Suv osti akustikasi - Underwater acoustics

Soddalashtirilgan okean muhitida suv osti akustik tarqalishining kompyuter modelini chiqarish.

Suv osti akustikasi ning tarqalishini o'rganishdir tovush yilda suv va ning o'zaro ta'siri mexanik to'lqinlar suv, uning tarkibi va chegaralari bilan tovush hosil qiladi. Suv okeanda, ko'lda, daryoda yoki a bo'lishi mumkin tank. Suv osti akustikasi bilan bog'liq odatiy chastotalar 10 gacha Hz va 1 MGts. Ovozdagi okeanda 10 Hz dan past chastotalarda tarqalishi odatda dengiz tubiga chuqur kirmasdan mumkin emas, 1 MGts dan yuqori chastotalar kamdan kam qo'llaniladi, chunki ular juda tez singib ketadi. Ba'zan suv osti akustikasi deb nomlanadi gidroakustika.

Suv osti akustikasi sohasi akustik o'rganishning boshqa qator sohalari bilan chambarchas bog'liq, shu jumladan sonar, transduktsiya, akustik signalni qayta ishlash, akustik okeanografiya, bioakustika va jismoniy akustika.

Tarix

A dengiz sathining xaritasi tomonidan ishlab chiqarilgan multibeam sonar

Suv osti ovozi, ehtimol dengiz hayvonlari tomonidan million yillar davomida ishlatilgan. Suv osti akustikasi fani 1490 yilda, qachon boshlangan Leonardo da Vinchi quyidagilarni yozdi,[1]

"Agar siz kemangizni to'xtatib tursangiz va uzun trubaning boshini suvga qo'yib, tashqi uchini qulog'ingizga qo'ysangiz, siz kemalarni sizdan juda uzoq masofada eshitasiz."

1687 yilda Isaak Nyuton o'zining Tabiiy falsafaning matematik asoslari ovozning birinchi matematik muomalasini o'z ichiga olgan. Suv osti akustikasini rivojlantirishning navbatdagi muhim bosqichi Daniel Kolladon, a Shveytsariya fizik va Charlz Shturm, a Frantsuz matematik. 1826 yilda, kuni Jeneva ko'li, ular o'tgan vaqtni yorug'lik ostida va suv ostida quloq soluvchi shovqin yordamida eshitilgan suv osti kemasining qo'ng'irog'i ovozi bilan o'lchashdi.[2] Ular 17 km (Km) masofada sekundiga 1435 metr ovoz tezligini o'lchab, suvdagi tovush tezligining birinchi miqdoriy o'lchovini ta'minladilar.[3] Ularning natijasi hozirgi qabul qilingan qiymatlarning taxminan 2% atrofida. 1877 yilda Lord Rayleigh yozgan Ovoz nazariyasi va zamonaviy akustik nazariyani yaratdi.

Cho'kish Titanik 1912 yilda va boshlanishi Birinchi jahon urushi suv osti akustikasida keyingi taraqqiyot to'lqini uchun turtki berdi. Aniqlash tizimlari aysberglar va U-qayiqlar ishlab chiqilgan. 1912-1914 yillar orasida bir qator echolokatsiya patentlar Evropa va AQShda berilib, yakuniga etdi Reginald A. Fessenden 1914 yildagi echo-ranger. Kashshoflik faoliyati shu vaqt ichida Frantsiyada amalga oshirildi Pol Langevin va Britaniyada A B yog'och va sheriklar.[4] Ikkalasining ham rivojlanishi ASDIC va passiv sonar (SOund Navigation And Ranging) urush paytida tez sur'atlarda davom etdi, bu birinchi keng ko'lamli joylashuvlar tomonidan boshqarildi. dengiz osti kemalari. Suv osti akustikasining boshqa yutuqlari akustikaning rivojlanishini ham o'z ichiga olgan minalar.

1919 yilda suv osti akustikasi bo'yicha birinchi ilmiy maqola nashr etildi,[5] okeandagi harorat va sho'rlik gradyanlaridan hosil bo'lgan tovush to'lqinlarining sinishini nazariy jihatdan tavsiflovchi. Qog'ozning prognozlari eksperimental tomonidan tasdiqlangan ko'payish yo'qotilishi o'lchovlar.

Keyingi yigirma yil ichida suv osti akustikasining bir nechta qo'llanmalari ishlab chiqildi. The fatometr yoki chuqurlik asoschisi 1920-yillarda tijorat asosida ishlab chiqilgan. Dastlab transduserlar uchun tabiiy materiallar ishlatilgan, ammo 1930-yillarda sonar tizimlari kiritilgan pyezoelektrik transduserlar sintetik materiallardan tayyorlangan passiv tinglash tizimlari va faol aks sado beruvchi tizimlar uchun ishlatilgan. Ushbu tizimlar davomida yaxshi samara berdi Ikkinchi jahon urushi ham dengiz osti kemalari, ham dengiz osti kemalari tomonidan. Suv osti akustikasida ko'plab yutuqlar qo'lga kiritildi, ular keyinchalik ketma-ketlikda umumlashtirildi Dengizdagi tovush fizikasi, 1946 yilda nashr etilgan.

Ikkinchi Jahon urushidan so'ng, sonar tizimlarining rivojlanishi asosan Sovuq urush natijada kompyuterga asoslangan texnikalar yordamida suv osti akustikasini nazariy va amaliy tushunishda yutuqlarga erishildi.

Nazariya

Suvdagi tovush to'lqinlari, dengiz tubi

Suv ostida tarqaladigan tovush to'lqini o'zgaruvchanlikdan iborat siqilish va nodir holatlar suv. Ushbu siqilish va kam uchraydigan holatlarni qabul qiluvchi, masalan, odam aniqlaydi quloq yoki a gidrofon, o'zgarishlar kabi bosim. Ushbu to'lqinlar sun'iy yoki tabiiy ravishda hosil bo'lishi mumkin.

Ovoz tezligi, zichlik va impedans

The tovush tezligi (ya'ni to'lqin frontlarining uzunlamasına harakati) bilan bog'liq chastota va to'lqin uzunligi tomonidan to'lqinning .

