритому приміщенні звук може багаторазово відбиватися від стін та предметів. В результаті виникають різні ехосигнали, кожен з яких звучить ніби окремо. Цей ефект називають ефектом реверберації .

Найважливішою характеристикою приміщення є час реверберації , яке ввів та обчислив Себін.

де V - Обсяг приміщення,

А - загальне звукопоглинання.

де a i - Коефіцієнт звукопоглинання матеріалу,

S i - Площа кожної поверхні.

Якщо час реверберації великий, звуки ніби "блукають" залом. Вони накладаються один на одного, заглушають основне джерело звуку, і зал стає гучним. При невеликому часі реверберації стінки швидко поглинають звуки, і вони стають глухими. Тому для кожного приміщення має бути свій точний розрахунок.

За результатами своїх обчислень Себін розташував звукопоглинаючі матеріали таким чином, що зменшився ефект луні. А Симфонічний Зал Бостона, під час створення якого він був акустичним консультантом, досі вважається одним із найкращих залів у світі.

Ми сприймаємо звуки, перебуваючи з відривом від джерел. Зазвичай звук доходить до нас повітрям. Повітря є пружним середовищем, що передає звук.

Зверни увагу!

Якщо між джерелом та приймачем видалити звукопередавальне середовище, то звук поширюватися не буде і, отже, приймач не сприйме його.

Приклад:

Помістимо під дзвін повітряного насоса годинник-будильник (рис. 1).

Поки в дзвоні знаходиться повітря, звук дзвінка чути ясно. При відкачуванні повітря з-під дзвону звук поступово слабшає і, нарешті, стає нечутним. Без передавального середовища коливання тарілки дзвінка не можуть поширюватись, і звук не доходить до нашого вуха. Впустимо під дзвін повітря і знову почуємо брязкіт.

Зверни увагу!

Добре проводять звуки пружні речовини, наприклад, метали, деревина, рідини, гази.

Покладемо на один кінець дерев'яної дошки кишеньковий годинник, а самі відійдемо до іншого кінця. Приклавши вухо до дошки, почуємо перебіг годинника (рис. 2).

Прив'яжемо до металевої ложки мотузку. Кінець мотузки прикладемо до вуха. Вдаряючи по ложці, почуємо сильний звук (рис. 3). Ще сильніший звук почуємо, якщо мотузку замінимо дротом.

Зверни увагу!

М'які та пористі тіла – погані провідники звуку.

Щоб захистити яке-небудь приміщення від проникнення сторонніх звуків, стіни, підлогу та стелю прокладають прошарками із звукопоглинаючих матеріалів. Як прошарки використовують повсть, пресовану пробку, пористі камені, різні синтетичні матеріали (наприклад, пінопласт), виготовлені на основі спінених полімерів. Звук у таких прошарках швидко згасає.

Звук поширюється в будь-якому пружному середовищі - твердому, рідкому та газоподібному, але не може поширюватися в просторі, де немає речовини.

Коливання джерела створюють у навколишньому середовищі пружну хвилю звукової частоти. Хвиля, досягаючи вуха, впливає на барабанну перетинку, змушуючи її вагатися з частотою, що відповідає частоті джерела звуку. Тремтіння барабанної перетинки передаються за допомогою системи кісточок закінченням слухового нерва, дратують їх і тим самим викликають відчуття звуку (рис. 4).

У газах та рідинах можуть існувати лише поздовжні пружні хвилі. Тому звук у повітрі передається поздовжніми хвилями, тобто згущеннями і розрідженнями повітря, що чергуються, що йдуть від джерела звуку.

Звукова хвиля, як і будь-які інші механічні хвилі, поширюється у просторі не миттєво, і з певною швидкістю.

Спостерігаючи за стріляниною з рушниці, ми спочатку бачимо вогонь та дим, а потім через деякий час чуємо звук пострілу.

На великі відстані звукова енергія поширюється лише вздовж пологих променів, які по всьому шляху стосуються дна океану. У цьому випадку обмеженням, що накладається середовищем на дальність поширення звуку, є поглинання їх у морській воді. Основний механізм поглинання пов'язаний з релаксаційними процесами, що супроводжують порушення акустичної хвилею термодинамічної рівноваги між іонами та молекулами розчинених у воді солей. Слід зазначити, що головна роль у поглинанні в широкому діапазоні звукових частот належить сірчаномагнієвій солі MgSO4, хоча у відсотковому відношенні її вміст у морській воді зовсім невеликий - майже в 10 разів менше, ніж, наприклад, кам'яної солі NаС1, яка, проте, не грає скільки помітної ролі в поглинанні звуку.

