Koks yra garso greitis? Garso bangų sklidimo dėsniai

Hidroakustika (iš graikų kalbos Hydor- vanduo, akustika- klausos) - mokslas apie reiškinius, vykstančius vandens aplinkoje ir susijusius su akustinių bangų sklidimu, spinduliavimu ir priėmimu. Tai apima hidroakustinių prietaisų, skirtų naudoti vandens aplinkoje, kūrimo ir kūrimo klausimus.

Vystymosi istorija

Pirmuosius atstumo matavimus per garsą atliko rusų tyrinėtojas akademikas Ya. D. Zacharovas. 1804 m. birželio 30 d. jis moksliniais tikslais skrido oro balionu ir šiame skrydžio metu naudojo garso atspindį nuo žemės paviršiaus skrydžio aukščiui nustatyti. Būdamas kamuolio krepšyje jis garsiai šaukė į žemyn nukreiptą garsiakalbį. Po 10 sekundžių pasigirdo aiškiai girdimas aidas. Iš to Zacharovas padarė išvadą, kad rutulio aukštis virš žemės buvo maždaug 5 x 334 = 1670 m. Šis metodas buvo radijo ir sonaro pagrindas.

Kartu su teorinių klausimų plėtra Rusijoje buvo atliekami praktiniai garso sklidimo jūroje reiškinių tyrimai. Admirolas S. O. Makarovas 1881–1882 m pasiūlė naudoti prietaisą, vadinamą fluktometru, perduodantį informaciją apie srovių greitį po vandeniu. Taip buvo pradėta kurti nauja mokslo ir technologijų šaka – hidroakustinė telemetrija.

Hidrofoninės stoties schema Baltijos augalas modelis 1907: 1 - vandens siurblys; 2 - vamzdynas; 3 - slėgio reguliatorius; 4 - elektromagnetinis hidraulinis vožtuvas (telegrafo vožtuvas); 5 - telegrafo raktas; 6 - hidraulinis membraninis emiteris; 7 - laivo bortas; 8 - vandens bakas; 9 - sandarus mikrofonas

1890-aisiais. Baltijos laivų statykloje kapitono 2-ojo laipsnio M.N.Beklemiševo iniciatyva pradėti hidroakustinių ryšių prietaisų kūrimo darbai. Pirmieji hidroakustinio skleidėjo, skirto povandeniniam ryšiui, bandymai buvo atlikti XIX amžiaus pabaigoje. Sankt Peterburgo Galernaya uosto eksperimentiniame baseine. Jo skleidžiamos vibracijos buvo aiškiai girdimos už 7 mylių ant plūduriuojančio Nevskio švyturio. Dėl tyrimų 1905 m. sukūrė pirmąjį hidroakustinį ryšio įrenginį, kuriame perdavimo įrenginio vaidmenį atliko speciali povandeninė sirena, valdoma telegrafo klavišu, o signalo imtuvas buvo anglinis mikrofonas, pritvirtintas iš vidaus prie laivo korpuso. Signalai buvo įrašyti Morzės aparatu ir ausimi. Vėliau sirena buvo pakeista membraninio tipo skleidėju. Įrenginio, vadinamo hidrofonine stotimi, efektyvumas gerokai padidėjo. Naujosios stoties bandymai jūroje įvyko 1908 m. kovą. prie Juodosios jūros, kur patikimo signalo priėmimo diapazonas viršijo 10 km.

Pirmosios serijinės garso ir povandeninio ryšio stotys, suprojektuotos Baltijos laivų gamyklos 1909-1910 m. įrengti povandeniniuose laivuose "Karpis", "Gudžonas", "Sterletas", « Skumbrė"Ir" Ešeriai“. Įrengiant stotis povandeniniuose laivuose, siekiant sumažinti trukdžius, imtuvas buvo patalpintas specialiame gaubte, velkamas už laivagalio ant kabelio lyno. Britai tokį sprendimą priėmė tik Pirmojo pasaulinio karo metais. Tada ši idėja buvo pamiršta ir tik šeštojo dešimtmečio pabaigoje vėl pradėta naudoti skirtingos salys kuriant triukšmui atsparias sonarų laivų stotis.

Hidroakustikos plėtros postūmis buvo Pirmasis pasaulinis karas. Karo metu Antantės šalys patyrė didelių nuostolių savo prekybiniuose ir kariniuose laivynuose dėl vokiečių povandeninių laivų veiksmų. Reikėjo ieškoti priemonių su jais kovoti. Netrukus jie buvo rasti. Povandeninis laivas, esantis povandeninėje padėtyje, gali būti girdimas pagal sraigtų ir veikimo mechanizmų keliamą triukšmą. Triukšmingus objektus aptinkantis ir jų vietą nustatantis prietaisas buvo vadinamas triukšmo krypties ieškikliu. Prancūzų fizikas P. Langevinas 1915 metais pasiūlė naudoti jautrų imtuvą iš Rošelio druskos pirmajai triukšmo krypties nustatymo stočiai.

