AKUSTYKA W BADANIACH OCEANÓW. Jarosław Tęgowski

Transkrypt

1 AKUSTYKA W BADANIACH OCEANÓW Jarosław Tęgowski

2 AKUSTYKA W BADANIACH OCEANÓW Czym zajmuje się oceanografia akustyczna podstawy fizyki falowej propagacja fal akustycznych zjawiska falowe odbicie, interferencja, dyfrakcja Akustyka pasywna i aktywna podstawowe narzędzia akustyki morza hydrofony, echosondy, sonary Akustyczne badania fauny i flory morskiej, dźwięki emitowane przez zwierzęta morskie Akustyczne badania dna morskiego, akustyczna klasyfikacja osadów dennych, wykrywanie gazu w dnie Zjawiska dynamiczne w morzu załamywanie się fal, pęcherzyki, prądografy akustyczne - ADCP, tomografia akustyczna oceanu Dźwięki geosfery

3 AKUSTYKA W BADANIACH OCEANÓW ( tak nie będzie wyglądał ten wykład chociaż )

4 CZYM ZAJMUJE SIĘ OCEANOGRAFIA AKUSTYCZNA Acoustical Oceanography is the use of underwater sound to study the sea, its boundaries and its contents - Wikipedia Oceanografia akustyczna bada zjawiska fizyczne i biologiczne zachodzące w morzu. Wykorzystuje metody bierne akustyki polegające na rejestracji i analizie dźwięków generowanych przez procesy lub obiekty oraz używa metod czynnych polegających na emisji i odbiorze fal akustycznych będących efektem rozpraszania powierzchniowego lub objętościowego. r/v Flip SIO

5 ZASTOSOWANIE FAL AKUSTYCZNYCH W BADANIACH MORZA wykrywanie obecności, wędrówek sezonowych i dobowych ryb (echolokacja, transpondery) identyfikacja i szacowanie zasobów biologicznych ukształtowanie i uwarstwienie dna archeologia podwodna poszukiwanie złóż minerałów np.: ropy, gazu, konkrecji manganowych rozpoznawanie rodzajów osadów dennych pomiar temperatury oceanu tomografia akustyczna pomiar opadów atmosferycznych szumy morza pomiar ilości pęcherzyków powietrznych (gazowych) w toni wodnej i w osadach dennych komunikacja podwodna między nurkami, okrętami i przyrządami pomiarowymi w urządzeniach nawigacyjnych np.: logi dopplerowskie w urządzeniach umożliwiających widzenie w mętnych wodach kamery akustyczne wykrywanie celów militarnych, np. okrętów podwodnych, min,...

6 HISTORIA AKUSTYKI 3000 p.n.e. - CHIŃSCY UCZENI p.n.e - PITAGORAS p.n.e. ARYSTOTELES mechanizm słyszenia, amfiteatry ok PLINIUSZ MŁODSZY - autor 37-tomowego dzieła pt. "Historia naturalna" LEONARDO DA VINCI nasłuchiwał przez rurę dźwięko podwodne IZAAK NEWTON teoria propagacji fal COLLADON I STURM pierwszy pomiar prędkość dźwięku w wodzie 1877/ LORD RAYLEIGH (John William Strutt), The Theory of Sound 2 tomy LEWIS RICHARDSON, REGINALD FESSENDEN (1914) pierwowzór sonaru HUGO LICHTE poszukiwanie min w portach niemieckich EWING, WORCEL, BRECHOWSKICH odkrycie kanałów akustycznych.

7 AKUSTYKA MORZA METODY PASYWNE METODY AKTYWNE Rejestracja ( nasłuchiwanie ) dźwięków generowanych przez zjawiska geofizyczne, organizmy morskie lub urządzenia techniczne METODY ANI ( AMBIENT NOISE IMAGE ) Rejestracja dźwięków odbitych i rozproszonych przez różne obiekty

8 AMI - ( AMBIENT NOISE IMAGE ) - Acoustic Daylight Sonar pasywny Metoda zaproponowana przez Buckinghama w 1992 Źródła dźwięku statki, załamujące się fale, opady atmosferyczne, śpiewające pęcherzyki gazowe, krewetki (w Pacyfiku). Obraz będący cieniem akustycznym obiektu

9 METODY ANI ( AMBIENT NOISE IMAGE )

10 I. PODSTAWOWE ZJAWISKA AKUSTYCZNE

11 GENEROWANIE FAL AKUSTYCZNYCH Zgęszczenia i rozrzedzenia cząsteczek ośrodka powodowane drganiami źródła ( np.: widełki stroikowe)

