Особливості поширення та випромінювання звуку в воді, біоакустики риб, collectedpapers
Під звуком розуміють пружні хвилі, що лежать в межах чутності людського вуха, в інтервалі коливань від 16 гц до 20 кГц. Коливання з частотою нижче 16 гц називаються інфра-звуком, понад 20 кГц -ультразвуком.
Вода в порівнянні з повітрям має більшу щільність і меншою сжимаемостью. У зв'язку з цим швидкість звуку у воді в чотири з половиною рази більше, ніж в повітрі, і становить 1440 м / сек. Частота коливань звуку (ню) пов'язана з довжиною віл-ни (лямбда) співвідношенням: c = лямбда-ню. Звук поширюється у воді без дисперсії. Швидкість звуку в воді змінюється в залежності від двох параметрів: щільності і температури. Зміна темпера-тури на 1 ° тягне за собою відповідне зміна швидкості звуку на 3,58 м в секунду. Якщо простежити за швидкістю рас-рення звуку від поверхні до дна, виявиться, що сну-чала через зниження температури вона швидко убуває, досяг-нув на деякій глибині мінімуму, а потім, з глибиною, почи-нает швидко зростати за рахунок збільшення тиску води, яке, як відомо, зростає приблизно на 1 атм на кожні 10 м глибини.
Починаючи з глибини приблизно 1200 м, де температура води практично залишається постійною, зміна швидкості зву-ка відбувається за рахунок зміни тиску. «На глибині, рівній приблизно 1200 м (для Атлантики), є мінімум значення швидкості звуку; на великих глибинах завдяки збіль-личен тиску швидкість звуку знову збільшується. Так як звукові промені завжди згинаються до ділянок середовища, де їх швидкість найменша, то вони концентруються в шарі з міні-бітної швидкістю звуку »(Красильников, 1954). Цей шар, відкритий радянськими фізиками Л. Д. Розенбергом і Л.М. Бре-ховскіх, носить назву «підводного звукового каналу». Звук, який потрапив в звуковий канал, може поширюватися без ослаблення на величезні відстані. Цю особливість необхід-мо мати на увазі при розгляді акустичної сигналізації глибоководних риб.
Поглинання звуку в воді в 1000 разів менше, ніж в повітрі. Джерело звуку в повітрі потужністю в 100 квт в воді чу-шен на відстані до 15 км; в воді джерело звуку в 1 квт чути на відстані 30-40 км. Звуки різних частот поглинаються неоднаково: найсильніше поглинаються звуки висо-ких частот і мгнее всього - низькі звуки. Мале поглинання звуку в воді дозволило використовувати його для гидролокациі і сигналізації. Водне плесо наповнені великим коли-кість різних звуків. Звуки водойм Світового океану, як показав американський гідроакустик Венц (Wenz, 1962), виникають у зв'язку з наступними факторами: приливами і від-ливами, течіями, вітром, землетрусами і цунамі, інду-стріальной діяльністю людини і біологічним життям. Характер шумів, що створюються різними факторами, отли-чає як набором звукових частот, так і їх інтенсивністю. На рис. 2 показана залежність спектра і рівня тиску зву-ків Світового океану від викликають їх факторів.
У різних ділянках Світового океану склад шумів визна-ділячи різні компоненти. Великий вплив при цьому на склад звуків надають дно і береги.
Таким чином, склад і інтенсивність шумів в різних ділянках Світового океану виключно різноманітні. Суще-обхідних емпіричні формули, що показують залежність інтенсивності шумів моря від інтенсивності викликають їх факторів. Однак в практичних цілях шуми океану виміряти-ються зазвичай емпірично.
Слід зазначити, що серед звуків Світового океану най-більшою інтенсивністю відрізняються індустріальні звуки, спів-здавай людиною: шум кораблів, тралів і т. Д. За даними Шейна (1964), вони за інтенсивністю в 10-100 разів перевищують інші звуки Світового океану . Однак, як видно з рис. 2, їх спектральний склад дещо відрізняється від спектрального складу звуків, що викликаються іншими факторами.
Склад шумів океанів
При поширенні в воді звукові хвилі можуть відпрацьовано-тулитися, переломлюватися, поглинатися, відчувати діффракціі і інтерференцію.
Зустрічаючи на своєму шляху перешкоду, звукові хвилі можуть відбитися від нього в разі, коли довжина їх хвилі (лямбда) менше розміру перешкоди, або обігнути (діффрагіровать) його в разі, коли їх довжина хвилі більше перешкоди. В цьому випадку можна чути те, що відбувається за перешкодою, не бачачи джерела безпосередньо. Падаючи на перешкоду, звукові хвилі в одному випадку можуть відбитися, в іншому - проникнути в нього (поглинутися їм). Величина енергії відбитої хвилі залежить від того, як сильно різняться між собою так називаючи-ються акустичні опору середовищ «р1с1» і «р2с2», на гра-ніцу розділу яких падають звукові хвилі. Під акустич-ським опором середовища мається на увазі твір щільності цього середовища р на швидкість поширення звуку з в ній. Чим більше різниця акустичних опорів середовищ, тим більша частина енергії відіб'ється від розділу двох середовищ, і навпаки. У разі, наприклад, падіння звуку з повітря, рс ко-торого 41, в воду, рс якої 150 000, він відбивається відповідно до формули:
Незважаючи на це, голос людини може бути добре усли-шан за допомогою звукопріемніков, поміщених під воду.
У зв'язку з зазначеним звук набагато краще проникає в твер-ДОЕ тіло з води, ніж з повітря. З повітря в воду звук хоро-шо проникає через кущі або очерети, що виступають над водною поверхнею.
У зв'язку з відображенням звуку від перешкод і його хвильовою природою може відбуватися додавання чи віднімання амплітуд звукового тиску однакових частот, які прийшли в цю точку простору. Важливим наслідком такого складання (ін-терференціі) є утворення стоячих хвиль при отраже-ванні. Якщо, наприклад, привести в коливання камертон, прибл-жая і видаляючи його від стіни, можна чути через появу Пуч-ностей і вузлів в звуковому полі посилення і ослаблення голосно-сти звуку. Зазвичай стоячі хвилі утворюються в закритих ємко-стях: в акваріумах, басейнах тощо. При відносно тривалому за часом звучанні джерела.
В реальних умовах моря або іншої природної водо-ема при поширенні звуку спостерігаються численні складні явища, що виникають у зв'язку з неоднорідністю водного середовища. Величезний вплив на поширення звуку в природних водоймах надають дно і кордони розділу (вода - повітря), температурна і сольова неоднорідність, гід-ростатіческое тиск, бульбашки повітря і планктонні орга-нізми. Поверхні розділу вода - повітря і дно, а також не-однорідність води призводять до явищ рефракції (Іскра-ня звукових променів), або реверберації (багаторазове відпрацьовано-ються звукових променів).
Бульбашки води, планктон і інші суспензії сприяють по-глощенію звуку в воді. Кількісна оцінка цих многочіс-них чинників в даний час ще не розроблена. Учи-ють же їх при постановці акустичних дослідів необхідно.
Розглянемо тепер явища, що відбуваються у воді при випромі-ченіі в ній звуку.
Уявімо собі звуковий джерело як пульсуючу сфе-ру в нескінченному просторі. Акустична енергія, яку випромінює-травня таким джерелом, послаблюється обернено пропорційно квадрату відстані від його центру.
Енергія утворюються звукових хвиль може бути охарак-терізована трьома параметрами: швидкістю, тиском і зміщення-ням тих, хто вагається частинок води. Два останніх параметра представляють особливий інтерес при розгляді слухових спо-здібностей риб, тому на них зупинимося більш детально.
За Гаррісу і Бергельджіку (Harris a. Berglijk, 1962), рас-рення хвиль тиску і ефекту зміщення по-різному представлені в ближньому (на відстані менше однієї довжини хвилі звуку) і далекому (на відстані, більше однієї довжини хвилі звуку) акустичному полі.
У далекому акустичному полі тиск послаблюється назад пропорційно відстані від джерела звуку. При цьому в далекому акустичному полі амплітуди зміщення прямо пропор-нальних амплітудам тиску і пов'язані між собою фор-мулою:
де Р - акустичний тиск в дин / см 2;
d - величина зміщення частинок в см.
