Akustyka podwodna - Underwater acoustics

Akustyka podwodna to nauka o rozchodzeniu się dźwięku w wodzie i interakcji fal mechanicznych tworzących dźwięk z wodą, jej zawartością i granicami. Woda może znajdować się w oceanie, jeziorze, rzece lub zbiorniku . Typowe częstotliwości związane z akustyką podwodną wynoszą od 10 Hz do 1 MHz . Rozchodzenie się dźwięku w oceanie na częstotliwościach niższych niż 10 Hz zwykle nie jest możliwe bez penetracji w głąb dna morskiego, natomiast częstotliwości powyżej 1 MHz są rzadko wykorzystywane, ponieważ są bardzo szybko pochłaniane. Akustyka podwodna jest czasami nazywana hydroakustyka .

Dziedzina akustyki podwodnej jest ściśle powiązana z wieloma innymi dziedzinami badań akustycznych, w tym sonarem , transdukcją , przetwarzaniem sygnału , oceanografią akustyczną , bioakustyką i akustyką fizyczną .

Historia

Podwodny dźwięk był prawdopodobnie używany przez zwierzęta morskie od milionów lat. Nauka o akustyce podwodnej rozpoczęła się w 1490 roku, kiedy Leonardo da Vinci napisał:

„Jeśli sprawisz, że twój statek się zatrzyma i umieścisz główkę długiej rurki w wodzie i przyłożysz zewnętrzną końcówkę do ucha, usłyszysz statki z dużej odległości od ciebie”.

W 1687 Isaac Newton napisał swoje matematyczne zasady filozofii naturalnej, które obejmowały pierwszą matematyczną obróbkę dźwięku. Kolejnym ważnym krokiem w rozwoju podwodnej akustyki została wykonana przez Daniela Colladon , a szwajcarskiego fizyka i Karola Sturm , a francuski matematyk . W 1826 r. na Jeziorze Genewskim zmierzyli czas, jaki upłynął między błyskiem światła a dźwiękiem dzwonu zanurzonego statku, słyszanym za pomocą podwodnego rogu nasłuchowego. Zmierzyli prędkość dźwięku 1435 metrów na sekundę na dystansie 17 kilometrów (km), zapewniając pierwszy ilościowy pomiar prędkości dźwięku w wodzie. Uzyskany wynik mieścił się w granicach ok. 2% aktualnie przyjętych wartości. W 1877 Lord Rayleigh napisał Teorię Dźwięku i ustanowił nowoczesną teorię akustyczną.

Zatonięcie Titanica w 1912 roku i początek I wojny światowej dały impuls do kolejnej fali postępu w podwodnej akustyce. Opracowano systemy do wykrywania gór lodowych i łodzi podwodnych . W latach 1912 i 1914, liczba echolokacyjnych patenty zostały przyznane w Europie i USA, zakończone Reginald A. Fessenden „Echo-Ranger w 1914 Pionierskie prace prowadzono w tym czasie we Francji przez Paul Langevin i w Wielkiej Brytanii przez AB Drewno i współpracownicy. Rozwój zarówno aktywnego sonaru ASDIC, jak i pasywnego sonaru (Sound Navigation And Ranging) przebiegał szybko podczas wojny, napędzany przez pierwsze rozmieszczenia okrętów podwodnych na dużą skalę . Inne postępy w akustyce podwodnej obejmowały rozwój kopalni akustycznych .

W 1919 roku opublikowano pierwszy artykuł naukowy na temat akustyki podwodnej, teoretycznie opisujący załamanie fal dźwiękowych wytwarzanych przez gradienty temperatury i zasolenia w oceanie. Przewidywania dotyczące zasięgu w pracy zostały zweryfikowane eksperymentalnie przez pomiary strat propagacyjnych .

Kolejne dwie dekady przyniosły rozwój kilku zastosowań akustyki podwodnej. Fathometer lub echosonda, został opracowany w sprzedaży w ciągu 1920 roku. Pierwotnie w przetwornikach stosowano materiały naturalne, ale w latach 30. XX wieku systemy sonarowe zawierające przetworniki piezoelektryczne wykonane z materiałów syntetycznych były wykorzystywane w pasywnych systemach odsłuchowych oraz w aktywnych systemach z zakresem echa. Systemy te były z powodzeniem wykorzystywane podczas II wojny światowej zarówno przez okręty podwodne, jak i okręty przeciw okrętom podwodnym. Dokonano wielu postępów w akustyce podwodnej, które zostały podsumowane później w serii Physics of Sound in the Sea , opublikowanej w 1946 roku.

Po II wojnie światowej rozwój systemów sonarowych był napędzany głównie przez zimną wojnę , co zaowocowało postępem w teoretycznym i praktycznym zrozumieniu akustyki podwodnej, wspomaganej technikami komputerowymi.

Teoria

Fale dźwiękowe w wodzie, dno morza

Fala dźwiękowa rozchodząca się pod wodą składa się z naprzemiennych kompresji i rozrzedzenia wody. Te uciśnięcia i rozrzedzenia są wykrywane przez odbiornik, taki jak ucho ludzkie lub hydrofon , jako zmiany ciśnienia . Fale te mogą być stworzone przez człowieka lub generowane naturalnie.

Prędkość dźwięku, gęstość i impedancja

Prędkość dźwięku (to znaczy ruch wzdłużny frontów falowych) jest związana z częstotliwością i długością fali fali o . ${\displaystyle c\,}$ ${\displaystyle f\,}$ ${\ Displaystyle \ lambda \,}$${\ Displaystyle c = f \ cdot \ lambda }$

Różni się to od prędkości cząstek , która odnosi się do ruchu cząsteczek w ośrodku pod wpływem dźwięku i wiąże ciśnienie fali płaskiej z gęstością płynu i prędkością dźwięku przez . ${\displaystyle u\,}$${\displaystyle p\,}$${\ Displaystyle \ rho \,}$${\displaystyle c\,}$${\ Displaystyle p = c \ cdot u \ cdot \ rho }$

Produktem i z powyższym wzorze jest znany jako impedancji akustycznej . Moc akustyczna (energia na sekundę) przechodząca przez jednostkę powierzchni jest znana jako natężenie fali, a dla fali płaskiej średnia intensywność jest dana wzorem , gdzie jest pierwiastkiem średniego kwadratu ciśnienia akustycznego. ${\displaystyle c}$${\ Displaystyle \ rho \,}$${\ Displaystyle I = q ^ {2} / (\ rho c) \,}$${\displaystyle q\,}$

Przy 1 kHz długość fali w wodzie wynosi około 1,5 m. Czasami używa się terminu „prędkość dźwięku”, ale jest to niepoprawne, ponieważ wielkość jest skalarem.

Duży kontrast impedancji między powietrzem a wodą (stosunek wynosi około 3600) oraz skala chropowatości powierzchni sprawiają, że powierzchnia morza zachowuje się jak niemal idealny reflektor dźwięku o częstotliwościach poniżej 1 kHz. Prędkość dźwięku w wodzie przewyższa prędkość dźwięku w powietrzu 4,4 raza, a stosunek gęstości wynosi około 820.

Pochłanianie dźwięku

Pochłanianie dźwięków o niskiej częstotliwości jest słabe. (patrz Poradniki techniczne – Obliczanie pochłaniania dźwięku w wodzie morskiej dla kalkulatora on-line). Główną przyczyną tłumienia dźwięku w wodzie słodkiej, az dużą częstotliwością w wodzie morskiej (powyżej 100 kHz) jest lepkość . Ważny dodatkowy wkład przy niższych częstotliwościach w wodzie morskiej jest związany z relaksacją jonową kwasu borowego (do ok. 10 kHz) i siarczanu magnezu (ok. 10 kHz-100 kHz).

Dźwięk może być pochłaniany przez straty na granicach płynów. Przy powierzchni morza ubytki mogą wystąpić w warstwie bąbelkowej lub w lodzie, natomiast przy dnie dźwięk może wnikać w osad i być pochłaniany.

Odbicie i rozproszenie dźwięku

Interakcje graniczne

Zarówno powierzchnia wody, jak i dno odbijają i rozpraszają granice.

Powierzchnia

Pod wieloma względami powierzchnia morskiego powietrza może być uważana za doskonały odbłyśnik. Kontrast impedancji jest tak duży, że niewiele energii jest w stanie przekroczyć tę granicę. Fale ciśnienia akustycznego odbite od powierzchni morza doświadczają odwrócenia fazy, często określanej jako „zmiana fazy pi” lub „zmiana fazy o 180°”. Jest to reprezentowane matematycznie przez przypisanie do powierzchni morza współczynnika odbicia wynoszącego minus 1 zamiast plus jeden.

