Članak iz časopisa "Tehnologija - mladi"#11 za 1939. o najranijim zvučnim istraživanjima i istraživačima. Članak je prilično sladak. crteži Leva Smehova. Ispostavilo se da je Lev Smehov svima ujak poznati glumac Veniamin Smekhov.
Zvuk dugo se smatra jednim od najmisterioznijih fenomena prirode. U stvari, šta stvara zvuk? Šta to čini da se širi na nepoznate načine i dopre do naših ušiju? Zašto zvuk, jedva rođen, tako brzo nestaje? Ova pitanja dugo su mučila radoznali ljudski um.
Ne znajući ništa o prirodi zvuka, čovečanstvo ga koristi hiljadama godina. Ljudi su davno uočili neke zakonitosti u ovoj pojavi, izdvajajući pojedine njihove kombinacije iz mase zvukova koji su ostavljali ugodan utisak na uho. To je bio jedan od razloga rađanja muzike, najstarije umjetnosti.
Naši daleki preci uspostavili su na čisto praktičan način osnovne obrasce gradnje muzički instrumenti. Znali su, na primjer, da lira ili harfa imaju dobar ton samo ako su njihove žice odabrane po dužini i debljini u skladu s određenim brojčanim omjerima. Samo u ovom slučaju svaka žica daje zvuk određenog tona. Pravilna kombinacija ovih tonova je osnova muzičke harmonije.
Međutim, zašto se sve ovo dešava, razlog za pojavu, drevni majstori muzičkih instrumenata nisu mogli da objasne.
Prvi koji je matematički istraživao numerički odnos tonova u muzičkim instrumentima bio je veliki matematičar antike Pitagora koji je živeo u 6. veku. BC e. Priča se da je jednog dana naučnik, prolazeći pored kovačnice, primetio zanimljiv fenomen: udarci čekića po nakovnju reprodukovali su zvukove muzičkih tonova - kvarte, kvinte i oktave. Pitagora je počeo tražiti razloge za tako izuzetnu muzikalnost kovačkog alata. U tom periodu Pitagora je razvio svoju teoriju, brojeve kao osnovu svega što postoji. Nadajući se da će i ovdje pronaći numeričke omjere koji bi pomogli da se objasni transformacija kovačkih instrumenata u muzičke, naučnik je odlučio da izmjeri čekiće. Ispostavilo se da je težina manjih čekića tri četvrtine, dvije trećine i polovina težine velikog. Tada je Pitagora zamolio kovače da uzmu druge čekiće, čija težina ne bi odgovarala pronađenim proporcijama. Međutim, novi čekići više nisu proizvodili muzičke tonove.
Ovaj incident dao je Pitagori razlog za postavljanje čitavog niza eksperimenata. Uz pomoć jednostavnih instrumenata, poznati geometar će otkriti da visina žice zavisi od njene dužine i stepena zategnutosti. Osim toga, istraživanje naučnika pokazalo je da u pravilno podešenom muzičkom instrumentu dužine žica treba da budu iste. odnose koji su pronađeni u proučavanju muzičkih čekića.
Zakon koji je otkrio Pitagora dao je objašnjenje samo za jednu posebnu pojavu iz oblasti zvuka. Dublji uzroci pronađenog uzorka, kao i priroda zvuka općenito, i dalje su ostali misterija.
Drevni prirodni filozofi iznijeli su mnoge pretpostavke o prirodi i uzrocima širenja zvuka. Neki ljudi su već tada izrazili hrabru pretpostavku o oscilatornoj prirodi zvučnih fenomena. Ove ideje su našle najistinitiju i najpotpuniju generalizaciju u spisima rimskog pisca Seneca koji je živeo u 1. veku. n. e. Njegovih sedam knjiga, objedinjenih pod opštim nazivom „Prirodna pitanja“, bile su svojevrsna enciklopedija prirodnih nauka, koja je zadržala svoju naučnu vrednost skoro do kraja srednjeg veka. U ovim knjigama, napisanim vrlo živo i uvjerljivo, Seneka govori o najrazličitijim problemima prirodnih nauka, uključujući i zvuk. Evo šta piše o prirodi zvučnih pojava:
„Šta je zvuk glasa, ako ne drhtanje zraka od udaraca jezika? Kakvo bi se pjevanje moglo čuti bez ove elastične vazdušaste tekućine? Zar se zvuci trube, trube i hidrauličnih orgulja ne objašnjavaju istom elastičnom silom zraka?
