Schallausbreitung in verschiedenen Umgebungen. Wie breitet sich Schall durch den Weltraum aus? Ausbreitung und Geschwindigkeit des Schalls in verschiedenen Medien

Schallwellen können sich in verschiedenen Medien ausbreiten – flüssig, fest und gasförmig. Wellen können sich nicht nur im Vakuum bilden. Je dichter das Medium, desto höher ist die Sdarin. Im Wasser erreichen Schallwellen eine mehr als viermal höhere Geschwindigkeit als ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Luft.

Hier ist eine Erklärung dieses Phänomens aus physikalischer Sicht:



Schall breitet sich in einem elastischen Medium schneller aus. Je höher die Dichte dieses Mediums ist, desto günstiger ist es für die Ausbreitung von Schallschwingungen. Die Schallgeschwindigkeit im Wasser erreicht 1500 Meter pro Sekunde und in der Luft nur 330-340 m/s; die Geschwindigkeit hängt auch von der Temperatur ab.

Zum Vergleich: Die Schallgeschwindigkeit in Metallen beträgt 5000 Meter pro Sekunde.

Schallwellen breiten sich nicht nur im luftleeren Raum aus; in flüssigen, gasförmigen und auch festen Medien breiten sich Schallwellen ruhig aus.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit geradliniger Schallwellen hängt von der Dichte des Mediums ab; je höher die Dichte des Mediums, desto höher ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle.

Die Dichte von Wasser ist viel höher als die von Luft, daher ist die Geschwindigkeit der Schallwelle im Wasser höher.

Als Argument, Volodya, gibst du den Hauptgrund an. Ja. Denn Wasser ist ein weniger komprimierbares Medium als Gas. Und ein Festkörper ist (während der Wellenausbreitung) weniger komprimierbar als eine Flüssigkeit. Wasser in großen Tiefen leitet Schall schneller als an der Oberfläche, dort ist er stärker komprimiert. Zwischen der Schallgeschwindigkeit und der Dichte des Mediums besteht ein umgekehrt proportionaler Zusammenhang. Mit anderen Worten: Je weniger komprimierbar das Wellenausbreitungsmedium ist, desto schneller bewegt sich die Welle.

Ich gebe Ihnen eine grobe Analogie. Wenn sich der Zug in Bewegung setzt, läuft eine Art klirrende Welle durch den Zug und der letzte Wagen setzt sich einige Zeit, nachdem die Lokomotive begonnen hat, in Bewegung zu setzen, in Bewegung. Das Gleiche, allerdings in umgekehrter Reihenfolge, passiert bei einem Stopp. Und weil das Medium komprimierbar ist, gibt es zwischen den Autos einen gewissen Spalt, der die Rolle der Kompressibilität des Mediums spielt. Wenn zum Zeitpunkt des Anfahrens (Anhaltens) der gesamte Zug angespannt oder gestaucht ist (z. B. nicht auf einem horizontalen Bahnsteig), dann startet (anhalten) der letzte Wagen fast gleichzeitig mit der Lokomotive. Das Medium ist nicht komprimierbar und die Welle breitet sich viel schneller aus.

Schall sind Wellen, die sich durch jede Substanz ausbreiten. Luft ist eine verdünnte Substanz und Wasser ist eine viel dichtere Substanz als Luft. Daher breiten sich Schallwellen im Wasser schneller aus als in der Luft.

Schallwellen werden in Längs- und Querwellen unterteilt. Die Geschwindigkeit der Schallausbreitung hängt von der Dichte des Mediums ab und kann in einem ziemlich weiten Bereich variieren. In Wasser und in einem gasförmigen Medium, wo Dichteschwankungen nicht signifikant sind, breiten sich akustische Wellen in Längsrichtung aus, also in der Schwingungsrichtung des Mediums Teilchen des Mediums fallen mit der Bewegungsrichtung der Welle zusammen. In dichten (festen) Körpern treten neben Längsbewegungen auch elastische Scherverformungen auf, die zur Entstehung von Querwellen (Scherwellen) führen; Daher schwingen die Teilchen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle. Neben der Ausbreitungsrichtung der Welle spielen auch der akustische Widerstand und der Druck des Mediums eine Rolle. Darüber hinaus hängt die Schallgeschwindigkeit unter anderem auch von der Kompressibilität von Stoffen ab.

Unter Wasser breitet sich Schall schneller aus als in der Luft, fünfmal schneller.

Sogar Wale können sich in einer Entfernung von 5 Kilometern hören.

Warum breitet sich Schall unter Wasser schneller aus? Auf die Dichte kommt es an!

Die Dichte von Wasser ist größer als die von Luft, aber auch geringer als die von Metall. Dementsprechend werden Geräusche unterschiedlich übertragen.

