Наше деловое партнерство www.banwar.org

Під звуком розуміють пружні хвилі, що лежать в межах чутності людського вуха, в інтервалі коливань від 16 гц до 20 кГц. Коливання з частотою нижче 16 гц називаються інфразвуком, понад 20 кГц -ультразвуком.

Вода в порівнянні з повітрям має більшу щільність і меншою сжимаемостью. У зв'язку з цим швидкість звуку у воді в чотири з половиною рази більше, ніж в повітрі, і становить 1440 м / сек. Частота коливань звуку (ню) пов'язана з довжиною хвилі (лямбда) співвідношенням: c = лямбда-ню. Звук поширюється у воді без дисперсії. Швидкість звуку в воді змінюється в залежності від двох параметрів: щільності і температури. Зміна температури на 1 ° тягне за собою відповідне зміна швидкості звуку на 3,58 м в секунду. Якщо простежити за швидкістю поширення звуку від поверхні до дна, виявиться, що спочатку через зниження температури вона швидко убуває, досягнувши на деякій глибині мінімуму, а потім, з глибиною, починає швидко зростати за рахунок збільшення тиску води, яке, як відомо, зростає приблизно на 1 атм на кожні 10 м глибини.

Починаючи з глибини приблизно 1200 м, де температура води практично залишається постійною, зміна швидкості звуку відбувається за рахунок зміни тиску. «На глибині, рівній приблизно 1200 м (Для Атлантики), є мінімум значення швидкості звуку; на великих глибинах завдяки збільшенню тиску швидкість звуку знову збільшується. Так як звукові промені завжди згинаються до ділянок середовища, де їх швидкість найменша, то вони концентруються в шарі з мінімальною швидкістю звуку »(Красильников, 1954). Цей шар, відкритий радянськими фізиками Л. Д. Розенбергом і Л.М. Бреховских, носить назву «підводного звукового каналу». Звук, який потрапив в звуковий канал, може поширюватися без ослаблення на величезні відстані. Цю особливість необхідно мати на увазі при розгляді акустичної сигналізації глибоководних риб.

Поглинання звуку в воді в 1000 разів менше, ніж в повітрі. Джерело звуку в повітрі потужністю в 100 квт в воді чути на відстані до 15 км; в воді джерело звуку в 1 квт чути на відстані 30-40 км. Звуки різних частот поглинаються неоднаково: найсильніше поглинаються звуки високих частот і мгнее всього - низькі звуки. Мале поглинання звуку в воді дозволило використовувати його для гидролокациі і сигналізації. Водне плесо наповнені великою кількістю різних звуків. Звуки водойм Світового океану, як показав американський гідроакустик Венц (Wenz, 1962), виникають у зв'язку з наступними факторами: приливами і відливами, течіями, вітром, землетрусами і цунамі, індустріальної діяльністю людини і біологічним життям. Характер шумів, що створюються різними факторами, відрізняється як набором звукових частот, так і їх інтенсивністю. На рис. 2 показана залежність спектра і рівня тиску звуків Світового океану від викликають їх факторів.

У різних ділянках Світового океану склад шумів визначають різні компоненти. Великий вплив при цьому на склад звуків надають дно і береги.

Таким чином, склад і інтенсивність шумів в різних ділянках Світового океану виключно різноманітні. Існують емпіричні формули, що показують залежність інтенсивності шумів моря від інтенсивності викликають їх факторів. Однак в практичних цілях шуми океану вимірюються зазвичай емпірично.

Слід зазначити, що серед звуків Світового океану найбільшою інтенсивністю відрізняються індустріальні звуки, створювані людиною: шум кораблів, тралів і т. Д. За даними Шейна (1964), вони за інтенсивністю в 10-100 разів перевищують інші звуки Світового океану. Однак, як видно з рис. 2, їх спектральний склад дещо відрізняється від спектрального складу звуків, що викликаються іншими факторами.

Склад шумів океанів

При поширенні в воді звукові хвилі можуть відбиватися, переломлюватися, поглинатися, відчувати діффракціі і інтерференцію.