Seneka se vrlo približio modernim pogledima na prirodu zvuka. Istina, to su bile samo pretpostavke, ne potkrijepljene eksperimentalnim, praktičnim istraživanjima.
Sljedećih 1500 godina dodalo je vrlo malo onome što su ljudi znali o prirodi zvuka. U 17. veku Francis Bacon, osnivač eksperimentalne metode u nauci, smatrao je da se zvuk može širiti samo kroz neki "elastični fluid", koji je, po njegovom mišljenju, bio dio zraka. Ova Baconova lažna izjava je u suštini ponovila apstraktno razmišljanje starih. prirodni filozofi.
U međuvremenu, do sada, eksperimentalni zdrava nauka. U italijanskom gradu Firenci, veliki naučnik Galileo primao muzičke zvukove brzim vođenjem noža po ivici novčića, pijastri. Galileo je otkrio da kada je broj zareza na novčiću velik, proizvodi se visoki ton. Iz ovoga je naučnik zaključio da visina tona zavisi od učestalosti udara.
Galilejevi eksperimenti poslužili su kao osnova za rad francuskog naučnika, monah Mersenne. Godine 1636. Mersenne je objavio knjigu u kojoj je opisao svoja istraživanja. Želio je da testira obrazac muzičkih zvukova koje je pronašao Pitagora i objasni njegove uzroke. Nakon dugotrajnog istraživanja i mukotrpnog istraživanja, Mersenne je otkrio da visina tona ovisi isključivo o frekvenciji vibracije tijela koje sondira. Ustanovio je i zakon vibracija strune, prema kojem je broj vibracija obrnuto proporcionalan dužini žice i kvadratnom korijenu njene težine, a direktno proporcionalan kvadratnom korijenu njenog stepena zategnutosti. Sličan zakon se pokazao pravednim u odnosu na dužinu cijevi. Što je cijev kraća, veći broj vibracija daje, to je njen zvuk jači.
Ovi eksperimenti bacaju svjetlo na prirodu zvuka. Mersenneovo istraživanje je dokazalo da zvuk nije ništa drugo do vibracije čestica zraka uzrokovane tijelom koje sondira. Muzički čekići koji su pogodili Pitagoru i postavili temelje za njegovo istraživanje proizvodili su zvuk udarajući o nakovnji. Sada je jasno da su lakši čekići izazivali brze, odnosno česte vibracije, dok su teški čekići izazivali spore. Broj vibracija čekića bio je proporcionalan njihovoj težini.
Rad brojnih naučnika potvrdio je Mersenovu osnovnu ideju. Utvrđeno je da svako oscilirajuće tijelo s brojem vibracija od 20 do 20 hiljada u sekundi stvara valove u zraku koje uho percipira u obliku zvuka.
Kada je razjašnjena oscilatorna priroda zvuka, postavilo se pitanje: kolika je brzina prostiranja zvučnih talasa? Odavno je poznato da zvuk putuje mnogo sporije od svjetlosti. Mnogi su morali promatrati kako se udarac (na primjer, čekićem na nakovnju ili sjekirom drvosječe po drvetu), napravljen na određenoj udaljenosti od promatrača, opaža uho nešto kasnije nego oko. To je zato što je zvuku potrebno određeno vrijeme da stigne do posmatrača, dok svjetlost putuje gotovo trenutno.
Prvo određivanje brzine zvuka u vazduhu izvršio je francuski fizičar i filozof Pierre Gassendi sredinom 17. veka.
U to vrijeme mnogi su vjerovali da je ta izjava istinita. Aristotel kao da visoki tonovi putuju brže od niskih. Gasendi je odlučio da to proveri. Njegovo iskustvo je bilo sljedeće. Na određenoj udaljenosti od posmatrača istovremeno su ispaljeni hici iz pištolja i topa. U ovom slučaju mjeren je vremenski interval između pojave bljeska baruta i zvuka pucnja koji je stigao do posmatrača. Iskustvo je pokazalo da se zvuk oba pucnja širi istom brzinom. Usput je Gasendi odredio brzinu širenja zvuka; prema njegovim proračunima, ispostavilo se da je jednako 449 metara u sekundi.
