Merivesi on akustisesti epähomogeeninen väliaine. Meriveden heterogeenisuus koostuu tiheyden muutoksista syvyyden myötä, kaasukuplien, suspendoituneiden hiukkasten ja planktonin esiintymisestä vedessä. Siksi leviäminen meriveden akustiset värähtelyt (ääni) on monimutkainen ilmiö, joka riippuu tiheysjakaumasta (lämpötila, suolaisuus, paine), meren syvyydestä, maaperän luonteesta, merenpinnan tilasta, veden sameudesta suspendoituneiden epäpuhtauksien kanssa. orgaanista ja epäorgaanista alkuperää ja liuenneiden kaasujen läsnäoloa.

Ääni laajassa merkityksessä on elastisen väliaineen hiukkasten värähtelevää liikettä, joka etenee aaltojen muodossa kaasumaisessa, nestemäisessä tai kiinteässä väliaineessa; suppeassa merkityksessä ilmiö, jonka ihmisten ja eläinten erityinen aistielin havaitsee subjektiivisesti. Henkilö kuulee äänen taajuudella 16 Hz - 16-20 × 10 3 Hz . Äänen fyysinen käsite kattaa sekä kuultavat että ei-kuuluvat äänet. Ääni, jonka taajuus on alle 16 Hz kutsutaan infraääneksi , yli 20 × 10 3 Hz - ultraääni ; korkeimman taajuuden akustiset värähtelyt alueella 10 9 - 10 12 - 10 13 Hz viitata hyperääni.

Äänen eteneminen vedessä edustaa veden jaksoittaista puristumista ja harventumista ääniaallon liikesuunnassa. Värähtelevän liikkeen siirtymisnopeus vesihiukkasesta toiseen kutsutaan äänen nopeudeksi. Nesteiden ja kaasujen äänennopeuden teoreettinen kaava on: c = , missä α on ominaistilavuus, γ = - vakiopaineisen veden lämpökapasiteetin c p suhde vakiotilavuudessa olevan veden lämpökapasiteettiin c v, joka on suunnilleen yhtä suuri kuin yksikkö, k on meriveden todellinen kokoonpuristuvuuskerroin.

Veden lämpötilan noustessa äänen nopeus kasvaa sekä ominaisvoimakkuuden kasvun että puristuvuuskertoimen pienenemisen vuoksi. Siksi lämpötilan vaikutus äänennopeuteen on suurin muihin tekijöihin verrattuna. Kun veden suolapitoisuus muuttuu, muuttuvat myös ominaistilavuus ja puristuvuuskerroin. Mutta näiden muutosten aiheuttamilla korjauksilla äänen nopeuteen on erilaisia ​​merkkejä. Siksi suolapitoisuuden muutosten vaikutus äänen nopeuteen on pienempi kuin lämpötilan vaikutus. Hydrostaattinen paine vaikuttaa vain äänen nopeuden pystysuuntaiseen muutokseen, äänen nopeus kasvaa syvyyden myötä.

Äänen nopeus ei riipu äänilähteen voimakkuudesta.

Teoreettisen kaavan avulla on koottu taulukoita, joiden avulla on mahdollista määrittää äänen nopeus veden lämpötilan ja suolapitoisuuden perusteella ja korjata sitä paineen suhteen. Teoreettinen kaava antaa kuitenkin äänen nopeuden arvot, jotka eroavat mitatuista keskimäärin ±4 m·s -1. Siksi käytännössä käytetään empiirisiä kaavoja, joista yleisimpiä ovat kaavat Del Grosso ja W. Wilson, varmistaa vähiten virheitä.

Del Grosson kaavalla laskettu äänennopeuden virhe ei ylitä arvoa 0,5 m·s -1 vesille, joiden suolapitoisuus on yli 15‰ ja 0,8 m·s -1 vesille, joiden suolapitoisuus on alle 15 ‰.

Wilsonin kaava, jonka hän ehdotti vuonna 1960, antaa suuremman tarkkuuden kuin Del Grosson kaava. Se on rakennettu Bjerknesin kaavan rakentamisen periaatteelle ehdollisen ominaistilavuuden laskemiseksi in situ, ja sen muoto on:

c = 1449,14 + δс p + δс t + δс s + δс stp ,

missä δс p on paineen korjaus, δс t on lämpötilan korjaus, δс s on suolaisuuden korjaus ja δс stp on paineen, lämpötilan ja suolaisuuden kokonaiskorjaus.

Neliön keskiarvovirhe laskettaessa äänen nopeutta Wilsonin kaavalla on 0,3 m·s -1.

Vuonna 1971 ehdotettiin toista kaavaa äänen nopeuden laskemiseksi mitatuista T, S ja P arvoista ja hieman erilaisista korjausarvoista:

c = 1449,30 + δс p + δс t + δс s + δс stp ,

Kaikuluotaimella syvyyttä mitatessa lasketaan kerrosten keskiarvoinen äänennopeus, jota kutsutaan äänen pystynopeudeksi. Se määritetään kaavalla, jossa on stp
,

missä c i on äänen keskinopeus kerroksessa, jonka paksuus on h i .

Äänen nopeus merivedessä lämpötilassa 13 0 C, paineessa 1 atm ja suolapitoisuudessa 35‰ on 1494 m s -1; kuten jo todettiin, se kasvaa lämpötilan (3 m s -1 per 1 0 C), suolaisuuden (1,3 m s -1 per 1 ‰) ja paineen (0,016 m s -1 per 1 m syvyys) noustessa. Se on noin 4,5 kertaa ilmakehän äänen nopeus (334 m s -1). Äänen keskinopeus Maailmanmerellä on noin 1500 m s -1 ja sen vaihteluväli on 1430 - 1540 m s -1 valtameren pinnalla ja 1570 - 1580 m s -1 yli 7 kilometrin syvyydessä.

Ääniaallot kulkevat meriveden läpi värähtelynä tai paineaaltoina. Nämä ovat mekaanisia pitkittäisiä aaltoja. Elastisessa väliaineessa, kuten merivedessä, ne synnyttävät hiukkasten jaksoittaista puristumista ja harvenemista, minkä seurauksena jokainen hiukkanen liikkuu aallon etenemissuunnan suuntaisesti. Väliaineen kimmoisuudelle on ominaista aalto-akustinen vastus, joka määritellään väliaineen tiheyden ja ääniaaltojen etenemisnopeuden tulona. Tämän suhteen avulla voimme arvioida väliaineen jäykkyyttä, joka merivedellä on 3500 kertaa suurempi kuin ilmalla. Siksi saman paineen luomiseksi meriveteen kuin ilmaan tarvitaan paljon vähemmän energiaa.

Elastisten pitkittäisten aaltojen etenemisnopeus on äänen nopeus. Merivedessä äänen nopeus vaihtelee välillä 1450-1540 m/s. Ihmiskorva havaitsee ne värähtelytaajuudella 16-20 000 Hz. Kuulokynnyksen ylittäviä tärinöitä kutsutaan ultraääni", Ultraäänen ominaisuudet määräytyvät sen korkean taajuuden ja lyhyen aallonpituuden perusteella. Kutsutaan tärinää, jonka taajuus on alle kuuluvuuskynnyksen infraääni. Meriympäristön ääniaaltoja kiihottavat luonnolliset ja keinotekoiset lähteet. Ensiksi mainituista tärkeä rooli on meren aalloilla, tuulella, merieläinten kerääntymisellä ja niiden liikkeellä, veden liikkeellä hajoamis- ja lähentymisalueilla, maanjäristykset jne. Räjähdykset, laivojen liikkuminen, laajamittainen tieteellinen tutkimus ja tietyt tuotantotyypit voidaan nimetä keinotekoisiksi lähteiksi.

Meriveden ääniaallot kulkevat eri nopeuksilla. Se riippuu monista tekijöistä, joista tärkeimpiä ovat syvyys (paine), lämpötila, suolaisuus, vesipatsaan sisäinen rakenne, tiheyden epätasainen jakautuminen, kaasukuplat, suspendoituneet hiukkaset ja meren eliöiden kerääntyminen. Äänen etenemisnopeuteen vaikuttavat myös merenpinnan nopeasti muuttuva tila, pohjan topografia ja koostumus.