Bu zarracha tezligidan farq qiladi , bu tovush tufayli muhitdagi molekulalarning harakatiga ishora qiladi va tekislik to'lqin bosimiga bog'liq suyuqlik zichligiga va ovoz tezligi tomonidan .

Mahsuloti va yuqoridagi formuladan xarakterli akustik impedans. Akustik quvvat (sekundiga energiya) o'tish birligining maydoni to'lqinning intensivligi deb nomlanadi va tekis to'lqin uchun o'rtacha intensivlik berilgan , qayerda bo'ladi o'rtacha kvadrat akustik bosim.

1 kHz da suvdagi to'lqin uzunligi taxminan 1,5 m. Ba'zida "tovush tezligi" atamasi ishlatiladi, ammo bu noto'g'ri, chunki bu miqdor skaler hisoblanadi.

Havo va suv o'rtasidagi katta impedans kontrasti (ularning nisbati taxminan 3600 ga teng) va sirt pürüzlülüğünün shkalasi, dengiz yuzasi o'zini 1 kHz dan past chastotalarda ovozning deyarli mukammal aks ettiruvchisi sifatida tutishini anglatadi. Suvdagi tovush tezligi havodagidan 4,4 marta oshadi va zichlik nisbati taxminan 820 ga teng.

Ovozni yutish

Past chastotali tovushning emishi sust.[6] (qarang Texnik qo'llanmalar - dengiz suvidagi tovushning yutilishini hisoblash on-layn kalkulyator uchun). Toza suvda va dengiz suvida yuqori chastotada (100 kHz dan yuqori) tovush susayishining asosiy sababi yopishqoqlik. Dengiz suvida past chastotada muhim qo'shimcha hissa qo'shilish ionlarning bo'shashishi bilan bog'liq bor kislotasi (taxminan 10 kHz gacha)[6] va magniy sulfat (taxminan 10 kHz-100 kHz).[7]

Ovoz suyuqlik chegaralaridagi yo'qotishlarga singib ketishi mumkin. Dengiz yuzasi yaqinida yo'qotishlar qabariq qatlamida yoki muzda, pastki qismida esa cho'kindi ichiga singib ketishi mumkin.

Ovoz aks etishi va tarqalishi

Chegaraviy o'zaro ta'sirlar

Suv yuzasi ham, pastki qismi ham chegaralarni aks ettiradi va tarqatadi.

Yuzaki

Ko'p maqsadlar uchun dengiz-havo sathini mukammal reflektor deb hisoblash mumkin. Empedans kontrasti shunchalik ajoyibki, ozgina energiya bu chegarani kesib o'tishga qodir. Dengiz sathidan aks ettirilgan akustik bosim to'lqinlari fazaning o'zgarishini boshdan kechiradi, ko'pincha "pi o'zgarishlar o'zgarishi" yoki "180 daraja o'zgarishlar o'zgarishi" deb nomlanadi. Bu matematik ravishda dengiz yuzasiga plyus o'rniga minus 1 aks ettirish koeffitsientini tayinlash orqali ifodalanadi.[8]

Yuqori chastotada (taxminan 1 kHz dan yuqori) yoki dengiz notekis bo'lganda, tushayotgan tovushning bir qismi tarqaladi va bu kattaligi birdan kam bo'lgan aks ettirish koeffitsientini tayinlash orqali hisobga olinadi. Masalan, odatdagi insidansga yaqin, aks ettirish koeffitsienti bo'ladi , qayerda h bo'ladi rms to'lqin balandligi.[9]

Dengiz sathiga yaqin joyda shamol hosil bo'lgan pufakchalar yoki baliqlar mavjud.[10] Pufakchalar ham paydo bo'lishi mumkin shlaklar hodisa va tarqoq ovozning bir qismini singdiradigan va ba'zi tovushlarni o'zlari tarqatadigan.[11]

Dengiz tubi

Suv va tubning akustik impedansi mos kelmasligi, odatda, sirtga qaraganda ancha kam va murakkabroq. Bu pastki material turlariga va qatlamlarning chuqurligiga bog'liq. Bunday holda, masalan, Biot tomonidan tovushning tarqalishini taxmin qilish uchun nazariyalar ishlab chiqilgan [12] va Bukingem tomonidan.[13]

Maqsadda

Ovoz o'lchamlari akustik to'lqin uzunligiga nisbatan katta bo'lgan nishonga aks etishi uning o'lchamiga va shakliga, shuningdek maqsadning suvga nisbatan impedansiga bog'liq. Uchun formulalar ishlab chiqilgan maqsadli kuch tovush tushish burchagi funktsiyasi sifatida har xil oddiy shakllarning. Ushbu sodda shakllarni birlashtirish orqali yanada murakkab shakllarni taxmin qilish mumkin.[1]

Ovozni targ'ib qilish

Suv ostida akustik tarqalish ko'plab omillarga bog'liq. Tovush tarqalish yo'nalishi suvdagi tovush tezligi gradiyentlari bilan aniqlanadi. Ushbu tezlik gradyanlari tovush to'lqinini sinishi, aks etishi va tarqalishi orqali o'zgartiradi. Dengizda vertikal gradyanlar odatda gorizontallarga qaraganda ancha katta. Bosimning kuchayishi sababli, buni chuqurlikdagi tovush tezligini oshirish tendentsiyasi bilan birlashtirish chuqur dengiz, ning teskarisini keltirib chiqaradi tovush tezligi gradyenti ichida termoklin, chuqurlikda minimal to'lqin tezligiga mos keladigan samarali to'lqin qo'llanmasini yaratish. Ovoz tezligi profili "Soya zonalari" deb nomlangan past intensivlikdagi mintaqalarni va "Kustik" deb nomlangan yuqori intensivlikdagi mintaqalarni keltirib chiqarishi mumkin. Bularni topish mumkin nurlarni kuzatish usullari.

Da ekvator va mo''tadil kenglik okeanda sirt harorati bosim ta'sirini qaytarish uchun etarlicha yuqori bo'lib, ovozning minimal tezligi bir necha yuz metr chuqurlikda bo'ladi. Ushbu minimal darajaning mavjudligi ilgari "Deep Sound Channel" deb nomlanuvchi maxsus kanalni yaratadi SHU PAYTGACHA, HOZIRGACHA (ovozni mahkamlovchi va diapazonli) kanal, bu suv osti ovozining minglab odamlarga yo'naltirilgan tarqalishiga imkon beradi kilometr dengiz yuzasi yoki dengiz tubi bilan o'zaro aloqasiz. Chuqur dengizdagi yana bir hodisa - bu konvergentsiya zonalari deb nomlanadigan tovushli fokuslash maydonlarining shakllanishi. Bunday holda, tovush sirtga yaqin manbadan pastga qarab sinadi va keyin zaxira nusxasini oladi. Bu sodir bo'ladigan manbadan gorizontal masofa ijobiy va salbiy tovush tezligi gradiyentlariga bog'liq. Yuzaki kanal yuqoridagi sinish paytida, masalan, sovuq sirt harorati tufayli chuqurlikda ham, o'rtacha darajada sayoz suvda ham paydo bo'lishi mumkin. Targ'ibot yuzadan takrorlangan tovushlar bilan amalga oshiriladi.

Umuman olganda, tovush suv ostida tarqalganda, kuchayib borayotgan diapazonlarda tovush intensivligining pasayishi kuzatiladi, ammo ba'zi hollarda fokuslanish tufayli daromad olish mumkin. Ko'payishni yo'qotish (ba'zan shunday deyiladi uzatish yo'qolishi) bu ikki nuqta orasidagi tovush intensivligining pasayishining miqdoriy o'lchovi, odatda tovush manbai va uzoqdan qabul qiluvchi. Agar bu uning akustik markazidan 1 m masofada joylashgan va manbaning uzoq maydon intensivligi qabul qilgichdagi intensivlik, keyin tarqalish yo'qolishi bilan beriladi[1] .Bu tenglamada haqiqat emas akustik intensivlik qabul qilgichda, bu a vektor miqdori, lekin a skalar tovush maydonining ekvivalent tekislik to'lqin intensivligiga (EPWI) teng. EPWI haqiqiy akustik maydon bilan bir xil RMS bosimiga ega bo'lgan tekis to'lqin intensivligining kattaligi sifatida tavsiflanadi. Qisqa masofada tarqalish yo'qotilishi tarqalish bilan, uzoq masofada esa singdirish va / yoki tarqalish yo'qotishlari ustunlik qiladi.

Zo'ravonlik o'rniga bosim nuqtai nazaridan muqobil ta'rif berish mumkin,[14] berib , qayerda bu projektorning uzoq masofasidagi RMS akustik bosimi bo'lib, standart masofa 1 m gacha ko'tariladi va qabul qiluvchining holatidagi RMS bosimi.

Ushbu ikkita ta'rif to'liq ekvivalent emas, chunki qabul qilgichdagi xarakterli impedans manbadan farq qilishi mumkin. Shu sababli, intensivlik ta'rifidan foydalanish bosim nisbati asosida ta'rifga boshqa sonar tenglamaga olib keladi.[15] Agar manba va qabul qiluvchi ikkalasi ham suvda bo'lsa, farq juda oz.

Targ'ibotni modellashtirish

Tovushning suv orqali tarqalishi tegishli chegara shartlari bilan to'lqin tenglamasi bilan tavsiflanadi. Tarqatish hisob-kitoblarini soddalashtirish uchun bir qator modellar ishlab chiqilgan. Ushbu modellarga nurlar nazariyasi, normal rejim echimlari va parabolik tenglama to'lqin tenglamasini soddalashtirishlari.[16] Har bir echimlar to'plami cheklangan chastota va diapazon rejimida odatda amal qiladi va hisoblashda samarali bo'ladi va boshqa chegaralarni ham o'z ichiga olishi mumkin. Rey nazariyasi qisqa va yuqori chastotada ko'proq mos keladi, boshqa echimlar uzoq va past chastotalarda yaxshiroq ishlaydi.[17] [18][19] Shuningdek, foydali taxminiy o'lchovlardan turli xil empirik va analitik formulalar olingan.[20]

Qaytish

Vaqtinchalik tovushlar chirigan fonni keltirib chiqaradi, bu dastlabki vaqtinchalik signalga qaraganda ancha katta bo'lishi mumkin. Reverberatsiya deb nomlanuvchi ushbu fonning sababi qisman qo'pol chegaralardan tarqalishga va qisman baliq va boshqalar biota. Akustik signal osongina aniqlanishi uchun, u oshishi kerak reverberatsiya darajasi shuningdek, fon shovqin darajasi.

Dopler almashinuvi

Agar suv osti ob'ekti suv osti qabul qiluvchisiga nisbatan harakatlansa, qabul qilingan tovushning chastotasi ob'ekt tomonidan tarqalgan (yoki aks ettirilgan) tovushdan farq qiladi. Ushbu chastotadagi o'zgarish a deb nomlanadi Dopler almashinuvi. Shiftni faol holda osongina kuzatish mumkin sonar tizimlar, xususan tor tarmoqli, chunki transmitter chastotasi ma'lum va sonar va ob'ekt o'rtasidagi nisbiy harakatni hisoblash mumkin. Ba'zan nurlangan shovqinning chastotasi (a tonal ) ham ma'lum bo'lishi mumkin, bu holda passiv sonar uchun xuddi shunday hisob-kitob qilish mumkin. Faol tizimlar uchun chastotaning o'zgarishi 0,69 Hz ga teng tugun kHz uchun va bu yarmi passiv tizimlar uchun, chunki tarqalish faqat bitta usul. Shift yaqinlashayotgan maqsad uchun chastotani ko'payishiga mos keladi.

Kuchli tebranishlar

Akustik tarqalishni modellashtirish umuman olganda doimiy qabul qilinadigan tovush darajasini taxmin qilsa-da, amalda vaqt va fazoviy tebranishlar mavjud. Bu kichik va keng ko'lamli atrof-muhit hodisalari bilan bog'liq bo'lishi mumkin. Ular tarkibiga tovush tezligi profilining ingichka tuzilishi va frontal zonalari hamda ichki to'lqinlar kirishi mumkin. Umuman olganda manba va qabul qilgich o'rtasida bir nechta tarqalish yo'llari mavjud bo'lganligi sababli, ushbu yo'llar orasidagi shovqin naqshidagi kichik o'zgarishlar o'zgarishi tovush intensivligining katta tebranishlariga olib kelishi mumkin.