У ближньому акустичному полі залежність між амплітудою-дами тиску і зміщення інша:
де Р -акустіческое тиск в дин / см 2;
d - величини зміщення частинок води в см;
f - частота коливань в гц;
рс - акустичний опір води, що дорівнює 150 000 г / см 2 • сек 2;
лямбда - довжина хвилі звуку в м; r - відстань від центру пульсуючою сфери;
З формули видно, що амплітуда зміщення в ближньому аку-стіческій поле залежить від довжини хвилі, звуку і відстані від джерела звуку.
На відстанях, менших, ніж довжина хвилі розглянуто-го звуку, амплітуда зсуву зменшується обернено пропорциональ-но квадрату відстані:
де А - радіус пульсуючою сфери;
Д - збільшення радіусу сфери за рахунок пульсації; r - відстань від центру сфери.
Риби, як буде показано нижче, володіють двома різними типами приймачів. Одні з них сприймають тиск, а інші - зміщення частинок води. Наведені уравненіяімеют тому велике значення для правильної оцінки відповідних реакцій риб на підводні джерела звуку.
У зв'язку з випромінюванням звуку відзначимо ще два явища, свя-занние з випромінювачами: явище резонансу і спрямованості випромінювачів.
Випромінювання звуку тілом відбувається в зв'язку з його коливання-ми. Кожне тіло має власну частоту коливань, визна-ється розміром тіла і його пружними властивостями. Якщо таке тіло приводиться в коливання, частота якого збігається з його власною частотою, настає явище значного збіль-чення амплітуди коливання - резонанс. Застосування поняття про резонанс дозволяє охарактеризувати деякі акустичні властивості випромінювачів і приймачів риб. Випромінювання звуку в воду може бути спрямованим і ненаправленим. У першому випадку звукова енергія поширюється переважно в певному напрямку. Графік, що виражає простору-ного розподіл звукової енергії даного джерела звуку, називають діаграмою його спрямованості. Направлений-ність випромінювання спостерігається в разі, коли діаметр ізлучате-ля значно більше довжини хвилі випромінюваного звуку.
У разі ненаправленного випромінювання звукова енергія рас-ходиться на всі боки рівномірно. Таке явище відбувається в разі, коли довжина хвилі випромінюваного звуку перевершує діаметр випромінювача лямбда> 2А. Другий випадок найбільш характерний для підводних випромінювачів низької частоти. Зазвичай довжини хвиль низькочастотних звуків бувають значно більше розмірів застосовуваних підводних випромінювачів. Таке ж явище харак-Терно і для випромінювачів риб. У цих випадках діаграми на-спрямованості у випромінювачів відсутні. У цій главі були відзначені лише деякі загальні фізичні властивості зву-ка у водному середовищі у зв'язку з Біоакустика риб. Деякі більш приватні питання акустики будуть розглянуті у відповідній щих розділах книги.
Інтенсивність звуку в абсолютних одиницях вимірюється або числом ерг / сек-см 2, або вт / см 2. При цьому 1 ерг / сек = 10 -7 пн.
Тиск звуку вимірюється в барах.
Між інтенсивністю і тиском звуку існує зави-ності:
користуючись якою можна переводити ці величини одну в дру-гую.
Не менш часто, особливо при розгляді слуху риб, у зв'язку з величезним діапазоном порогових величин звукове давши-ня висловлюють в відносних логарифмічних одиницях децибеллах, дб. Якщо звуковий тиск одного звуку Р. а друго-го Ро. то вважають, що перший звук голосніше другого на kдб і ви-яка значиться його за формулою:
Більшість дослідників при цьому за нульовою відлік тиску-ня звуку Ро приймають порогову величину слуху людини, рівну 0,0002 бару для частоти 1000 Гц.
Перевагою такої системи є можливість непо-безпосередніх зіставлення слуху людини і риб, недостат-ком - складність зіставлення отриманих результатів з зву-чанію і слуху риб.
Фактичні величини звукового тиску, створюваного ри-бами, на чотири - шість порядків вище прийнятого нульового рівня (0,0002 бару), а порогові рівні слуху різних риб лежать як вище, так і нижче умовного нульового відліку.
За нульовий рівень відліку прийнято тиск звуку в 1 бар, який на 74 дб вище раніше прийнятого.
Нижче наводиться орієнтовне співвідношення обох систем.
Фактичні величини по американській системі відліку в тексті позначені зірочкою.