Riisi. 72. Muutos äänen nopeudessa lämpötilasta ja suolapitoisuudesta riippuen normaalissa ilmanpaineessa (A) ja paineessa O°C:ssa ja suolapitoisuudessa

35%o ( b)(127 kpl|)

pohjasedimentit. Listatut tekijät muodostavat epähomogeenisiä akustisia kenttiä, jotka synnyttävät ääniaaltojen eri etenemissuuntia ja nopeutta. Suurin vaikutus ääniaaltojen etenemisnopeuteen on meriveden paineella, lämpötilalla ja suolapitoisuudella. Nämä ominaisuudet määräävät kokoonpuristuvuuskertoimen ja sen vaihtelut aiheuttavat muutoksia äänen etenemisnopeudessa. Lämpötilan noustessa meriveden ominaistilavuus kasvaa ja puristuvuuskerroin pienenee, mikä johtaa äänen nopeuden kasvuun. Pintavesissä lämpötilan noustessa Odo 5°:sta äänennopeuden lisäys muuttuu noin 4,1 m/s, 5°:sta 10°:een 3,6 m/s ja 30°C:ssa vain 2,1 m/s. s Kanssa .

Äänen nopeus kasvaa samanaikaisesti lämpötilan, suolaisuuden ja syvyyden (paineen) noustessa. Riippuvuus ilmaistaan ​​näiden parametrien arvojen lineaarisella muutoksella (kuva 72). On todettu, että suolaisuuden lisääntyminen 1 % s ja paineen nousu 100 dbar lisää äänen nopeutta vastaavasti noin 1,2 ja 1,6 m/s. Pöydältä 30, joka esittää tietoja lämpötilan ja suolaisuuden vaikutuksesta äänen nopeuteen, tästä seuraa, että suolaisuuden lisääntyessä samassa lämpötilassa äänen nopeus kasvaa merkittävästi. Tämä nousu on erityisen havaittavissa, kun meriveden lämpötila ja suolapitoisuus kohoavat samanaikaisesti.

Jos veden lämpötila muuttuu vähän syvyyden mukaan, kuten tapahtuu Punaisellamerellä ja Weddell-merellä, äänen nopeus kasvaa ilman jyrkkää laskua alueella 700-1300 m suurimmassa osassa muita maailman valtameren alueita , tällä syvyysalueella havaitaan merkittävä äänen nopeuden lasku (kuva 73).

Taulukko 30

Äänen etenemisnopeus merivedessä (m/s) riippuen suolapitoisuudesta ja lämpötilasta

(taulukon yksinkertaistettu versio. 1.41 1511)

Äänennopeuden muutosten gradientti vesipatsaassa ei ole sama vaaka- ja pystysuunnassa. Vaakasuunnassa se on noin tuhat kertaa pienempi kuin pystysuora. Kuten L.M. Brekhovskikh ja Yu.P. Lysanov, poikkeus ovat lämpimien ja kylmien virtojen lähentymisalueet, joissa nämä gradientit ovat vertailukelpoisia.

Koska lämpötila ja suolapitoisuus eivät riipu syvyydestä, pystysuora gradientti on vakioarvo. Äänennopeudella 1450 m/s se on 0,1110 -4 m~".

Vesipatsaan paineella on merkittävä vaikutus äänen etenemisnopeuteen. Äänen nopeus kasvaa syvyyden myötä. Tämä näkyy selvästi taulukosta. 31, joka tarjoaa korjauksia äänen nopeudesta syvyyteen.

Äänennopeuden korjaus syvyydelle veden pintakerroksessa on 0,2 m/s ja 900 m syvyydessä 15,1 m/s, ts. kasvaa 75-kertaiseksi. Vesipatsaan syvissä kerroksissa

äänennopeuden korjaus pienenee paljon ja sen arvo pienenee vähitellen syvyyden kasvaessa, vaikka absoluuttisesti se on merkittävästi

Riisi. 73. Äänennopeuden muutos syvyyden kanssa joillakin Maailmanmeren alueilla (in ) ylittää pintakerroksen äänennopeuden korjauksen. Esimerkiksi 5000 metrin syvyydessä se on 443 kertaa suurempi kuin pintakerroksen.