Hidroakustikos pagrindai

Akustinių bangų sklidimo vandenyje ypatybės

Aido įvykio komponentai.

Pradžia visapusiška ir pagrindiniai tyrimai Dėl akustinių bangų sklidimo vandenyje buvo pradėtas Antrojo pasaulinio karo metais, kurį padiktavo poreikis spręsti praktines karinių jūrų pajėgų ir pirmiausia povandeninių laivų problemas. Eksperimentinis ir teorinis darbas buvo tęsiamas pokario metais ir apibendrintas daugelyje monografijų. Šių darbų metu buvo nustatyti ir išaiškinti kai kurie akustinių bangų sklidimo vandenyje ypatumai: sugertis, slopinimas, atspindys ir lūžis.

Akustinių bangų energijos absorbcija jūros vandens sukelia du procesai: vidinė terpės trintis ir joje ištirpusių druskų disociacija. Pirmasis procesas akustinės bangos energiją paverčia šiluma, o antrasis, virsdamas chemine energija, pašalina molekules iš pusiausvyros būsenos, kurios suyra į jonus. Šio tipo sugertis smarkiai padidėja didėjant akustinės vibracijos dažniui. Vandenyje esančios suspenduotos dalelės, mikroorganizmai ir temperatūros anomalijos taip pat lemia vandens akustinės bangos susilpnėjimą. Paprastai šie nuostoliai yra nedideli ir įskaičiuojami į bendrą absorbciją, tačiau kartais, pavyzdžiui, išsibarsčius iš laivo, šie nuostoliai gali siekti iki 90%. Temperatūros anomalijų buvimas lemia tai, kad akustinė banga patenka į akustinio šešėlio zonas, kur ji gali patirti daugybę atspindžių.

Dėl sąsajų tarp vandens - oro ir vandens - dugno atsispindi akustinė banga, o jei pirmuoju atveju akustinė banga visiškai atsispindi, tada antruoju atveju atspindžio koeficientas priklauso nuo dugno medžiagos: purvinas dugnas blogai atspindi, smėlėtas ir akmenuotas – gerai. Mažame gylyje dėl daugkartinių akustinės bangos atspindžių tarp dugno ir paviršiaus atsiranda povandeninis garso kanalas, kuriame akustinė banga gali sklisti dideliais atstumais. Garso greičio keitimas skirtinguose gyliuose sukelia garso "spindulių" lenkimą - lūžį.

Garso refrakcija (garso pluošto kelio kreivumas)

Garso sklaida ir sugertis dėl terpės nehomogeniškumo.

Garso bangų sklidimo diapazonas

Garso bangų sklidimo diapazonas yra sudėtinga funkcija spinduliavimo dažnis, kuris yra vienareikšmiškai susijęs su akustinio signalo bangos ilgiu. Kaip žinoma, aukšto dažnio akustiniai signalai greitai susilpnėja dėl stiprios vandens aplinkos sugerties. Priešingai, žemo dažnio signalai gali sklisti dideliais atstumais vandens aplinkoje. Taigi 50 Hz dažnio akustinis signalas gali sklisti vandenyne tūkstančių kilometrų atstumu, o 100 kHz dažnio signalas, būdingas šoniniam skenavimui, sklidimo diapazonas yra tik 1-2 km. . Apytikslis šiuolaikinių sonarų diapazonas su skirtingas dažnis Garso signalas (bangos ilgis) pateiktas lentelėje:

Naudojimo sritys.

Hidroakustika buvo plačiai paplitusi praktinis naudojimas, nes jis dar nebuvo sukurtas efektyvi sistema pervedimai elektromagnetines bangas po vandeniu bet kokiu dideliu atstumu, todėl garsas yra vienintelis galimos priemonės komunikacijos po vandeniu. Šiems tikslams naudojami garso dažniai nuo 300 iki 10 000 Hz ir ultragarsas nuo 10 000 Hz ir didesnis. Elektrodinaminiai ir pjezoelektriniai emiteriai ir hidrofonai naudojami kaip skleidėjai ir imtuvai garso srityje, o pjezoelektriniai ir magnetostrikciniai - ultragarso srityje.

Svarbiausi hidroakustikos pritaikymai:

• Spręsti karines problemas;
• Jūrų navigacija;
• Garsus bendravimas;
• Žvejybos tyrinėjimai;
• Okeanologiniai tyrimai;
• Veiklos sritys, skirtos vandenyno dugno išteklių plėtrai;
• Akustikos naudojimas baseine (namuose arba sinchroninio plaukimo mokymo centre)
• Jūros gyvūnų mokymas.

Pastabos

Literatūra ir informacijos šaltiniai

LITERATŪRA:

• V.V. Šuleikinas Jūros fizika. - Maskva: „Mokslas“, 1968. - 1090 p.
• I.A. rumunų Hidroakustikos pagrindai. - Maskva: „Laivų statyba“, 1979 - 105 p.
• Yu.A. Koryakin Hidroakustinės sistemos. - Sankt Peterburgas: „Sankt Peterburgo mokslas ir Rusijos jūrų galia“, 2002. - 416 p.

Garsus suvokiame per atstumą nuo jų šaltinių. Paprastai garsas mus pasiekia per orą. Oras yra elastinga terpė, perduodanti garsą.

Jei garso perdavimo terpė pašalinama tarp šaltinio ir imtuvo, garsas nesklis, todėl imtuvas jo nesuvoks. Parodykime tai eksperimentiškai.

Po oro siurblio skambučiu pastatykime žadintuvą (80 pav.). Kol varpe yra oro, varpo garsas girdimas aiškiai. Išsiurbiant orą iš po varpelio, garsas palaipsniui silpnėja ir galiausiai tampa nebegirdimas. Be perdavimo terpės skambučio plokštės vibracijos negali sklisti, o garsas nepasiekia mūsų ausies. Leiskime orui po varpu ir vėl išgirskime skambėjimą.

Ryžiai. 80. Eksperimentas, įrodantis, kad garsas nesklinda erdvėje, kur nėra materialios terpės

Elastinės medžiagos gerai praleidžia garsus, pavyzdžiui, metalai, mediena, skysčiai ir dujos.

Padėkite kišeninį laikrodį ant vieno medinės lentos galo, o perkelkime į kitą galą. Pridėję ausį prie lentos, galite išgirsti tiksintį laikrodį.

Prie metalinio šaukšto pririškite virvelę. Pridėkite stygos galą prie ausies. Paspaudę šaukštą išgirsite stiprų garsą. Dar stipresnį garsą išgirsime, jei stygą pakeisime viela.

Minkšti ir porėti kūnai yra prasti garso laidininkai. Norėdami apsaugoti kambarį nuo įsibrovimo pašaliniai garsai, sienos, grindys ir lubos išklotos garsą sugeriančių medžiagų sluoksniais. Kaip tarpsluoksniai naudojamas veltinis, presuota kamštiena, akytieji akmenys, įvairios sintetinės medžiagos (pavyzdžiui, putų polistirenas), pagamintos iš putplasčio polimerų. Garsas tokiuose sluoksniuose greitai išnyksta.

Skysčiai gerai praleidžia garsą. Pavyzdžiui, žuvys gerai girdi žingsnius ir balsus krante; tai žino patyrę žvejai.

Taigi, garsas sklinda bet kokioje elastingoje terpėje – kietoje, skystoje ir dujinėje, tačiau negali sklisti erdvėje, kurioje nėra medžiagos.

Šaltinio svyravimai jo aplinkoje sukuria tamprią garso dažnio bangą. Banga, pasiekusi ausį, veikia ausies būgnelį, todėl ji vibruoja dažniu, atitinkančiu garso šaltinio dažnį. Drebulys ausies būgnelis per kaulų sistemą perduodamas į klausos nervo galus, juos dirgindamas ir taip sukeldamas garso pojūtį.

Prisiminkime, kad dujose ir skysčiuose gali egzistuoti tik išilginės tamprios bangos. Pavyzdžiui, ore esantis garsas perduodamas išilginėmis bangomis, t. y. kintančiomis kondensacijomis ir iš garso šaltinio sklindančio oro retėjimu.

Garso banga, kaip ir bet kurios kitos mechaninės bangos, erdvėje sklinda ne akimirksniu, o tam tikru greičiu. Tai galite patikrinti, pavyzdžiui, stebėdami šūvius iš toli. Iš pradžių matome ugnį ir dūmus, o po kurio laiko išgirstame šūvio garsą. Dūmai atsiranda tuo pačiu metu, kai atsiranda pirmoji garso vibracija. Išmatavę laiko intervalą t nuo garso atsiradimo momento (kai pasirodo dūmai) iki momento, kai jis pasiekia ausį, galime nustatyti garso sklidimo greitį:

Matavimai rodo, kad garso greitis ore esant 0 °C ir normaliam atmosferos slėgiui yra 332 m/s.