Поглинання в морській воді, взагалі кажучи, тим більше, чим вища частота звуку. На частотах від 3-5 до принаймні 100 кГц, де домінує зазначений вище механізм, поглинання пропорційно частоті приблизно приблизно 3/2. На більш низьких частотах включається новий механізм поглинання (можливо він пов'язаний з наявністю у воді солей бору), який стає особливо помітним в діапазоні сотень герц; тут рівень поглинання аномально високий і значно повільніше падає зі зменшенням частоти.

Щоб більш наочно уявити кількісні характеристики поглинання в морській воді, зауважимо, що за рахунок цього ефекту звук з частотою 100 Гц послаблюється в 10 разів на шляху в 10 тис. км, а з частотою 10 кГц - на відстані лише в 10 км (рисунок 2). Таким чином, тільки низькочастотні звукові хвилі можуть бути використані для дальнього підводного зв'язку, дальнього виявлення підводних перешкод і т.п.

Рисунок 2 – Відстань, на яких звуки різних частот згасають у 10 разів при поширенні в морській воді.

У сфері чутних звуків для діапазону частот 20-2000 Гц дальність поширення під водою звуків середньої інтенсивності сягає 15-20 км, а області ультразвуку – 3-5 км.

Якщо виходити з величин загасання звуку, що спостерігаються в лабораторних умовах у малих об'ємах води, можна було б очікувати значно більших дальностей. Однак у природних умовах, крім згасання, обумовленого властивостями самої води (т. зв. в'язкого згасання), позначаються його розсіювання і поглинання різними неоднорідностями середовища.

Рефракція звуку, або викривлення шляху звукового променя, викликається неоднорідністю властивостей води, головним чином вертикалі, внаслідок трьох основних причин: зміни гідростатичного тиску з глибиною, зміни солоності і зміни температури внаслідок неоднакового прогріву маси води сонячними променями. В результаті сукупної дії цих причин швидкість поширення звуку, що становить близько 1450 м/сек для прісної води і близько 1500 м/сек для морської, змінюється з глибиною, причому закон зміни залежить від пори року, часу дня, глибини водойми та інших причин . Звукові промені, що вийшли з джерела під деяким кутом до горизонту, згинаються, причому напрямок вигину залежить від розподілу швидкостей звуку в середовищі. Влітку, коли верхні шари тепліші за нижні, промені згинаються донизу і здебільшого відбиваються від дна, втрачаючи при цьому значну частку своєї енергії. Навпаки, взимку, коли нижні шари води зберігають свою температуру, тим часом як верхні шари охолоджуються, промені згинаються догори і зазнають багаторазових відбиття від поверхні води, при яких втрачається значно менше енергії. Тому взимку дальність поширення звуку більша, ніж улітку. Внаслідок рефракції утворюються т.з. мертві зони, т. е. області, розташовані неподалік джерела, у яких чутність відсутня.

Наявність рефракції, однак, може призводити до збільшення дальності поширення звуку - явище наддальнього поширення звуків під водою. На деякій глибині під поверхнею води знаходиться шар, у якому звук поширюється із найменшою швидкістю; вище за цю глибину швидкість звуку збільшується через підвищення температури, а нижче - внаслідок збільшення гідростатичного тиску з глибиною. Цей шар є своєрідним підводним звуковим каналом. Промінь, що відхилився від осі каналу вгору або вниз, внаслідок рефракції завжди прагне потрапити до нього назад. Якщо помістити джерело та приймач звуку в цьому шарі, то навіть звуки середньої інтенсивності (наприклад, вибухи невеликих зарядів в 1-2 кг) можуть бути зареєстровані на відстанях сотні та тисячі км. Істотне збільшення дальності поширення звуку за наявності підводного звукового каналу може спостерігатися при розташуванні джерела та приймача звуку не обов'язково поблизу осі каналу, а, наприклад, біля поверхні. У цьому випадку промені, рефрагуючи донизу, заходять у глибоководні шари, де вони відхиляються догори і знову виходять до поверхні на відстані в кілька десятків км від джерела. Далі картина розповсюдження променів повторюється й у результаті утворюється послідовність т. зв. вторинних освітлених зон, які зазвичай простежуються до відстаней кілька сотень км.

