Las leyes básicas de la propagación del sonido incluyen las leyes de su reflexión y refracción en los límites de varios medios, así como la difracción del sonido y su dispersión en presencia de obstáculos e inhomogeneidades en el medio y en las interfaces entre los medios.

El rango de propagación del sonido está influenciado por el factor de absorción del sonido, es decir, la transición irreversible de la energía de las ondas sonoras a otros tipos de energía, en particular al calor. Un factor importante es también la dirección de la radiación y la velocidad de propagación del sonido, que depende del medio y de su estado específico.

Desde una fuente de sonido, las ondas acústicas se propagan en todas direcciones. Si una onda sonora pasa a través de un agujero relativamente pequeño, se propaga en todas direcciones y no viaja en un haz dirigido. Por ejemplo, los sonidos de la calle que penetran en una habitación a través de una ventana abierta se escuchan en todos los puntos, y no sólo frente a la ventana.

La naturaleza de la propagación de ondas sonoras cerca de un obstáculo depende de la relación entre el tamaño del obstáculo y la longitud de onda. Si el tamaño del obstáculo es pequeño en comparación con la longitud de onda, entonces la onda fluye alrededor de este obstáculo y se propaga en todas direcciones.

Las ondas sonoras, al penetrar de un medio a otro, se desvían de su dirección original, es decir, se refractan. El ángulo de refracción puede ser mayor o menor que el ángulo de incidencia. Depende de en qué medio penetra el sonido. Si la velocidad del sonido en el segundo medio es mayor, entonces el ángulo de refracción será mayor que el ángulo de incidencia y viceversa.

Al encontrar un obstáculo en su camino, las ondas sonoras se reflejan en él de acuerdo con una regla estrictamente definida: el ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia; el concepto de eco está relacionado con esto. Si el sonido se refleja desde varias superficies a diferentes distancias, se producen múltiples ecos.

El sonido viaja en forma de una onda esférica divergente que llena un volumen cada vez mayor. A medida que aumenta la distancia, las vibraciones de las partículas del medio se debilitan y el sonido se disipa. Se sabe que para aumentar el alcance de transmisión, el sonido debe concentrarse en una dirección determinada. Cuando queremos, por ejemplo, que nos escuchen, nos llevamos las palmas de las manos a la boca o utilizamos un megáfono.

La difracción, es decir, la curvatura de los rayos sonoros, tiene una gran influencia en el rango de propagación del sonido. Cuanto más heterogéneo es el medio, más se curva el haz de sonido y, en consecuencia, más corto es el rango de propagación del sonido.

Propagación del sonido

Las ondas sonoras pueden viajar en el aire, gases, líquidos y sólidos. Las olas no surgen en un espacio sin aire. Esto se puede comprobar fácilmente mediante una simple experiencia. Si se coloca un timbre eléctrico debajo de un tapón hermético del que se ha evacuado el aire, no escucharemos ningún sonido. Pero tan pronto como la tapa se llena de aire, se produce un sonido.

La velocidad de propagación de los movimientos oscilatorios de una partícula a otra depende del medio. En la antigüedad, los guerreros pegaban el oído al suelo y así detectaban la caballería enemiga mucho antes de lo que aparecía a la vista. Y el famoso científico Leonardo da Vinci escribió en el siglo XV: “Si, estando en el mar, bajas el orificio de una tubería en el agua y te acercas el otro extremo a la oreja, oirás muy bien el ruido de los barcos. distante de ti”.

La velocidad del sonido en el aire fue medida por primera vez en el siglo XVII por la Academia de Ciencias de Milán. Se instaló un cañón en una de las colinas y en la otra se ubicó un puesto de observación. El tiempo se registró tanto en el momento del disparo (mediante flash) como en el momento de recepción del sonido. Basándose en la distancia entre el punto de observación y el arma y el momento de origen de la señal, la velocidad de propagación del sonido ya no era difícil de calcular. Resultó ser igual a 330 metros por segundo.

La velocidad del sonido en el agua se midió por primera vez en 1827 en el lago Lemán. Los dos barcos estaban situados a 13.847 metros de distancia entre sí. En el primero, se colgó una campana debajo del fondo y en el segundo, se bajó al agua un hidrófono simple (bocina). En el primer barco se prendió fuego a la pólvora al mismo tiempo que se tocaba la campana; en el segundo, el observador puso en marcha el cronómetro en el momento del destello y comenzó a esperar la llegada de la señal sonora de la campana. Resultó que el sonido se propaga más de 4 veces más rápido en el agua que en el aire, es decir. a una velocidad de 1450 metros por segundo.

Velocidad del sonido

Cuanto mayor es la elasticidad del medio, mayor es la velocidad: en caucho 50, en aire 330, en agua 1450 y en acero - 5000 metros por segundo. Si nosotros, que estábamos en Moscú, pudiéramos gritar tan fuerte que el sonido llegara a San Petersburgo, entonces nos escucharían allí solo después de media hora, y si el sonido se propagara a la misma distancia en el acero, entonces sería recibido. en dos minutos.

La velocidad de propagación del sonido está influenciada por el estado del mismo medio. Cuando decimos que el sonido se propaga en el agua a una velocidad de 1450 metros por segundo, no significa que lo haga en cualquier agua y bajo cualquier condición. Al aumentar la temperatura y la salinidad del agua, así como al aumentar la profundidad y, por tanto, la presión hidrostática, aumenta la velocidad del sonido. O tomemos acero. También en este caso la velocidad del sonido depende tanto de la temperatura como de la composición cualitativa del acero: cuanto más carbono contiene, más duro es y más rápido viaja el sonido en él.

Cuando encuentran un obstáculo en su camino, las ondas sonoras se reflejan en él según una regla estrictamente definida: el ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia. Las ondas sonoras provenientes del aire se reflejarán casi por completo hacia arriba desde la superficie del agua, y las ondas sonoras provenientes de una fuente ubicada en el agua se reflejarán hacia abajo.

Las ondas sonoras, que penetran de un medio a otro, se desvían de su posición original, es decir. refractado. El ángulo de refracción puede ser mayor o menor que el ángulo de incidencia. Depende del medio en el que penetre el sonido. Si la velocidad del sonido en el segundo medio es mayor que en el primero, entonces el ángulo de refracción será mayor que el ángulo de incidencia y viceversa.

En el aire, las ondas sonoras se propagan en forma de una onda esférica divergente, que ocupa un volumen cada vez mayor, ya que las vibraciones de las partículas provocadas por las fuentes sonoras se transmiten a la masa de aire. Sin embargo, a medida que aumenta la distancia, las vibraciones de las partículas se debilitan. Se sabe que para aumentar el alcance de transmisión, el sonido debe concentrarse en una dirección determinada. Cuando queremos que nos escuchen mejor, nos llevamos las palmas de las manos a la boca o utilizamos un megáfono. En este caso, el sonido se atenuará menos y las ondas sonoras viajarán más lejos.

A medida que aumenta el espesor de la pared, aumenta la localización del sonido en frecuencias medias bajas, pero la resonancia coincidente "insidiosa", que provoca la estrangulación de la localización del sonido, comienza a manifestarse en frecuencias más bajas y cubre un área más amplia.

Propagación del sonido en el agua.

PESCA SUBMARINA

Propagación del sonido en el agua. .

El sonido viaja cinco veces más rápido en el agua que en el aire. La velocidad media es de 1400 - 1500 m/seg (la velocidad del sonido en el aire es de 340 m/seg). Parecería que la audibilidad en el agua también mejora. De hecho, esto está lejos de ser el caso. Después de todo, la fuerza del sonido no depende de la velocidad de propagación, sino de la amplitud de las vibraciones del sonido y de la capacidad de percepción de los órganos auditivos. El órgano de Corti, que consta de células auditivas, se encuentra en la cóclea del oído interno. Las ondas sonoras hacen vibrar el tímpano, los huesecillos auditivos y la membrana del órgano de Corti. Desde las células ciliadas de este último, que perciben las vibraciones sonoras, la estimulación nerviosa llega al centro auditivo ubicado en el lóbulo temporal del cerebro.

Una onda sonora puede ingresar al oído interno humano de dos maneras: por conducción aérea a través del canal auditivo externo, el tímpano y los huesecillos del oído medio, y por conducción ósea: vibración de los huesos del cráneo. En la superficie predomina la conducción aérea y bajo el agua predomina la conducción ósea. La simple experiencia nos convence de ello. Cubre ambos oídos con las palmas de tus manos. En la superficie, la audibilidad se deteriorará drásticamente, pero bajo el agua esto no se observa.

Así, bajo el agua, los sonidos se perciben principalmente a través de la conducción ósea. En teoría, esto se explica por el hecho de que la resistencia acústica del agua se aproxima a la resistencia acústica del tejido humano. Por tanto, la pérdida de energía durante la transición de las ondas sonoras del agua a los huesos de la cabeza de una persona es menor que en el aire. La conducción del aire casi desaparece bajo el agua, ya que el conducto auditivo externo está lleno de agua y una pequeña capa de aire cerca del tímpano transmite débilmente las vibraciones del sonido.

Los experimentos han demostrado que la conductividad ósea es un 40% menor que la conductividad del aire. Por lo tanto, la audibilidad bajo el agua generalmente empeora. El rango de audibilidad con conducción ósea del sonido depende no tanto de la fuerza como de la tonalidad: cuanto más alto es el tono, más lejos se escucha el sonido.

El mundo submarino para los humanos es un mundo de silencio, donde no hay ruidos extraños. Por tanto, las señales sonoras más simples se pueden percibir bajo el agua a distancias considerables. Una persona escucha un golpe en un bote de metal sumergido en agua a una distancia de 150-200 m, el sonido de un cascabel a 100 m y una campana a 60 m.

Los sonidos producidos bajo el agua suelen ser inaudibles en la superficie, al igual que los sonidos del exterior son inaudibles bajo el agua. Para percibir sonidos bajo el agua, debes estar al menos parcialmente sumergido. Si te sumerges en el agua hasta las rodillas, empiezas a percibir un sonido que antes no se escuchaba. A medida que buceas, el volumen aumenta. Es especialmente audible cuando la cabeza está sumergida.

Para enviar señales de sonido desde la superficie, debes bajar la fuente de sonido al agua al menos hasta la mitad, y la intensidad del sonido cambiará. La orientación de oído bajo el agua es extremadamente difícil. En el aire, el sonido llega a un oído 0,00003 segundos antes que al otro. Esto le permite determinar la ubicación de la fuente de sonido con un error de sólo 1-3°. Bajo el agua, el sonido se percibe simultáneamente en ambos oídos y, por lo tanto, no se produce una percepción clara y direccional. El error de orientación puede ser de 180°.

En un experimento especialmente organizado, sólo buceadores de luz individuales después de largos viajes y... Las búsquedas se dirigieron a la ubicación de la fuente de sonido, que se encontraba a 100-150 m de ellos. Se observó que el entrenamiento sistemático durante un largo tiempo permite desarrollar la capacidad de navegar con bastante precisión bajo el agua. Sin embargo, tan pronto como se detiene el entrenamiento, sus resultados quedan anulados.

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Se entiende por sonido las ondas elásticas que se encuentran dentro del rango de audibilidad del oído humano, en el rango de oscilación de 16 Hz hasta 20 kHz. Oscilaciones con una frecuencia inferior a 16. Hz llamado infrasonido, más de 20 kilociclos-ultrasonido.

En comparación con el aire, el agua tiene mayor densidad y menos compresibilidad. En este sentido, la velocidad del sonido en el agua es cuatro veces y media mayor que en el aire, y es de 1440 m/seg. Frecuencia de vibración del sonido (desnudo) está relacionado con la longitud de onda (lambda) por la relación: C= lambda-nu. El sonido viaja en el agua sin dispersión. La velocidad del sonido en el agua varía en función de dos parámetros: densidad y temperatura. Un cambio de temperatura de 1° implica un cambio correspondiente en la velocidad del sonido de 3,58 metro por segundo. Si monitorea la velocidad de propagación del sonido desde la superficie hasta el fondo, resulta que al principio, debido a una disminución de la temperatura, disminuye rápidamente, alcanzando un mínimo a una cierta profundidad, y luego, con la profundidad, comienza a aumentar rápidamente. debido a un aumento en la presión del agua, que, como se sabe, aumenta aproximadamente 1 Cajero automático por cada 10 metro lo más hondo.

Comenzando a una profundidad de aproximadamente 1200 metro, donde la temperatura del agua permanece prácticamente constante, la velocidad del sonido cambia debido a los cambios de presión. "A una profundidad de aproximadamente 1200 metro (para el Atlántico), existe un valor mínimo para la velocidad del sonido; A mayores profundidades, debido al aumento de presión, la velocidad del sonido vuelve a aumentar. Como los rayos de sonido siempre se curvan hacia áreas del medio donde su velocidad es más baja, se concentran en la capa con la velocidad mínima del sonido” (Krasilnikov, 1954). Esta capa, descubierta por los físicos soviéticos L.D Rosenberg y L.M. Brekhovskikh, se llama el "canal sonoro submarino". El sonido que ingresa al canal de sonido puede viajar grandes distancias sin atenuación. Esta característica debe tenerse en cuenta al considerar la señalización acústica de los peces de aguas profundas.

La absorción acústica en el agua es 1000 veces menor que en el aire. Una fuente de sonido en el aire con una potencia de 100 kilovatios en el agua se puede escuchar a una distancia de hasta 15 kilómetros; en el agua la fuente del sonido es 1 kilovatios se puede escuchar a una distancia de 30-40 km. Los sonidos de diferentes frecuencias se absorben de manera diferente: los sonidos de alta frecuencia se absorben con mayor fuerza y ​​los sonidos de baja frecuencia se absorben más rápidamente. La baja absorción acústica en el agua hizo posible su uso para sonar y señalización. Los espacios acuáticos están llenos de una gran cantidad de sonidos diferentes. Los sonidos de los embalses del Océano Mundial, como lo muestra el hidroacústico estadounidense Wenz (Wenz, 1962), surgen en relación con los siguientes factores: flujos y reflujos, corrientes, vientos, terremotos y tsunamis, actividad industrial humana y vida biológica. La naturaleza del ruido creado por diversos factores difiere tanto en el conjunto de frecuencias del sonido como en su intensidad. En la Fig. La Figura 2 muestra la dependencia del espectro y el nivel de presión de los sonidos del Océano Mundial de los factores que los causan.

En diferentes partes del océano mundial, la composición del ruido está determinada por diferentes componentes. La composición de los sonidos está muy influenciada por el fondo y las orillas.

Por tanto, la composición y la intensidad del ruido en diferentes partes del Océano Mundial son extremadamente diversas. Existen fórmulas empíricas que muestran la dependencia de la intensidad del ruido del mar de la intensidad de los factores que lo provocan. Sin embargo, a efectos prácticos, el ruido del océano suele medirse empíricamente.

Cabe señalar que entre los sonidos del Océano Mundial, los más intensos son los sonidos industriales creados por el hombre: el ruido de los barcos, las redes de arrastre, etc. Según Shane (1964), su intensidad es entre 10 y 100 veces mayor que la de otros. sonidos del océano mundial. Sin embargo, como se puede ver en la Fig. 2, su composición espectral es algo diferente de la composición espectral de los sonidos causada por otros factores.

Cuando se propagan en el agua, las ondas sonoras pueden reflejarse, refractarse, absorberse, experimentar difracción e interferencia.

Al encontrar un obstáculo en su camino, las ondas sonoras pueden reflejarse en él si su longitud de onda es (lambda) más pequeño que el tamaño del obstáculo, o rodearlo (difractarlo) en el caso de que su longitud de onda sea mayor que el obstáculo. En este caso, puedes escuchar lo que sucede detrás del obstáculo sin ver la fuente directamente. Al caer sobre un obstáculo, las ondas sonoras en un caso pueden reflejarse, en otro, penetrar en él (absorberse por él). La cantidad de energía de la onda reflejada depende de cuánto se diferencian entre sí las llamadas resistencias acústicas de los medios “р1с1” y “р2с2”, en cuya interfaz caen las ondas sonoras. La resistencia acústica de un medio es el producto de la densidad de un medio determinado p por la velocidad de propagación del sonido. Con en eso. Cuanto mayor sea la diferencia en la resistencia acústica de los medios, mayor será la energía reflejada en la interfaz entre los dos medios, y viceversa. En el caso, por ejemplo, de un sonido que cae del aire, rs de los cuales 41, al agua, rs que es 150.000, se refleja según la fórmula:

En este sentido, el sonido penetra mucho mejor en un cuerpo sólido desde el agua que desde el aire. Del aire al agua, el sonido penetra bien a través de arbustos o juncos que sobresalen de la superficie del agua.

Debido a la reflexión del sonido de los obstáculos y su naturaleza ondulatoria, puede ocurrir la suma o resta de las amplitudes de presiones sonoras de frecuencias idénticas que llegan a un punto determinado del espacio. Una consecuencia importante de esta adición (interferencia) es la formación de ondas estacionarias tras la reflexión. Si, por ejemplo, haces vibrar un diapasón, acercándolo y alejándolo de la pared, puedes escuchar un aumento y disminución en el volumen del sonido debido a la aparición de antinodos y nodos en el campo sonoro. Normalmente, las ondas estacionarias se forman en recipientes cerrados: en acuarios, piscinas, etc., cuando la fuente hace sonar durante un tiempo relativamente largo.

En condiciones reales del mar u otro cuerpo de agua natural, durante la propagación del sonido, se observan numerosos fenómenos complejos que surgen debido a la heterogeneidad del medio acuático. La propagación del sonido en cuerpos de agua naturales está muy influenciada por el fondo y las interfaces (agua - aire), la temperatura y la heterogeneidad de las sales, la presión hidrostática, las burbujas de aire y los organismos planctónicos. La interfaz entre el agua, el aire y el fondo, así como la heterogeneidad del agua, dan lugar a fenómenos de refracción (curvatura de los rayos sonoros) o de reverberación (reflexión múltiple de los rayos sonoros).

Las burbujas de agua, el plancton y otras materias en suspensión contribuyen a la absorción del sonido en el agua. Aún no se ha desarrollado una evaluación cuantitativa de estos numerosos factores. Es necesario tenerlos en cuenta a la hora de realizar experimentos acústicos.

Consideremos ahora los fenómenos que se producen en el agua cuando en ella se emite sonido.

Imaginemos una fuente de sonido como una esfera pulsante en el espacio infinito. La energía acústica emitida por dicha fuente se atenúa en proporción inversa al cuadrado de la distancia desde su centro.

La energía de las ondas sonoras resultantes se puede caracterizar mediante tres parámetros: velocidad, presión y desplazamiento de las partículas de agua vibrantes. Los dos últimos parámetros son de particular interés al considerar la capacidad auditiva de los peces, por lo que nos detendremos en ellos con más detalle.

Según Harris y Berglijk (1962), la propagación de las ondas de presión y los efectos de desplazamiento se representan de manera diferente en la acústica cercana (a una distancia de menos de una longitud de onda del sonido) y lejana (a una distancia de más de una longitud de onda del sonido). campo.

En el campo acústico lejano, la presión se atenúa en proporción inversa a la distancia a la fuente de sonido. En este caso, en el campo acústico lejano, las amplitudes de desplazamiento son directamente proporcionales a las amplitudes de presión y están relacionadas entre sí mediante la fórmula:

Dónde R - presión acústica en dinar/cm2;

d- la cantidad de desplazamiento de partículas en cm.

En el campo acústico cercano, la relación entre las amplitudes de presión y el desplazamiento es diferente:

Dónde R-presión acústica en dinar/cm2;

d - la magnitud del desplazamiento de partículas de agua en cm;

F - frecuencia de oscilación en Hz;

rs- resistencia acústica del agua igual a 150.000 gramos/cm2 segundo 2;

lambda- longitud de onda del sonido en metro; r - distancia desde el centro de la esfera pulsante;

i= SQR i

La fórmula muestra que la amplitud del desplazamiento en el campo acústico cercano depende de la longitud de onda, el sonido y la distancia a la fuente de sonido.

A distancias inferiores a la longitud de onda del sonido en cuestión, la amplitud del desplazamiento disminuye en proporción inversa al cuadrado de la distancia:

Dónde A - radio de la esfera pulsante;

D- aumentar el radio de la esfera debido a la pulsación; r - distancia desde el centro de la esfera.

Piscis, como se mostrará a continuación, tiene dos tipos diferentes de receptores. Algunos perciben presión, mientras que otros perciben el desplazamiento de partículas de agua. Por lo tanto, las ecuaciones anteriores son de gran importancia para la evaluación correcta de las respuestas de los peces a las fuentes sonoras submarinas.

En relación con la emisión de sonido, observamos dos fenómenos más asociados con los emisores: el fenómeno de resonancia y directividad de los emisores.

La emisión de sonido por parte de un cuerpo se produce debido a sus vibraciones. Cada cuerpo tiene su propia frecuencia de vibración, determinada por el tamaño del cuerpo y sus propiedades elásticas. Si se pone en vibración un cuerpo de este tipo, cuya frecuencia coincide con su propia frecuencia, se produce el fenómeno de un aumento significativo en la amplitud de la vibración: la resonancia. El uso del concepto de resonancia permite caracterizar algunas de las propiedades acústicas de los emisores y receptores de peces. La emisión de sonido al agua puede ser direccional o no direccional. En el primer caso, la energía sonora se propaga predominantemente en una dirección determinada. Un gráfico que expresa la distribución espacial de la energía sonora de una fuente de sonido determinada se denomina diagrama direccional. La radiación direccional se observa cuando el diámetro del emisor es significativamente mayor que la longitud de onda del sonido emitido.

En el caso de la radiación no direccional, la energía sonora diverge uniformemente en todas direcciones. Este fenómeno ocurre cuando la longitud de onda del sonido emitido excede el diámetro del emisor. lambda>2A. El segundo caso es más típico de los emisores submarinos de baja frecuencia. Normalmente, las longitudes de onda de los sonidos de baja frecuencia son mucho mayores que el tamaño de los emisores submarinos utilizados. El mismo fenómeno es típico de los emisores de peces. En estos casos, los emisores no tienen patrones direccionales. En este capítulo, sólo se observaron algunas propiedades físicas generales del sonido en el medio acuático en relación con la bioacústica de los peces. Algunas cuestiones más específicas de la acústica se discutirán en las secciones correspondientes del libro.

En conclusión, consideraremos los sistemas de medición del sonido utilizados por varios autores. El sonido se puede expresar por su intensidad, presión o nivel de presión.

La intensidad del sonido en unidades absolutas se mide mediante números ergio/seg-cm 2, o W/cm2. Al mismo tiempo 1 ergio/seg=10 -7 Mar.

La presión sonora se mide en barras

Existe una relación entre la intensidad del sonido y la presión del sonido:

mediante el cual puede convertir estos valores uno en otro.

No menos a menudo, especialmente cuando se considera el oído de los peces, debido a la amplia gama de valores umbral, la presión sonora se expresa en unidades logarítmicas relativas de decibelios, db. Si la presión sonora de un sonido R, y el otro P o, entonces creen que el primer sonido es más fuerte que el segundo por kbase de datos y calcularlo usando la fórmula:

La mayoría de los investigadores toman el valor umbral de la audición humana igual a 0,0002 como lectura cero de la presión sonora P o bar para frecuencia 1000 Hz.

La ventaja de un sistema de este tipo es la posibilidad de comparar directamente la audición de humanos y peces, la desventaja es la dificultad de comparar los resultados obtenidos sobre el sonido y la audición de los peces.

Los valores reales de la presión sonora creada por los peces son de cuatro a seis órdenes de magnitud superiores al nivel cero aceptado (0,0002 bar), y los niveles de umbral auditivo de varios peces se encuentran tanto por encima como por debajo de la referencia cero convencional.

Por lo tanto, para facilitar la comparación de los sonidos y la audición de los peces, los autores estadounidenses (Tavolga a. Wodinsky, 1963, etc.) utilizan un sistema de referencia diferente.

Se considera nivel de referencia cero una presión sonora de 1 bar, que esta en 74 base de datos superior al aceptado anteriormente.

A continuación se muestra una relación aproximada de ambos sistemas.

Los valores reales según el sistema de referencia americano están marcados con un asterisco en el texto.

Hidroacústica (del griego hydor- agua, acusticoc- auditivo) - la ciencia de los fenómenos que ocurren en el medio acuático y asociados con la propagación, emisión y recepción de ondas acústicas. Incluye cuestiones de desarrollo y creación de dispositivos hidroacústicos destinados a su uso en el medio acuático.

Historia del desarrollo

Hidroacústica Es una ciencia en rápido desarrollo y que sin duda tiene un gran futuro. Su aparición estuvo precedida por un largo camino de desarrollo de la acústica teórica y aplicada. La primera información sobre el interés humano por la propagación del sonido en el agua la encontramos en las notas del célebre científico renacentista Leonardo da Vinci:

Las primeras mediciones de distancia a través del sonido las realizó el investigador ruso Ya. Zakharov. El 30 de junio de 1804 voló en un globo con fines científicos y en este vuelo utilizó el reflejo del sonido de la superficie de la tierra para determinar la altitud de vuelo. Mientras estaba en la canasta del balón, gritó en voz alta por un altavoz que apuntaba hacia abajo. Después de 10 segundos se escuchó un eco claramente audible. De esto Zakharov concluyó que la altura de la bola sobre el suelo era de aproximadamente 5 x 334 = 1670 m. Este método formó la base de la radio y el sonar.

Junto con el desarrollo de cuestiones teóricas, en Rusia se llevaron a cabo estudios prácticos de los fenómenos de propagación del sonido en el mar. Almirante S. O. Makarov en 1881-1882 propuso utilizar un dispositivo llamado fluctómetro para transmitir información sobre la velocidad de las corrientes bajo el agua. Esto marcó el comienzo del desarrollo de una nueva rama de la ciencia y la tecnología: la telemetría hidroacústica.

Esquema de la estación hidrofónica de la planta del Báltico modelo 1907: 1 - bomba de agua; 2 - tubería; 3 - regulador de presión; 4 - válvula hidráulica electromagnética (válvula de telégrafo); 5 - tecla de telégrafo; 6 - emisor de membrana hidráulica; 7 - costado del barco; 8 - tanque de agua; 9 - micrófono sellado

En la década de 1890. En el Astillero Báltico, por iniciativa del Capitán de segundo rango M.N. Beklemishev, se comenzó a trabajar en el desarrollo de dispositivos de comunicación hidroacústica. Las primeras pruebas de un emisor hidroacústico para comunicación submarina se realizaron a finales del siglo XIX. en la piscina experimental del puerto Galernaya de San Petersburgo. Las vibraciones que emitía se podían escuchar claramente a 11 kilómetros de distancia, en el faro flotante Nevsky. Como resultado de una investigación en 1905. Creó el primer dispositivo de comunicación hidroacústica, en el que el papel del dispositivo de transmisión lo desempeñaba una sirena submarina especial, controlada por una tecla de telégrafo, y el receptor de la señal era un micrófono de carbono conectado desde el interior al casco del barco. Las señales fueron registradas mediante un aparato Morse y de oído. Posteriormente, la sirena fue sustituida por un emisor de tipo membrana. La eficiencia del dispositivo, llamado estación hidrofónica, aumentó significativamente. Las pruebas en el mar de la nueva estación se llevaron a cabo en marzo de 1908. en el Mar Negro, donde el alcance de recepción fiable de la señal superó los 10 km.

Las primeras estaciones de comunicación sonido-submarinas en serie diseñadas por el Astillero Báltico en 1909-1910. instalado en submarinos "Carpa", "Albur", "esterleta", « Caballa" Y " Perca". Al instalar estaciones en submarinos, para reducir las interferencias, el receptor se ubicó en un carenado especial, remolcado detrás de la popa con un cable. Los británicos tomaron tal decisión sólo durante la Primera Guerra Mundial. Luego esta idea fue olvidada y recién a finales de la década de 1950 comenzó a usarse nuevamente en diferentes países para crear estaciones de sonar resistentes al ruido.

El impulso para el desarrollo de la hidroacústica fue la Primera Guerra Mundial. Durante la guerra, los países de la Entente sufrieron grandes pérdidas en sus flotas mercantes y militares debido a las acciones de los submarinos alemanes. Era necesario encontrar medios para combatirlos. Pronto fueron encontrados. Un submarino en posición sumergida se puede escuchar por el ruido creado por las hélices y los mecanismos de funcionamiento. Un dispositivo que detecta objetos ruidosos y determina su ubicación se llamó radiogoniómetro. El físico francés P. Langevin propuso en 1915 utilizar un receptor sensible hecho de sal de Rochelle para la primera estación radiogoniométrica de ruido.

Conceptos básicos de hidroacústica.

Características de la propagación de ondas acústicas en el agua.

Componentes de un evento de eco.

La investigación exhaustiva y fundamental sobre la propagación de ondas acústicas en el agua comenzó durante la Segunda Guerra Mundial, que fue dictada por la necesidad de resolver problemas prácticos de las armadas y, en primer lugar, de los submarinos. El trabajo experimental y teórico continuó en los años de la posguerra y se resumió en varias monografías. Como resultado de estos trabajos se identificaron y aclararon algunas características de la propagación de ondas acústicas en el agua: absorción, atenuación, reflexión y refracción.

La absorción de la energía de las ondas acústicas en el agua de mar se produce por dos procesos: la fricción interna del medio y la disociación de las sales disueltas en él. El primer proceso convierte la energía de una onda acústica en calor, y el segundo, transformándose en energía química, saca las moléculas de un estado de equilibrio y se desintegran en iones. Este tipo de absorción aumenta drásticamente al aumentar la frecuencia de la vibración acústica. La presencia de partículas en suspensión, microorganismos y anomalías de temperatura en el agua también provocan una atenuación de la onda acústica en el agua. Por regla general, estas pérdidas son pequeñas y se incluyen en la absorción total, pero a veces, como por ejemplo en el caso de la dispersión por la estela de un barco, estas pérdidas pueden ascender hasta el 90%. La presencia de anomalías de temperatura provoca que la onda acústica caiga en zonas de sombra acústica, donde puede sufrir múltiples reflexiones.

La presencia de interfaces entre agua - aire y agua - fondo conduce a la reflexión de una onda acústica desde ellas, y si en el primer caso la onda acústica se refleja completamente, en el segundo caso el coeficiente de reflexión depende del material del fondo: los fondos fangosos reflejan mal, los arenosos y rocosos reflejan bien. A poca profundidad, debido a los múltiples reflejos de la onda acústica entre el fondo y la superficie, aparece un canal de sonido submarino, en el que la onda acústica puede propagarse a largas distancias. Cambiar la velocidad del sonido a diferentes profundidades conduce a la curvatura de los "rayos" del sonido: la refracción.

Refracción del sonido (curvatura de la trayectoria del haz de sonido)

Refracción del sonido en el agua: a - en verano; b - en invierno; a la izquierda está el cambio de velocidad con la profundidad. La velocidad de propagación del sonido cambia con la profundidad y los cambios dependen de la época del año y del día, la profundidad del depósito y varias otras razones. Los rayos de sonido que emergen de una fuente en un cierto ángulo con respecto al horizonte se curvan y la dirección de curvatura depende de la distribución de las velocidades del sonido en el medio: en verano, cuando las capas superiores son más cálidas que las inferiores, los rayos se curvan hacia abajo. y se reflejan en su mayoría desde abajo, perdiendo una parte importante de su energía; en invierno, cuando las capas inferiores de agua mantienen su temperatura, mientras que las superiores se enfrían, los rayos se curvan hacia arriba y se reflejan repetidamente desde la superficie del agua, mientras que se pierde mucha menos energía. Por tanto, en invierno el rango de propagación del sonido es mayor que en verano. La distribución vertical de la velocidad del sonido (VSD) y el gradiente de velocidad tienen una influencia decisiva en la propagación del sonido en el medio marino. La distribución de la velocidad del sonido en diferentes zonas del océano mundial es diferente y cambia con el tiempo. Hay varios casos típicos de VRSD:

Dispersión y absorción del sonido por faltas de homogeneidad del medio.

Propagación del sonido en el sonido submarino. canal: a - cambio en la velocidad del sonido con la profundidad; b - trayectoria del rayo en el canal de sonido. La propagación de sonidos de alta frecuencia, cuando las longitudes de onda son muy pequeñas, está influenciada por pequeñas faltas de homogeneidad que se encuentran habitualmente en las masas de agua naturales: burbujas de gas, microorganismos, etc. Estas faltas de homogeneidad actúan de dos maneras: absorben y dispersan la energía del sonido. ondas. Como resultado, a medida que aumenta la frecuencia de las vibraciones del sonido, el alcance de su propagación disminuye. Este efecto es especialmente notable en la capa superficial del agua, donde hay más heterogeneidades. La dispersión del sonido por faltas de homogeneidad, así como por superficies irregulares del agua y del fondo, provoca el fenómeno de la reverberación submarina, que acompaña al envío de un pulso sonoro: las ondas sonoras, al reflejarse en una multitud de faltas de homogeneidad y fusionarse, dan lugar a una prolongación del pulso sonoro, que continúa después de su finalización. Los límites del rango de propagación de los sonidos submarinos también están limitados por el ruido natural del mar, que tiene un doble origen: parte del ruido surge del impacto de las olas en la superficie del agua, del oleaje del mar, del ruido de guijarros rodando, etc.; la otra parte está asociada a la fauna marina (sonidos producidos por hidrobiontes: peces y otros animales marinos). La biohidroacústica se ocupa de este aspecto tan serio.