Przy wysokiej częstotliwości (powyżej około 1 kHz) lub gdy morze jest wzburzone, część padającego dźwięku jest rozpraszana, co jest brane pod uwagę przez przypisanie współczynnika odbicia, którego wielkość jest mniejsza niż jeden. Na przykład, bliski normalnemu padaniu, współczynnik odbicia staje się , gdzie h jest wysokością fali rms . ${\ Displaystyle R = -e ^ {-2 k ^ {2} h ^ {2} grzech ^ {2} A}}$

Kolejną komplikacją jest obecność pęcherzyków powietrza lub ryb w pobliżu powierzchni morza. Bąbelki mogą również tworzyć pióropusze, które pochłaniają część padającego i rozproszonego dźwięku, a same rozpraszają część dźwięku.

Dno morskie

Niedopasowanie impedancji akustycznej między wodą a dnem jest na ogół znacznie mniejsze niż na powierzchni i jest bardziej złożone. Zależy to od rodzaju materiału dna i głębokości warstw. Teorie dotyczące przewidywania propagacji dźwięku w dnie w tym przypadku zostały opracowane na przykład przez Biota i Buckinghama.

Na cel

Odbicie dźwięku od celu, którego wymiary są duże w porównaniu z długością fali akustycznej, zależy od jego wielkości i kształtu, a także od impedancji celu w stosunku do wody. Opracowano wzory na docelową siłę różnych prostych kształtów w funkcji kąta padania dźwięku. Bardziej złożone kształty można przybliżyć, łącząc te proste.

Propagacja dźwięku

Propagacja akustyczna pod wodą zależy od wielu czynników. Kierunek propagacji dźwięku jest określony przez gradienty prędkości dźwięku w wodzie. Te gradienty prędkości przekształcają falę dźwiękową poprzez załamanie, odbicie i dyspersję. W morzu gradienty pionowe są na ogół znacznie większe niż poziome. Połączenie tego z tendencją do zwiększania prędkości dźwięku na coraz większej głębokości, ze względu na rosnące ciśnienie w głębokim morzu , powoduje odwrócenie gradientu prędkości dźwięku w termoklinie , tworząc wydajny falowód na głębokości, odpowiadający minimalnej prędkości dźwięku. Profil prędkości dźwięku może powodować powstawanie obszarów o niskim natężeniu dźwięku, nazywanych „strefami cienia”, oraz obszarów o dużej intensywności, nazywanych „kaustykami”. Można je znaleźć metodami śledzenia promieni .

Na równikowych i umiarkowanych szerokościach geograficznych w oceanie temperatura powierzchni jest wystarczająco wysoka, aby odwrócić efekt ciśnienia, tak że minimalna prędkość dźwięku występuje na głębokości kilkuset metrów. Obecność tego minimum tworzy specjalny kanał znany jako Deep Sound Channel, wcześniej znany jako kanał SOFAR (ang. sound fixation and range), umożliwiający kierowaną propagację podwodnych dźwięków przez tysiące kilometrów bez interakcji z powierzchnią morza lub dnem morskim. Innym zjawiskiem w głębinach morskich jest powstawanie obszarów ogniskowania dźwięku, zwanych strefami konwergencji. W tym przypadku dźwięk jest załamywany w dół od źródła przypowierzchniowego, a następnie z powrotem w górę. Pozioma odległość od źródła, w którym to następuje, zależy od dodatnich i ujemnych gradientów prędkości dźwięku. Kanał powierzchniowy może również wystąpić zarówno w głębokiej, jak i umiarkowanie płytkiej wodzie, gdy występuje załamanie w górę, na przykład z powodu niskich temperatur powierzchni. Propagacja polega na wielokrotnym odbijaniu się dźwięku od powierzchni.

Ogólnie rzecz biorąc, w miarę rozchodzenia się dźwięku pod wodą następuje zmniejszenie natężenia dźwięku w rosnących zakresach, chociaż w niektórych okolicznościach można uzyskać wzmocnienie dzięki ogniskowaniu. Tłumienie propagacyjne (czasami określane jako tłumienie transmisji ) to ilościowa miara zmniejszenia natężenia dźwięku między dwoma punktami, zwykle źródłem dźwięku i odległym odbiornikiem. Jeżeli jest natężeniem pola dalekiego źródła odniesionego do punktu 1 m od jego środka akustycznego i jest natężeniem w odbiorniku, to strata propagacyjna jest wyrażona wzorem . W równaniu tym nie chodzi o rzeczywiste natężenie akustyczne w odbiorniku, które jest wielkością wektorową , ale o skalar równy natężeniu fali równoważnej (EPWI) pola dźwiękowego. EPWI definiuje się jako wielkość natężenia fali płaskiej o tym samym ciśnieniu RMS, co rzeczywiste pole akustyczne. Na krótkim dystansie strata propagacyjna jest zdominowana przez rozpraszanie, podczas gdy na dalekim dominuje strata absorpcji i/lub rozpraszania. ${\ Displaystyle I_ {s}}$${\ Displaystyle I_ {r}}$${\ Displaystyle PL = 10 \ log (I_ {s} / I_ {r})}$${\ Displaystyle I_ {r}}$