Kuo aukštesnė temperatūra, tuo didesnis garso greitis dujose. Pavyzdžiui, 20 °C temperatūroje garso greitis ore yra 343 m/s, 60 °C - 366 m/s, 100 °C - 387 m/s. Tai paaiškinama tuo, kad kylant temperatūrai didėja dujų elastingumas, o kuo didesnės tamprumo jėgos atsiranda terpėje jos deformacijos metu, tuo didesnis dalelių judrumas ir greičiau perduodamos vibracijos iš vieno taško į kitą.

Garso greitis priklauso ir nuo terpės, kurioje sklinda garsas, savybių. Pavyzdžiui, esant 0 °C temperatūrai, garso greitis vandenilyje yra 1284 m/s, o anglies dvideginyje - 259 m/s, nes vandenilio molekulės yra mažiau masyvios ir mažiau inertiškos.

Šiais laikais garso greitį galima išmatuoti bet kurioje aplinkoje.

Skysčių ir kietųjų medžiagų molekulės yra arčiau viena kitos ir sąveikauja stipriau nei dujų molekulės. Todėl garso greitis skystose ir kietose terpėse yra didesnis nei dujinėse.

Kadangi garsas yra banga, garso greičiui nustatyti, be formulės V = s/t, galite naudoti jums žinomas formules: V = λ/T ir V = vλ. Sprendžiant uždavinius, garso greičiu ore paprastai laikoma 340 m/s.

Klausimai

1. Koks 80 paveiksle pavaizduoto eksperimento tikslas? Apibūdinkite, kaip šis eksperimentas atliekamas ir kokios iš to išplaukia išvados.
2. Ar garsas gali sklisti dujose, skysčiuose ir kietose medžiagose? Pagrįskite savo atsakymus pavyzdžiais.
3. Kurie kūnai geriau praleidžia garsą – elastingi ar porėti? Pateikite elastingų ir poringų kūnų pavyzdžių.
4. Kokia banga – išilgine ar skersine – garsas sklinda ore? vandenyje?
5. Pateikite pavyzdį, rodantį, kad garso banga sklinda ne akimirksniu, o tam tikru greičiu.

30 pratimas

1. Ar Žemėje gali būti girdimas didžiulio sprogimo Mėnulyje garsas? Pagrįskite savo atsakymą.
2. Jei prie abiejų siūlų galų pririšate po vieną muilinės indelio pusę, tokiu telefonu galėsite kalbėti net šnabždėdami būdami skirtinguose kambariuose. Paaiškinkite reiškinį.
3. Nustatykite garso greitį vandenyje, jei šaltinis, svyruojantis 0,002 s periodu, sužadina 2,9 m ilgio bangas vandenyje.
4. Nustatykite 725 Hz dažnio garso bangos ilgį ore, vandenyje ir stikle.
5. Vienas ilgo metalinio vamzdžio galas buvo kartą smogtas plaktuku. Ar smūgio garsas per metalą pasklis į antrą vamzdžio galą; per orą vamzdžio viduje? Kiek smūgių išgirs kitame vamzdžio gale stovintis žmogus?
6. Stebėtojas stovi šalia tiesios linijos geležinkelis, pamatė garą virš tolumoje važiuojančio garvežio švilpuko. Praėjus 2 sekundėms po to, kai pasirodė garas, jis išgirdo švilpuko garsą, o po 34 sekundžių lokomotyvas pralėkė pro stebėtoją. Nustatykite lokomotyvo greitį.

Garso bangos gali sklisti įvairiose terpėse – skystose, kietose ir dujinėse. Bangos negali susidaryti tik vakuume. Kuo terpė tankesnė, tuo didesnis garso sklidimo greitis joje. Vandenyje garso bangų pasiekiamas greitis yra daugiau nei keturis kartus didesnis nei jų sklidimo ore greitis.

Štai šio reiškinio paaiškinimas fizikos požiūriu:



Elastingoje terpėje garsas sklinda greičiau. Kuo didesnis šios terpės tankis, tuo ji palankesnė garso virpesių sklidimui. Garso greitis vandenyje siekia 1500 metrų per sekundę, o ore – tik 330-340 m/s, greitis priklauso ir nuo temperatūros.

Palyginimui, garso greitis metaluose yra 5000 metrų per sekundę.

Garso bangos sklinda ne tik beorėje erdvėje, skystoje, dujinėje, taip pat ir kietoje terpėje garso bangos sklinda ramiai.