Uprkos netačnosti rezultata, Gasendijev eksperiment je bio od velike važnosti za dalja istraživanja. Dao je metodu koju su kasnije koristili mnogi naučnici. Koristeći naprednije instrumente, otkrili su pravu brzinu zvuka u zraku. Istovremeno je utvrđeno da ne ostaje konstantan, već se mijenja u zavisnosti od temperature i pritiska: u toplom ljetnom danu je manji nego u hladnom zimskom danu, a na primjer, pri 0°, brzina zvuk je oko 332 metra u sekundi.
Godine 1667. poznati Njutnov istraživač, sunarodnik i saradnik, Robert Hooke napravio niz eksperimenata koji su otkrili nova svojstva zvuka. Do tada su mnogi naučnici, poput Becona, smatrali da je vazduh jedini medij u kome se zvuk mogao širiti. U međuvremenu, u svakodnevnom životu bilo je pojava koje su govorile o nečem drugom. Znalo se, na primjer, da kada prislonite uho na zemlju, možete čuti zveket konja. Na isti način, zaranjajući u vodu, jasno se čuje zvuk daska, pljusak vesala čamca u pokretu, udar kamenja jedno o drugo. Hooke je, naravno, bio svjestan ovih činjenica. Odlučio je da opovrgne netačnu tvrdnju Bacona i njegovih sljedbenika.
Nakon niza vrlo zanimljivih i originalnih eksperimenata, naučnik je došao do rezultata koje je zapisao u svom laboratorijskom dnevniku: „Do sada još niko nije proučavao pitanje koji drugi medij, osim zraka, može percipirati zvuk. ljudskim uhom. Potvrđujem da sam uz pomoć izdužene žice prenosio zvuk na znatnu udaljenost, i štoviše, brzinom, ako ne jednakom brzini svjetlosti, onda barem neuporedivo većom od brzine zvuka u zraku.
Hooke je napravio vrlo zanimljiv eksperiment. Nalijepio je violinu na bakarnu ploču sa zalemljenom žicom. Ova žica je prolazila kroz prozor u baštu i na znatnoj udaljenosti od kuće završavala je malom opnom. Osoba koja je bila kod membrane jasno je čula sviranje violine, koje se odvijalo u zatvorenoj prostoriji.
Dalja istraživanja su pokazala da brzina širenja zvuka u različitim čvrstim tijelima nije ista. Od svih metala, željezo ima najveću zvučnu provodljivost. Brzina zvuka u njemu je 5 hiljada metara u sekundi, a, na primjer, u olovu se zvuk širi brzinom od samo 1200 metara u sekundi.
Nakon rada Hookea i drugih, fizičari su odlučili istražiti da li se zvuk širi u tekućinama.
Godine 1827. francuski geometar i fizičar Šturm zajedno sa švajcarskim fizičarem i inženjer Colladon odlučio odrediti brzinu širenja zvuka u vodi. Eksperimenti su izvedeni na Ženevskom jezeru, čija ga je dubina i čistoća činila posebno pogodnim za ovu svrhu. Na jednom kraju jezera, u blizini mjesta Roll, bio je usidren čamac u koji je stao Šturm. Trebalo je da daje simultane svjetlosne i zvučne signale pomoću posebnog mehanizma. Mehanizam je radio tako da je istovremeno s udarcem čekića o zvono pod vodom planula mala hrpa baruta. Pojava svjetlosti u tom trenutku poslužila je kao signal za odlazak zvuka.
Colladon je vozio 12 kilometara od Sturma. Ovdje je primao svjetlosne i zvučne signale s drugog kraja jezera. Naučnik je u jednoj ruci držao slušnu cijev čiji je kraj spušten u vodu, au drugoj - štopericu. Određujući vrijeme koje je proteklo između pojave svjetlosnog signala od bljeska baruta i tutnjave zvona, Colladon je izračunao brzinu širenja zvuka u vodi. Ovo iskustvo se ponovilo nekoliko puta. Ispostavilo se da je brzina zvuka u vodi skoro četiri puta veća nego u vazduhu. Pri temperaturi vode od 8 °, to je jednako 1431 metara u sekundi.
TO kasno XVIII in. niko nije sumnjao u oscilatornu prirodu zvuka.