Taulukko 31

Äänennopeuden (m/s) korjaus syvyyteen

(taulukon yksinkertaistettu versio. 1.42 151 ])

Syvyys, m	Syvyys, m

Pitkiä matkoja äänienergia kulkee vain lempeitä säteitä pitkin, jotka eivät kosketa valtameren pohjaa koko polulla. Tässä tapauksessa ympäristön asettama rajoitus äänen etenemisalueelle on sen absorptio meriveteen. Pääasiallinen absorption mekanismi liittyy relaksaatioprosesseihin, jotka liittyvät veteen liuenneiden ionien ja veteen liuenneiden suolojen välisen termodynaamisen tasapainon akustisen aallon aiheuttamaan häiriöön. On huomattava, että päärooli absorptiossa laajalla äänitaajuusalueella on magnesiumrikkisuolalla MgSO4, vaikka sen pitoisuus merivedessä on prosentteina hyvin pieni - lähes 10 kertaa pienempi kuin esimerkiksi NaCl-kivisuolan. , jolla ei kuitenkaan ole merkittävää roolia äänen absorptiossa.

Yleisesti ottaen absorptio meriveteen on sitä suurempi mitä korkeampi äänitaajuus. Taajuuksilla 3-5 - vähintään 100 kHz, joissa yllä oleva mekanismi hallitsee, absorptio on verrannollinen taajuuteen noin 3/2 tehoon. Matalilla taajuuksilla aktivoituu uusi absorptiomekanismi (mahdollisesti johtuen boorisuoloista vedessä), mikä tulee erityisen havaittavaksi satojen hertsien alueella; tässä absorptiotaso on poikkeuksellisen korkea ja laskee huomattavasti hitaammin taajuuden pienentyessä.

Meriveden absorption kvantitatiivisten ominaisuuksien selvemmin kuvittelemiseksi huomaamme, että tämän vaikutuksen vuoksi ääni, jonka taajuus on 100 Hz, vaimenee 10 kertaa 10 tuhannen km:n matkalla ja taajuudella 10 kHz - vain 10 km:n etäisyys (kuva 2). Siten vain matalataajuisia ääniaaltoja voidaan käyttää pitkän matkan vedenalaiseen viestintään, pitkän matkan vedenalaisten esteiden havaitsemiseen jne.

Kuva 2 - Etäisyydet, joilla eri taajuuksiset äänet vaimentuvat 10 kertaa merivedessä eteneessään.

Taajuusalueella 20-2000 Hz kuuluvien äänien alueella keskiintensiteetin äänien etenemisalue veden alla on 15-20 km ja ultraäänialueella - 3-5 km.

Laboratorio-olosuhteissa pienissä vesimäärissä havaittujen äänenvaimennusarvojen perusteella voisi odottaa huomattavasti suurempia alueita. Luonnollisissa olosuhteissa itse veden ominaisuuksista johtuvan vaimennuksen (ns. viskoosin vaimennuksen) lisäksi siihen vaikuttaa kuitenkin myös sen sironta ja imeytyminen väliaineen erilaisista epähomogeenisuuksista.

Äänen taittuminen eli äänisäteen polun kaarevuus johtuu veden ominaisuuksien heterogeenisyydestä, pääasiassa pystysuorassa, johtuen kolmesta pääasiallisesta syystä: hydrostaattisen paineen muutokset syvyyden myötä, suolapitoisuuden muutokset ja lämpötilan vaihtelut epätasaisuudesta johtuen. vesimassan kuumennus auringonsäteiden vaikutuksesta. Näiden syiden yhteisvaikutuksen seurauksena äänen etenemisnopeus, joka on makealla vedellä noin 1450 m/s ja merivedellä noin 1500 m/s, muuttuu syvyyden mukaan ja muutoslaki riippuu ajasta. vuodesta, vuorokaudenajasta, säiliön syvyydestä ja useista muista syistä. Lähteestä tietyssä kulmassa horisonttiin tulevat äänisäteet taivutetaan, ja taipumisen suunta riippuu äänen nopeuden jakautumisesta väliaineessa. Kesällä, kun ylemmät kerrokset ovat lämpimämpiä kuin alemmat, säteet taipuvat alaspäin ja heijastuvat enimmäkseen pohjasta menettäen merkittävän osan energiastaan. Päinvastoin, talvella, kun alemmat vesikerrokset säilyttävät lämpötilansa, kun taas ylemmät kerrokset jäähtyvät, säteet taipuvat ylöspäin ja heijastuvat useasti veden pinnalta, jolloin energiaa menetetään paljon vähemmän. Siksi talvella äänen etenemisalue on suurempi kuin kesällä. Taittumisen vuoksi ns kuolleet alueet, eli alueet, jotka sijaitsevat lähellä lähdettä ja joilla ei ole kuultavuutta.