Garso bangų sklidimo tiesia linija greitis priklauso nuo terpės tankio, kuris yra didesnis tankis aplinka, tuo didesnis bangos sklidimo greitis.

Vandens tankis yra daug didesnis nei oro tankis, todėl ir garso bangos greitis vandenyje yra didesnis.

Kaip argumentą, Volodia, cituoji Pagrindinė priežastis. Taip. Kadangi vanduo yra mažiau suspaudžiama terpė nei dujos. O kieta medžiaga yra mažiau suspaudžiama (bangų sklidimo metu) nei skysta. Vanduo dideliame gylyje garsą praleidžia greičiau nei paviršiuje, ten jis labiau suspaustas. Tarp garso greičio ir terpės tankio yra atvirkščiai proporcingas ryšys. Kitaip tariant, kuo mažiau suspaudžiama bangos sklidimo terpė, tuo greičiau banga juda.

Pateiksiu apytikslę analogiją. Traukiniui pajudėjus, per traukinį prasiskverbia kažkokia žvangėjimo banga, o paskutinis vagonas pradeda judėti praėjus tam tikram laikui po to, kai pradėjo judėti lokomotyvas. Tas pats, tik atvirkštine tvarka, vyksta sustojant. Ir viskas dėl to, kad terpė yra suspaudžiama, tarp automobilių yra tam tikras tarpas, kuris atlieka terpės suspaudžiamumo vaidmenį. Jei paleidimo (sustabdymo) momentu visas traukinys yra įsitempęs ar suspaustas (pavyzdžiui, jis nėra ant horizontalios platformos), tai paskutinis vagonas užves (sustabdys) beveik kartu su lokomotyvu. Terpė yra nesuspaudžiama ir banga sklinda daug greičiau.

Garsas yra bangos, sklindančios per bet kurią medžiagą. Oras yra reta medžiaga, o vanduo yra daug tankesnė medžiaga nei oras. Todėl garso bangos vandenyje sklinda greičiau nei ore.

Garso bangos skirstomos į išilgines ir skersines. Garso sklidimo greitis priklauso nuo terpės tankio ir gali svyruoti gana plačiame diapazone.Vandenyje ir dujinėje terpėje, kur tankio svyravimai nėra reikšmingi, akustinės bangos sklinda išilgai, t.y. terpės dalelės sutampa su bangos judėjimo kryptimi. Tankiuose (kietuosiuose) kūnuose, be išilginių judesių, atsiranda ir tamprių šlyties deformacijų, kurios sukelia skersinių (šlyties) bangų atsiradimą; Todėl dalelės svyruoja statmenai bangos sklidimo krypčiai. Be bangos sklidimo krypties, svarbų vaidmenį atlieka ir akustinis pasipriešinimas bei terpės slėgis. Be to, garso greitis priklauso ir nuo tokių veiksnių kaip medžiagų suspaudžiamumas.

Būtent po vandeniu garsas sklinda greičiau nei ore, penkis kartus greičiau.

Net banginiai girdi vienas kitą 5 kilometrų atstumu.

Taigi kodėl garsas po vandeniu sklinda greičiau? Viskas priklauso nuo tankio!

Vandens tankis yra didesnis nei oro, bet ir mažesnis nei metalo. Atitinkamai, garsai bus perduodami skirtingai.

Tačiau garso bangos gali sklisti net ir elastingose ​​terpėse, pavyzdžiui, priglaudę ausį prie žemės, girdėsite žingsnių garsą, kanopų trenksmą, važiuojantį automobilį ir dar daugiau.

Garsas – tai mechaniniai virpesiai, perduodami bet kokioje terpėje ir suvokiami pojūčiais. Dėl fizines savybes skirtingose ​​aplinkose, skiriasi garso virpesių sklidimo greitis. Kuo tankesnė terpė, tuo didesnis garso perdavimo greitis.Užduoties atsakymas: Garso bangos vandenyje sklinda greičiau nei ore, dėl to, kad vandens tankis didesnis.

IN svarus vanduo garso greitis siekia 1500 metrų per sekundę, o šiltesniame ir sūresniame vandenyje didėja. Vanduo yra tankesnis už orą, todėl garsas sklinda greičiau. Be to, žmogus garsą po vandeniu suvokia per kaukolės kaulus, o garsą suvokia abi ausys, todėl atrodo, kad garsai sklinda iš visų pusių.

>>Fizika: garsas įvairiose aplinkose

Kad garsas sklistų, reikalinga elastinga terpė. Vakuume garso bangos negali sklisti, nes ten nėra ko vibruoti. Tai galima patikrinti paprasta patirtimi. Jei elektrinį varpą pastatysime po stikliniu varpeliu, tada iš po varpelio išsiurbiant orą pastebėsime, kad skambesys vis silpnės, kol visiškai sustos.