Aber auch in elastischen Medien können sich Schallwellen ausbreiten. Wenn man zum Beispiel das Ohr auf den Boden legt, hört man Schritte, Hufgeklapper, ein fahrendes Auto und vieles mehr.

Schall sind mechanische Schwingungen, die in jedem Medium übertragen und von den Sinnen wahrgenommen werden. Aufgrund der physikalischen Eigenschaften verschiedener Medien ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallschwingungen unterschiedlich. Je dichter das Medium, desto höher ist die Geschwindigkeit der Schallübertragung. Antwort zur Aufgabe: Schallwellen breiten sich in Wasser schneller aus als in Luft, da Wasser eine höhere Dichte hat.

In sauberem Wasser beträgt die Schallgeschwindigkeit 1500 Meter pro Sekunde und erhöht sich in wärmerem und salzhaltigerem Wasser. Wasser ist dichter als Luft, daher breitet sich Schall schneller aus. Darüber hinaus nimmt eine Person Geräusche unter Wasser durch die Schädelknochen wahr, und das Geräusch wird von beiden Ohren wahrgenommen, was den Eindruck erweckt, als würden Geräusche von allen Seiten kommen.

Fragen.

1. Mit welcher Frequenz vibriert das Trommelfell eines Menschen, wenn Schall es erreicht?

Das Trommelfell des menschlichen Ohrs vibriert mit der Frequenz des Schalls, der auf es trifft.

2. Welche Welle – longitudinal oder transversal – breitet sich Schall in der Luft aus? im Wasser?

In Luft und Wasser breitet sich Schall in Längswellen aus.

3. Geben Sie ein Beispiel, das zeigt, dass sich eine Schallwelle nicht augenblicklich, sondern mit einer bestimmten Geschwindigkeit ausbreitet.

Das offensichtlichste Beispiel ist ein Blitz und der darauf folgende Donner.

4. Wie groß ist die Sin Luft bei 20 °C?

Die Schallgeschwindigkeit in Luft beträgt bei 20°C 343 m/s 2 .

5. Hängt die Schallgeschwindigkeit vom Medium ab, in dem sie sich bewegt?

V =340 m/s. Ja, es kommt darauf an.

Übungen.

1. Bestimmen Sie die Schallgeschwindigkeit im Wasser, wenn eine mit einer Schwingungsdauer von 0,002 s schwingende Quelle im Wasser Wellen mit einer Länge von 2,9 m anregt.

2. Bestimmen Sie die Wellenlänge einer Schallwelle mit einer Frequenz von 725 Hz in Luft, in Wasser und in Glas.

3. Ein Ende eines langen Metallrohrs wurde einmal mit einem Hammer geschlagen. Wird der Schall des Aufpralls durch das Metall zum anderen Ende des Rohrs gelangen? durch die Luft im Rohr? Wie viele Schläge hört eine Person, die am anderen Ende des Rohrs steht?

Die Person hört zwei Klopfgeräusche. Ein Ton wird durch ein Metallrohr zu ihm kommen, der andere durch die Luft.

4. Ein Beobachter, der in der Nähe eines geraden Streckenabschnitts stand, sah in der Ferne Dampf über dem Pfeifen einer Dampflokomotive. 2 Sekunden nach dem Auftauchen des Dampfes hörte er einen Pfiff und nach 34 Sekunden fuhr die Lokomotive am Beobachter vorbei. Bestimmen Sie die Geschwindigkeit der Lokomotive.

5. Der Beobachter entfernt sich von der Glocke, die jede Sekunde geschlagen wird. Zunächst fallen die sichtbaren und hörbaren Auswirkungen zusammen. Dann hören sie auf, zusammenzupassen. Dann, in einiger Entfernung des Beobachters von der Glocke, fallen die sichtbaren und hörbaren Schläge wieder zusammen. Erklären Sie dieses Phänomen.

Schallausbreitung im Wasser

Speerfischen

Schallausbreitung im Wasser .

Schall breitet sich im Wasser fünfmal schneller aus als in der Luft. Die Durchschnittsgeschwindigkeit beträgt 1400 - 1500 m/s (die Schallgeschwindigkeit in Luft beträgt 340 m/s). Es scheint, dass sich auch die Hörbarkeit im Wasser verbessert. Tatsächlich ist dies jedoch bei weitem nicht der Fall. Denn die Stärke des Schalls hängt nicht von der Ausbreitungsgeschwindigkeit ab, sondern von der Amplitude der Schallschwingungen und der Wahrnehmungsfähigkeit der Hörorgane. Das Corti-Organ, das aus Hörzellen besteht, befindet sich in der Cochlea des Innenohrs. Schallwellen bringen das Trommelfell, die Gehörknöchelchen und die Membran des Corti-Organs in Schwingung. Von den Haarzellen des letzteren, die Schallschwingungen wahrnehmen, gelangt die Nervenstimulation zum Hörzentrum im Schläfenlappen des Gehirns.