Lineer bo'lmaganlik

Suvda, ayniqsa havo pufakchalari bilan, bosim o'zgarishi sababli zichlikning o'zgarishi aniq chiziqli proportsional emas. Sinusoidal to'lqin kiritish natijasida qo'shimcha harmonik va subarmonik chastotalar hosil bo'ladi. Ikkita sinusoidal to'lqin kiritilganda, sum va farq chastotalari hosil bo'ladi. Konversiya jarayoni kichik manbalarga qaraganda yuqori manba darajalarida kattaroqdir. Lineer bo'lmaganligi sababli, tovush o'zgarishi bosim amplitudasiga bog'liq bo'lib, katta o'zgarishlar kichiklarga qaraganda tezroq harakat qiladi. Shunday qilib, sinusoidal to'lqin shakli asta-sekin tik ko'tarilgan va asta-sekin dumli arra tishiga aylanadi. Parametrik sonarda ushbu hodisadan foydalaniladi va buni hisobga olish uchun nazariyalar ishlab chiqilgan, masalan. Westerfield tomonidan.

O'lchovlar

Suvdagi tovush a yordamida o'lchanadi gidrofon, bu a ning suv osti ekvivalenti mikrofon. Gidrofon o'lchovi bosim dalgalanmalar va odatda ular aylantiriladi ovoz bosimi darajasi (SPL), bu o'rtacha kvadratning logaritmik o'lchovidir akustik bosim.

O'lchovlar odatda uchta shakldan birida xabar qilinadi: -

  • RMS mikropaskaldagi akustik bosim (yoki dB re 1 mPa)
  • Belgilangan joyda RMS akustik bosimi tarmoqli kengligi, odatda oktavalar yoki oktavning uchdan bir qismi (dB re 1 mPa)
  • spektral zichlik (birlik o'tkazuvchanligi uchun o'rtacha kvadrat bosim) mikropaskalda kvadrat bo'yicha Xertz (dB re 1 mPa² / Hz)

Suvdagi akustik bosim o'lchovi havodagi tovushdan farq qiladi. Havoda mos yozuvlar bosimi 1 mPa o'rniga 20 mPPa ga teng. SPLning bir xil sonli qiymati uchun tekislik to'lqinining intensivligi (maydon birligi uchun quvvat, kvadrat tovush bosimiga mutanosib ravishda akustik impedansga bo'linib) havoda 20 ga teng.2× 3600 = suvga nisbatan 1 440 000 baravar yuqori. Xuddi shunday, agar SPL suvda 61,6 dB yuqori bo'lsa, intensivlik taxminan bir xil bo'ladi.

Ovoz tezligi

Uchun taxminiy qiymatlar toza suv va dengiz suvi mos ravishda, atmosfera bosimida tovush tezligi uchun 1450 va 1500 m / s, zichligi uchun esa 1000 va 1030 kg / m³.[21] Suvdagi tovush tezligi tobora ortib boradi bosim, harorat va sho'rlanish.[22][23] Atmosfera bosimi ostida toza suvda maksimal tezlikka taxminan 74 ° C darajasida erishiladi; bu nuqtadan keyin issiq suvda tovush sekinroq tarqaladi; maksimal bosim bilan ortadi.[24]On-layn kalkulyatorlarni quyidagi manzilda topish mumkin Texnik qo'llanmalar - dengiz suvidagi tovush tezligi va Texnik qo'llanmalar - toza suvda tovush tezligi.

Absorbsiya

Ko'p o'lchovlar ko'llar va okeanlarda ovoz yutish bilan amalga oshirildi[6][7] (qarang Texnik qo'llanmalar - dengiz suvidagi tovushning yutilishini hisoblash on-layn kalkulyator uchun).

Atrofdagi shovqin

Akustik signallarni o'lchash, agar ularning amplitudasi qisman tomonidan belgilangan minimal chegaradan oshsa, mumkin signallarni qayta ishlash ishlatilgan va qisman fon shovqin darajasi bilan. Atrof-muhit shovqini bu qabul qilingan shovqinning manba, qabul qiluvchi va platforma xususiyatlaridan mustaqil bo'lgan qismidir. Shunday qilib, masalan, shov-shuv va tortishish shovqini bundan mustasno.

Okeanda mavjud bo'lgan fon shovqini yoki atrofdagi shovqin juda ko'p turli xil manbalarga ega va joylashuvi va chastotasi bilan farq qiladi.[25] Eng past chastotalarda, taxminan 0,1 Hz dan 10 Gts gacha, okean turbulentlik va mikroseizmlar shovqin fonining asosiy hissasi.[26] Odatda shovqin spektri darajasi 1 Gts chastotada taxminan 140 dB re 1 mPa² / Hz dan 100 kHz gacha 30 dB re 1 mPa² / Gts gacha bo'lgan chastotani pasayishi bilan kamayadi. Uzoq kema qatnovi shovqin manbalarining ustun turlaridan biridir[27] aksariyat hududlarda 100 Gts chastotalar uchun, shamol ta'sirida sirt shovqini 1 kHz dan 30 kHz gacha bo'lgan asosiy manba hisoblanadi. 100 kHz dan yuqori chastotalarda, termal shovqin suv molekulalari ustunlik qila boshlaydi. 100 kHz chastotadagi termal shovqin spektral darajasi 25 dB re 1 mPa² / Hz ni tashkil qiladi. Issiqlik shovqinining spektral zichligi boshiga 20 dB ga oshadi o'n yil (boshiga taxminan 6 dB oktava ).[28]

Vaqtinchalik tovush manbalari atrofdagi shovqinga ham hissa qo'shadi. Bularga zilzilalar va suv osti vulqonlari kabi vaqti-vaqti bilan sodir bo'ladigan geologik faollik,[29] suv yuzasida yog'ingarchilik va biologik faollik. Biologik manbalarga quyidagilar kiradi turfa (ayniqsa ko'k, fin va sperma kitlar),[30][31] baliqlarning ayrim turlari va qisqichbaqalar.