Możliwa jest alternatywna definicja w odniesieniu do ciśnienia zamiast intensywności, podając , gdzie jest to ciśnienie akustyczne RMS w dalekim polu projektora, przeskalowane do standardowej odległości 1 m, a jest to ciśnienie RMS w pozycji odbiornika. ${\ Displaystyle PL = 20 \ log (p_ {s} / p_ {r})}$${\displaystyle p_{s}}$${\displaystyle p_{r}}$

Te dwie definicje nie są dokładnie równoważne, ponieważ impedancja charakterystyczna w odbiorniku może być inna niż u źródła. Z tego powodu użycie definicji intensywności prowadzi do innego równania sonaru niż definicja oparta na stosunku ciśnień. Jeśli zarówno źródło, jak i odbiornik znajdują się w wodzie, różnica jest niewielka.

Modelowanie propagacji

Rozchodzenie się dźwięku przez wodę jest opisane równaniem falowym, z odpowiednimi warunkami brzegowymi. Opracowano szereg modeli w celu uproszczenia obliczeń propagacji. Modele te obejmują teorię promieni, rozwiązania w trybie normalnym i uproszczenia równania parabolicznego równania falowego. Każdy zestaw rozwiązań jest ogólnie poprawny i wydajny obliczeniowo w ograniczonym reżimie częstotliwości i zakresu, a także może obejmować inne ograniczenia. Teoria promieni jest bardziej odpowiednia dla krótkiego zasięgu i wysokiej częstotliwości, podczas gdy inne rozwiązania działają lepiej przy dalekim zasięgu i niskiej częstotliwości. Różne wzory empiryczne i analityczne zostały również wyprowadzone z pomiarów, które są użytecznymi przybliżeniami.

Pogłos

Dźwięki przejściowe powodują zanikające tło, które może trwać znacznie dłużej niż oryginalny sygnał przejściowy. Przyczyną tego tła, znanego jako pogłos, jest częściowo rozproszenie od nierównych granic, a częściowo rozproszenie od ryb i innych organizmów żywych . Aby sygnał akustyczny mógł być łatwo wykryty, musi przekraczać poziom pogłosu oraz poziom szumu tła .

przesunięcie Dopplera

Jeśli podwodny obiekt porusza się względem podwodnego odbiornika, częstotliwość odbieranego dźwięku jest inna niż dźwięku wypromieniowanego (lub odbitego) przez ten obiekt. Ta zmiana częstotliwości jest znana jako przesunięcie Dopplera . Przesunięcie można łatwo zaobserwować w aktywnych systemach sonarowych , szczególnie wąskopasmowych, ponieważ znana jest częstotliwość nadajnika i można obliczyć względny ruch sonaru i obiektu. Czasami częstotliwość emitowanego szumu ( tonal ) może być również znana, w takim przypadku te same obliczenia można wykonać dla sonaru pasywnego. W przypadku systemów aktywnych zmiana częstotliwości wynosi 0,69 Hz na węzeł na kHz, a połowa dla systemów pasywnych, ponieważ propagacja jest tylko w jedną stronę. Przesunięcie odpowiada wzrostowi częstotliwości zbliżającego się celu.

Wahania intensywności

Chociaż modelowanie propagacji akustycznej generalnie przewiduje stały poziom odbieranego dźwięku, w praktyce występują zarówno wahania czasowe, jak i przestrzenne. Może to wynikać zarówno ze zjawisk środowiskowych na małą, jak i na dużą skalę. Mogą one obejmować drobną strukturę profilu prędkości dźwięku i strefy czołowe, a także fale wewnętrzne. Ponieważ ogólnie istnieje wiele ścieżek propagacji między źródłem a odbiornikiem, niewielkie zmiany fazowe we wzorcu interferencji między tymi ścieżkami mogą prowadzić do dużych wahań natężenia dźwięku.