Garsas dujose. Yra žinoma, kad perkūnijos metu pirmiausia išvystame žaibo blyksnį ir tik po kurio laiko išgirstame griaustinio griaustinį (52 pav.). Šis delsimas atsiranda dėl to, kad garso greitis ore yra daug mažesnis nei šviesos greitis, sklindantis iš žaibo.

Pirmą kartą garso greitį ore 1636 metais išmatavo prancūzų mokslininkas M. Mersenne'as. Esant 20 °C temperatūrai jis lygus 343 m/s, t.y. 1235 km/val. Atkreipkite dėmesį, kad būtent iki šios vertės sumažėja kulkos, paleistos iš Kalašnikovo kulkosvaidžio (PK), greitis 800 m atstumu. Pradinis kulkos greitis – 825 m/s, o tai gerokai viršija garso greitį ore. Todėl žmogui, išgirdančiam šūvio garsą ar kulkos švilpimą, nereikia jaudintis: ši kulka jį jau pralenkė. Kulka pranoksta šūvio garsą ir pasiekia auką prieš garsui pasigirdus.

Garso greitis priklauso nuo terpės temperatūros: kylant oro temperatūrai jis didėja, o mažėjant – mažėja. Esant 0 °C, garso greitis ore yra 331 m/s.

Įvairiose dujose garsas sklinda kartu skirtingu greičiu. Kuo didesnė dujų molekulių masė, tuo mažesnis garso greitis joje. Taigi, esant 0 °C temperatūrai, garso greitis vandenilyje yra 1284 m/s, helio - 965 m/s, o deguonyje - 316 m/s.

Garsas skysčiuose. Garso greitis skysčiuose paprastai yra didesnis nei garso greitis dujose. Pirmą kartą garso greitį vandenyje 1826 metais išmatavo J. Colladon ir J. Sturm. Savo eksperimentus jie atliko Ženevos ežere Šveicarijoje (53 pav.). Viename laive jie padegė paraką ir tuo pačiu trenkė į vandenį nuleistą varpą. Šio varpo garsas, naudojant specialų ragelį, taip pat nuleistą į vandenį, buvo užfiksuotas kitoje valtyje, kuri buvo 14 km atstumu nuo pirmosios. Remiantis laiko intervalu nuo šviesos blyksnio iki garso signalo atvykimo, buvo nustatytas garso greitis vandenyje. Esant 8 °C temperatūrai paaiškėjo, kad maždaug 1440 m/s.

Ant ribos tarp dviejų skirtingos aplinkos Dalis garso bangos atsispindi, o dalis keliauja toliau. Garsui pereinant iš oro į vandenį, 99,9% garso energijos atsispindi atgal, tačiau slėgis garso bangoje, perduodamoje į vandenį, yra beveik 2 kartus didesnis. Žuvies klausos sistema reaguoja būtent į tai. Todėl, pavyzdžiui, riksmai ir triukšmai virš vandens paviršiaus yra teisingu keliu atbaidyti jūros gyvius. Po vandeniu atsidūręs žmogus nuo šių riksmų neapkurts: panardinus į vandenį jo ausyse liks oro „kamštukai“, išgelbėsiantys nuo garso perkrovos.

Kai garsas pereina iš vandens į orą, 99,9% energijos vėl atsispindi. Bet jei perėjus iš oro į vandenį garso slėgis padidėjo, dabar, atvirkščiai, jis smarkiai sumažėja. Būtent dėl ​​šios priežasties, pavyzdžiui, garsas, atsirandantis po vandeniu, kai vienas akmuo atsitrenkia į kitą, žmogaus nepasiekia ore.

Toks garso elgesys ties vandens ir oro riba suteikė mūsų protėviams pagrindą laikyti povandeninį pasaulį „tylos pasauliu“. Iš čia ir posakis: „Nutilęs kaip žuvis“. Tačiau Leonardo da Vinci taip pat pasiūlė klausytis povandeninių garsų priglaudus ausį prie į vandenį nuleisto irklo. Naudodami šį metodą galite įsitikinti, kad žuvys iš tikrųjų yra gana kalbios.

Garsas įeina kietosios medžiagos . Garso greitis kietose medžiagose yra didesnis nei skysčiuose ir dujose. Jei pridėsite ausį prie bėgelio, atsitrenkę į kitą bėgelio galą išgirsite du garsus. Vienas iš jų jūsų ausį pasieks geležinkeliu, kitas – oru.