Poznati engleski matematičar, fizičar i astronom Isaac Newton prvi je proizveo briljantnu matematičku analizu talasnih i oscilatornih kretanja. Dao je formulu po kojoj je bilo moguće teoretski izračunati brzinu zvuka u različitim medijima. Newtonova istraživanja nastavili su Laplace i drugi matematičari. Njihov teorijski rad u potpunosti se poklopio s rezultatima brojnih eksperimenata. Tako se, na primjer, brzina širenja zvuka u zraku i drugim medijima, izračunata na osnovu matematičkih formula, potpuno poklopila s eksperimentalnim podacima. Čini se da je sve što se može znati o zvuku već poznato. Ali 1787. godine u Lajpcigu je objavljena knjiga mladog njemačkog fizičara Chladnija. Ova knjiga govori o nevjerovatnim stvarima. Prema istraživaču, pokazalo se da se zvuk ne može samo čuti, već i vidjeti.
Ernst Chladni Svu svoju naučnu aktivnost posvetio je proučavanju zvučnih fenomena. Znao je posao Daniel Bernoulli I Leonhard Euler o vibracijama štapa i struna. To su bile studije o najjednostavnijim zvučnim tijelima. Ali kako se ponašaju složenija zvučna tijela, poput, na primjer, zvona? Moderna Chladni nauka nije odgovorila na ovo pitanje. Odavno je poznato da se prelaskom gudala preko njih mogu ozvučiti ne samo žice, već i mnogi drugi predmeti - čaše, lule, ploče. Naučnik je odlučio da luk primeni na proučavanje sondirajućih tela. Istraživački laboratorij bio je ispunjen brojnim predmetima najneočekivanijeg oblika i namjene. Čaše, čaše, šolje, metalni pribor, tanjiri, šipke i šipke od stakla i metala - svako je svojim "glasom" odgovarao na dodir magičnog luka.
Naravno, sve ovo nije bila samo zabava. Ubrzo je naučnik primijetio zanimljiv fenomen. Sipao je vodu u šolju, želeći da vidi da li prazna šolja zvuči isto kao šolja napunjena tečnošću. Čim je Chladni prošao pramcem uz rub čaše, na površini vode pojavio se mali otok uzrokovan podrhtavanjem stijenki posude. Ovaj otok je bio previše plitak da bi se proučavao, a osim toga, brzo je nestao. Istraživač je razmišljao o tome kako da ovaj otok učini stabilnijim.
Chladni je uzeo bakreni krug i, pričvrstivši štap na koji je bio pričvršćen, nacrtao luk duž ruba kruga. Krug je počeo da vibrira, dajući tihi zvuk. Kada je zvuk prestao, istraživač je posuo krug peskom. Nakon toga je ponovo povukao luk duž ruba kruga. Može se zamisliti iznenađenje i radost naučnika kada su se na krugu sondiranja pojavile jasne linije. Pijesak je skakao s vibrirajućih dijelova kruga i skupljao se tamo gdje nije bilo kretanja. Sada je priroda vibracije tijela koje sondira postala vidljiva. Što je ton kruga bio veći, to su figure od pijeska bile složenije.
Vijest o Chladnijevim eksperimentima brzo se proširila academia. Fizičari svih zemalja pažljivo su proučavali misteriozne figure Hladnijeva. Ovi eksperimenti su bili od velikog značaja ne samo za proučavanje zvuka, već i za popularizaciju akustike uopšte. Hladnijevi eksperimenti su još uvijek odlična demonstracija oscilatorne prirode zvučnih fenomena.
Kasnije su pronađeni drugi načini da se zvuk učini vidljivim. Moguće je, na primjer, pričvrstiti točku na membranu, koja se naslanja na čađavu ploču. Kada se razgovor vodi u blizini ovog jednostavnog uređaja, membrana vibrira, a njeno drhtanje se prenosi na tačku. U ovom trenutku, ploča dobija translatorno kretanje. Tačka povlači cik-cak liniju na čađavoj površini. Priroda ove linije varira u zavisnosti od prirode zvukova koje percipira membrana.
Naučnici se suočavaju s novim primamljivim zadatkom. Bilo je potrebno pronaći način da se poprave zvučne vibracije, kako bi kasnije bilo moguće reproducirati snimljeni razgovor na osnovu primljenih tragova.
Ovaj problem je sjajno riješio poznati američki izumitelj Thomas Edison. Godine 1876. dogovorio je adaptaciju Morzeovog telegrafskog aparata, koji je omogućio prenos, na čisto mehanički način, primljeni telegram s jedne linije na drugu. Ovaj uređaj se sastojao od metalnog cilindra sa navojem. Kada se cilindar okretao, metalna igla je išla duž navoja. Između cilindra i igle stavljen je list papira. Tokom prijema telegrama, igla je presekla papir prema primljenim signalima.
Jednog dana, Edison je lansirao svoj aparat izuzetnom brzinom. Kada se brzina povećala do te mjere da se telegrafski signali više nisu mogli razlikovati, pronalazač je primijetio da aparat emituje muzički ton. Ovaj ton se mijenjao ovisno o prirodi emitiranih signala. Edison je imao ideju da zamijeni Morzeove telegrafske signale tragovima koje ostavlja ljudski govor. Neumorni istraživač je svoju ideju odmah realizovao. Napravio je dijafragmu tako što je preko okvira razvukao nauljeni papir. Oštra čelična igla pričvršćena je na sredinu dijafragme. Umjesto papira, telegrafski cilindar bio je umotan u limenu foliju. Tada je Edison počeo polako da okreće cilindar, dok je istovremeno izgovarao razne reči preko dijafragme. Zvučne vibracije izazvale su vibriranje membrane, a zajedno sa njom i klina, koji se utisnuo u foliju; ostavio trag na njemu u obliku žlijeba neujednačene dubine. Ovo je bio prvi snimljeni ljudski glas. Preostalo je samo da se to reprodukuje. Edison je uklonio prvu dijafragmu i postavio drugu preko cilindra, opremljenu tankim i fleksibilnim vrhom. Cilindar je ponovo pokrenut u rotacionom kretanju. Vrh, susrećući na svom putu uzvišenja i udubljenja iscrtane iglom na limenom listu, prenosio je ove vibracije na dijafragmu. Mašina je progovorila; fonograf vidio svjetlo.
Edisonov izum naučnici su primili na različite načine. Neki su se divili, drugi u nevjerici odmahivali glavom, treći su vjerovali da je tu neka vrlo pametna obmana. Bilo je teško izaći iz uobičajenog mišljenja o zvuku kao svjetlosti, pokretnoj i neuhvatljivoj materiji; bilo je teško povjerovati da se zvuk može uhvatiti, fiksirati i natjerati da se ponovi onoliko puta koliko se želi. Prema rečima savremenika, "fonograf je pogodio one koji ga razumeju podjednako, ako ne i više, nego one kojima je neshvatljiv".
Edisonov fonograf ispostavilo se da je predak brojnih akustičnih uređaja. Razvoj tehnologije danas postavlja niz novih problema za akustiku. Izgradnja radio studija, borba protiv ulične buke, izgradnja velikih sala i koncertne dvorane zahtijevaju poznavanje zakona apsorpcije zvuka.
U američkom kampusu izgrađena je velika sala. Arhitekta koji ga je projektovao nije uzeo u obzir zakone širenja i apsorpcije zvuka. To je dovelo do neočekivanih rezultata: prisutni su čuli i govor govornika koji je dolazio direktno sa propovjedaonice i zvukove koji su se reflektirali sa stropa. Sve to, spajajući se, stvorilo je nezamisliv zvučni haos. Da bi se ispravila arhitektova greška, sa plafona je morala da se spusti velika cerada na užadima, što je pojednostavilo akustiku sale.
Izgradnja najveće građevine našeg doba - Palata Sovjeta- također postavlja niz potpuno novih zadataka u akustici. Velika sala Palate Sovjeta će primiti 22.000 ljudi. Visina ove hale biće 100 metara. Sovjetski naučnici i inženjeri morali su da razviju dizajn kupole koji bi osigurao potpunu apsorpciju svih zvukova koji dopiru do nje. Bilo je potrebno stvoriti neku vrstu "vještačkog neba": na kraju krajeva, pod otvorenim nebom, svi zvuci koji idu gore smrzavaju se u visini, a ne vraćaju se nazad. Zadatak je bio komplikovan nedostatkom materijala koji bi pružili vrlo jaku apsorpciju zvuka. Teoretski, i ovo pitanje je bilo potpuno nerazrađeno. Sovjetski naučnici su briljantno riješili ovaj težak problem. Na osnovu razvijene teorije pronađeni su materijali koji imaju potrebna svojstva apsorpcije zvuka. Po svojoj akustici, Velika sala Palate Sovjeta biće najbolja sala na svetu.
