Zvuk u vodi

Longitudinalni talas je talas pri čijem prostiranju čestice osciluju u pravcu prostiranja talasa. Može se kretati samo kroz supstancijalne sredine, koje poseduju elastičnost, kao što su voda i vazduh.

Zvuk u vodi, zvuk pod vodom, po svom ponašanju razlikuje se od njegovog ponašanja pri prostiranju kroz vazduh i slično je pojavama koje se javljaju kod svetlosti u vodi, u okeanu, reci, jezeru ili rezervoaru (bazenu). Zvuk kao i svetlost je talasno kretanje, samo što svetlost predstavlja prostiranje elektromagnetskih talasa koji mogu da se šire i kroz vakuum, dok se zvučni talasi prenose posredstvom molekula sredine kroz koju se zvuk širi.

Proučavanjem načina i granica prostiranja zvuka u vodi i njegovu interakciju sa mehaničkih talasima koju čini zvuk sa vodom, bavi se podvodna akustika (hidroakustika). Tipične frekvencije zvuka koje se određuju u podvodnoj akustici su između 10 Hz i 1 MHz. Prostiranje zvuka u okeanu, na frekvencijama nižim od 10 Hz obično nije moguća bez prodora zvuka duboko do morskog dna, dok se frekvencije iznad 1 MHz retko može odrediti, jer se ove frekvencije u vodi veoma brzo apsorbuju.

Istorija

Istražujući zvučne pojave u vodi, kroz istoriju, čovek ove pojave i njihove osobine sve više primjenjuje u razne svrhe. Eskimi, i drugi lovci na foke, slušaju njihove zvukove koje oni proizvode pod vodom, tako što postave metalni predmet nekoliko santimetara ispod vode, pa ovu osobinu zvuka u vodi, čovek od davnina koristi u lovu. Krajem 19. veka prvi put je ustanovljeno da se zvuk u vodi prostire na velike udaljenosti pa su počela i intenzivnija ispitivanja njegovih hidroakustičkih osobina. U ratnim mornaricama se ovo ubrzo počelo koristiti za podvodne veze, navigaciju i izviđanje. Iz ovog otkrića proizašao sonar i drugi uređaji.

Izvori zvuka

Izlazni kompjuterski model podvodnog akustičnog širenja u pojednostavljenom okruženju okeana.

Mapa morskog dna koju proizvodi sonar sa više zraka

Zvuk je mehanička oscilacija čestica nekog elastičnog medijuma koje sa kroz njega najčešće prostiru kao talas i koje (uglavnom) čovek čuje. Izvor zvuka je telo čija površina, ili ono, u celini osciluje. Oscilacije zvučnog izvora prenose se na molekule sredine u kojoj se izvor nalazi, te oni počinju takođe da osciluju. Molekuli koji osciluju, deluju međumolekulskim silama na susedne molekule i oni takođe počinju da osciluju, te se tako zvuk širi u vidu talasa. Oscilovanje molekula sredine kroz koju se zvuk širi izaziva oscilovanje prijemnika bilo da je to bubna opna uva ili neki elektronski uređaj npr membrana mikrofona.

Čovekov organ sluha (uvo) može da registruje oscilacije u frekvencijskom opsegu od 16 Hz do 20 kHz ako one imaju dovoljnu jačinu. Zvuk se prostire kroz medijume kao što su voda, vazduh, čvrsta materija. Zvuk ne može da se prostire u bezvazdušnom prostoru. Pod zvukom se podrazumevaju i oscilacije izvan napred navedenog frekvencijskog opsega koje se nazivaju: infrazvuk ispod 16 Hz i ultrazvuk iznad 20 kHz.

Brzina prostiranja zvuka kroz neku sredinu zavisi od karakteristika te sredine ili fluida i može se izračunati po relaciji:

$c={\sqrt {\frac {p_{a}\chi }{\rho }}}$

gde je:

• p_a – atmosferski pritisak,
• $\rho$ - gustina vazduha i
• $\chi$ = 1,4.

Jačina zvuka zavisi od amplitude oscilacija, visinu zvuka određuje frekvencija oscilacija, boja zvuka je određena sadržajem komponenti.

Karakteristike zvuka u vodi

Zvuk se bolje prostire u gušćim sredinama zato što je u njima međumolekulsko rastojanje manje, pa su sile kojima molekuli uzajamno deluju veće. Zato zvuk ne može da se prostire kroz vakuum – jer je to prazan bezmolekularni prostor.

Temperatura sredine kroz koju se prostire zvuk utiče na njegovu brzinu prostiranja. Na temperaturi od 0 °C brzina zvuka kroz vazduh je 331 m/sec a na sobnoj temperaturi, (20 °C), 343 m/sec.

Voda je odličan provodnik zvuka. Brzina prostiranja zvuka kroz vodu je oko 1.500 m/sec. To je oko četiri puta veća brzina od brzine prostiranja zvuka kroz vazduh.

Temperaturne razlike pojedinih slojeva vode (termoklima) mogu da izazovu refrakciju (savijanje) zvučnih impulsa što može brodskim sonarima da oteža otkrivanje podmornica ili drugih objekata pod vodom i ograniči ili onemogući upotrebu podvodnih telefona.

Brzina prostiranja zvuka u različitim sredinama.

Materijal	v [m/s] [dB]
Guma	50
Vazduh	344
Voda	1480
Slana voda (21oC, salinitet 3,5%)	1520
Pleksiglas	1800
Drvo (meko)	3350
Drvo (jela)	3800
Armirani beton	3400
Čelik	5050
Aluminijum	5150
Staklo	5200
Gipsana ploča	6800

Zvuk u vodi i ronjenje

Pod vodom ne može da se razgovara na način kako se to čini u vazduhu što ograničava komunikaciju između ronioca ili sa roniocima, jer je čovekov organ govora, kroz njegov evolutivni razvoj, prilagođen za vazdušnu sredinu, a jačina zvuka opada pri prelasku iz vode u vazduh i iz vazduha u vodu. Dva ronioca u opremi za ronjenje mogu međusobno da razgovaraju ako im se šlemovi dodiruju (metal lako prenosi zvuk) ali već na rastojanju od nekoliko santimetara zvučna komunikacija između njih nije moguća.

Zbog velike brzine prostiranja zvuka u vodi čovek ne može da zapazi vremensku razliku između trenutka dolaska zvuka u jedno i drugo uvo i on najčešće ima osećaj da je zvuk jači i bliži. Zbog toga ronilac gubi sposobnost da odredi pravac i smer izvora zvuka. Za ronioca ili plivača gubitak ove sposobnosti može da ima ozbiljne posledice ukoliko su izvori zvuka za njih opasni objekti (motorni čamac, brod itd). Takođe kako je intenzitet buke pod vodom veći, da ronilac ne bi ugrozio zdravlje on mora da ima podatke o jakim izvorima buke u vodi.

Snažne zvučne eksplozije pod vodom prati snažan zvučni talas visoke energije (koji se ponaša kao snažan pritisak ili udar) koji može delovati na ronilaca i dovesti do povreda, tzv ronilačka barotrauma šupljih organa (uva - aerootitis, sinusa - aerosinuzitis, pluća - pneumotoraks, barotraumašupljih organa trbuha itd).

Zvuk u vodi i životinje

Hidroakustična vučna peraja od 38 kHz koja se koristi za sprovođenje akustičkih istraživanja od strane NOAA. Aljaska, jugoistok.

Za razliku od čoveka neke životinje kao što su foke i kitovi koriste osobinu boljeg prostiranja zvuka kroz vodu za orijentaciju i komunikaciju sa drugim životinjama, a zvuk im koristi i da pronađu hranu i izbegnu brojne prepreke u vodi. Ispuštajući kliktave zvukove visoke frekvencije, pretpostavlja se da one imaju sistem za ultrazvučno orijentisanje u vodi. Takođe unutrašnje uho foka povezano je samo sa jednom kosti lobanje, što onemogućuje prenos zvučnih talasa kroz celu lobanju. Na taj način one dobro određuju smer iz kog dolazi zvuk za razliku od čoveka. Foke takođe poseduju i organ koji proizvodi zvukove koje se čuju pod vodom.

Spoljašnje veze

Mediji vezani za članak Zvuk u vodi na Vikimedijinoj ostavi