На поширення звуків високої частоти, зокрема ультразвуків, коли довжини хвиль дуже малі, впливають дрібні неоднорідності, які є у природних водоймах: мікроорганізми, бульбашки газів тощо. Ці неоднорідності діють подвійним чином: вони поглинають та розсіюють енергію звукових хвиль. У результаті підвищення частоти звукових коливань дальність їх поширення скорочується. Особливо сильно цей ефект помітний у поверхневому шарі води, де найбільше неоднорідностей. Розсіювання звуку неоднорідностями, а також нерівностями поверхні води і дна викликає явище підводної реверберації, що супроводжує посилку звукового імпульсу: звукові хвилі, відбиваючись від сукупності неоднорідностей і зливаючись, дають затягування звукового імпульсу, що продовжується після його закінчення, подібно до реверберації. Підводна реверберація – досить значна перешкода для низки практичних застосувань гідроакустики, зокрема гідролокації.

Межі дальності поширення підводних звуків лімітуються ще й т.зв. власними шумами моря, що мають подвійне походження. Частина шумів виникає від ударів хвиль на поверхні води, від морського прибою, від шуму гальки, що перекочується, і т.п. Інша частина пов'язана з морською фауною; сюди відносяться звуки, що виробляються рибами та ін морськими тваринами.

Якщо між джерелом та приймачем видалити звукопередавальне середовище, то звук поширюватися не буде і, отже, приймач не сприйме його. Продемонструємо це на досвіді.

Помістимо під дзвін повітряного насоса годинник-будильник (рис. 80). Поки в дзвоні знаходиться повітря, звук дзвінка чути ясно. При відкачуванні повітря з-під дзвону звук поступово слабшає і, нарешті, стає нечутним. Без передавального середовища коливання тарілки дзвінка не можуть поширюватись, і звук не доходить до нашого вуха. Впустимо під дзвін повітря і знову почуємо брязкіт.

Рис. 80. Досвід, що доводить, що у просторі, де немає речовинного середовища, звук не поширюється

Добре проводять звуки пружні речовини, наприклад, метали, деревина, рідини, гази.

Покладемо на один кінець дерев'яної дошки кишеньковий годинник, а самі відійдемо до іншого кінця. Приклавши вухо до дошки, почуємо хід годинника.

Прив'яжемо до металевої ложки мотузку. Кінець мотузки прикладемо до вуха. Вдаряючи по ложці, почуємо сильний звук. Ще сильніший звук почуємо, якщо мотузку замінимо дротом.

М'які та пористі тіла – погані провідники звуку. Щоб захистити яке-небудь приміщення від проникнення сторонніх звуків, стіни, підлогу та стелю прокладають прошарками із звукопоглинаючих матеріалів. Як прошарки використовують повсть, пресовану пробку, пористі камені, різні синтетичні матеріали (наприклад, пінопласт), виготовлені на основі спінених полімерів. Звук у таких прошарках швидко згасає.

Рідини добре проводять звук. Риби, наприклад, добре чують кроки та голоси на березі, це відомо досвідченим рибалкам.

Отже, звук поширюється в будь-якому пружному середовищі - твердому, рідкому та газоподібному, але не може поширюватися в просторі, де немає речовини.

Нагадаємо, що в газах та рідинах можуть існувати лише поздовжні пружні хвилі. Звук у повітрі, наприклад, передається поздовжніми хвилями, т. е. згущеннями, що чергуються, і розрідженнями повітря, що йдуть від джерела звуку.

Звукова хвиля, як і будь-які інші механічні хвилі, поширюється у просторі не миттєво, і з певною швидкістю. У цьому можна переконатися, наприклад, спостерігаючи здалеку за стрільбою з рушниці. Спочатку бачимо вогонь та дим, а потім через деякий час чуємо звук пострілу. Дим утворюється в той же час, коли відбувається перше звукове коливання. Вимірявши проміжок часу t між моментом виникнення звуку (момент появи диму) та моментом, коли він доходить до вуха, можна визначити швидкість поширення звуку:

Вимірювання показують, що швидкість звуку повітря при 0 °З нормальному атмосферному тиску дорівнює 332 м/с.

Швидкість звуку в газах тим більше, що вища їх температура. Наприклад, при 20 °С швидкість звуку повітря становить 343 м/с, при 60 °С - 366 м/с, при 100 °З - 387 м/с. Пояснюється це тим, що з підвищенням температури зростає пружність газів, а чим більше пружні сили, що виникають в середовищі при її деформації, тим більше рухливість частинок і швидше передаються коливання від однієї точки до іншої.

Швидкість звуку залежить також від властивостей середовища, в якому поширюється звук. Наприклад, при 0 °С швидкість звуку у водні дорівнює 1284 м/с, а у вуглекислому газі - 259 м/с, оскільки молекули водню менш масивні і менш інертні.

В даний час швидкість звуку може бути виміряна в будь-якому середовищі.

Молекули в рідинах і твердих тілах розташовані ближче один до одного і взаємодіють сильніше, ніж молекули газів. Тому швидкість звуку в рідких та твердих середовищах більша, ніж у газоподібних.

