Wprowadzenie do Oceanografii

dźwięk jest formą energii przekazywanej przez fale ciśnienia; podłużne lub ściskające fale podobne do sejsmicznych fal P, o których omówiliśmy w sekcji 3.3. Przy dźwiękach Oceanu energia jest przenoszona przez cząsteczki wody wibrujące tam iz powrotem równolegle do kierunku fali dźwiękowej i przekazując energię do sąsiednich cząsteczek. Dlatego dźwięk podróżuje szybciej i bardziej efektywnie, gdy cząsteczki są bliżej siebie i są w stanie lepiej przenosić swoją energię do sąsiednich cząstek., Innymi słowy, dźwięk przemieszcza się szybciej przez gęstsze materiały. Ponieważ woda jest znacznie gęstsza od powietrza, prędkość dźwięku w wodzie (około 1500 m/s) jest około pięć razy większa niż prędkość w powietrzu (około 330 m/s). Pomaga to wyjaśnić, dlaczego czasami mamy trudności z lokalizacją źródła dźwięku, który słyszymy pod wodą. Lokalizujemy źródła dźwięku, gdy nasz mózg wykryje drobne różnice w czasie nadejścia dźwięków docierających do naszych uszu. Dźwięk dobiegający z lewej strony dotrze do lewego ucha na ułamek sekundy, zanim dotrze do prawego ucha., Nasz mózg może przetworzyć tę małą różnicę w czasie przybycia, aby rozpoznać kierunek, z którego przyszedł dźwięk. W wodzie dźwięk jest o tyle szybszy, że różnica w czasie dotarcia między naszymi uszami staje się zbyt mała, abyśmy mogli zinterpretować i tracimy możliwość zlokalizowania źródła.

jednak, podobnie jak w przypadku dźwięku w powietrzu, prędkość dźwięku w oceanie nie jest stała; zależy od wielu zmiennych, w tym temperatury, zasolenia i ciśnienia, a wzrost któregokolwiek z tych czynników doprowadzi do wzrostu prędkości dźwięku., Widzieliśmy, że te zmienne zmieniają się wraz z głębokością i lokalizacją; tak więc prędkość dźwięku będzie się różnić w różnych regionach Oceanu.

aby zbadać, jak zmienia się prędkość dźwięku w funkcji głębokości, musimy wziąć pod uwagę profile pionowe dla temperatury i ciśnienia. Na powierzchni ciśnienie jest niskie, ale temperatura jest w najwyższym punkcie słupa wody. Efekty temperaturowe dominują na powierzchni, więc prędkość dźwięku jest szybka w wodach powierzchniowych. Wraz ze wzrostem głębokości, temperatura i prędkość dźwięku spadają., W pobliżu dna dominuje ekstremalne ciśnienie i mimo niskiej temperatury prędkość dźwięku wzrasta wraz z głębokością. Na umiarkowanych głębokościach (od kilkuset do tysiąca metrów) istnieje strefa, w której zarówno Temperatura, jak i ciśnienie są stosunkowo niskie, więc prędkość dźwięku jest minimalna. Ta strefa minimalnej prędkości nazywa się kanałem SOFAR (mocowanie dźwięku i zakres) lub Kanałem głębokiego dźwięku (rysunek 6.4.1).

kanał SOFAR jest ważny, ponieważ dźwięki wytwarzane w tym regionie mogą być propagowane na bardzo duże odległości z niewielkim tłumieniem (utrata energii). Fale dźwiękowe wytwarzane w kanale promieniują we wszystkich kierunkach. Fale, które wędrują do płytszej lub głębszej wody poza kanałem dźwiękowym, wchodzą w obszar szybszej transmisji dźwięku., Jak widzieliśmy w przypadku fal sejsmicznych, gdy te fale dźwiękowe napotykają region o różnej prędkości transmisji, fale mają tendencję do załamywania się lub wyginania do tyłu w kierunku regionu o niższej prędkości. W rezultacie fale dźwiękowe poruszające się z kanału SOFAR do płytszej wody będą załamywane z powrotem w kierunku kanału. Gdy fale dźwiękowe wejdą głębiej poniżej kanału, będą załamywane w górę, z powrotem do kanału i regionu wolniejszej prędkości., W ten sposób duża część dźwięku nie rozprasza się do wody we wszystkich kierunkach, ale zamiast tego jest uwięziona w kanale i może podróżować na bardzo duże odległości z niewielką stratą energii (rysunek 6.4.2).

rysunek 6.4.2 propagacja dźwięku w kanale SOFAR. Fale dźwiękowe Pochodzące ze źródła będą załamywane w kierunku obszaru wolniejszej prędkości, „zatrzymując” dźwięk w kanale SOFAR (PW).

istnieje kilka praktycznych zastosowań kanału SOFAR., Uważa się, że wieloryby baleenowe używają kanału SOFAR do komunikowania się ze sobą na długich dystansach od setek do tysięcy kilometrów. Ich wokalizacje są bardzo głośne i są to rozmowy o niskiej częstotliwości, które podróżują dalej niż dźwięki o wysokiej częstotliwości w oceanach. Wojsko było w stanie śledzić okręty podwodne za pomocą kanału SOFAR, a podczas ii Wojny Światowej był używany do lokalizowania zestrzelonych pilotów lub zaginionych statków i samolotów., Pilot mógł wrzucić małe urządzenie do wody, a gdy zatonęło w kanale SOFAR, eksplodowało, tworząc dźwięk, który można było usłyszeć na wielu stacjach nasłuchowych. Wykorzystując czas nadejścia dźwięku do różnych odbiorników, położenie źródła można określić poprzez triangulację. W latach 90. zasugerowano, że kanał SOFAR może być używany do monitorowania globalnych temperatur Oceanu., Zaproponowano projekt znany jako ATOC (Acoustic Thermometry of Ocean Climate), w którym głośne dźwięki o niskiej częstotliwości wytwarzane w pobliżu Hawajów i Kalifornii będą podróżować przez kanał SOFAR do stacji odbiorczych na całym Pacyfiku. Monitorując czas potrzebny na dotarcie dźwięków do odbiorników, naukowcy mogli monitorować zmiany temperatury oceanu w skali globalnej, ponieważ dźwięki poruszałyby się szybciej przez ocieplający się ocean.

ponieważ dźwięk przemieszcza się lepiej przez wodę niż powietrze, energia potrzebna do transmisji danej fali dźwiękowej jest wyższa w powietrzu niż w wodzie., Energia lub natężenie (głośność) dźwięku jest mierzona w decybelowej (dB) skali. Okazuje się, że potrzeba około 61 razy więcej energii, aby przekazać dźwięk przez powietrze niż przez wodę. Ze względu na tę różnicę energii, Istnieje różnica 61 dB między dźwiękami przekazywanymi przez powietrze i wodę, tak że natężenie dźwięku 120 dB w wodzie byłoby równoważne natężeniu około 60 dB w powietrzu. Należy o tym pamiętać, próbując porównać dźwięki w oceanie z dźwiękami w powietrzu. Dźwięk 130 dB w powietrzu jest odpowiednikiem stania 100 m od silnika odrzutowego podczas startu., Dźwięk 130 dB w wodzie odpowiada około 70 dB w powietrzu, co jest natężeniem dźwięku odkurzacza. Należy również podkreślić, że w skali dB wzrost o 10 dB oznacza, że dźwięk jest 10 razy głośniejszy. Innymi słowy, 20 dB jest 10 x głośniejsze niż 10 dB, podczas gdy 30 dB jest 100 x głośniejsze niż 10 dB.