Žemė turi gerą garso laidumą. Todėl senais laikais apgulties metu tvirtovės sienose būdavo statomi „klausytojai“, kurie pagal žemės sklindantį garsą galėdavo nustatyti, ar priešas kapsto sienas, ar ne. Priglaudę ausis prie žemės, jie taip pat stebėjo priešo kavalerijos artėjimą.

Kietosios medžiagos gerai praleidžia garsą. Dėl to klausą praradę žmonės kartais gali šokti pagal juos pasiekiančią muziką. klausos nervai ne per orą ir išorinę ausį, o per grindis ir kaulus.

1. Kodėl per perkūniją pirmiausia matome žaibą ir tik tada išgirstame griaustinį? 2. Nuo ko priklauso garso greitis dujose? 3. Kodėl ant upės kranto stovintis žmogus negirdi po vandeniu sklindančių garsų? 4. Kodėl "klausytojai", senovėje stebėję priešo kasimo darbus, dažnai buvo akli žmonės?

Eksperimentinė užduotis . Viename gale uždėkite lentą (arba ilgą medinę liniuotę). rankinis laikrodis, priglauskite ausį prie kito galo. Ką tu girdi? Paaiškinkite reiškinį.

S.V. Gromovas, N.A. Rodina, fizika 8 kl

Pateikė skaitytojai iš interneto svetainių

Fizikos planavimas, fizikos pamokų užrašų planai, mokyklos programa, fizikos vadovėliai ir knygos 8 klasei, fizikos kursai ir užduotys 8 klasei

Ilgais atstumais garso energija sklinda tik švelniais spinduliais, kurie neliečia vandenyno dugno per visą kelią. Šiuo atveju aplinkos nustatytas garso sklidimo diapazono apribojimas yra jo sugertis jūros vandenyje. Pagrindinis absorbcijos mechanizmas yra susijęs su atsipalaidavimo procesais, lydinčiais termodinaminės pusiausvyros tarp vandenyje ištirpusių jonų ir druskų molekulių trikdymą akustine banga. Pažymėtina, kad pagrindinis vaidmuo sugeriant plačiame garso dažnių diapazone tenka magnio sieros druskai MgSO4, nors procentais jos kiekis jūros vandenyje yra labai mažas – beveik 10 kartų mažesnis nei, pavyzdžiui, NaCl akmens druskos. , kuris vis dėlto neatlieka jokio reikšmingo vaidmens garso sugertyje.

Paprastai kalbant, sugertis jūros vandenyje yra didesnė, kuo didesnis garso dažnis. Dažniu nuo 3-5 iki bent jau 100 kHz, kur dominuoja aukščiau minėtas mechanizmas, sugertis yra proporcinga dažniui iki maždaug 3/2 galios. Esant žemesniems dažniams, įsijungia naujas absorbcijos mechanizmas (galbūt dėl ​​boro druskų buvimo vandenyje), kuris tampa ypač pastebimas šimtų hercų diapazone; čia absorbcijos lygis yra anomaliai aukštas ir mažėjant dažniui krenta žymiai lėčiau.

Norėdami aiškiau įsivaizduoti kiekybines sugerties jūros vandenyje charakteristikas, pažymime, kad dėl šio poveikio garsas, kurio dažnis yra 100 Hz, 10 tūkstančių km trajektorijoje susilpnėja 10 kartų, o 10 kHz dažniu - atstumas tik 10 km (2 pav.). Taigi, tik žemo dažnio garso bangos gali būti naudojamos tolimam povandeniniam ryšiui, tolimojo povandeninių kliūčių aptikimui ir kt.

2 pav. – Atstumai, kuriais skirtingo dažnio garsai, sklindant jūros vandenyje, susilpnėja 10 kartų.

20-2000 Hz dažnių diapazono girdimų garsų srityje vidutinio intensyvumo garsų sklidimo diapazonas po vandeniu siekia 15-20 km, o ultragarso srityje - 3-5 km.

Remiantis garso slopinimo reikšmėmis, stebimomis laboratorinėmis sąlygomis esant nedideliam vandens kiekiui, galima tikėtis žymiai didesnių diapazonų. Tačiau į gamtinės sąlygos Be silpimo, kurį sukelia paties vandens savybės (vadinamasis klampus slopinimas), jį veikia ir jo sklaida bei absorbcija dėl įvairių terpės nehomogeniškumo.

Garso lūžį, arba garso pluošto kelio kreivumą, lemia vandens savybių nevienalytiškumas, daugiausia vertikaliai, dėl trijų pagrindinių priežasčių: hidrostatinio slėgio pokyčių gylio, druskingumo pokyčių ir temperatūros pokyčių dėl nevienodo poveikio. vandens masės kaitinimas saulės spinduliais. Dėl šių priežasčių bendro poveikio garso sklidimo greitis, kuris yra apie 1450 m/sek gėlo vandens ir apie 1500 m/sek jūros vandens, kinta kartu su gyliu, o kitimo dėsnis priklauso nuo laiko. metų, paros laiko, rezervuaro gylio ir daugelio kitų priežasčių. Garso spinduliai, kylantys iš šaltinio tam tikru kampu į horizontą, yra sulenkiami, o vingio kryptis priklauso nuo garso greičių pasiskirstymo terpėje. Vasarą, kai viršutiniai sluoksniai yra šiltesni nei apatiniai, spinduliai lenkiasi žemyn ir dažniausiai atsispindi nuo apačios, prarasdami didelę dalį savo energijos. Priešingai, žiemą, kai apatiniai vandens sluoksniai palaiko savo temperatūrą, o viršutiniai sluoksniai vėsta, spinduliai linksta aukštyn ir patiria daugybinį atspindį nuo vandens paviršiaus, per kurį prarandama daug mažiau energijos. Todėl žiemą garso sklidimo diapazonas yra didesnis nei vasarą. Dėl refrakcijos vadinamos negyvos zonos, t. y. zonos, esančios arti šaltinio, kuriose nėra girdėjimo.

Tačiau dėl lūžio gali padidėti garso sklidimo diapazonas – tai reiškinys, kai po vandeniu garsai sklinda labai dideliais atstumais. Tam tikrame gylyje žemiau vandens paviršiaus yra sluoksnis, kuriame garsas sklinda mažiausiu greičiu; Virš šio gylio garso greitis didėja dėl temperatūros padidėjimo, o žemiau šio gylio – dėl hidrostatinio slėgio padidėjimo kartu su gyliu. Šis sluoksnis yra savotiškas povandeninis garso kanalas. Spindulys, nukrypęs nuo kanalo ašies aukštyn arba žemyn, dėl lūžio, visada linkęs į jį kristi atgal. Jei į šį sluoksnį patalpinsite garso šaltinį ir imtuvą, net vidutinio intensyvumo garsai (pavyzdžiui, nedidelių, 1–2 kg svorio) užtaisų sprogimai gali būti įrašomi šimtų ir tūkstančių km atstumu. Esant povandeniniam garso kanalui galima pastebėti reikšmingą garso sklidimo diapazono padidėjimą, kai garso šaltinis ir imtuvas yra nebūtinai šalia kanalo ašies, o, pavyzdžiui, arti paviršiaus. Tokiu atveju spinduliai, lūždami žemyn, patenka į giliavandenius sluoksnius, kur nukreipiami į viršų ir vėl išeina į paviršių kelių dešimčių kilometrų atstumu nuo šaltinio. Toliau kartojamas spindulių sklidimo modelis ir dėl to susidaro vadinamųjų spindulių seka. antrinės apšviestos zonos, kurios dažniausiai atsekamos kelių šimtų km atstumu.

Aukšto dažnio garsų, ypač ultragarso, sklidimui, kai bangos ilgiai yra labai maži, įtakos turi maži nehomogeniškumas, paprastai aptinkamas natūraliuose vandens telkiniuose: mikroorganizmai, dujų burbuliukai ir kt. Šie nehomogeniškumas veikia dviem būdais: jie sugeria ir išsklaido garso bangų energiją. Dėl to, didėjant garso virpesių dažniui, mažėja jų sklidimo diapazonas. Šis poveikis ypač pastebimas paviršiniame vandens sluoksnyje, kur daugiausia nehomogeniškumo. Garso sklaida dėl nehomogeniškumo, taip pat nelygūs vandens ir dugno paviršiai sukelia povandeninio aidėjimo reiškinį, kuris lydi garso impulso siuntimą: garso bangos, atsispindinčios nuo nehomogeniškumo rinkinio ir susiliejančios, sukelia garso impulso pailgėjimas, kuris tęsiasi jam pasibaigus, panašus į aidėjimą, stebimą uždarose erdvėse. Povandeninė aidėjimas yra gana reikšmingas trikdymas daugeliui praktinių hidroakustikos pritaikymų, ypač sonarų.

Povandeninių garsų sklidimo diapazoną riboja ir vadinamieji. jūros triukšmai, kurių kilmė yra dvejopa. Dalis triukšmo kyla dėl bangų poveikio vandens paviršiui, banglenčių jūroje, riedančių akmenukų triukšmo ir kt. Kita dalis susijusi su jūrų fauna; Tai apima žuvų ir kitų jūros gyvūnų skleidžiamus garsus.