Eine Schallwelle kann auf zwei Wegen in das menschliche Innenohr gelangen: durch Luftleitung durch den äußeren Gehörgang, das Trommelfell und die Gehörknöchelchen des Mittelohrs und durch Knochenleitung – Vibration der Schädelknochen. An der Oberfläche überwiegt die Luftleitung und unter Wasser die Knochenleitung. Die einfache Erfahrung überzeugt uns davon. Bedecken Sie beide Ohren mit Ihren Handflächen. An der Oberfläche verschlechtert sich die Hörbarkeit stark, unter Wasser ist dies jedoch nicht zu beobachten.

Unter Wasser werden Geräusche also hauptsächlich über die Knochenleitung wahrgenommen. Theoretisch lässt sich dies dadurch erklären, dass der akustische Widerstand von Wasser dem akustischen Widerstand von menschlichem Gewebe nahekommt. Daher ist der Energieverlust beim Übergang von Schallwellen vom Wasser zu den Kopfknochen eines Menschen geringer als in Luft. Unter Wasser verschwindet die Luftleitung nahezu, da der äußere Gehörgang mit Wasser gefüllt ist und eine kleine Luftschicht in der Nähe des Trommelfells Schallschwingungen schwach überträgt.

Experimente haben gezeigt, dass die Knochenleitfähigkeit 40 % niedriger ist als die Luftleitfähigkeit. Daher verschlechtert sich die Hörbarkeit unter Wasser generell. Der Hörbereich bei Knochenleitung hängt weniger von der Stärke als von der Tonalität ab: Je höher der Ton, desto weiter ist der Ton zu hören.

Die Unterwasserwelt ist für den Menschen eine Welt der Stille, in der es keine Nebengeräusche gibt. Daher können einfachste Tonsignale unter Wasser in beträchtlichen Entfernungen wahrgenommen werden. Eine Person hört in einer Entfernung von 150–200 m einen Schlag auf einen in Wasser getauchten Metallkanister, in 100 m Entfernung das Geräusch einer Rassel und in 60 m Entfernung eine Glocke.

Unter Wasser erzeugte Geräusche sind an der Oberfläche normalerweise nicht hörbar, ebenso wie Geräusche von außen unter Wasser nicht hörbar sind. Um Unterwassergeräusche wahrnehmen zu können, müssen Sie mindestens teilweise eingetaucht sein. Steigt man bis zu den Knien ins Wasser, nimmt man ein Geräusch wahr, das vorher nicht zu hören war. Beim Tauchen erhöht sich die Lautstärke. Es ist besonders hörbar, wenn der Kopf eingetaucht ist.

Um Schallsignale von der Oberfläche zu senden, müssen Sie die Schallquelle mindestens zur Hälfte ins Wasser absenken, dann ändert sich die Schallstärke. Die Orientierung unter Wasser nach Gehör ist äußerst schwierig. In der Luft erreicht der Schall das eine Ohr 0,00003 Sekunden früher als das andere. Dadurch können Sie den Standort der Schallquelle mit einem Fehler von nur 1-3° bestimmen. Unter Wasser wird der Schall gleichzeitig von beiden Ohren wahrgenommen und es kommt daher nicht zu einer klaren Richtungswahrnehmung. Der Orientierungsfehler kann 180° betragen.

In einem eigens inszenierten Experiment konnten nur einzelne Lichttaucher nach langen Wanderungen und... Die Suche richtete sich auf den Ort der Schallquelle, der sich 100–150 m von ihnen entfernt befand. Es wurde festgestellt, dass durch systematisches Training über einen langen Zeitraum hinweg die Fähigkeit entwickelt werden kann, unter Wasser recht genau anhand von Schall zu navigieren. Sobald das Training jedoch beendet wird, werden seine Ergebnisse ungültig.

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Die meisten Menschen verstehen sehr gut, was Klang ist. Es ist mit dem Hören verbunden und steht im Zusammenhang mit physiologischen und psychologischen Prozessen. Das Gehirn verarbeitet Empfindungen, die über die Hörorgane eingehen. Die Schallgeschwindigkeit hängt von vielen Faktoren ab.

Klänge, die von Menschen unterschieden werden

Im allgemeinen Sinne ist Schall ein physikalisches Phänomen, das eine Wirkung auf die Hörorgane hervorruft. Es hat die Form von Longitudinalwellen unterschiedlicher Frequenz. Menschen können Geräusche hören, deren Frequenz zwischen 16 und 20.000 Hz liegt. Diese elastischen Longitudinalwellen, die sich nicht nur in der Luft, sondern auch in anderen Medien ausbreiten und das menschliche Ohr erreichen, verursachen Schallempfindungen. Die Leute können nicht alles hören. Elastische Wellen mit einer Frequenz von weniger als 16 Hz werden als Infraschall bezeichnet, solche über 20.000 Hz als Ultraschall. Das menschliche Ohr kann sie nicht hören.