Rango de propagación de ondas sonoras

El rango de propagación de las ondas sonoras es una función compleja de la frecuencia de radiación, que está únicamente relacionada con la longitud de onda de la señal acústica. Como es sabido, las señales acústicas de alta frecuencia se atenúan rápidamente debido a una fuerte absorción por parte del medio acuático. Las señales de baja frecuencia, por el contrario, son capaces de propagarse a largas distancias en el medio acuático. Así, una señal acústica con una frecuencia de 50 Hz puede propagarse en el océano a distancias de miles de kilómetros, mientras que una señal con una frecuencia de 100 kHz, típica del sonar de barrido lateral, tiene un alcance de propagación de sólo 1 a 2 km. . Los alcances aproximados de los sonares modernos con diferentes frecuencias de señales acústicas (longitudes de onda) se dan en la tabla:

Áreas de uso.

La hidroacústica ha recibido una amplia aplicación práctica, ya que aún no se ha creado un sistema eficaz para transmitir ondas electromagnéticas bajo el agua a una distancia significativa y, por lo tanto, el sonido es el único medio posible de comunicación bajo el agua. Para estos fines se utilizan frecuencias de sonido de 300 a 10.000 Hz y ultrasonidos de 10.000 Hz y superiores. Se utilizan emisores e hidrófonos electrodinámicos y piezoeléctricos como emisores y receptores en el dominio del sonido, y piezoeléctricos y magnetoestrictivos en el dominio ultrasónico.

Las aplicaciones más significativas de la hidroacústica:

• Resolver problemas militares;
• Navegación marítima;
• Comunicación sana;
• Exploración pesquera;
• Investigación oceanológica;
• Áreas de actividad para el desarrollo de los recursos del fondo del Océano Mundial;
• Utilizar la acústica en la piscina (en casa o en un centro de entrenamiento de natación sincronizada)
• Entrenando animales marinos.

Notas

Literatura y fuentes de información.

LITERATURA:

• V.V. Shuleikin fisica del mar. - Moscú: “Ciencia”, 1968. - 1090 p.
• I A. rumano Conceptos básicos de hidroacústica.. - Moscú: “Construcción naval”, 1979 - 105 p.
• Yu.A. Koryakin Sistemas hidroacústicos. - San Petersburgo: “La ciencia de San Petersburgo y el poder marítimo de Rusia”, 2002. - 416 p.

El sonido viaja a través de ondas sonoras. Estas ondas viajan no sólo a través de gases y líquidos, sino también a través de sólidos. La acción de cualquier onda consiste principalmente en la transferencia de energía. En el caso del sonido, la transferencia se produce en forma de pequeños movimientos a nivel molecular.

En gases y líquidos, una onda sonora mueve las moléculas en la dirección de su movimiento, es decir, en la dirección de la longitud de onda. En los sólidos, las vibraciones sonoras de las moléculas también pueden ocurrir en una dirección perpendicular a la onda.

Las ondas sonoras viajan desde sus fuentes en todas direcciones, como se muestra en la imagen de la derecha, que muestra una campana de metal que choca periódicamente con su lengua. Estas colisiones mecánicas hacen que la campana vibre. La energía de las vibraciones se transmite a las moléculas del aire circundante y éstas son expulsadas de la campana. Como resultado, aumenta la presión en la capa de aire adyacente a la campana, que luego se propaga en ondas en todas direcciones desde la fuente.

La velocidad del sonido es independiente del volumen o del tono. Todos los sonidos de una radio en una habitación, ya sean fuertes o suaves, agudos o graves, llegan al oyente al mismo tiempo.

La velocidad del sonido depende del tipo de medio en el que viaja y de su temperatura. En los gases, las ondas sonoras viajan lentamente porque su estructura molecular enrarecida ofrece poca resistencia a la compresión. En los líquidos la velocidad del sonido aumenta y en los sólidos se vuelve aún más rápida, como se muestra en el siguiente diagrama en metros por segundo (m/s).

Camino de la onda

Las ondas sonoras viajan a través del aire de una manera similar a la que se muestra en los diagramas de la derecha. Los frentes de onda se mueven desde la fuente a una cierta distancia entre sí, determinada por la frecuencia de las vibraciones de la campana. La frecuencia de una onda sonora se determina contando el número de frentes de onda que pasan por un punto determinado por unidad de tiempo.

El frente de ondas sonoras se aleja de la campana vibrante.

En el aire uniformemente calentado, el sonido se propaga a velocidad constante.

El segundo frente sigue al primero a una distancia igual a la longitud de onda.

La intensidad del sonido es mayor cerca de la fuente.

Representación gráfica de una onda invisible.

Sondeo sonoro de profundidades.

Un haz de ondas sonoras de sonar atraviesa fácilmente el agua del océano. El principio del sonar se basa en el hecho de que las ondas sonoras se reflejan desde el fondo del océano; Este dispositivo se utiliza generalmente para determinar las características del terreno submarino.

Sólidos elásticos

El sonido viaja en una placa de madera. Las moléculas de la mayoría de los sólidos están unidas en una red espacial elástica, que está poco comprimida y al mismo tiempo acelera el paso de las ondas sonoras.