Taittumisen esiintyminen voi kuitenkin johtaa äänen etenemisalueen kasvuun - ilmiöön, jossa äänet etenevät veden alla erittäin pitkälle. Jossain syvyydessä veden pinnan alla on kerros, jossa ääni kulkee pienimmällä nopeudella; Tämän syvyyden yläpuolella äänen nopeus kasvaa lämpötilan nousun vuoksi ja tämän syvyyden alapuolella hydrostaattisen paineen lisääntymisen vuoksi syvyyden myötä. Tämä kerros on eräänlainen vedenalainen äänikanava. Kanavan akselilta ylös- tai alaspäin taittumisen vuoksi poikkesi säde pyrkii aina putoamaan takaisin siihen. Jos sijoitat äänen lähteen ja vastaanottimen tähän kerrokseen, jopa keskivoimaiset äänet (esimerkiksi 1-2 kg:n pienten varausten räjähdykset) voidaan tallentaa satojen ja tuhansien kilometrien etäisyyksiltä. Merkittävä äänen etenemisalueen lisääntyminen vedenalaisen äänikanavan läsnä ollessa on havaittavissa, kun äänen lähde ja vastaanotin eivät ole välttämättä lähellä kanavan akselia, vaan esimerkiksi lähellä pintaa. Tässä tapauksessa alaspäin taittuvat säteet menevät syvänmeren kerroksiin, joissa ne poikkeavat ylöspäin ja poistuvat jälleen pintaan useiden kymmenien kilometrien etäisyydellä lähteestä. Seuraavaksi säteen etenemiskuvio toistetaan ja tuloksena muodostuu ns. säteiden sarja. toissijaiset valaistut vyöhykkeet, jotka yleensä jäljitetään useiden satojen kilometrien etäisyyksille.

Korkeataajuisten äänien, erityisesti ultraäänien, etenemiseen, kun aallonpituudet ovat hyvin pieniä, vaikuttavat pienet epähomogeenisuudet, joita tavallisesti esiintyy luonnollisissa vesistöissä: mikro-organismit, kaasukuplat jne. Nämä epähomogeenisuudet toimivat kahdella tavalla: ne absorboivat ja sirottavat ääniaaltojen energiaa. Tämän seurauksena äänen värähtelyjen taajuuden kasvaessa niiden etenemisalue pienenee. Tämä vaikutus on erityisen havaittavissa veden pintakerroksessa, jossa on eniten epähomogeenisuutta. Epähomogeenisuuksien sekä veden ja pohjan epätasaisten pintojen aiheuttama äänen sironta aiheuttaa vedenalaisen kaiuntailmiön, joka liittyy ääniimpulssin lähettämiseen: epähomogeenisuusjoukosta heijastuvat ja sulautuvat ääniaallot synnyttävät ääniimpulssin piteneminen, joka jatkuu sen päättymisen jälkeen, samalla tavalla kuin suljetuissa tiloissa havaittu jälkikaiunta. Vedenalainen jälkikaiunta on melko merkittävä häiriö useissa käytännön hydroakustiikan sovelluksissa, erityisesti luotain.

Vedenalaisten äänten leviämisaluetta rajoittaa myös ns. meren omia ääniä, joilla on kaksi alkuperää. Osa melusta tulee aaltojen vaikutuksesta veden pintaan, meren surffauksesta, vierivien kivien melusta jne. Toinen osa liittyy meren eläimistöön; Tämä sisältää kalojen ja muiden merieläinten äänet.