Klangeigenschaften

Es gibt zwei Hauptmerkmale des Klangs: Lautstärke und Tonhöhe. Der erste davon hängt mit der Intensität der elastischen Schallwelle zusammen. Es gibt noch einen weiteren wichtigen Indikator. Die physikalische Größe, die die Höhe charakterisiert, ist die Schwingungsfrequenz der elastischen Welle. Dabei gilt die Regel: Je größer, desto höher der Klang und umgekehrt. Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die Schallgeschwindigkeit. Es variiert in verschiedenen Umgebungen. Sie gibt die Ausbreitungsgeschwindigkeit elastischer Schallwellen an. In einer gasförmigen Umgebung ist dieser Wert geringer als in Flüssigkeiten. Die Schallgeschwindigkeit ist in Festkörpern am höchsten. Außerdem ist sie bei Longitudinalwellen immer größer als bei Transversalwellen.

Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen

Dieser Indikator hängt von der Dichte des Mediums und seiner Elastizität ab. In gasförmigen Medien wird sie von der Temperatur des Stoffes beeinflusst. Die Schallgeschwindigkeit hängt in der Regel nicht von der Amplitude und Frequenz der Welle ab. In seltenen Fällen, in denen diese Eigenschaften einen Einfluss haben, spricht man von einer sogenannten Streuung. Die Schallgeschwindigkeit in Dämpfen oder Gasen liegt zwischen 150 und 1000 m/s. In flüssigen Medien beträgt sie bereits 750–2000 m/s und in festen Materialien 2000–6500 m/s. Unter normalen Bedingungen beträgt die Schallgeschwindigkeit in der Luft 331 m/s. In normalem Wasser - 1500 m/s.

Geschwindigkeit von Schallwellen in verschiedenen chemischen Medien

Die Geschwindigkeit der Schallausbreitung in verschiedenen chemischen Medien ist nicht gleich. In Stickstoff beträgt sie also 334 m/s, in Luft 331, in Acetylen 327, in Ammoniak 415, in Wasserstoff 1284, in Methan 430, in Sauerstoff 316, in Helium 965 und in Kohlenmonoxid 338, in Kohlendioxid - 259, in Chlor - 206 m/s. Die Geschwindigkeit einer Schallwelle in gasförmigen Medien nimmt mit zunehmender Temperatur (T) und Druck zu. In Flüssigkeiten nimmt sie am häufigsten ab, wenn T um mehrere Meter pro Sekunde zunimmt. Schallgeschwindigkeit (m/s) in flüssigen Medien (bei einer Temperatur von 20°C):

Wasser - 1490;

Ethylalkohol - 1180;

Benzol - 1324;

Merkur - 1453;

Tetrachlorkohlenstoff - 920;

Glycerin – 1923.

Die einzige Ausnahme von der oben genannten Regel ist Wasser, in dem die Schallgeschwindigkeit mit steigender Temperatur zunimmt. Ihr Maximum erreicht sie, wenn diese Flüssigkeit auf 74°C erhitzt wird. Bei weiterer Temperaturerhöhung nimmt die Schallgeschwindigkeit ab. Mit steigendem Druck steigt er um 0,01 %/1 Atm. In salzigem Meerwasser erhöht sich mit zunehmender Temperatur, Tiefe und Salzgehalt die Schallgeschwindigkeit. In anderen Umgebungen ändert sich dieser Indikator anders. In einem Gemisch aus Flüssigkeit und Gas hängt die Schallgeschwindigkeit also von der Konzentration seiner Bestandteile ab. In einem isotopischen Festkörper wird es durch seine Dichte und seine Elastizitätsmoduli bestimmt. Transversale (Scher-) und longitudinale elastische Wellen breiten sich in unbeschränkten dichten Medien aus. Schallgeschwindigkeit (m/s) in Festkörpern (Längs-/Querwellen):

Glas – 3460–4800/2380–2560;

Quarzglas – 5970/3762;

Beton – 4200–5300/1100–1121;

Zink – 4170–4200/2440;

Teflon - 1340/*;

Eisen - 5835-5950/*;

Gold - 3200-3240/1200;

Aluminium – 6320/3190;

Silber – 3660–3700/1600–1690;

Messing – 4600/2080;

Nickel - 5630/2960.

Bei Ferromagneten hängt die Geschwindigkeit der Schallwelle von der Stärke des Magnetfelds ab. In Einkristallen hängt die Geschwindigkeit einer Schallwelle (m/s) von der Richtung ihrer Ausbreitung ab:

• Rubin (Längswelle) - 11240;
• Cadmiumsulfid (längs/quer) – 3580/4500;
• Lithiumniobat (längs) - 7330.