Tako se razvija nauka o zvuku, u kojoj posljednja riječ pripada sovjetskim naučnicima.
Eksperimenti italijanskih fizičara konačno su omogućili da se da konačno objašnjenje za fenomen brzog zvuka u vodi. Od dvije teorije koje danas postoje - viskoelastične i dvokomponentne - ovi eksperimenti su potvrdili prvu, a opovrgli drugu.
U normalnim uslovima, brzina zvuka u vodi je približno 1,5 kilometara u sekundi i ne zavisi od frekvencije zvučnog talasa. Međutim, odavno je poznato da se ultrazvučne vibracije sa frekvencijom od nekoliko teraherca (1 teraherc = 10 12 Hz) šire u vodi brzinom približno dvostruko većom. Ovaj fenomen je eksperimentalno otkriven prije 20 godina, nagoveštaji su se pojavili i u numeričkom modeliranju dinamike vode na atomskom nivou, ali unatoč svemu ovome još uvijek nema općeprihvaćenog objašnjenja. Tek sada, zahvaljujući eksperimentima italijanskih fizičara, objavljenim u članku SC Santucci et al., Physical Review Letters, 97, 225701 (27. novembar 2006.), u prirodi ovog fenomena, sva "i" su isprekidana ( članak je dostupan i na web stranici autora, PDF , 274 Kb).
Vrijedi odmah naglasiti da je eksperimente s tako visokofrekventnim ultrazvukom vrlo teško postaviti. Akustični emiteri u ovom rasponu još nisu izmišljeni, pa fizičari moraju odrediti brzinu takvog ultrazvuka indirektnim metodama. Da bi se to postiglo, voda se zrači strujom neutrona ili rendgenskih zraka, koji, sudarajući se s molekulama vode, stvaraju brze vibracije u mikroskopskom volumenu i prenose im dio svoje energije i zamaha. Iz odnosa ove dvije veličine izvodi se brzina širenja zvučnih vibracija.
Do danas postoje dvije glavne teorije koje tvrde da objašnjavaju ovaj fenomen. U skladu sa prvim, za zvuk sve veće frekvencije, voda postaje sve elastičnija i sve manje pokretna sredina (takvi mediji se nazivaju viskoelastičnimi). Kao rezultat toga, vibracije s tako visokom frekvencijom šire se prije kroz elastičan, gotovo čvrst medij, a u čvrstom stanju brzina zvuka je veća nego u tekućini (brzina zvuka u ledu, na primjer, iznosi samo oko 3 km /sec).
Druga teorija se zasniva na činjenici da je voda sastavljena od isprepletene mreže dva tipa jona: veoma lakih jona vodonika i teških jona kiseonika. Proračuni pokazuju da često u takvim dvokomponentnim medijima sa vrlo različitim masama postoji posebna vrsta brzih zvučnih valova koji se šire isključivo kroz mrežu svjetlosnih atoma. Ova teorija se već dobro pokazala za opisivanje brzog zvuka u dvokomponentnim plinovima i metalnim legurama, pa se čini prirodnim da će djelovati i za vodu.
Oba ova modela su, naravno, u skladu s gore opisanim eksperimentima, ali opisuju potpuno drugačije tranzicija od normalnog zvuka do brzog zvuka, koji bi se trebao pojaviti na nižim frekvencijama, u opsegu gigaherca. Stoga, da bi se odgovorilo na pitanje koji je od dva modela tačan, potrebno je izmjeriti ovisnost brzine zvuka o frekvenciji u ovom međupodručju. Dodatna komplikacija ovakvog eksperimenta je to što je prijelaz iz normalnog u brzi zvuk najizraženiji u vrlo hladnoj, pa čak i prehlađenoj vodi (odnosno ispod nula stepeni Celzijusa). Eksperimenti s prehlađenom vodom zahtijevaju vještinu, jer se pri najmanjoj smetnji brzo kristalizira.
Upravo su ovaj eksperiment postavili italijanski fizičari. Proučavajući raspršivanje optičkih i ultraljubičastih fotona, uspjeli su skenirati frekvencijski opseg zvučnih vibracija od 1 do 100 GHz i po prvi put dobili tačne podatke o brzini zvučnih vibracija u tom opsegu. Eksperiment je apsolutno jasno pokazao da s povećanjem frekvencije (ili sa smanjenjem temperature), brzina zvuka zaista postupno odstupa od "normalne" ovisnosti i počinje rasti (usput, mišljenja su također bila podijeljena o postojanju tako glatka tranzicija).