Nieliniowość

W wodzie, zwłaszcza z pęcherzykami powietrza, zmiana gęstości spowodowana zmianą ciśnienia nie jest dokładnie proporcjonalna liniowo. W konsekwencji dla wejściowej fali sinusoidalnej generowane są dodatkowe częstotliwości harmoniczne i subharmoniczne. Gdy wprowadzane są dwie fale sinusoidalne, generowane są częstotliwości sumaryczne i różnicowe. Proces konwersji jest większy przy wysokich poziomach źródłowych niż przy małych. Ze względu na nieliniowość istnieje zależność prędkości dźwięku od amplitudy ciśnienia, dzięki czemu duże zmiany przemieszczają się szybciej niż małe. W ten sposób przebieg sinusoidalny stopniowo staje się przebiegiem piłokształtnym ze stromym wzniesieniem i stopniowym ogonem. Zjawisko to wykorzystuje się w sonarze parametrycznym, a teorie wyjaśniające to zjawisko zostały opracowane, np. przez Westerfielda.

Pomiary

Dźwięk w wodzie jest mierzony za pomocą hydrofonu , który jest podwodnym odpowiednikiem mikrofonu . Hydrofon mierzy wahania ciśnienia , które są zwykle przekształcane na poziom ciśnienia akustycznego (SPL), który jest logarytmiczną miarą średniego kwadratowego ciśnienia akustycznego .

Pomiary są zwykle zgłaszane w jednej z trzech form:-

• RMS ciśnienie akustyczne w mikropaskalach (lub dB re 1 μPa)
• RMS ciśnienie akustyczne w określonym paśmie , zwykle oktawy lub tercje oktawy (dB re 1 μPa)
• gęstość widmowa (średnie ciśnienie kwadratowe na jednostkę szerokości pasma) w mikropaskalach do kwadratu na Hertz (dB re 1 μPa ² /Hz)

Skala ciśnienia akustycznego w wodzie różni się od tej stosowanej dla dźwięku w powietrzu. W powietrzu ciśnienie odniesienia wynosi 20 μPa, a nie 1 μPa. Przy tej samej wartości liczbowej SPL natężenie fali płaskiej (moc na jednostkę powierzchni, proporcjonalna do średniego kwadratu ciśnienia akustycznego podzielonego przez impedancję akustyczną) w powietrzu jest około 20 ² × 3600 = 1 440 000 razy większe niż w wodzie. Podobnie intensywność jest mniej więcej taka sama, jeśli SPL w wodzie jest o 61,6 dB wyższy.

Norma ISO 18405 z 2017 r. definiuje terminy i wyrażenia używane w dziedzinie akustyki podwodnej, w tym obliczanie podwodnych poziomów ciśnienia akustycznego.

Prędkość dźwięku

Przybliżone wartości dla wody słodkiej i morskiej , odpowiednio, pod ciśnieniem atmosferycznym są 1450 do 1500 m / s do prędkości dźwięku, 1000 i 1030 kilogram / m ³ o gęstości. Prędkość dźwięku w wodzie wzrasta wraz ze wzrostem ciśnienia , temperatury i zasolenia . Maksymalna prędkość w czystej wodzie pod ciśnieniem atmosferycznym osiągana jest przy około 74°C; po tym punkcie dźwięk rozchodzi się wolniej w gorętszej wodzie; maksymalny wzrost wraz z ciśnieniem. Kalkulatory on-line można znaleźć w Technical Guides – Speed ​​of Sound in Sea-Water oraz Technical Guides – Speed ​​of Sound in Pure Water .

Wchłanianie

Wykonano wiele pomiarów pochłaniania dźwięku w jeziorach i oceanach (patrz Poradniki techniczne – Obliczanie pochłaniania dźwięku w wodzie morskiej dla kalkulatora on-line).

Dźwięk szumu

Pomiar sygnałów akustycznych jest możliwy, jeśli ich amplituda przekracza próg minimalny, określony częściowo przez zastosowane przetwarzanie sygnału, a częściowo przez poziom szumu tła. Szum otoczenia to ta część odbieranego szumu, która jest niezależna od charakterystyki źródła, odbiornika i platformy. W ten sposób wyklucza na przykład pogłos i hałas związany z holowaniem.

Hałas tła obecny w oceanie lub hałas otoczenia ma wiele różnych źródeł i zmienia się w zależności od lokalizacji i częstotliwości. Przy najniższych częstotliwościach, od około 0,1 Hz do 10 Hz, turbulencje oceaniczne i mikrosejsmy są głównymi przyczynami tła hałasu. Typowe poziomy widma szumów zmniejsza się wraz ze wzrostem częstotliwości od około 140 dB re 1 mPa ² / Hz przy częstotliwości 1 Hz do około 30 dB re 1 mPa ² / Hz i 100 kHz. Odległy ruch statków jest jednym z dominujących źródeł hałasu na większości obszarów dla częstotliwości około 100 Hz, podczas gdy hałas powierzchniowy wywołany wiatrem jest głównym źródłem między 1 kHz a 30 kHz. Przy bardzo wysokich częstotliwościach, powyżej 100 kHz, zaczyna dominować szum termiczny cząsteczek wody. Poziom widmowy szumu cieplnego przy 100 kHz wynosi 25 dB re 1 μPa ² /Hz. Gęstość widmowa szumu cieplnego wzrasta o 20 dB na dekadę (około 6 dB na oktawę ).

Źródła dźwięków przejściowych również przyczyniają się do hałasu otoczenia. Mogą one obejmować okresową aktywność geologiczną, taką jak trzęsienia ziemi i podwodne wulkany, opady na powierzchni oraz aktywność biologiczną. Źródła biologiczne obejmują walenie (zwłaszcza płetwale błękitne , płetwale i kaszaloty ), niektóre rodzaje ryb i krewetki jaszczurowate .

Deszcz może generować wysoki poziom hałasu otoczenia. Jednak zależność liczbowa między natężeniem deszczu a poziomem hałasu otoczenia jest trudna do określenia, ponieważ pomiar natężenia deszczu jest problematyczny na morzu.

Pogłos

Wykonano wiele pomiarów pogłosu powierzchni, dna i objętości morza. Czasami wyprowadzano z nich modele empiryczne. Powszechnie używanym wyrażeniem dla pasma od 0,4 do 6,4 kHz jest wyrażenie Chapmana i Harrisa. Stwierdzono, że fala sinusoidalna jest rozłożona w częstotliwości z powodu ruchu powierzchniowego. W przypadku pogłosu dolnego często stosuje się prawo Lamberta, na przykład patrz Mackenzie. Pogłos objętościowy występuje zwykle głównie w warstwach, których głębokość zmienia się wraz z porą dnia, np. patrz Marshall i Chapman. Pod powierzchnią lodu może wywoływać silny pogłos, gdy jest szorstki, patrz na przykład Milne.

Strata dolna

Ubytki dna zostały zmierzone jako funkcja kąta płynięcia dla wielu częstotliwości w różnych lokalizacjach, na przykład przez US Marine Geophysical Survey. Strata zależy od prędkości dźwięku w dnie (na którą mają wpływ gradienty i warstwy) oraz chropowatości. Sporządzono wykresy, których można się spodziewać w określonych okolicznościach. W płytkich wodach utrata dna ma często dominujący wpływ na propagację na dalekie odległości. Przy niskich częstotliwościach dźwięk może rozchodzić się przez osad, a następnie z powrotem do wody.

Podwodne słyszenie

Porównanie z poziomami dźwięku w powietrzu

Podobnie jak w przypadku dźwięków powietrznych , poziom ciśnienia akustycznego pod wodą jest zwykle podawany w jednostkach decybeli , ale istnieją pewne ważne różnice, które utrudniają (i często są niewłaściwe) porównanie SPL w wodzie z SPL w powietrzu. Różnice te obejmują:

• Różnica ciśnienia odniesienia 1 mikropaskalowi (jeden micropascal lub jeden -milionowy z Pascala ) zamiast 20 mPa.
• różnica w interpretacji: istnieją dwie szkoły myślenia, jedna utrzymująca, że ​​ciśnienia należy porównywać bezpośrednio, a druga, że ​​najpierw należy przeliczyć na natężenie równoważnej fali płaskiej.
• różnica we wrażliwości słuchu : każde porównanie z dźwiękiem ( A-ważonym ) w powietrzu musi brać pod uwagę różnice we wrażliwości słuchu u nurka człowieka lub innego zwierzęcia.

Ludzki słuch

Wrażliwość słuchu

Najniższy słyszalny SPL dla nurka z prawidłowym słuchem wynosi około 67 dB re 1 μPa, przy czym największa czułość występuje przy częstotliwościach około 1 kHz. Odpowiada to natężeniu dźwięku 5,4 dB lub 3,5 razy wyższemu niż próg w powietrzu (patrz Pomiary powyżej).

Progi bezpieczeństwa

Wysokie poziomy podwodnych dźwięków stwarzają potencjalne zagrożenie dla ludzi nurków. Wytyczne dotyczące narażenia ludzi nurków na podwodny dźwięk są raportowane przez projekt SOLMAR Centrum Badań Podmorskich NATO . Nurkowie narażeni na SPL powyżej 154 dB re 1 μPa w zakresie częstotliwości od 0,6 do 2,5 kHz doświadczają zmian w częstości akcji serca lub częstotliwości oddychania. Niechęć nurków do dźwięków o niskiej częstotliwości zależy od poziomu ciśnienia akustycznego i częstotliwości środkowej .

Inne gatunki

Ssaki wodne

Delfiny i inne wieloryby są znane ze swojej wysokiej wrażliwości słuchowej, zwłaszcza w zakresie częstotliwości od 5 do 50 kHz. Kilka gatunków ma próg słyszalności między 30 a 50 dB re 1 μPa w tym zakresie częstotliwości. Na przykład, wartość progowa słuchu z wieloryba zabójcy zachodzi przy RMS ciśnienia akustycznego od 0,02 MPa (i częstotliwości 15 kHz), co odpowiada wartości progowej 26 dB SPL ponownie 1 mikropaskalowi.

Wysoki poziom podwodnych dźwięków stwarza potencjalne zagrożenie dla zwierząt morskich i ziemnowodnych. Skutki narażenia na podwodny hałas zostały omówione przez Southall et al.

Ryba

Wrażliwość słuchu ryb została poddana przeglądowi przez Ladicha i Faya. Próg słyszalności ryby-żołnierza wynosi 0,32 mPa (50 dB re 1 μPa) przy 1,3 kHz, podczas gdy homar ma próg słyszalności 1,3 Pa przy 70 Hz (122 dB re 1 μPa). Skutki narażenia na podwodny hałas zostały omówione przez Poppera i in.

Zastosowania akustyki podwodnej

Sonar

Sonar to nazwa nadana akustycznemu odpowiednikowi radaru . Impulsy dźwiękowe są wykorzystywane do sondowania morza, a echa są następnie przetwarzane w celu wydobycia informacji o morzu, jego granicach i zanurzonych obiektach. Alternatywne zastosowanie, znane jako sonar pasywny , próbuje zrobić to samo, słuchając dźwięków emitowanych przez podwodne obiekty.

Komunikacja podwodna

Potrzeba podwodnej telemetrii akustycznej istnieje w zastosowaniach takich jak zbieranie danych do monitorowania środowiska, komunikacja z załogowymi i bezzałogowymi pojazdami podwodnymi , transmisja mowy nurków itp. Powiązaną aplikacją jest podwodne zdalne sterowanie , w którym telemetria akustyczna jest używana do zdalnego uruchomić przełącznik lub wywołać zdarzenie. Znaczącym przykładem podwodnego zdalnego sterowania są wyzwalacze akustyczne , urządzenia używane do wyprowadzania na powierzchnię pakietów instrumentów rozmieszczonych na dnie morskim lub innych ładunków za pomocą zdalnego polecenia po zakończeniu wdrażania. Łączność akustyczna stanowi aktywne pole badań, które wymaga przezwyciężenia znacznych wyzwań, zwłaszcza w poziomych, płytkich kanałach wodnych. W porównaniu z telekomunikacją radiową dostępne pasmo jest zmniejszone o kilka rzędów wielkości. Co więcej, niska prędkość dźwięku powoduje, że propagacja wielościeżkowa rozciąga się w odstępach czasowych dziesiątek lub setek milisekund, a także znaczne przesunięcia i rozproszenie Dopplera . Często systemy komunikacji akustycznej nie są ograniczone hałasem, ale pogłosem i zmiennością czasu wykraczającą poza możliwości algorytmów odbiornika. Wierność podwodnych połączeń komunikacyjnych można znacznie poprawić, stosując układy hydrofonów, które umożliwiają takie techniki przetwarzania, jak adaptacyjne formowanie wiązki i łączenie różnorodności .

Podwodna nawigacja i śledzenie

Podwodna nawigacja i śledzenie jest powszechnym wymogiem podczas eksploracji i pracy przez nurków, ROV , autonomiczne pojazdy podwodne (AUV) , załogowe łodzie podwodne i łodzie podwodne . W przeciwieństwie do większości sygnałów radiowych, które są szybko absorbowane, dźwięk rozchodzi się daleko pod wodą i z prędkością, którą można dokładnie zmierzyć lub oszacować. Dzięki temu może być używany do precyzyjnego pomiaru odległości między śledzonym celem a jednym lub wieloma punktami odniesienia stacji bazowych i triangulacji pozycji celu, czasami z dokładnością do centymetra. Poczynając od lat sześćdziesiątych, zapoczątkowało to rozwój podwodnych akustycznych systemów pozycjonowania, które są obecnie szeroko stosowane.

Badania sejsmiczne

Badania sejsmiczne obejmują wykorzystanie dźwięku o niskiej częstotliwości (< 100 Hz) do sondowania w głąb dna morskiego. Pomimo stosunkowo słabej rozdzielczości ze względu na ich dużą długość fali, preferowane są dźwięki o niskiej częstotliwości, ponieważ wysokie częstotliwości są silnie tłumione podczas przechodzenia przez dno morskie. Źródła dźwięku stosowane obejmują wiatrówek , vibroseis i materiały wybuchowe .

Obserwacja pogody i klimatu

Czujniki akustyczne mogą służyć do monitorowania dźwięku powodowanego przez wiatr i opady . Na przykład akustyczny miernik deszczu jest opisany przez Nystuena. Można również wykryć uderzenia pioruna. Termometria akustyczna klimatu oceanicznego (ATOC) wykorzystuje dźwięk o niskiej częstotliwości do pomiaru globalnej temperatury oceanu.

Oceanografia

Cechy oceanu na dużą skalę można wykryć za pomocą tomografii akustycznej . Charakterystyka dna może być mierzona za pomocą sonaru bocznego i profilowania poddennego .

Biologia morska

Ze względu na doskonałe właściwości propagacyjne, podwodny dźwięk jest wykorzystywany jako narzędzie wspomagające badanie życia morskiego, od mikroplanktonu po płetwal błękitny . Echosondy są często wykorzystywane do dostarczania danych na temat liczebności, rozmieszczenia i zachowania życia morskiego. Echosonda, określana również jako hydroakustyka, jest również wykorzystywana do lokalizacji, ilości, wielkości i biomasy ryb.

Telemetria akustyczna jest również wykorzystywana do monitorowania ryb i dzikiej przyrody morskiej. Do ryby przymocowany jest nadajnik akustyczny (czasami wewnętrznie), podczas gdy szereg odbiorników słucha informacji przekazywanych przez falę dźwiękową. Umożliwia to naukowcom śledzenie ruchów osobników w małej i średniej skali.

Krewetki pistoletowe tworzą sonoluminescencyjne bąbelki kawitacyjne, które osiągają temperaturę do 5000 K (4700 °C)

Fizyka cząsteczek

Neutrinowy jest podstawowym cząstek, które bardzo słabo oddziałuje z innych substancji. Z tego powodu wymaga aparatury detekcyjnej na bardzo dużą skalę, a czasami do tego celu wykorzystywany jest ocean. W szczególności uważa się, że neutrina o ultrawysokiej energii w wodzie morskiej można wykryć akustycznie.

Zobacz też

• Tagi Akustyczne (Telemetria Akustyczna)  – Urządzenie umożliwiające wykrywanie i śledzenie zwierząt
• Bioakustyka
• Hydroakustyka  – Badanie i technologiczne zastosowanie dźwięku w wodzie
• Sieć śledzenia oceanów
• Refrakcja (dźwięk)  – zmiana kierunku propagacji ze względu na zmienność prędkości
• Sonar  – technika wykorzystująca propagację dźwięku
• Przetwarzanie sygnału audio  – Elektroniczna manipulacja sygnałami audio
• Podwodny akustyczny system pozycjonowania  – System do śledzenia i nawigacji pojazdów podwodnych lub nurków za pomocą akustycznych pomiarów odległości i/lub kierunku, a następnie triangulacji pozycji
• Kanał SOFAR  – Pozioma warstwa wody w oceanie, na której głębokość prędkość dźwięku jest minimalna
• Podwodna komunikacja akustyczna  – Bezprzewodowa technika wysyłania i odbierania wiadomości przez wodę
• Europejska Konferencja Akustyki Podwodnej

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• Biblioteka akustyki oceanicznej
• Ultradźwięki i akustyka podwodna
• Monitorowanie globalnego oceanu za pomocą podwodnej akustyki
• Komitet Techniczny ds. Akustyki Podwodnej ASA
• Ocean dźwięku
• Podwodna komunikacja akustyczna
• Acoustic Communications Group w Woods Hole Oceanographic Institution
• Dźwięk w morzu
• Grupa Badawcza Akustyki Podwodnej SFSU
• Odkrycie dźwięku w morzu
• PAMBuoy pasywne monitorowanie akustyczne