Die Schallgeschwindigkeit im Vakuum beträgt 0, da er sich in einem solchen Medium einfach nicht ausbreitet.

Bestimmung der Schallgeschwindigkeit

Alles, was mit Schallsignalen zu tun hat, interessierte unsere Vorfahren schon vor Tausenden von Jahren. Fast alle herausragenden Wissenschaftler der Antike haben daran gearbeitet, das Wesen dieses Phänomens zu bestimmen. Schon antike Mathematiker stellten fest, dass Schall durch die oszillierenden Bewegungen des Körpers entsteht. Euklid und Ptolemaios schrieben darüber. Aristoteles stellte fest, dass die Schallgeschwindigkeit einen endlichen Wert hat. Die ersten Versuche, diesen Indikator zu bestimmen, wurden im 17. Jahrhundert von F. Bacon unternommen. Er versuchte, die Geschwindigkeit zu ermitteln, indem er die Zeitintervalle zwischen dem Schussgeräusch und dem Lichtblitz verglich. Basierend auf dieser Methode bestimmte eine Gruppe von Physikern der Pariser Akademie der Wissenschaften erstmals die Geschwindigkeit einer Schallwelle. Unter verschiedenen Versuchsbedingungen betrug sie 350–390 m/s. Die theoretische Begründung der Schallgeschwindigkeit wurde erstmals von I. Newton in seinen „Prinzipien“ betrachtet. P.S. konnte diesen Indikator korrekt ermitteln. Laplace.

Formeln für die Schallgeschwindigkeit

Bei gasförmigen Medien und Flüssigkeiten, in denen sich Schall in der Regel adiabatisch ausbreitet, kann sich die mit Spannung und Druck in einer Longitudinalwelle verbundene Temperaturänderung nicht schnell über einen kurzen Zeitraum ausgleichen. Offensichtlich wird dieser Indikator von mehreren Faktoren beeinflusst. Die Geschwindigkeit einer Schallwelle in einem homogenen gasförmigen Medium oder einer homogenen Flüssigkeit wird durch die folgende Formel bestimmt:

Dabei ist β die adiabatische Kompressibilität und ρ die Dichte des Mediums.

Bei partiellen Ableitungen wird diese Größe nach folgender Formel berechnet:

c 2 = -υ 2 (δρ/δυ) S = -υ 2 Cp/Cυ (δρ/δυ) T,

wobei ρ, T, υ der Druck des Mediums, seine Temperatur und sein spezifisches Volumen sind; S – Entropie; Cp – isobare Wärmekapazität; Cυ – isochore Wärmekapazität. Für Gasmedien sieht diese Formel folgendermaßen aus:

c 2 = ζkT/m= ζRt/M = ζR(t + 273,15)/M = ά 2 T,

wobei ζ der adiabatische Wert ist: 4/3 für mehratomige Gase, 5/3 für einatomige Gase, 7/5 für zweiatomige Gase (Luft); R – Gaskonstante (universell); T – absolute Temperatur, gemessen in Kelvin; k ist Boltzmanns Konstante; t – Temperatur in °C; M – Molmasse; m – Molekulargewicht; ά 2 = ζR/ M.

Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in einem Festkörper

In einem homogenen Festkörper gibt es zwei Arten von Wellen, die sich in der Polarisation der Schwingungen in Abhängigkeit von ihrer Ausbreitungsrichtung unterscheiden: transversal (S) und longitudinal (P). Die Geschwindigkeit des ersten (C S) wird immer niedriger sein als die des zweiten (C P):

C P 2 = (K + 4/3G)/ρ = E(1 - v)/(1 + v)(1-2v)ρ;

C S 2 = G/ρ = E/2(1 + v)ρ,

wobei K, E, G – Kompressions-, Young- und Schermodul; v - Poissonzahl. Bei der Berechnung der Schallgeschwindigkeit in einem Festkörper werden adiabatische Elastizitätsmodule verwendet.

Schallgeschwindigkeit in Mehrphasenmedien

In mehrphasigen Medien hängt die Schallgeschwindigkeit aufgrund der inelastischen Energieabsorption direkt von der Schwingungsfrequenz ab. In einem zweiphasigen porösen Medium wird sie mithilfe der Bio-Nikolaevsky-Gleichungen berechnet.

Abschluss

Die Messung der Geschwindigkeit einer Schallwelle dient der Bestimmung verschiedener Eigenschaften von Stoffen, etwa des Elastizitätsmoduls eines Festkörpers, der Kompressibilität von Flüssigkeiten und Gasen. Eine empfindliche Methode zur Erkennung von Verunreinigungen ist die Messung kleiner Änderungen der Schallwellengeschwindigkeit. In Festkörpern ermöglicht die Schwankung dieses Indikators die Untersuchung der Bandstruktur von Halbleitern. Die Schallgeschwindigkeit ist eine sehr wichtige Größe, deren Messung uns viel über verschiedenste Medien, Körper und andere Objekte der wissenschaftlichen Forschung erfahren lässt. Ohne die Fähigkeit, es zu bestimmen, wären viele wissenschaftliche Entdeckungen unmöglich.