Yomg'ir atrofdagi shovqinlarni yuqori darajada keltirib chiqarishi mumkin. Ammo yomg'ir tezligi bilan son o'rtasidagi bog'liqlik atrofdagi shovqin darajasi aniqlash qiyin, chunki dengizda yomg'ir tezligini o'lchash muammoli.

Qaytish

Ko'p o'lchovlar dengiz yuzasi, tubi va hajmi reverberatsiyasidan o'tkazildi. Ba'zan empirik modellar shulardan kelib chiqqan. 0,4 dan 6,4 kHz gacha bo'lgan chastota uchun tez-tez ishlatiladigan ibora Chapman va Xarris tomonidan ifodalangan.[32] Sinusoidal to'lqin shakli sirt harakati tufayli chastotada tarqalishi aniqlandi. Lambert qonuni pastki reverberatsiya uchun ko'pincha amal qiladi, masalan, Makkenzi.[33] Ovoz balandligi reverberatsiyasi odatda qatlamlarda sodir bo'lishi aniqlanadi, ular kunning vaqtiga qarab chuqurlikni o'zgartiradi, masalan, Marshal va Chapmanga qarang.[34] Muzning pastki qatlami qo'pol bo'lganda kuchli reverseratsiyaga olib kelishi mumkin, masalan Milne-ga qarang.[35]

Pastki yo'qotish

Pastki yo'qotish turli xil joylarda, masalan, AQSh dengiz geofizik tadqiqotlari tomonidan chastotalar uchun yaylov burchagi funktsiyasi sifatida o'lchandi.[36] Yo'qotish pastki qismdagi ovoz tezligiga (gradyan va qatlamlarga ta'sir qiladi) va pürüzlülüğe bog'liq. Muayyan holatlarda zararni kutish uchun grafikalar tuzilgan. Sayoz suvlarda tubining yo'qolishi ko'pincha uzoq masofalarga tarqalishiga ustun ta'sir ko'rsatadi. Past chastotalarda tovush cho'kma orqali tarqalib, keyin yana suvga tushishi mumkin.

Suv ostida eshitish

Havodagi tovush darajasi bilan taqqoslash

Xuddi shunday havo ovozi, suv ostida bosim bosimi darajasi odatda birliklarda xabar qilinadi desibel, ammo SPLni havodagi SPL bilan solishtirishni qiyinlashtiradigan (va ko'pincha noo'rin) ba'zi muhim farqlar mavjud. Ushbu farqlarga quyidagilar kiradi:[37]

  • mos yozuvlar bosimidagi farq: 1 mPa (bitta mikropaskal yoki bitta millioninchi a paskal ) 20 mPa o'rniga.[14]
  • talqinning farqi: ikkita fikr maktabi mavjud, biri bosimlarni to'g'ridan-to'g'ri taqqoslash kerakligini, ikkinchisi esa avvaliga intensivlik teng tekislik to'lqinining
  • farq eshitish sezgirligi: bilan har qanday taqqoslashA vaznli ) havodagi tovush odamning g'avvosini yoki boshqa hayvonni eshitish sezgirligining farqlarini hisobga olish kerak.[38]

Inson eshitish qobiliyati

Eshitish sezgirligi

Oddiy eshitish qobiliyatiga ega bo'lgan g'avvos uchun eng past eshitiladigan SPL taxminan 67 dB re 1 mPa ni tashkil qiladi, eng katta sezgirlik esa 1 kHz chastotalarda sodir bo'ladi.[39] Bu 5,4 dB yoki 3,5 baravar yuqori bo'lgan havo zichligiga mos keladi (qarang. Qarang) O'lchovlar yuqorida).

Xavfsizlik chegaralari

Suv osti tovushlarining balandligi odamlarning g'avvoslari uchun potentsial xavf tug'diradi.[40] SOLMAR loyihasi tomonidan suv osti odamlarining sho'ng'inlari ta'siriga oid ko'rsatmalar berilgan NATO dengiz osti tadqiqotlari markazi.[41] SPL ta'sirida 154 dB re 1 mPa dan yuqori chastota diapazonida 0,6 dan 2,5 kHz gacha bo'lgan odamlarning sho'ng'inlari yurak urish tezligi yoki nafas olish chastotasida o'zgarishlarga duch kelmoqdalar. Sho'ng'ishdan nafratlanish past chastota tovush bog'liq ovoz bosimi darajasi va markaziy chastota.[42]

Boshqa turlar

Suvda yashovchi sutemizuvchilar

Delfinlar va boshqalar tishli kitlar eshitishning o'tkir sezgirligi bilan mashhur, ayniqsa 5 dan 50 kHz gacha bo'lgan chastota diapazonida.[38][43] Ushbu chastota diapazonida bir nechta turlarning eshitish chegaralari 30 dan 50 dB re 1 mPa ga teng. Masalan, eshitish eshigi ning qotil kit da sodir bo'ladi RMS akustik bosim 0,02 mPa (va chastotasi 15 kHz) ni tashkil etadi, bu 26 dB re 1 mPa SPL chegarasiga to'g'ri keladi.[44]

Suv osti tovushining balandligi dengiz va amfibiya hayvonlari uchun potentsial xavf tug'diradi.[38] Suv ostidagi shovqin ta'sirining ta'siri Southall va boshq.[45]

Baliq

Baliqlarning eshitish sezgirligi Ladich va Fay tomonidan ko'rib chiqiladi.[46]Eshitish eshigi askar baliqlari, 1,3 kHz da 0,32 mPa (50 dB re 1 mPa) ga teng, holbuki katta dengiz qisqichbagasi 70 Gts chastotada 1,3 Pa eshitish chegarasiga ega (122 dB re 1 mPa).[44] Suv osti shovqini ta'sirining ta'sirini Popper va boshq.[47]

Suv osti akustikasining qo'llanilishi

Sonar

Asosiy maqola: Sonar

Sonar - ning akustik ekvivalenti uchun berilgan ism radar. Dengizni tekshirish uchun tovush impulslaridan foydalaniladi, so'ngra aks-sadolar qayta ishlanib, dengiz, uning chegaralari va suv ostida bo'lgan narsalar haqida ma'lumot olinadi. Sifatida tanilgan muqobil foydalanish passiv sonar, suv osti ob'ektlari tomonidan tarqalgan tovushlarni tinglash orqali xuddi shunday qilishga urinishlar.

