» » » » » » Refracția sunetului

Refracția sunetului

postat în: Acustica | 0

Refracția este schimbarea direcției de propagare a undelor datorată unei modificări a mediului de transmisie.

Fenomenul este explicat prin conservarea energiei și conservarea impulsului. Datorită schimbării mediului, viteza de fază a undei este schimbată, dar frecvența acesteia rămâne constantă. Acest lucru este cel mai frecvent observat atunci când o undă trece de la un mediu la altul la orice unghi diferit de 0° față de normal. Refracția luminii este fenomenul cel mai frecvent observat, dar orice tip de undă poate fi refractată atunci când interacționează cu un mediu, de exemplu atunci când undele sonore trec de la un mediu la altul sau când undele de apă se mișcă în apă de altă adâncime. Refracția urmează legii lui Snell, care prevede că pentru o pereche dată de medii și o undă cu o singură frecvență, raportul sinusurilor dintre unghiul incidenței θ1 și unghiul de refracție θ2 este echivalent cu raportul dintre vitezele de fază (v1/v2) în cele două medii sau, echivalent, cu indicii relativi ai refracției (n2/n1) ai celor două medii. Epsilon (ε) și mu (μ) reprezintă constanta dielectrică și momentul magnetic al diferitelor medii:

sin⁡θ1/sinθ2 = v1/v2 = n2/n1 = √(ϵ2μ21μ1)

În general, undele incidente sunt parțial refractate și parțial reflectate (refracție internă); detaliile acestui comportament sunt descrise de ecuațiile Fresnel.

Refracția, în acustică, comparabilă cu refracția radiației electromagnetice, este îndoirea traiectoriilor de propagare a sunetului în medii elastice neomogene (gaze, lichide și solide) în care viteza undelor este o funcție a coordonatelor spațiale. Îndoirea razei acustice în medii neomogene stratificate are loc spre un strat cu o viteză mai mică a sunetului. Acest efect este responsabil de propagarea ghidată a undelor sonore pe distanțe lungi în ocean și în atmosferă.

În acustica subacvatică, refracția este îndoirea sau curbarea unei raze sonore care rezultă atunci când raza trece printr-un gradient al vitezei sonore dintr-o regiune cu o viteză de sunet într-o regiune cu o viteză diferită. Cantitatea de îndoire a razei depinde de cantitatea de diferență dintre vitezele sonore, adică variația temperaturii, salinității și presiunii apei. Efectele acustice similare se regăsesc și în atmosfera Pământului. Fenomenul de refracție a sunetului în atmosferă este cunoscut de secole; totuși, începând cu anii 1970, o analiză pe scară largă a acestui efect a s-a dezvoltat prin proiectarea autostrăzilor urbane și a barierelor de zgomot pentru a aborda efectele meteorologice ale îndoielii radiațiilor sonore în atmosfera inferioară.

Gradientul vitezei sonore

În acustică, gradientul vitezei sonore este viteza de schimbare a vitezei sunetului cu distanța, de exemplu cu adâncimea în ocean sau cu înălțimea în atmosfera Pământului. Gradientul de viteză a sunetului duce la refracția fazelor de undă sonoră în direcția vitezei de sunet mai mici, determinând ca razele sonore să urmeze o traiectorie curbată. Raza de curbură a traseului sonor este invers proporțională cu gradientul.

Când soarele încălzește suprafața Pământului, există un gradient negativ al temperaturii în atmosferă. Viteza sunetului scade odată cu scăderea temperaturii, astfel încât aceasta creează și un gradient negativ al vitezei sonore. Fronțul undei sonore se deplasează mai repede în apropierea solului, astfel încât sunetul este refractat ascendent, departe de ascultători pe teren, creând o umbră acustică la o anumită distanță de sursă. Efectul opus se întâmplă atunci când solul este acoperit de zăpadă sau dimineața peste apă, când gradientul de viteză a sunetului este pozitiv. În acest caz, undele sonore pot fi refractate de la nivelurile superioare până la suprafață.

În acustica subacvatică, viteza sunetului depinde de presiunea (adâncimea), de temperatura și de salinitatea apei de mare, ducând astfel la gradiente de viteză pe verticală similare cu cele existente în acustica atmosferică. Cu toate acestea, atunci când există un gradient de viteză zero a sunetului, valorile vitezei sonore au aceeași „isoviteză” în toate părțile unei coloane de apă date (nu există nicio schimbare a vitezei sunetului cu adâncimea). Același efect se întâmplă într-o atmosferă izotermică cu ipoteza gazului ideal.

Acustica subacvatică

Propagare acustică subacvatică (Rezultatul unui model informatic de propagare acustică subacvatică într-un mediu simplificat al oceanelor).

Acustica subacvatică este studiul propagării sunetului în apă și interacțiunea undelor mecanice care constituie sunetul cu apa și limitele sale. Apa poate fi un ocean, lac sau rezervor. Frecvențele tipice asociate cu acustica subacvatică se situează între 10 Hz și 1 MHz. Rata de propagare a sunetului în ocean la frecvențe mai mici de 10 Hz nu este, de obicei, posibilă fără a pătrunde adânc în fundul mării, în timp ce frecvențele de peste 1 MHz sunt rareori utilizate deoarece sunt absorbite foarte repede. Acustica subacvatică este uneori cunoscută sub numele de hidroacustică.

Domeniul acusticilor subacvatice este strâns legat de o serie de alte domenii ale studiului acustic, cum ar fi sonarul, transducția, procesarea semnalelor acustice, oceanografia acustică, bioacustica și acustica fizică.

Canalul SOFAR

Viteza sunetului în funcție de adâncime
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Underwater_speed_of_sound.svg

(Viteza sunetului în funcție de adâncimea dintr-o poziție situată la nord de Hawaii în Oceanul Pacific, din Atlasul Oceanului Mondial din 2005. Axa canalului SOFAR este la aprox. 750 m adâncime.)

Canalul SOFAR (scurtare pentru Sound Fixing and Ranging channel (Canalul de fixare a sunetului și canalul de interval)) sau canalul de sunet adânc, reprezintă un strat orizontal de apă în ocean la care adâncimea este la viteza minimă a sunetului. Canalul SOFAR acționează ca un ghid de undă pentru sunet, iar undele de sunet de joasă frecvență din canal pot călători cu mii de kilometri înainte de disipare. Acest fenomen este un factor important în războiul submarin. Canalul de sunet profund a fost descoperit și descris în mod independent de Maurice Ewing, Stanley Wong și Leonid Brehovskikh în anii 1940.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *