Lois de propagation des ondes sonores. Son dans différents environnements - Connaissance Hypermarché Propagation du son dans l'eau

Le son est absorbé des centaines de fois moins dans l'eau que dans l'air. Néanmoins, l'audibilité dans le milieu aquatique est bien moins bonne que dans l'atmosphère. Cela s'explique par les particularités de la perception humaine du son. Dans l'air, le son est perçu de deux manières : par la transmission des vibrations de l'air aux tympans (conduction aérienne) et par la conduction dite osseuse, lorsque les vibrations sonores sont perçues et transmises à l'aide auditive par les os du crâne.

Selon le type d'équipement de plongée, le plongeur perçoit le son dans l'eau avec une prédominance de conduction aérienne ou osseuse. La présence d'un casque tridimensionnel rempli d'air permet de percevoir le son par conduction aérienne. Cependant, une perte importante d'énergie sonore est inévitable en raison de la réflexion du son sur la surface du casque.

Lors de la descente sans équipement ou en équipement avec un casque bien ajusté, la conduction osseuse prédomine.

Une caractéristique de la perception sonore sous l'eau est également la perte de la capacité de déterminer la direction de la source sonore. Cela est dû au fait que les organes auditifs humains sont adaptés à la vitesse de propagation du son dans l'air et déterminent la direction vers la source sonore en raison de la différence entre l'heure d'arrivée du signal sonore et le niveau de pression acoustique relatif perçu par chaque oreille. Grâce au dispositif de l'oreillette, une personne dans les airs est capable de déterminer où se trouve la source sonore - devant ou derrière, même avec une oreille. Dans l'eau, les choses sont différentes. La vitesse de propagation du son dans l'eau est 4,5 fois supérieure à celle dans l'air. Par conséquent, la différence de temps de réception du signal sonore par chaque oreille devient si petite qu'il devient presque impossible de déterminer les directions vers la source sonore.

Lors de l'utilisation d'un casque rigide dans le cadre de l'équipement, la possibilité de déterminer la direction de la source sonore est généralement exclue.

Effets biologiques des gaz sur le corps humain

La question des effets biologiques des gaz n'a pas été soulevée par hasard et est due au fait que les processus d'échange de gaz lors de la respiration humaine dans des conditions normales et ce que l'on appelle hyperbare (c'est-à-dire sous hypertension artérielle) sont sensiblement différents.

On sait que l'air atmosphérique ordinaire que nous respirons est inadapté à la respiration des pilotes en vol à haute altitude. Il trouve également une utilisation limitée pour la respiration des plongeurs. Lors de la descente à des profondeurs supérieures à 60 m, il est remplacé par des mélanges gazeux spéciaux.

Considérez les propriétés de base des gaz qui, comme dans forme pure, et mélangé avec d'autres sont utilisés pour la respiration par les plongeurs.

Dans sa composition, l'air est un mélange de divers gaz. Les principaux composants de l'air sont les suivants : oxygène - 20,9 %, azote - 78,1 %, dioxyde de carbone - 0,03 %. De plus, de petites quantités dans l'air contiennent : de l'argon, de l'hydrogène, de l'hélium, du néon, ainsi que de la vapeur d'eau.

Les gaz qui composent l'atmosphère peuvent être divisés en trois groupes selon leur effet sur le corps humain : l'oxygène - est constamment consommé pour « entretenir tous les processus vitaux ; l'azote, l'hélium, l'argon, etc. - ne participent pas aux échanges gazeux ; dioxyde de carbone - à une concentration accrue pour l'organisme est nocif.

Oxygène(O2) est un gaz incolore sans goût ni odeur d'une densité de 1,43 kg/m3. Il a essentiel pour une personne en tant que participant à tous les processus oxydatifs du corps. Au cours de la respiration, l'oxygène dans les poumons se combine avec l'hémoglobine sanguine et est transporté dans tout le corps, où il est continuellement consommé par les cellules et les tissus. Une rupture de l'approvisionnement ou même une diminution de son apport aux tissus provoque une privation d'oxygène, accompagnée d'une perte de conscience et, dans les cas graves, d'une fin de vie. Cette condition peut se produire lorsque la teneur en oxygène de l'air inhalé diminue lorsque pression normale inférieur à 18,5 %. D'autre part, avec une augmentation de la teneur en oxygène dans le mélange inhalé ou lors de la respiration sous pression, supérieure à celle autorisée, l'oxygène présente des propriétés toxiques - un empoisonnement à l'oxygène se produit.