Зустрічаючи на своєму шляху перешкоду, звукові хвилі можуть відбитися від нього в разі, коли довжина їх хвилі (лямбда) менше розміру перешкоди, або обігнути (діффрагіровать) його в разі, коли їх довжина хвилі більше перешкоди. В цьому випадку можна чути те, що відбувається за перешкодою, не бачачи джерела безпосередньо. Падаючи на перешкоду, звукові хвилі в одному випадку можуть відбитися, в іншому - проникнути в нього (поглинутися їм). Величина енергії відбитої хвилі залежить від того, як сильно різняться між собою так звані акустичні опору середовищ «р1с1» і «р2с2», на кордон розділу яких падають звукові хвилі. Під акустичним опором середовища мається на увазі твір щільності цього середовища р на швидкість поширення звуку з в ній. Чим більше різниця акустичних опорів середовищ, тим більша частина енергії відіб'ється від розділу двох середовищ, і навпаки. У разі, наприклад, падіння звуку з повітря, рс якого 41, в воду, рс якої 150 000, він відбивається відповідно до формули:

Незважаючи на це, голос людини може бути добре почутий за допомогою звукопріемніков, поміщених під воду.

У зв'язку з зазначеним звук набагато краще проникає в тверде тіло з води, ніж з повітря. З повітря в воду звук добре проникає через кущі або очерети, що виступають над водною поверхнею.

У зв'язку з відображенням звуку від перешкод і його хвильовою природою може відбуватися додавання чи віднімання амплітуд звукового тиску однакових частот, які прийшли в цю точку простору. Важливим наслідком такого складання (інтерференції) є утворення стоячих хвиль при відображенні. Якщо, наприклад, привести в коливання камертон, наближаючи і видаляючи його від стіни, можна чути через появу пучностей і вузлів в звуковому полі посилення і ослаблення гучності звуку. Зазвичай стоячі хвилі утворюються в закритих ємностях: в акваріумах, басейнах тощо. При відносно тривалому за часом звучанні джерела.

В реальних умовах моря або іншої природної водойми при поширенні звуку спостерігаються численні складні явища, що виникають у зв'язку з неоднорідністю водного середовища. Величезний вплив на поширення звуку в природних водоймах надають дно і кордони розділу (вода - повітря), температурна і сольова неоднорідність, гідростатичний тиск, бульбашки повітря і планктонні організми. Поверхні розділу вода - повітря і дно, а також неоднорідність води призводять до явищ рефракції (викривлення звукових променів), або реверберації (багаторазове відображення звукових променів).

Бульбашки води, планктон і інші суспензії сприяють поглинанню звуку в воді. Кількісна оцінка цих численних факторів в даний час ще не розроблена. Враховувати ж їх при постановці акустичних дослідів необхідно.

Розглянемо тепер явища, що відбуваються у воді при випромінюванні в ній звуку.

Уявімо собі звуковий джерело як пульсуючу сферу в нескінченному просторі. Акустична енергія, яку випромінює таким джерелом, послаблюється обернено пропорційно квадрату відстані від його центру.

Енергія утворюються звукових хвиль може бути охарактеризована трьома параметрами: швидкістю, тиском і зміщенням тих, хто вагається частинок води. Два останніх параметра представляють особливий інтерес при розгляді слухових здібностей риб, тому на них зупинимося більш детально.

За Гаррісу і Бергельджіку (Harris a. Berglijk, 1962), поширення хвиль тиску і ефекту зміщення по-різному представлені в ближньому (на відстані менше однієї довжини хвилі звуку) і далекому (на відстані, більше однієї довжини хвилі звуку) акустичному полі.

У далекому акустичному полі тиск послаблюється назад пропорційно відстані від джерела звуку. При цьому в далекому акустичному полі амплітуди зміщення прямо пропорційні амплітудам тиску і пов'язані між собою формулою:

де Р - акустичний тиск в дин / см2;

d - величина зміщення частинок в см.

У ближньому акустичному полі залежність між амплітудами тиску і зміщення інша:

де Р -акустіческое тиск в дин / см2;

d - величини зміщення частинок води в см;

f - частота коливань в гц;

рс - акустичний опір води, що дорівнює 150 000 г / см2 • с 2;

лямбда - довжина хвилі звуку в м; r - відстань від центру пульсуючою сфери;

i = SQR • i

З формули видно, що амплітуда зміщення в ближньому акустичному полі залежить від довжини хвилі, звуку і відстані від джерела звуку.