Osim toga, autori članka uporedili su svoje podatke sa predviđanjima oba modela i dokazali da eksperiment potvrđuje viskoelastičan model i da je u suprotnosti sa zaključcima dvokomponentnog modela. Dakle, možemo pretpostaviti da je dugogodišnji spor između pristalica ova dva modela došao do kraja. Općenito, ovaj rad još jednom naglašava nevjerovatnu raznolikost strukturnih i dinamičkih svojstava vode (za više informacija pogledajte popularni članak: Yu. I. Golovin. Voda i led - znamo li dovoljno o njima? // rashladna tečnost, 2000, br. 9, str. 66-72).
Hidroakustika (iz grčkog. hidro- voda, acusticococcus- slušni) - nauka o pojavama koje se javljaju u vodenoj sredini i povezane su sa širenjem, emisijom i prijemom akustičnih talasa. Uključuje razvoj i stvaranje hidroakustičkih uređaja namijenjenih za korištenje u vodenoj sredini.
Istorija razvoja
Osnove hidroakustike
Osobine širenja akustičnih valova u vodi
Komponente događaja pojave eha.
Početak sveobuhvatnih i temeljnih istraživanja širenja akustičnih valova u vodi položen je tijekom Drugog svjetskog rata, što je bilo diktirano potrebom rješavanja praktičnih problema mornarice i prije svega podmornica. Eksperimentalni i teorijski rad nastavljen je god poslijeratnih godina i sažeto u nizu monografija. Kao rezultat ovih radova, identificirane su i rafinirane neke karakteristike širenja akustičnih valova u vodi: apsorpcija, slabljenje, refleksija i refrakcija.
Apsorpcija energije akustičnog talasa u morska voda Uzrokuju ga dva procesa: unutrašnje trenje medija i disocijacija soli otopljenih u njemu. Prvi proces pretvara energiju akustičnog talasa u toplotnu energiju, a drugi proces, pretvarajući se u hemijsku energiju, dovodi molekule iz ravnoteže i oni se raspadaju u jone. Ova vrsta apsorpcije naglo se povećava sa povećanjem frekvencije akustične vibracije. Prisustvo suspendiranih čestica, mikroorganizama i temperaturnih anomalija u vodi također dovodi do slabljenja akustičnog vala u vodi. U pravilu, ovi gubici su mali i ulaze u ukupnu apsorpciju, međutim, ponekad, kao na primjer, u slučaju raspršivanja iz traga broda, ovi gubici mogu biti i do 90%. Prisutnost temperaturnih anomalija dovodi do toga da akustični val ulazi u zone akustične sjene, gdje može doživjeti višestruke refleksije.
Prisutnost sučelja voda-vazduh i voda-dno dovodi do refleksije akustičnog vala od njih, a ako se u prvom slučaju akustični val potpuno reflektira, onda u drugom slučaju koeficijent refleksije ovisi o materijalu dna: on slabo odražava muljevito dno, dobro - pješčano i kamenito. Na malim dubinama, zbog ponovljene refleksije akustičnog vala između dna i površine, nastaje podvodni zvučni kanal u kojem se akustični val može širiti na velike udaljenosti. Promjena vrijednosti brzine zvuka na različitim dubinama dovodi do zakrivljenosti zvučnih "zraka" - prelamanja.
Refrakcija zvuka (zakrivljenost putanje zvučnog snopa)
|
Refrakcija zvuka u vodi: a - ljeti; b - zimi; lijevo - promjena brzine sa dubinom. Brzina širenja zvuka varira s dubinom, a promjene zavise od doba godine i dana, dubine rezervoara i niza drugih razloga. Zvučne zrake koje izlaze iz izvora pod određenim uglom prema horizontu su savijene, a smjer zavoja ovisi o raspodjeli brzina zvuka u mediju: ljeti, kada su gornji slojevi topliji od donjih, zraci se savijaju. prema dolje i uglavnom se reflektiraju odozdo, a pritom gube značajan dio svoje energije; zimi, kada donji slojevi vode održavaju svoju temperaturu, dok se gornji slojevi hlade, zraci se savijaju prema gore i više puta se odbijaju od površine vode, uz mnogo manje energije koja se gubi. Zbog toga je zimi udaljenost širenja zvuka veća nego ljeti. Vertikalna raspodjela brzine zvuka (VSDS) i gradijent brzine imaju odlučujući utjecaj na širenje zvuka u morskom okruženju. Distribucija brzine zvuka u različitim regijama Svjetskog okeana je različita i varira s vremenom. Postoji nekoliko tipičnih slučajeva VRSZ-a: |
Rasipanje i apsorpcija zvuka nehomogenostima medija.