Azote(N) - gaz incolore, inodore et insipide d'une densité de 1,25 kg/m3, est la majeure partie de l'air atmosphérique en volume et en masse. Dans des conditions normales, il est physiologiquement neutre, ne participe pas au métabolisme. Cependant, à mesure que la pression augmente avec la profondeur de plongée du plongeur, l'azote cesse d'être neutre et, à des profondeurs de 60 mètres ou plus, présente des propriétés narcotiques prononcées.

Gaz carbonique(CO2) est un gaz incolore au goût amer. Il est 1,5 fois plus lourd que l'air (densité 1,98 kg/m3), et peut donc s'accumuler dans les parties basses des pièces fermées et mal ventilées.

Le dioxyde de carbone se forme dans les tissus en tant que produit final des processus oxydatifs. Une certaine quantité de ce gaz est toujours présente dans le corps et participe à la régulation de la respiration, et l'excès est transporté par le sang vers les poumons et éliminé avec l'air expiré. La quantité de dioxyde de carbone émise par une personne dépend principalement du degré activité physique et l'état fonctionnel de l'organisme. Avec une respiration profonde et fréquente (hyperventilation), la teneur en dioxyde de carbone dans le corps diminue, ce qui peut entraîner un arrêt respiratoire (apnée) et même une perte de conscience. D'autre part, une augmentation de sa teneur dans le mélange respiratoire supérieure à celle autorisée conduit à un empoisonnement.

Parmi les autres gaz qui composent l'air, la plus grande utilisation parmi les plongeurs a reçu hélium(Pas). C'est un gaz inerte, inodore et insipide. Possédant une faible densité (environ 0,18 kg / m3) et une capacité nettement inférieure à provoquer des effets narcotiques lorsque hautes pressions, il est largement utilisé comme substitut azoté pour la préparation de mélanges respiratoires artificiels lors de descentes à grande profondeur.

Cependant, l'utilisation de l'hélium dans la composition des mélanges respiratoires entraîne d'autres phénomènes indésirables. Sa conductivité thermique élevée et, par conséquent, l'augmentation du transfert de chaleur corporelle nécessitent une protection thermique accrue ou un chauffage actif des plongeurs.

Pression de l'air. On sait que l'atmosphère qui nous entoure a une masse et exerce une pression sur la surface de la terre et sur tous les objets qui s'y trouvent. La pression atmosphérique mesurée au niveau de la mer est équilibrée dans des tubes de section G cm2 avec une colonne de mercure de 760 mm de haut ou d'eau de 10,33 m de haut. Si ce mercure ou cette eau est pesée, leur masse sera de 1,033 kg. Cela signifie que "la pression atmosphérique normale est égale à 1,033 kgf / cm2, ce qui dans le système SI équivaut à 103,3 kPa *. (* Dans le système SI, l'unité de pression est le pascal (Pa). Si une conversion est nécessaire, la les rapports sont utilisés: 1 kgf / cm1 \u003d 105 Pa \u003d 102 kPa \u003d \u003d * 0,1 MPa.).

Cependant, dans la pratique des calculs de plongée, il n'est pas pratique d'utiliser des unités de mesure aussi exactes. Par conséquent, l'unité de pression est prise comme une pression numériquement égale à 1 kgf / cm2, appelée atmosphère technique (at). Une atmosphère technique correspond à une pression de 10 m de colonne d'eau.

L'air se comprime facilement lorsque la pression augmente, réduisant le volume proportionnellement à la pression. La pression de l'air comprimé est mesurée avec des manomètres qui indiquent surpression , c'est-à-dire une pression supérieure à la pression atmosphérique. L'unité de surpression est notée ati. La somme de la surpression et de la pression atmosphérique est appelée pression absolue(à).

Dans des conditions terrestres normales, l'air de tous les côtés appuie uniformément sur une personne. Considérant que la surface du corps humain est en moyenne de 1,7 à 1,8 m2, la force de la pression atmosphérique qui y tombe est de 17 à 18 000 kgf (17 à 18 tf). Cependant, une personne ne ressent pas cette pression, puisque son corps est composé à 70% de liquides pratiquement incompressibles, et dans les cavités internes - poumons, oreille moyenne, etc. - elle est équilibrée par la contre-pression de l'air qui s'y trouve et communique avec l'ambiance.

Lorsqu'elle est immergée dans l'eau, une personne est exposée à une surpression d'une colonne d'eau au-dessus d'elle, qui augmente de 1 ati tous les 10 m. Un changement de pression peut provoquer la douleur et la compression, pour éviter que le plongeur soit alimenté en air respirable à une pression égale à la pression absolue de l'environnement.

Les plongeurs ayant affaire à de l'air comprimé ou à des mélanges gazeux, il convient de rappeler les lois fondamentales auxquelles ils obéissent et de donner quelques formules nécessaires aux calculs pratiques.

L'air, comme les autres gaz et mélanges de gaz réels, obéit avec une certaine approximation à des lois physiques absolument valables pour les gaz parfaits.

ÉQUIPEMENT DE PLONGÉ

L'équipement de plongée est un ensemble d'appareils et de produits portés par un plongeur pour assurer la vie et le travail dans le milieu aquatique pendant une période de temps donnée.

L'équipement de plongée est adapté à l'usage s'il peut fournir :

respiration d'une personne lorsqu'elle effectue un travail sous l'eau;

isolation et protection thermique contre l'exposition à l'eau froide;

mobilité suffisante et position stable sous l'eau;

sécurité lors de l'immersion, sortie à la surface et en cours de travail;

connexion sécurisée à la surface.

Selon les tâches à résoudre, l'équipement de plongée est divisé en:

par profondeur d'utilisation - pour les équipements destinés aux profondeurs peu profondes (moyennes) et en haute mer;

selon la méthode de fourniture du mélange de gaz respiratoire - pour autonome et tuyau ;

selon la méthode de protection thermique - pour les équipements à protection thermique passive, chauffés électriquement et à l'eau;

selon la méthode d'isolation - pour les équipements avec combinaisons étanches à l'eau et aux gaz de type "sec" et de type "humide" perméable.

L'idée la plus complète des caractéristiques fonctionnelles du fonctionnement de l'équipement de plongée est donnée par sa classification selon la méthode de maintien de la composition du mélange gazeux nécessaire à la respiration. L'équipement se distingue ici:

ventilé;

avec un schéma respiratoire ouvert;

avec un schéma respiratoire semi-fermé ;

à respiration fermée.

Où le son se propage-t-il le plus rapidement : dans l'air ou dans l'eau ? et j'ai obtenu la meilleure réponse

Réponse de Ptishon[gourou]
Vitesse du sonVitesse du son dans les gaz (0° С; 101325 Pa), m/s Azote 334 Ammoniac 415 Acétylène 327 Hydrogène 1284 Air 331,46 Hélium 965 Oxygène 316 Méthane 430 Monoxyde de carbone 338 Dioxyde de carbone 259 Chlore 206 Vitesse du son - vitesse de propagation les ondes sonores dans un environnement Dans les gaz, la vitesse du son est inférieure à celle des liquides Dans les liquides, la vitesse du son est inférieure à celle des solides Dans l'air, dans des conditions normales, la vitesse du son est de 331,46 m / s (1193 km / h) Dans l'eau, la vitesse du son est de 1485 m / s. Dans les solides, la vitesse du son est de 2000-6000 m / s.

Réponse de lapin blanc[gourou]
Dans l'eau Dans l'air, la vitesse du son à 25°C est d'environ 330 m/s dans l'eau, environ 1500 m/s La valeur exacte dépend de la température, de la pression, de la salinité (pour l'eau) et de l'humidité (pour l'air)

Réponse de BanqueS777[expert]
dans l'eau....