Hydroakustik (aus dem Griechischen hydor- Wasser, Akustikoc- auditiv) - die Wissenschaft von Phänomenen, die in der aquatischen Umwelt auftreten und mit der Ausbreitung, Emission und dem Empfang akustischer Wellen verbunden sind. Es umfasst Fragen der Entwicklung und Herstellung hydroakustischer Geräte für den Einsatz in Gewässern.

Entwicklungsgeschichte

Hydroakustik ist eine sich schnell entwickelnde Wissenschaft, die zweifellos eine große Zukunft hat. Seinem Erscheinen ging ein langer Entwicklungsweg der theoretischen und angewandten Akustik voraus. Die ersten Informationen über das menschliche Interesse an der Schallausbreitung im Wasser finden wir in den Notizen des berühmten Renaissance-Wissenschaftlers Leonardo da Vinci:

Die ersten Entfernungsmessungen durch Schall wurden vom russischen Forscher Akademiker Ya. D. Zakharov durchgeführt. Am 30. Juni 1804 flog er zu wissenschaftlichen Zwecken in einem Ballon und nutzte bei diesem Flug die Schallreflexion von der Erdoberfläche zur Bestimmung der Flughöhe. Während er im Korb des Balls war, schrie er laut in einen nach unten gerichteten Lautsprecher. Nach 10 Sekunden kam ein deutlich hörbares Echo. Daraus schloss Zakharov, dass die Höhe des Balls über dem Boden etwa 5 x 334 = 1670 m betrug. Diese Methode bildete die Grundlage für Radio und Sonar.

Neben der Entwicklung theoretischer Fragestellungen wurden in Russland auch praktische Studien zu den Phänomenen der Schallausbreitung im Meer durchgeführt. Admiral S. O. Makarov 1881 - 1882 schlug vor, ein Gerät namens Fluktometer zu verwenden, um Informationen über die Geschwindigkeit von Strömungen unter Wasser zu übertragen. Dies markierte den Beginn der Entwicklung eines neuen Wissenschafts- und Technologiezweigs – der hydroakustischen Telemetrie.

Schema der Hydrophonstation des Baltic Plant Modell 1907: 1 - Wasserpumpe; 2 - Rohrleitung; 3 - Druckregler; 4 - elektromagnetisches Hydraulikventil (Telegrafenventil); 5 - Telegrafentaste; 6 - hydraulischer Membranemitter; 7 - Seite des Schiffes; 8 - Wassertank; 9 - versiegeltes Mikrofon

In den 1890er Jahren. Auf Initiative von Kapitän 2. Rang M.N. Beklemishev wurde auf der Baltischen Werft mit der Entwicklung hydroakustischer Kommunikationsgeräte begonnen. Die ersten Tests eines hydroakustischen Senders für die Unterwasserkommunikation wurden Ende des 19. Jahrhunderts durchgeführt. im Versuchsbecken im Hafen Galernaya in St. Petersburg. Die Vibrationen, die es aussendete, waren auf dem schwimmenden Newski-Leuchtturm in einer Entfernung von 11 Kilometern deutlich zu hören. Als Ergebnis einer Forschung im Jahr 1905. schuf das erste hydroakustische Kommunikationsgerät, bei dem die Rolle des Sendegeräts eine spezielle Unterwassersirene spielte, die über einen Telegrafenschlüssel gesteuert wurde, und der Signalempfänger ein von innen am Schiffsrumpf angebrachtes Kohlenstoffmikrofon war. Die Signale wurden mit einem Morsegerät und nach Gehör aufgezeichnet. Später wurde die Sirene durch einen Membransender ersetzt. Die Effizienz des als Hydrophonstation bezeichneten Geräts ist deutlich gestiegen. Die Seeerprobung der neuen Station fand im März 1908 statt. am Schwarzen Meer, wo die Reichweite des zuverlässigen Signalempfangs 10 km überschritt.

Die ersten seriellen Schall-Unterwasser-Kommunikationsstationen, die 1909–1910 von der Baltischen Werft entworfen wurden. auf U-Booten installiert "Karpfen", „Gründling“, „Sterlet“, « Makrele" Und " Barsch". Bei der Installation von Stationen auf U-Booten befand sich der Empfänger zur Reduzierung von Störungen in einer speziellen Verkleidung und wurde an einem Kabelseil hinter das Heck gezogen. Zu einer solchen Entscheidung kamen die Briten erst während des Ersten Weltkriegs. Dann geriet diese Idee in Vergessenheit und erst Ende der 1950er Jahre wurde sie in verschiedenen Ländern wieder eingesetzt, um lärmresistente Sonar-Schiffsstationen zu bauen.