Ääni on yksi osa elämäämme, ja ihmiset kuulevat sen kaikkialla. Jotta voimme tarkastella tätä ilmiötä yksityiskohtaisemmin, meidän on ensin ymmärrettävä itse käsite. Tätä varten sinun on käännyttävä tietosanakirjaan, jossa kirjoitetaan, että "ääni on elastisia aaltoja, jotka etenevät jossain elastisessa väliaineessa ja luovat siihen mekaanisia värähtelyjä." Yksinkertaisemmin sanottuna nämä ovat kuultavia tärinöitä missä tahansa ympäristössä. Äänen pääominaisuudet riippuvat siitä, mikä se on. Ensinnäkin etenemisnopeus esimerkiksi vedessä eroaa muista ympäristöistä.

Kaikilla äänianalogeilla on tiettyjä ominaisuuksia (fyysisiä ominaisuuksia) ja ominaisuuksia (näiden ominaisuuksien heijastus ihmisen aistimuksissa). Esimerkiksi kesto-kesto, taajuus-korkeus, sävellys-sävy ja niin edelleen.

Äänen nopeus vedessä on paljon suurempi kuin esimerkiksi ilmassa. Näin ollen se leviää nopeammin ja kuuluu paljon kauemmas. Tämä johtuu vesiympäristön korkeasta molekyylitiheydestä. Se on 800 kertaa tiheämpi kuin ilma ja teräs. Tästä seuraa, että äänen eteneminen riippuu suurelta osin väliaineesta. Katsotaanpa tiettyjä lukuja. Näin ollen äänen nopeus vedessä on 1430 m/s, ilmassa - 331,5 m/s.

Matalataajuinen ääni, esimerkiksi käynnissä olevan laivan moottorin aiheuttama melu, kuuluu aina jonkin verran aikaisemmin kuin laiva näkyy näköalueella. Sen nopeus riippuu useista asioista. Jos veden lämpötila nousee, luonnollisesti äänen nopeus vedessä kasvaa. Sama tapahtuu veden suolaisuuden ja paineen lisääntyessä, mikä lisääntyy veden syvyyden kasvaessa. Termokliinien kaltaisella ilmiöllä voi olla erityinen rooli nopeuteen. Nämä ovat paikkoja, joissa esiintyy erilämpöisiä vesikerroksia.

Myös sellaisissa paikoissa se on erilainen (lämpötilaeron vuoksi). Ja kun ääniaallot kulkevat tällaisten eritiheyksien kerrosten läpi, ne menettävät suurimman osan voimastaan. Kun ääniaalto osuu termokliiniin, se heijastuu osittain tai joskus kokonaan (heijastusaste riippuu kulmasta, johon ääni putoaa), minkä jälkeen tämän paikan toiselle puolelle muodostuu varjovyöhyke. Jos tarkastellaan esimerkkiä, jossa äänilähde sijaitsee vesistössä termokliinin yläpuolella, sen alla ei ole vain vaikeaa, vaan melkein mahdotonta kuulla mitään.

Ne, jotka vapautuvat pinnan yläpuolelle, eivät koskaan kuulu itse vedessä. Ja päinvastoin tapahtuu vesikerroksen alla: sen yläpuolella ei kuulu ääntä. Näyttävä esimerkki tästä on nykyaikaiset sukeltajat. Heidän kuulonsa heikkenee huomattavasti, koska vesi vaikuttaa heihin, ja veden suuri äänennopeus heikentää sen liikkumissuunnan määrittämisen laatua. Tämä vaimentaa stereofonista kykyä havaita ääntä.

Vesikerroksen alla se tulee ihmisen korvaan ennen kaikkea pään kallon luiden kautta, ei, kuten ilmakehässä, tärykalvojen kautta. Tämän prosessin tulos on sen havaitseminen molemmilla korvilla samanaikaisesti. Tällä hetkellä ihmisen aivot eivät pysty erottamaan paikkoja, mistä signaalit tulevat ja millä voimakkuudella. Tuloksena on tietoisuuden ilmaantuminen, että ääni näyttää vierähtävän sisään kaikilta puolilta samanaikaisesti, vaikka näin ei olekaan.