Réponse de Et moi[gourou]
et que voulez-vous créer une bombe sonique?

Réponse de Vladimir T.[gourou]
dans l'eau où la densité est plus là et plus rapide (les molécules sont plus proches et le transfert est plus rapide)

Réponse de Polina Lykova[actif]
Probablement dans les airs (je n'en suis pas sûr. Comme tous les mouvements ralentissent dans l'eau, le son ne se propage pas si vite ! Eh bien, regardez-le ! Tapez dans vos mains sous l'eau. Cela se fera plus lentement que dans les airs. Mon expérience =) =8 =(=*8 =P

Réponse de 3 réponses[gourou]

Hé! Voici une sélection de sujets avec des réponses à votre question : Où le son voyage-t-il le plus vite : dans l'air ou dans l'eau ???

Le son se propage cinq fois plus vite dans l'eau que dans l'air. La vitesse moyenne est de 1400 - 1500 m/s (la vitesse de propagation du son dans l'air est de 340 m/s). Il semblerait que l'audibilité dans l'eau s'améliore également. En fait, c'est loin d'être le cas. Après tout, la force du son ne dépend pas de la vitesse de propagation, mais de l'amplitude des vibrations sonores et de la capacité de perception des organes auditifs. dans l'escargot oreille interne l'organe de Corti est situé, composé de cellules auditives. Les ondes sonores font vibrer le tympan osselets auditifs et la membrane de l'organe de Corti. Des cellules ciliées de ce dernier, percevant les vibrations sonores, l'excitation nerveuse va au centre auditif, situé dans le lobe temporal du cerveau.

Une onde sonore peut pénétrer dans l'oreille interne d'une personne de deux manières: par conduction aérienne à travers le conduit auditif externe, le tympan et les osselets auditifs de l'oreille moyenne, et par conduction osseuse - vibration des os du crâne. En surface, la conduction aérienne prédomine, et sous l'eau, la conduction osseuse. Ceci est confirmé par une simple expérience. Couvrez les deux oreilles avec la paume de vos mains. En surface, l'audibilité se détériorera fortement, mais cela n'est pas observé sous l'eau.

Ainsi, les sons sous-marins sont perçus principalement par conduction osseuse. Théoriquement, cela s'explique par le fait que la résistance acoustique de l'eau se rapproche de la résistance acoustique des tissus humains. Par conséquent, la perte d'énergie lors de la transition des ondes sonores de l'eau aux os de la tête humaine est moindre que dans l'air. La conduction aérienne sous l'eau disparaît presque, car le conduit auditif externe est rempli d'eau et une petite couche d'air près tympan transmet faiblement les vibrations sonores.

Des expériences ont établi que la conduction osseuse est inférieure de 40 % à la conduction aérienne. Par conséquent, l'audibilité sous l'eau se détériore en général. La plage d'audibilité avec conduction osseuse du son ne dépend pas tant de la force que de la tonalité : plus la tonalité est élevée, plus le son est entendu loin.

Le monde sous-marin pour une personne est un monde de silence, où il n'y a pas de bruits parasites. Par conséquent, les signaux sonores les plus simples peuvent être perçus sous l'eau à des distances considérables. Une personne entend un coup sur une cartouche métallique immergée dans l'eau à une distance de 150-200 m, le bruit d'un hochet à 100 m, une cloche à 60 m.

Les sons émis sous l'eau sont généralement inaudibles à la surface, tout comme les sons provenant de l'extérieur ne sont pas entendus sous l'eau. Pour percevoir les sons sous-marins, vous devez plonger au moins partiellement. Si vous entrez dans l'eau jusqu'aux genoux, vous commencez à percevoir un son qui n'a jamais été entendu auparavant. Au fur et à mesure que vous plongez, le volume augmente. Il est particulièrement bien audible lors de l'immersion de la tête.