Širenje zvuka u podvodnom zvuku. kanal: a - promjena brzine zvuka sa dubinom; b - putanja zraka u zvučnom kanalu. Na širenje visokofrekventnih zvukova, kada su talasne dužine veoma male, utiču male nehomogenosti, koje se obično nalaze u prirodnim rezervoarima: mehurići gasa, mikroorganizmi itd. Ove nehomogenosti deluju na dva načina: apsorbuju i raspršuju energiju zvučnih talasa. . Kao rezultat toga, s povećanjem frekvencije zvučnih vibracija, opseg njihovog širenja se smanjuje. Ovaj efekat je posebno uočljiv u površinskom sloju vode, gde ima najviše nehomogenosti. Rasipanje zvuka heterogenostima, kao i nepravilnosti na površini vode i dna, izaziva pojavu podvodni reverb prateći slanje zvučnog pulsa: zvučni valovi, reflektirani od skupa nehomogenosti i spajajući se, daju zatezanje zvučnog pulsa, koje se nastavlja nakon njegovog završetka. Granice raspona širenja podvodnih zvukova ograničene su i vlastitim šumom mora, koji imaju dvostruko porijeklo: neki od šumova nastaju od udara valova o površinu vode, od morskog valova, od buka kotrljanja kamenčića itd.; drugi dio je povezan s morskom faunom (zvukovi koje proizvode hidrobiont: ribe i druge morske životinje). Biohidroakustika se bavi ovim vrlo ozbiljnim aspektom. |
Udaljenost prostiranja zvučnih talasa
Opseg prostiranja zvučnih talasa je složena funkcija frekvencije zračenja, koja je jedinstveno povezana sa talasnom dužinom akustičkog signala. Kao što je poznato, visokofrekventni akustični signali se brzo prigušuju zbog snažne apsorpcije vodene sredine. Niskofrekventni signali, naprotiv, mogu se širiti u vodenom okruženju na velike udaljenosti. Dakle, akustični signal frekvencije od 50 Hz može se širiti u okeanu na udaljenosti od hiljada kilometara, dok signal frekvencije od 100 kHz, tipičan za sonar sa bočnim skeniranjem, ima raspon širenja od samo 1-2 km. Približni dometi modernih sonara sa različitim frekvencijama akustičnog signala (valne dužine) dati su u tabeli:
Područja upotrebe.
Hidroakustika primila širok praktična upotreba, budući da još nije stvoren efikasan sistem za prenošenje elektromagnetnih talasa pod vodom na bilo koju značajnu udaljenost, te je stoga zvuk jedino moguće sredstvo komunikacije pod vodom. U te svrhe koriste se zvučne frekvencije od 300 do 10.000 Hz i ultrazvuk od 10.000 Hz i više. Kao emiteri i prijemnici u području zvuka koriste se elektrodinamički i piezoelektrični emiteri i hidrofoni, a u ultrazvučnom području piezoelektrični i magnetostriktivni.
Najznačajnije primjene hidroakustike su:
- Za rješavanje vojnih problema;
- Pomorska plovidba;
- Zvučna podvodna komunikacija;
- Izviđanje u potrazi za ribom;
- Oceanološka istraživanja;
- Područja aktivnosti za razvoj bogatstva dna oceana;
- Upotreba akustike u bazenu (kod kuće ili u trening centru za sinhrono plivanje)
- Obuka morskih životinja.
Bilješke
Literatura i izvori informacija
LITERATURA:
- V.V. Shuleikin Fizika mora. - Moskva: "Nauka", 1968. - 1090 str.
- I.A. rumunski Osnove hidroakustike. - Moskva: "Brodogradnja", 1979. - 105 str.
- Yu.A. Koryakin Hidroakustični sistemi. - Sankt Peterburg: "Nauka Sankt Peterburga i pomorska moć Rusije", 2002. - 416 str.