Оскільки звук - це хвиля, то визначення швидкості звуку, крім формули V = s/t, можна скористатися відомими вам формулами: V = λ/T і V = vλ. При вирішенні завдань швидкість звуку повітря зазвичай вважають рівною 340 м/с.

Запитання

З якою метою ставлять досвід, зображений малюнку 80? Опишіть, як цей досвід проводиться і який висновок із нього випливає.
Чи може звук поширюватись у газах, рідинах, твердих тілах? Відповіді підтвердіть прикладами.
Які тіла краще проводять звук – пружні чи пористі? Наведіть приклади пружних та пористих тіл.
Яку хвилю - поздовжню або поперечну - є звуком, що розповсюджується в повітрі; у воді?
Наведіть приклад, який показує, що звукова хвиля поширюється не миттєво, і з певною швидкістю.

Вправа 30

Чи може звук сильного вибуху на Місяці чути на Землі? Відповідь обґрунтуйте.
Якщо до кожного кінці нитки прив'язати по одній половинці мильниці, то за допомогою такого телефону можна перемовлятися навіть пошепки, перебуваючи в різних кімнатах. Поясніть явище.
Визначте швидкість звуку у воді, якщо джерело, що коливається з періодом 0,002, збуджує у воді хвилі довжиною 2,9 м.
Визначте довжину звукової хвилі частотою 725 Гц у повітрі, у воді та у склі.
По одному кінці довгої металевої труби вдарили один раз молотком. Чи звук від удару поширюватиметься до другого кінця труби по металу; повітрям усередині труби? Скільки ударів почує людина, яка стоїть на другому кінці труби?
Спостерігач, що стоїть біля прямолінійної ділянки залізниці, побачив пару над свистком паровоза, що йде вдалині. Через 2 с після появи пари він почув звук свистка, а через 34 с паровоз пройшов повз спостерігача. Визначте швидкість руху паровоза.

Звук поширюється у вигляді звукових хвиль. Ці хвилі проходять не лише крізь гази та рідини, а й через тверді тіла. Дія будь-яких хвиль полягає головним чином переносі енергії. У разі звуку перенесення набуває форми дрібних переміщень на молекулярному рівні.

У газах і рідинах звукова хвиля зрушує молекули у бік свого руху, тобто у бік довжини хвилі. У твердих тілах звукові коливання молекул можуть відбуватися і в напрямі перпендикулярної хвилі.

Звукові хвилі поширюються зі своїх джерел у всіх напрямках, як це показано на малюнку праворуч, на якому зображено металевий дзвін, що періодично стикається зі своєю мовою. Ці механічні зіткнення змушують дзвін вібрувати. Енергія вібрацій повідомляється молекулам навколишнього повітря, вони відтісняються від дзвони. В результаті в прилеглому до дзвону шарі повітря збільшується тиск, який потім хвилеподібно поширюється на всі боки від джерела.

Швидкість звуку залежить від гучності чи тону. Усі звуки від радіоприймача в кімнаті, будь вони гучними чи тихими, високого тону чи низького, досягають слухача одночасно.

Швидкість звуку залежить від виду середовища, в якому він поширюється, та від його температури. У газах звукові хвилі поширюються повільно, тому що їхня розріджена молекулярна структура слабо перешкоджає стиску. У рідинах швидкість звуку збільшується, а в твердих тілах стає ще вищою, як це показано на діаграмі внизу в метрах за секунду (м/с).

Шлях хвилі

Звукові хвилі поширюються у повітрі аналогічно показаному на діаграмах праворуч. Хвильові фронти рухаються від джерела на певній відстані один від одного, що визначається частотою коливань дзвона. Частота звукової хвилі визначається шляхом підрахунку числа хвильових фронтів, що пройшли цю точку в одиницю часу.

Фронт звукової хвилі віддаляється від дзвона, що вібрує.

У рівномірно прогрітому повітрі звук поширюється постійною швидкістю.

Другий фронт слідує за першим на відстані, що дорівнює довжині хвилі.

Сила звуку максимальна поблизу джерела.

Графічне зображення невидимої хвилі

Звукове зондування глибин

Пучок променів гідролокатора, що складається із звукових хвиль, легко проходить через океанську воду. Принцип дії гідролокатора заснований на тому факті, що звукові хвилі відбиваються від океанського дна; цей прилад зазвичай використовується визначення особливостей підводного рельєфу.

Пружні тверді тіла

Звук поширюється на дерев'яні пластини. Молекули більшості твердих тіл пов'язані в пружні просторові ґрати, які погано стискуються і водночас прискорюють проходження звукових хвиль.