Pour émettre des signaux sonores depuis la surface, il est nécessaire d'abaisser au moins la moitié de la source sonore dans l'eau, et la force du son changera. L'orientation sous l'eau à l'oreille est extrêmement difficile. Dans l'air, le son arrive dans une oreille 0,00003 seconde plus tôt que dans l'autre. Cela vous permet de déterminer l'emplacement de la source sonore avec une erreur de seulement 1 à 3 °. Sous l'eau, le son est perçu simultanément par les deux oreilles et il n'y a donc pas de perception claire et directionnelle. L'erreur d'orientation est de 180°.

Dans une expérience spécialement conçue, seuls les plongeurs légers individuels après de longues errances et. les recherches se sont rendues à l'emplacement de la source sonore, qui se trouvait à 100-150 m d'eux.Il a été noté qu'un entraînement systématique pendant une longue période permet de développer la capacité de naviguer assez précisément par le son sous l'eau. Cependant, dès que l'entraînement s'arrête, ses résultats sont annulés.

Sur de longues distances, l'énergie sonore ne se propage que le long de rayons doux, qui ne touchent pas le fond de l'océan jusqu'au bout. Dans ce cas, la limitation imposée par le milieu à la plage de propagation du son est son absorption dans eau de mer. Le principal mécanisme d'absorption est associé aux processus de relaxation qui accompagnent la violation de l'équilibre thermodynamique entre les ions et les molécules de sels dissous dans l'eau par une onde acoustique. Il convient de noter que le rôle principal en absorption dans une large gamme de fréquences sonores, le sel de sulfure de magnésium MgSO4 appartient, bien qu'en pourcentage sa teneur dans l'eau de mer soit assez faible - près de 10 fois moins que, par exemple, le sel gemme NaCl, qui ne joue néanmoins aucun rôle notable en absorption acoustique.

L'absorption dans l'eau de mer, en général, est d'autant plus grande que la fréquence du son est élevée. Aux fréquences de 3-5 à au moins 100 kHz, où le mécanisme ci-dessus domine, l'absorption est proportionnelle à la fréquence à la puissance d'environ 3/2. Aux basses fréquences, un nouveau mécanisme d'absorption est activé (probablement en raison de la présence de sels de bore dans l'eau), qui devient particulièrement perceptible dans la gamme des centaines de hertz ; ici, le niveau d'absorption est anormalement élevé et diminue beaucoup plus lentement avec une fréquence décroissante.

Pour imaginer plus clairement les caractéristiques quantitatives de l'absorption dans l'eau de mer, notons qu'en raison de cet effet, le son d'une fréquence de 100 Hz est atténué d'un facteur 10 sur un trajet de 10 000 km et d'une fréquence de 10 kHz - à une distance de seulement 10 km (Fig. 2). Ainsi, seules des ondes sonores à basse fréquence peuvent être utilisées pour des communications sous-marines à longue portée, pour la détection à longue portée d'obstacles sous-marins, etc.

Figure 2 - Distances auxquelles les sons de fréquences différentes s'atténuent 10 fois lorsqu'ils se propagent dans l'eau de mer.

Dans la région des sons audibles pour la gamme de fréquences de 20-2000 Hz, la plage de propagation sous l'eau des sons d'intensité moyenne atteint 15-20 km, et dans la région des ultrasons - 3-5 km.

Sur la base des valeurs d'atténuation acoustique observées dans des conditions de laboratoire dans de petits volumes d'eau, on s'attendrait à des plages beaucoup plus importantes. Cependant, dans vivo En plus de l'amortissement dû aux propriétés de l'eau elle-même (appelé amortissement visqueux), sa diffusion et son absorption par diverses inhomogénéités du milieu affectent également.