Suv osti aloqasi

Asosiy maqola: Suv osti akustik aloqasi

Suv osti akustikasiga ehtiyoj telemetriya atrof-muhit monitoringi uchun ma'lumotlar yig'ish, boshqarish va ular bilan aloqa qilish va ular o'rtasida aloqa o'rnatish kabi dasturlarda mavjud uchuvchisiz suv osti transport vositalari, sho'ng'in nutqini etkazish va boshqalar. Bunga tegishli dastur suv osti masofadan boshqarish pulti, unda akustik telemetriya masofadan turib kalitni ishga tushirish yoki hodisani boshlash uchun ishlatiladi. Suv osti masofadan boshqarishning yorqin namunasi akustik relizlar, tarqatish tugagandan so'ng masofadan boshqarish buyrug'iga binoan dengiz tubiga o'rnatilgan asboblar paketlarini yoki boshqa foydali yuklarni yuzaga qaytarish uchun ishlatiladigan qurilmalar. Akustik aloqa faol tadqiqot maydonini tashkil etadi[48][49] ayniqsa, gorizontal, sayoz suv kanallarida engish uchun muhim muammolar bilan. Radio bilan taqqoslaganda telekommunikatsiya, mavjud tarmoqli kengligi bir necha daraja buyurtma bilan kamayadi. Bundan tashqari, tovushning past tezligi ko'p yo'lli tarqalishni vaqt o'tishi bilan cho'zilib ketishiga olib keladi, kechikish vaqti o'nlab yoki yuzlab millisekundlarni tashkil qiladi, shuningdek muhim Dopler almashinuvi va tarqalish. Ko'pincha akustik aloqa tizimlari shovqin bilan cheklanmaydi, balki qabul qiluvchining algoritmlari imkoniyatidan tashqarida aks sado berish va vaqt o'zgaruvchanligi bilan. Suv osti aloqa aloqalarining sodiqligini moslashuvchanlik kabi ishlov berish usullariga imkon beradigan gidrofon massivlaridan foydalanish orqali ancha yaxshilash mumkin. nurlanish va xilma-xillik birlashtiruvchi.

Suv ostida navigatsiya va kuzatuv

Asosiy maqola: Suv osti akustik joylashishni aniqlash tizimi

Suv ostida navigatsiya va ta'qib qilish - bu dalgıçlar tomonidan qidirish va ishlash uchun umumiy talab, ROV, avtonom suv osti transport vositalari (AUV), boshqariladigan suv osti kemalari va dengiz osti kemalari bir xil. Tez so'riladigan ko'pgina radio signallardan farqli o'laroq, ovoz suv ostida va aniq o'lchash yoki taxmin qilish mumkin bo'lgan darajada tarqaladi.[50] Shunday qilib, u kuzatilgan maqsad va bir yoki bir nechta havolalar orasidagi masofani o'lchash uchun ishlatilishi mumkin asosiy stansiyalar aniq qilib, ba'zida santimetr aniqligi bilan nishon o'rnini uchburchak qilib qo'ying. 1960-yillardan boshlab, bu paydo bo'ldi suv osti akustik joylashishni aniqlash tizimlari hozirda keng qo'llanilmoqda.

Seysmik tadqiqotlar

Asosiy maqola: Yansıtma seysmolojisi

Seysmik tadqiqotlar dengiz tubida chuqur tekshirish uchun past chastotali tovushdan (<100 Hz) foydalanishni o'z ichiga oladi. Uzoq to'lqin uzunligi tufayli nisbatan past piksellar soniga ega bo'lishiga qaramay, past chastotali tovushlarga ustunlik beriladi, chunki dengiz tubida harakatlanayotganda yuqori chastotalar juda susayadi. Amaldagi tovush manbalariga quyidagilar kiradi havo qurollari, vibroseis va portlovchi moddalar.

Ob-havo va ob-havoni kuzatish

Ovozni kuzatishda akustik datchiklardan foydalanish mumkin shamol va yog'ingarchilik. Masalan, akustik yomg'ir o'lchagichi Nistuen tomonidan tasvirlangan.[51] Chaqmoq chaqishi ham aniqlanishi mumkin.[52] Okean iqlimining akustik termometriyasi (ATOC) global okean haroratini o'lchash uchun past chastotali tovushdan foydalanadi.

Okeanografiya

Asosiy maqola: Akustik okeanografiya

Katta hajmdagi okean xususiyatlarini aniqlash mumkin akustik tomografiya. Pastki xususiyatlarni o'lchash mumkin yon-skaner sonar va pastki pastki profilni yaratish.

Dengiz biologiyasi

Asosiy maqola: Bioakustika

Ajoyib tarqalish xususiyati tufayli suv osti tovushi dengiz hayotini o'rganishda yordam beradigan vosita sifatida ishlatiladi mikroplankton uchun ko'k kit. Echo tovushlari ko'pincha dengiz hayotining ko'pligi, tarqalishi va xulq-atvori to'g'risidagi ma'lumotlarni taqdim etish uchun ishlatiladi. Echo tovushlari, shuningdek, deb nomlanadi gidroakustika baliqlarning joylashishi, miqdori, hajmi va biomassasi uchun ham ishlatiladi.

Akustik telemetriya baliq va dengiz yovvoyi hayotini kuzatish uchun ham ishlatiladi. Akustik transmitter baliqlarga biriktirilgan (ba'zida ichkarida), qabul qiluvchilar qatori tovush to'lqini orqali etkazilgan ma'lumotlarni tinglashadi. Bu tadqiqotchilarga shaxslarning harakatlarini kichik va o'rta miqyosda kuzatishga imkon beradi.[53]

To'pponcha qisqichbaqasi yaratmoq sonoluminescent 5000 K (4700 ° S) gacha bo'lgan kavitatsion pufakchalar [54]

Zarralar fizikasi

A neytrin boshqa moddalar bilan juda zaif ta'sir o'tkazadigan asosiy zarradir. Shu sababli, uni aniqlash apparati juda katta miqyosda talab qilinadi va okean ba'zan shu maqsadda ishlatiladi. Xususan, dengiz suvidagi ultra yuqori energiya neytrinosini akustik usul bilan aniqlash mumkin deb o'ylashadi.[55]