Yllä kuvattujen lisäksi ääniaalloilla on vedessä ominaisuuksia, kuten absorptio, hajoaminen ja dispersio. Ensimmäinen on se, kun äänen voimakkuus suolaisessa vedessä häviää vähitellen vesiympäristön ja siinä olevien suolojen kitkan vuoksi. Ero ilmenee äänen etäisyydellä sen lähteestä. Se näyttää liukenevan avaruuteen kuin valo, ja sen seurauksena sen intensiteetti laskee merkittävästi. Ja värähtelyt katoavat kokonaan kaikenlaisten esteiden ja ympäristön epähomogeenisuuksien aiheuttaman hajaantumisen vuoksi.

Äänen nopeus

Jos sen hiukkasten mekaaniset värähtelyt (puristus ja harventaminen) virittyvät meriveteen, niin niiden välisen vuorovaikutuksen vuoksi nämä värähtelyt alkavat levitä vedessä hiukkasesta hiukkaseen tietyllä nopeudella Kanssa. Värähtelyn etenemisprosessia avaruudessa kutsutaan Aalto. Aalto ei kuljeta nesteen hiukkasia, joissa aalto etenee, ne vain värähtelevät tasapainoasemiensa ympärillä. Riippuen hiukkasten värähtelyjen suunnasta suhteessa aallon etenemissuuntaan, ne erotetaan toisistaan pituussuuntainen Ja poikittaiset aallot. Vedessä voi esiintyä vain pitkittäisiä aaltoja, eli niitä aaltoja, joissa hiukkasten värähtely tapahtuu aallon etenemissuunnassa. Pitkittäiset aallot liittyvät elastisen väliaineen tilavuusmuodonmuutokseen. Poikittaisaaltojen (hiukkasten, jotka värähtelevät poikittain etenemissuuntaan) muodostumista ei tapahdu vedessä, koska niitä syntyy vain väliaineessa, joka kestää leikkausmuodonmuutoksia. Vedellä ei ole tätä ominaisuutta.

Ääniaallot vedessä eteneviä heikkoja häiriöitä kutsutaan värähtelyiksi, joilla on pieni amplitudi.

Ääniaaltojen etenemisprosessi (äänen nopeus), suuresta värähtelytaajuudesta johtuen se on adiabaattinen, eli siihen ei liity lämmönvaihtoa. Tässä suhteessa merivesi on akustisesta näkökulmasta samanlainen kuin ihanteellinen kaasu. Toisin kuin ilma, merivesi absorboi heikosti äänivärähtelyn energiaa. Lisäksi äänen nopeus vedessä on käytännössä riippumaton värähtelytaajuudesta, eli aaltodispersiota ei ole.

Kuten fysiikasta tiedetään, äänen etenemisnopeus jatkuvassa elastisessa väliaineessa määräytyy kaavalla:

jossa K = - = p 0-(f/f)| - adiabaattinen tilavuusmoduuli

elastisuus, po - häiriöttömän väliaineen tiheys, k„ - adiabaattisen kokoonpuristuvuuden kerroin. Koska sekä bulkkikimmomoduuli K että häiriöttömän meriveden tiheys riippuvat sen suolaisuudesta, lämpötilasta ja hydrostaattisesta paineesta, myös äänen nopeus määräytyy näiden tilaparametrien mukaan (kuva 5.4).

Riisi. 5.4 Meriveden äänennopeuden (m s 1) riippuvuus suolaisuudesta ja lämpötilasta ilmanpaineessa (a), paineessa ja lämpötilassa S = 35 psu (b). Laskelmissa käytettiin US-80

Paine, dbar

Muunnetaan kaava (5.10) niin, että se sisältää laskelmiin sopivat suureet. Tätä varten kirjoitetaan uudelleen kohtaan (5.10) sisältyvä derivaatta seuraavasti:

Vertaamalla tätä lauseketta lausekkeeseen (5.7), saamme:

missä v on ominaistilavuus, k on isoterminen nesteytyskerroin

kohtuuhintaisuus, y =- - ominaislämpökapasiteetin suhde -

vakiopaine ja tilavuus.