На відстанях, менших, ніж довжина хвилі розглянутого звуку, амплітуда зсуву зменшується обернено пропорційно квадрату відстані:

де А - радіус пульсуючою сфери;

Д - збільшення радіусу сфери за рахунок пульсації; r - відстань від центру сфери.

Риби, як буде показано нижче, володіють двома різними типами приймачів. Одні з них сприймають тиск, а інші - зміщення частинок води. Наведені уравненіяімеют тому велике значення для правильної оцінки відповідних реакцій риб на підводні джерела звуку.

У зв'язку з випромінюванням звуку відзначимо ще два явища, пов'язані з випромінювачами: явище резонансу і спрямованості випромінювачів.

Випромінювання звуку тілом відбувається в зв'язку з його коливаннями. Кожне тіло має власну частоту коливань, яка визначається розміром тіла і його пружними властивостями. Якщо таке тіло приводиться в коливання, частота якого збігається з його власною частотою, настає явище значного збільшення амплітуди коливання - резонанс. Застосування поняття про резонанс дозволяє охарактеризувати деякі акустичні властивості випромінювачів і приймачів риб. Випромінювання звуку в воду може бути спрямованим і ненаправленим. У першому випадку звукова енергія поширюється переважно в певному напрямку. Графік, що виражає просторовий розподіл звукової енергії даного джерела звуку, називають діаграмою його спрямованості. Спрямованість випромінювання спостерігається в разі, коли діаметр випромінювача значно більше довжини хвилі випромінюваного звуку.

У разі ненаправленного випромінювання звукова енергія розходиться в різні боки рівномірно. Таке явище відбувається в разі, коли довжина хвилі випромінюваного звуку перевершує діаметр випромінювача лямбда> 2А. Другий випадок найбільш характерний для підводних випромінювачів низької частоти. Зазвичай довжини хвиль низькочастотних звуків бувають значно більше розмірів застосовуваних підводних випромінювачів. Таке ж явище характерне і для випромінювачів риб. У цих випадках діаграми спрямованості у випромінювачів відсутні. У цій главі були відзначені лише деякі загальні фізичні властивості звуку у водному середовищі у зв'язку з Біоакустика риб. Деякі більш приватні питання акустики будуть розглянуті у відповідних розділах книги.

На закінчення розглянемо застосовувані різними авторами системи вимірювань звуку. Звук може бути виражений його інтенсивністю, тиском або рівнем тиску.

Інтенсивність звуку в абсолютних одиницях вимірюється або числом ерг / сек-см2, або вт / см2. При цьому 1 ерг / сек = 10-7 пн.

Тиск звуку вимірюється в барах.

Між інтенсивністю і тиском звуку існує залежність:

користуючись якою можна переводити ці величини одну в іншу.

Не менш часто, особливо при розгляді слуху риб, у зв'язку з величезним діапазоном порогових величин звуковий тиск виражають у відносних логарифмічних одиницях децибеллах, дб. Якщо звуковий тиск одного звуку Р, а іншого Ро, то вважають, що перший звук голосніше другого на k дб і обчислюють його за формулою:

Більшість дослідників при цьому за нульовою відлік тиску звуку Ро приймають порогову величину слуху людини, рівну 0,0002 бару для частоти 1000 Гц.

Перевагою такої системи є можливість безпосереднього зіставлення слуху людини і риб, недоліком - складність зіставлення отриманих результатів за звучанням і слуху риб.

Фактичні величини звукового тиску, створюваного рибами, на чотири - шість порядків вище прийнятого нульового рівня (0,0002 бару), а порогові рівні слуху різних риб лежать як вище, так і нижче умовного нульового відліку.

Тому для зручності зіставлення звуків і слуху риб американські автори (Tavolga a. Wodinsky, 1963, і ін.) Користуються іншою системою відліку.

За нульовий рівень відліку прийнято тиск звуку в 1 бар, який на 74 дб вище раніше прийнятого.

Нижче наводиться орієнтовне співвідношення обох систем.

Фактичні величини по американській системі відліку в тексті позначені зірочкою.