Shuningdek qarang

Adabiyotlar

  1. ^ a b v Urik, Robert J. Suv osti tovushining asoslari, 3-nashr. Nyu York. McGraw-Hill, 1983 yil.
  2. ^ C. S. Kley va X. Medvin, Akustik okeanografiya (Vili, Nyu-York, 1977)
  3. ^ Annales de Chimie va de Physique 36 [2] 236 (1827)
  4. ^ A. B. Vud, Ixtiro va tadqiqot kengashidan qirollik dengiz xizmatiga qadar, Qirollik dengiz harbiy ilmiy xizmati jurnali, 20-son, № 4, 1-100 bet (185-284).
  5. ^ X. Lixe (1919). "Dengiz suvidagi gorizontal harorat qatlamlarining suv osti tovush signallari diapazoniga ta'siri to'g'risida". Fizika. Z. 17 (385).
  6. ^ a b v R. E. Francois & G. R. Garrison, Okean o'lchovlari asosida tovush yutish. II qism: Bor kislotasining hissasi va umumiy yutilish tenglamasi, J. Akust. Soc. Am. 72, 1879–1890 (1982).
  7. ^ a b R. E. Francois va G. R. Garrison, Okean o'lchovlari asosida tovush yutish. I qism: Toza suv va magniy sulfat hissalari, J. Akust. Soc. Am. 72, 896–907 (1982).
  8. ^ Ainslie, M. A. (2010). Sonar ishlashini modellashtirish tamoyillari. Berlin: Springer. p36
  9. ^ H. Medvin va C. S. Kley, Akustik okeanografiya asoslari (Academic, Boston, 1998).
  10. ^ D. E. Weston va P. A. Ching, Sayoz suv uzatishda shamol ta'siri, J. Akust. Soc. Am. 86, 1530-1545 (1989).
  11. ^ G. V. Norton va J. C. Novarini, Dengiz sathining pürüzlülüğü va qabariq shilimshiqlarining past kilohertsli mintaqada sayoz suv tarqalishidagi nisbiy roli to'g'risida, J. Akust. Soc. Am. 110, 2946–2955 (2001)
  12. ^ N Chotiros, suv bilan to'yingan qumda tovushni ko'paytirishning biotik modeli. J. Akust. Soc. Am. 97, 199 (1995)
  13. ^ M. J. Bukingem, to'lqinlarning tarqalishi, stressni yumshatish va to'yingan, konsolidatsiyalanmagan dengiz cho'kindilarida dondan dongacha qirqish, J. Akust. Soc. Am. 108, 2796–2815 (2000).
  14. ^ a b C. L. Morfey, Akustika lug'ati (Academic Press, San-Diego, 2001).
  15. ^ M. A. Ainsli, Sonar tenglamasi va tarqalish yo'qolishi ta'riflari, J. Akust. Soc. Am. 115, 131–134 (2004).
  16. ^ F. B. Jensen, V. A. Kuperman, M. B. Porter va X. Shmidt, Hisoblash okean akustikasi (AIP Press, NY, 1994).
  17. ^ C. H. Harrison, Okean tarqalish modellari, Amaliy akustika 27, 163–201 (1989).
  18. ^ Muratov, R. Z .; Efimov, S. P. (1978). "Tekis to'lqinning past chastotali akustik yumshoq ellipsoid bilan tarqalishi". Radiofizika va kvant elektronikasi. 21 (2): 153–160. Bibcode:1978R va QE ... 21..153M. doi:10.1007 / BF01078707 (nofaol 2020-11-08).CS1 maint: DOI 2020 yil noyabr holatiga ko'ra faol emas (havola)
  19. ^ Morse, Filipp M.; Ingard, K. Uno (1987). Nazariy akustika. Prinston: Prinston universiteti matbuoti. p. 949. ISBN  9780691024011.
  20. ^ L. M. Brexovskik va Yu. P. Lysanov, Okean akustikasi asoslari, 3-nashr (Springer-Verlag, NY, 2003).
  21. ^ A. D. Pirs, akustika: uning fizik asoslari va qo'llanmalariga kirish (Amerika fizika instituti, Nyu-York, 1989).
  22. ^ Makkenzi, Okeanlardagi tovush tezligi uchun to'qqiz muddatli tenglama, J. Akust. Soc. Am. 70, 807–812 (1982).
  23. ^ C. C. Leroy, toza va neptun suvidagi tovush tezligi, qattiq, suyuqlik va gazlarning elastik xususiyatlari to'g'risidagi qo'llanmada, Levi, Bass va Stern tomonidan tahrirlangan IV jild: Suyuqliklarning elastik xususiyatlari: suyuqliklar va gazlar (Academic Press, 2001)
  24. ^ Uilson, Ueyn D. (1959 yil 26-yanvar). "Distillangan suvdagi tovush tezligi harorat va bosim funktsiyasi sifatida". J. Akust. Soc. Am. 31 (8): 1067–1072. Bibcode:1959ASAJ ... 31.1067W. doi:10.1121/1.1907828. Olingan 11 fevral 2012.
  25. ^ G. M. Venz, Okeandagi akustik muhit shovqini: spektrlar va manbalar, J. Akust. Soc. Am. 34, 1936–1956 (1962).
  26. ^ S. C. Uebb, muvozanat okean mikroseizm spektri, J. Akust. Soc. Am. 92, 2141–2158 (1992).
  27. ^ Gemba, Kay L.; Sarkar, Jit; Cornuelle, Bryus; Xodkiss, Uilyam S.; Kuperman, W. A. ​​(2018). "Sayoz suv muhitida imkoniyat kemalarining nisbiy kanal impulslari ta'sirini baholash". Amerika akustik jamiyati jurnali. 144 (3): 1231–1244. Bibcode:2018ASAJ..144.1231G. doi:10.1121/1.5052259. ISSN  0001-4966. PMID  30424623.
  28. ^ R. H. Mellen, suv osti akustik signallarini aniqlashda issiqlik-shovqin chegarasi, J. Akust. Soc. Am. 24, 478–480 (1952).
  29. ^ R. S. Dits va M. J. Sheehy, miyojin vulkanik portlashlarini suv osti ovozi bilan transkassifik tarzda aniqlash. Geologik Jamiyat Axborotnomasi 2 942–956 (1954).