Yhtälöä (5.11), jos käytämme tilan US -80 yhtälöä, voidaan muokata:

missä Г on adiabaattinen lämpötilagradientti.

Kaavaa (5.12) käytetään äänen nopeuden laskemiseen ja sitä kutsutaan teoreettinen. Sitä käytettiin kuuluisten Matthewsin äänennopeustaulukoiden sekä O.I. Mamaev ja jotkut muut.

Teoreettisen kaavan (5.12) lisäksi on olemassa empiirisiä kaavoja äänen nopeuden määrittämiseen, jotka perustuvat nykyaikaisiin laboratoriomenetelmiin sen mittaamiseksi. Luotettavimpina niistä voidaan pitää V. Wilsonin, V. Del Grosson ja K. Chen-F. Millero.

Äänennopeuden laskettujen arvojen mukaan jälkimmäinen on lähinnä US-80:n teoreettisia arvoja. Se näyttää:

40 ps (PShS-78), lämpötila - 0 - 40 ° C (MShPT-68) ja paine - 0 - 1000 bar. Paine R tulee (5.14) pylväinä.

Meriveden lämpötilan muutokset vaikuttavat eniten äänen etenemisnopeuden muutoksiin. Kun se kasvaa, kimmokerroin K kasvaa ja tiheys po pienenee, mikä johtaa (5.10) mukaan äänen nopeuden kasvuun. Samaan aikaan nopeuden muutos 1°C lämpötilan muutoksella pienenee korkeissa lämpötiloissa alhaisiin verrattuna.

Suolaisuus vaikuttaa vähemmän äänen nopeuteen. On havaittu, että meriveden sisältämät suolat vaikuttavat eri tavalla bulkkikimmokerrokseen eli K:hen ja siten äänen nopeuteen. Suolapitoisuuden kasvaessa ja lämpötilan noustessa äänen nopeus kasvaa. Myös äänen nopeus kasvaa paineen noustessa.

Riisi. 5.5.

Valtamerissä, joissa veden lämpötila laskee syvyyden myötä, äänen nopeus laskee. Tietystä syvyydestä alkaen hydrostaattisen paineen nousu kuitenkin ylittää veden lämpötilan roolin ja äänen nopeus alkaa nousta. Näin ollen tietyllä horisontilla muodostuu kerros, jolla on minimaaliset äänennopeudet - vedenalainen äänikanava(Kuva 5.5). Siinä vaakasuunnassa lähetetyt äänisäteet keskittyvät taittumisen ansiosta miniminopeuden kerrokseen ja leviävät hyvin pitkiä matkoja (jopa 15 000-18 000 km).

Keskimääräinen äänen nopeus Maailmanmerellä on noin 1500 m/s. Äänennopeuden jakautumista meressä kuvataan tarkemmin työssä.

Tehtävät ja kysymykset tarkastettavaksi

• 5.1. Mikä on bulkkikimmomoduuli?
• 5.2. Miksi adiabaattinen puristuvuus on pienempi kuin isoterminen?
• 5.3. Kuinka isoterminen kokoonpuristuvuuskerroin riippuu meriveden suolaisuudesta, lämpötilasta ja paineesta?
• 5.4 Miten sisäinen energia muuttuu adiabaattisen puristuksen aikana?

Vastaus:

Sovelletaan Jacobilaista menetelmää - kaavat 2.59, 2.60, 2.61, 2.63, 2.67, 2.69, 2.70, 2.71 ja 2.72. Meillä on:

Kaikki parametrit ovat positiivisia, joten -> 0, eli milloin

tohtori 1 h

adiabaattinen puristus, sisäinen energia kasvaa. Tämä selittyy sillä, että jatkuvassa entropiassa (ei lämmönvaihtoa ympäristön kanssa) ulkoisen paineen kasvaessa molekyylien välinen keskimääräinen etäisyys pienenee, niiden keskimääräinen kineettinen energia kasvaa ja näin ollen lämpötila nousee.

• 5.5. Mitä aaltoja kutsutaan ääniaalloiksi?
• 5.6. Mikä vaikuttaa äänen nopeuteen merivedessä?
• 5.7. Tästä johtuen valtamereen muodostuu vedenalainen äänikanava.