La réfraction du son, ou la courbure du trajet du faisceau sonore, est causée par l'hétérogénéité des propriétés de l'eau, principalement le long de la verticale, pour trois raisons principales : les changements de pression hydrostatique avec la profondeur, les changements de salinité et changements de température dus au réchauffement inégal de la masse d'eau par les rayons du soleil. Du fait de l'action combinée de ces causes, la vitesse de propagation du son, qui est d'environ 1450 m/s pour l'eau douce et d'environ 1500 m/s pour l'eau de mer, évolue avec la profondeur, et la loi d'évolution dépend de la saison , l'heure de la journée, la profondeur du réservoir et un certain nombre d'autres raisons . Les rayons sonores quittant la source à un certain angle par rapport à l'horizon sont courbés et la direction de la courbure dépend de la distribution des vitesses du son dans le milieu. En été, lorsque les couches supérieures sont plus chaudes que les couches inférieures, les rayons se courbent et sont principalement réfléchis par le bas, perdant une partie importante de leur énergie. Au contraire, en hiver, lorsque les couches inférieures de l'eau maintiennent leur température, tandis que les couches supérieures se refroidissent, les rayons se courbent vers le haut et subissent de multiples réflexions depuis la surface de l'eau, au cours desquelles beaucoup moins d'énergie est perdue. Ainsi, en hiver, la distance de propagation du son est plus grande qu'en été. En raison de la réfraction, soi-disant. les zones mortes, c'est-à-dire les zones situées à proximité de la source dans lesquelles il n'y a pas d'audibilité.

La présence de réfraction peut cependant entraîner une augmentation de la plage de propagation du son - le phénomène de propagation ultra-longue des sons sous l'eau. À une certaine profondeur sous la surface de l'eau, il existe une couche dans laquelle le son se propage à la vitesse la plus faible ; au-dessus de cette profondeur, la vitesse du son augmente en raison d'une augmentation de la température, et en dessous, en raison d'une augmentation de la pression hydrostatique avec la profondeur. Cette couche est une sorte de canal sonore sous-marin. Un faisceau dévié de l'axe du canal vers le haut ou vers le bas, du fait de la réfraction, a toujours tendance à y revenir. Si une source sonore et un récepteur sont placés dans cette couche, même des sons d'intensité moyenne (par exemple, des explosions de petites charges de 1 à 2 kg) peuvent être enregistrés à des distances de centaines et de milliers de kilomètres. Une augmentation significative de la portée de propagation du son en présence d'un canal sonore sous-marin peut être observée lorsque la source sonore et le récepteur ne sont pas nécessairement situés près de l'axe du canal, mais, par exemple, près de la surface. Dans ce cas, les rayons, se réfractant vers le bas, pénètrent dans les couches profondes, où ils dévient vers le haut et ressortent à la surface à plusieurs dizaines de kilomètres de la source. En outre, le schéma de propagation des rayons est répété et, par conséquent, une séquence de soi-disant. les zones illuminées secondaires, qui sont généralement tracées à des distances de plusieurs centaines de km.

La propagation des sons à haute fréquence, en particulier des ultrasons, lorsque les longueurs d'onde sont très petites, est influencée par de petites inhomogénéités que l'on trouve habituellement dans les réservoirs naturels : micro-organismes, bulles de gaz, etc. Ces inhomogénéités agissent de deux manières : elles absorbent et diffusent l'énergie des ondes sonores. En conséquence, avec une augmentation de la fréquence des vibrations sonores, la portée de leur propagation est réduite. Cet effet est particulièrement perceptible dans la couche superficielle de l'eau, où il y a le plus d'inhomogénéités. La diffusion du son par les inhomogénéités, ainsi que par les irrégularités de la surface de l'eau et du fond, provoque le phénomène de réverbération sous-marine qui accompagne l'envoi d'une impulsion sonore : les ondes sonores, réfléchies par une combinaison d'inhomogénéités et se confondant, donnent un resserrement de l'impulsion sonore, qui se poursuit après sa fin, semblable à la réverbération observée dans les espaces clos. La réverbération sous-marine est une interférence assez importante pour un certain nombre d'applications pratiques de l'hydroacoustique, en particulier pour le sonar.

Les limites de la plage de propagation des sons sous-marins sont également limitées par ce qu'on appelle. propres bruits de la mer, qui ont une double origine. Une partie du bruit provient de l'impact des vagues sur la surface de l'eau, du ressac, du bruit des cailloux qui roulent, etc. L'autre partie est liée à la faune marine ; cela inclut les sons produits par les poissons et autres animaux marins.