  30. ^ M. A. McDonald, J. A. Hildebrand va S. M. Wiggins, Kaliforniya shtatidagi San-Nikolas orolining g'arbiy qismida, Tinch okeanining shimoli-sharqida chuqur okean atrof-muhit shovqinlarining oshishi, J. Akust. Soc. Am. 120, 711–718 (2006).
  31. ^ Okean shovqini va dengiz sutemizuvchilar, Milliy akademiyalar Milliy tadqiqot kengashi (The National Academies Press, Vashington, 2003).
  32. ^ R Chapman va J Xarris, portlovchi tovush manbalari bilan o'lchangan sirt kuchlari. J. Akust. Soc. Am. 34, 547 (1962)
  33. ^ K Makkenzi, 530 va 1030 sm / s chuqurlikdagi tovush uchun pastki reverberatsiya. J. Akust. Soc. Am. 36, 1596 (1964)
  34. ^ J. R. Marshall va R. P. Chapman, portlovchi tovush manbalari bilan o'lchangan chuqur sochilgan qatlamdan reverberatsiya. J. Akust. Soc. Am. 36, 164 (1964)
  35. ^ A. Milne, Arktikadagi muzning suv ostiga teskari kuchlari. J. Akust. Soc. Am. 36, 1551 (1964)
  36. ^ MGS Station ma'lumotlar ro'yxati va hisobotlari katalogi, Nav Oceanog Office maxsus nashri 142, 1974 yil
  37. ^ D.M.F. Chapman, D.D. Ellis, tushunarsiz desibel - sonar va dengiz sutemizuvchilar haqida fikrlar, mumkin. Akust. 26(2), 29–31 (1996)
  38. ^ a b v W. J. Richardson, C. R. Grin, C. I. Malme va D. H. Tomson, dengiz sutemizuvchilari va shovqin (Academic Press, San-Diego, 1995).
  39. ^ S. J. Parvin, E. A. Cudahy va D. M. Fothergill, 500 dan 2500 Gts chastota diapazonidagi suv osti tovushiga sho'ng'in ta'siriga oid ko'rsatma, Suv osti mudofaasi texnologiyasi (2002).
  40. ^ Steevens CC, Rassell KL, Knafelc ME, Smit PF, Hopkins EW, Clark JB (1999). "Suv ostida bo'lgan kuchli tovush ta'siriga tushgan g'avvoslarda shovqindan kelib chiqadigan nevrologik buzilishlar: ikkita holat bo'yicha hisobotlar". Dengiz osti giperbi med. 26 (4): 261–5. PMID  10642074. Olingan 2009-03-31.
  41. ^ NATO dengiz osti tadqiqot markazi odamlarni suvga tushirish va dengiz sutemizuvchilar xavfini kamaytirish qoidalari va protseduralari, NURC Maxsus nashri NURC-SP-2006-008, 2006 yil sentyabr
  42. ^ Fothergill DM, Sims JR, Curley MD (2001). "Dam olish sho'ng'inchilarining suv ostida past chastotali ovozdan nafratlanishlari". Dengiz osti giperbi med. 28 (1): 9–18. PMID  11732884. Olingan 2009-03-31.
  43. ^ W. W. L. Au, Delfinlarning Sonar (Springer, NY, 1993).
  44. ^ a b D. Simmonds va J. Maklennan, Baliqchilik akustikasi: nazariya va amaliyot, 2-nashr (Blekuell, Oksford, 2005)
  45. ^ Southall, B. L., Bowles, A. E., Ellison, W. T., Finneran, J. J., Gentry, R. L., Greene, C. R., ... & Richardson, W. J. (2007). Dengiz sutemizuvchilar shovqin ta'sir qilish mezonlari Suvda yashovchi sutemizuvchilar.
  46. ^ Ladich, F., & Fay, R. R. (2013). Eshitish vositasi baliqlarda potentsial audiometriyani keltirib chiqardi. Baliq biologiyasi va baliqchilik sohasidagi sharhlar, 23 (3), 317-364.
  47. ^ Popper, A. N., Hawkins, A. D., Fay, R. R., Mann, D. A., Bartol, S., Carlson, T. J., ... & Løkkeborg, S. (2014). ASA S3/SC1. 4 TR-2014 Sound exposure guidelines for fishes and sea turtles: A technical report prepared by ANSI-Accredited standards committee S3/SC1 and registered with ANSI. Springer.
  48. ^ D. B. Kilfoyle and A. B. Baggeroer, "The state of the art in underwater acoustic telemetry," IEEE J. Oceanic Eng. 25, 4–27 (2000).
  49. ^ M.Stojanovic, "Acoustic (Underwater) Communications," entry in Encyclopedia of Telecommunications, John G. Proakis, Ed., John Wiley & Sons, 2003.
  50. ^ Underwater Acoustic Positioning Systems, P.H. Milne 1983, ISBN  0-87201-012-0
  51. ^ J. A. Nystuen, Listening to raindrops from underwater: An acoustic disdrometer, J Atmospheric and Oceanic Technology, 18(10), 1640–1657 (2001).
  52. ^ R. D. Hill, Investigation of lightning strikes to water surfaces, J. Acoust. Soc. Am. 78, 2096–2099 (1985).
  53. ^ Moore, A., T. Storeton-West, I. C. Russell, E. C. E. Potter, and M. J. Challiss. 1990. A technique for tracking Atlantic salmon (Salmo salar L.) smolts through estuaries. International Council for the Ex- ploration of the Sea, C.M. 1990/M: 18, Copenhagen.
  54. ^ D. Lohse, B. Schmitz & M. Versluis (2001). "Snapping shrimp make flashing bubbles". Tabiat. 413 (6855): 477–478. Bibcode:2001Natur.413..477L. doi:10.1038/35097152. PMID  11586346. S2CID  4429684.
  55. ^ S. Bevan, S. Danaher, J. Perkin, S. Ralph, C. Rhodes, L. Thompson, T. Sloane, D. Waters and The ACoRNE Collaboration, Simulation of ultra high energy neutrino induced showers in ice and water, Astropartikullar fizikasi Volume 28, Issue 3, November 2007, Pages 366–379

Tashqi havolalar