Den Anstoß für die Entwicklung der Hydroakustik gab der Erste Weltkrieg. Während des Krieges erlitten die Entente-Staaten durch den Einsatz deutscher U-Boote schwere Verluste an Handels- und Militärflotten. Es mussten Mittel gefunden werden, sie zu bekämpfen. Sie wurden bald gefunden. Ein untergetauchtes U-Boot ist durch den Lärm zu hören, der von den Propellern und Antriebsmechanismen erzeugt wird. Ein Gerät, das laute Objekte erkennt und ihren Standort bestimmt, wurde als Lärmpeiler bezeichnet. Der französische Physiker P. Langevin schlug 1915 die Verwendung eines empfindlichen Empfängers aus Rochelle-Salz für die erste Lärmpeilstation vor.

Grundlagen der Hydroakustik

Merkmale der Ausbreitung akustischer Wellen im Wasser

Komponenten eines Echo-Ereignisses.

Umfassende und grundlegende Forschungen zur Ausbreitung akustischer Wellen im Wasser begannen während des Zweiten Weltkriegs, der von der Notwendigkeit bestimmt wurde, praktische Probleme der Marine und vor allem der U-Boote zu lösen. Die experimentellen und theoretischen Arbeiten wurden in den Nachkriegsjahren fortgeführt und in mehreren Monographien zusammengefasst. Als Ergebnis dieser Arbeiten wurden einige Merkmale der Ausbreitung akustischer Wellen im Wasser identifiziert und geklärt: Absorption, Dämpfung, Reflexion und Brechung.

Die Absorption der Schallwellenenergie im Meerwasser wird durch zwei Prozesse verursacht: innere Reibung des Mediums und Dissoziation der darin gelösten Salze. Der erste Prozess wandelt die Energie einer akustischen Welle in Wärme um, und der zweite Prozess, der sich in chemische Energie umwandelt, entfernt Moleküle aus ihrem Gleichgewichtszustand und sie zerfallen in Ionen. Diese Art der Absorption nimmt mit zunehmender Frequenz der akustischen Schwingung stark zu. Das Vorhandensein von Schwebeteilchen, Mikroorganismen und Temperaturanomalien im Wasser führen ebenfalls zu einer Dämpfung der akustischen Welle im Wasser. In der Regel sind diese Verluste gering und gehen in die Gesamtabsorption ein, manchmal, wie zum Beispiel bei der Streuung am Kielwasser eines Schiffes, können diese Verluste bis zu 90 % betragen. Das Vorhandensein von Temperaturanomalien führt dazu, dass die akustische Welle in akustische Schattenzonen fällt und dort mehrfach reflektiert werden kann.

Das Vorhandensein von Grenzflächen zwischen Wasser – Luft und Wasser – Boden führt zur Reflexion einer akustischen Welle an ihnen, und wenn im ersten Fall die akustische Welle vollständig reflektiert wird, dann hängt im zweiten Fall der Reflexionskoeffizient vom Bodenmaterial ab: Ein schlammiger Boden reflektiert schlecht, sandiger und felsiger Boden reflektiert gut. . In geringen Tiefen entsteht durch mehrfache Reflexionen der Schallwelle zwischen Boden und Oberfläche ein Unterwasserschallkanal, in dem sich die Schallwelle über große Entfernungen ausbreiten kann. Eine Änderung der Schallgeschwindigkeit in unterschiedlichen Tiefen führt zu einer Ablenkung der Schallstrahlen – Brechung.

Schallbrechung (Krümmung des Schallstrahlengangs)

Schallbrechung im Wasser: a - im Sommer; b - im Winter; Auf der linken Seite ist die Änderung der Geschwindigkeit mit der Tiefe dargestellt. Die Geschwindigkeit der Schallausbreitung ändert sich mit der Tiefe und hängt von der Jahres- und Tageszeit, der Tiefe des Stausees und einer Reihe anderer Gründe ab. Schallstrahlen, die in einem bestimmten Winkel zum Horizont aus einer Quelle austreten, werden gebeugt, und die Richtung der Krümmung hängt von der Verteilung der Schallgeschwindigkeiten im Medium ab: Im Sommer, wenn die oberen Schichten wärmer sind als die unteren, werden die Strahlen nach unten gebogen und werden größtenteils von unten reflektiert, wobei sie einen erheblichen Teil ihrer Energie verlieren. ; Im Winter, wenn die unteren Wasserschichten ihre Temperatur beibehalten, während die oberen Schichten abkühlen, beugen sich die Strahlen nach oben und werden immer wieder von der Wasseroberfläche reflektiert, wobei deutlich weniger Energie verloren geht. Daher ist die Reichweite der Schallausbreitung im Winter größer als im Sommer. Die vertikale Verteilung der Schallgeschwindigkeit (VSD) und der Geschwindigkeitsgradient haben einen entscheidenden Einfluss auf die Schallausbreitung in der Meeresumwelt. Die Verteilung der Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Bereichen des Weltozeans ist unterschiedlich und ändert sich im Laufe der Zeit. Es gibt mehrere typische Fälle von VRSD:

Ausbreitung und Absorption von Schall durch Inhomogenitäten des Mediums.

Schallausbreitung im Unterwasserschall. Kanal: a - Änderung der Schallgeschwindigkeit mit der Tiefe; b - Strahlengang im Tonkanal. Die Ausbreitung hochfrequenter Schallwellen wird bei sehr kleinen Wellenlängen durch kleine Inhomogenitäten beeinflusst, die normalerweise in natürlichen Gewässern vorkommen: Gasblasen, Mikroorganismen usw. Diese Inhomogenitäten wirken auf zwei Arten: Sie absorbieren und streuen die Energie des Schalls Wellen. Infolgedessen nimmt die Reichweite der Schallschwingungen mit zunehmender Frequenz der Schallschwingungen ab. Dieser Effekt macht sich besonders in der Oberflächenschicht des Wassers bemerkbar, wo es die meisten Inhomogenitäten gibt. Die Schallausbreitung durch Inhomogenitäten sowie unebene Wasser- und Bodenoberflächen verursacht das Phänomen des Unterwasser-Nachhalls, der mit der Aussendung eines Schallimpulses einhergeht: Schallwellen, die von einer Reihe von Inhomogenitäten reflektiert werden und verschmelzen, erzeugen a Verlängerung des Schallimpulses, der nach seinem Ende anhält. Die Grenzen der Ausbreitungsreichweite von Unterwassergeräuschen werden auch durch den natürlichen Lärm des Meeres begrenzt, der einen doppelten Ursprung hat: Ein Teil des Lärms entsteht durch den Einfluss von Wellen auf die Wasseroberfläche, durch die Meeresbrandung, durch die Geräusch rollender Kieselsteine ​​usw.; Der andere Teil ist mit der Meeresfauna verbunden (Geräusche, die von Hydrobionten erzeugt werden: Fische und andere Meerestiere). Mit diesem sehr ernsten Aspekt befasst sich die Biohydroakustik.

Ausbreitungsbereich von Schallwellen

Der Ausbreitungsbereich von Schallwellen ist eine komplexe Funktion der Strahlungsfrequenz, die eindeutig mit der Wellenlänge des akustischen Signals zusammenhängt. Bekanntermaßen werden hochfrequente akustische Signale aufgrund der starken Absorption durch die Gewässer schnell gedämpft. Niederfrequente Signale hingegen können sich in Gewässern über große Entfernungen ausbreiten. So kann sich ein akustisches Signal mit einer Frequenz von 50 Hz im Ozean über Entfernungen von Tausenden von Kilometern ausbreiten, während ein Signal mit einer Frequenz von 100 kHz, typisch für Side-Scan-Sonar, eine Ausbreitungsreichweite von nur 1-2 km hat . Die ungefähren Reichweiten moderner Sonare mit unterschiedlichen akustischen Signalfrequenzen (Wellenlängen) sind in der Tabelle angegeben:

Einsatzgebiete.

Die Hydroakustik hat eine breite praktische Anwendung gefunden, da noch kein wirksames System zur Übertragung elektromagnetischer Wellen unter Wasser über größere Entfernungen geschaffen wurde und Schall daher das einzig mögliche Kommunikationsmittel unter Wasser ist. Dabei kommen Schallfrequenzen von 300 bis 10.000 Hz und Ultraschall ab 10.000 Hz zum Einsatz. Als Sender und Empfänger werden im Audiobereich elektrodynamische und piezoelektrische Sender und Hydrophone eingesetzt, im Ultraschallbereich piezoelektrische und magnetostriktive.

Die wichtigsten Anwendungen der Hydroakustik:

• Um militärische Probleme zu lösen;
• Seenavigation;
• Gesunde Kommunikation;
• Fischereierkundung;
• Ozeanologische Forschung;
• Handlungsfelder zur Erschließung der Ressourcen des Meeresbodens;
• Nutzung der Akustik im Schwimmbad (zu Hause oder im Synchronschwimm-Trainingszentrum)
• Meerestiertraining.

Anmerkungen

Literatur und Informationsquellen

LITERATUR:

• V.V. Schuleikin Physik des Meeres. - Moskau: „Wissenschaft“, 1968. - 1090 S.
• I.A. rumänisch Grundlagen der Hydroakustik. - Moskau: „Schiffbau“, 1979 – 105 S.
• Yu.A. Korjakin Hydroakustische Systeme. - St. Petersburg: „Wissenschaft von St. Petersburg und die Seemacht Russlands“, 2002. - 416 S.