12 GENEROWANIE FAL AKUSTYCZNYCH Przekazywanie energii w ruchu falowym Cecha charakterystyczna ruchu falowego Energia przekazywana Przez pojedyncze cząstki ośrodka Energia przekazywana przez falę

13 GENEROWANIE FAL AKUSTYCZNYCH Przekazywanie energii w ruchu falowym Fale podłużne: Cząsteczki oscylują do przodu i do tyłu tylko w rejonie lokalnego zaburzenia Zaburzenie ośrodka (energia) jest propagowana do przodu

14 Fale przenoszą energię bez przenoszenia materii!!!

15 Długość, okres i częstotliwość fali akustycznej λ długość fali [m] T okres fali [s] częstotliwość f = 1 T [Hz] 1 λ = 1 Hz s

16 Długość, okres i częstotliwość fali akustycznej Dwie fale o tych samych amplitudach i różnych częstotliwościach f = 1 T [Hz] 1 = s 1 Hz

17 Podział fal akustycznych ze względu na zakres częstotliwości infradźwięki - poniżej 20 Hz, dźwięki słyszalne 20 Hz - 20 khz - słyszy je większość ludzi, ultradźwięki - powyżej 20 khz, hiperdźwięki - powyżej Hz. strefa przyboju 2-5 Hz Mikrowibracje Hz

18 FALE POPRZECZNE Fale poprzeczne: - nie propagują się w wodzie - są silnie tłumione - dobrze propagują się w ciałach stałych np.: w dnie morskim f. podłużne f. poprzeczne

19 FALE RAYLEIGHA Fale Rayleigha: - propagowane na powierzchni ciał stałych - rejestrowane podczas trzęsień Ziemi - ruch cząsteczek niezgody z ruchem wskazówek zegara

20 FALE NA POWIERZCHNI WODY Ruch cząsteczek wody zgodny z ruchem wskazówek zegara

21 Własności fal akustycznych ciśnienie, natężenie Energia fali jest proporcjonalna do lokalnego zaburzenia ośrodka Im większe jest zaburzenie ośrodka przesunięcie molekuł, tym większa jest energia im przekazywana energia moc E = F s 1[J] = 1 N 1 m P = E t [ W] 1 = 1 J 1 s

22 CIŚNIENIE FALI AKUSTYCZNEJ p = F s 1 N 1 = 1 m [ Pa] 2 Ciśnienie to wielkość skalarna określona jako wartość siły działającej prostopadle do powierzchni podzielona przez powierzchnię na jaką ona działa

23 NATĘŻENIE FALI AKUSTYCZNEJ Natężenie jest równe średniej wartości strumienia energii akustycznej przepływającego w czasie 1 s przez jednostkowe pole powierzchni (1 m 2 ). Dla fali kulistej wyraża się ono wzorem: I P 4πR W m = 2 2 Natężenie fal akustycznych maleje ze wzrostem odległości np. jeżeli odległość rośnie 2 razy, natężenie maleje 4 razy, energia fal akustycznych podlega procesom dyssypacji i absorpcji w ośrodku

24 PRĘDKOŚĆ DŹWIĘKU Prędkość dźwięku nie zależy (zazwyczaj) od częstotliwości i długości fali. Prędkość dźwięku jest zależna od: gęstości ośrodka, ściśliwości ośrodka Ściśliwość jest to zdolność ciał do zmiany objętości pod wpływem zmian ciśnienia zewnętrznego. Ściśliwość ciał charakteryzuje współczynnik ściśliwości. c = K ρ c = E ρ Ciecze K współczynnik ściśliwości Ciała stałe E moduł Younga

25 PIERWSZY POMIAR PRĘDKOŚCI DŹWIĘKU 1826r. - pierwszy pomiar prędkości dźwięku w wodzie jezioro Genewskie Daniel Colladon & Charles Sturm odległość 15 km zmierzona prędkość dźwięku w wodzie 1435 m/s (dokładność 0.2%) Czas przelotu s (+/- 0.02s) Annales de Chimie et de la Physique 36, [2], 236, [1827] - Francja Poggendorff s Annalen der Physik und Chemie 12, 171 [1828] - Niemcy SIO

26 PRĘDKOŚCI DŹWIĘKU W WODZIE W OCEANIE ZALEŻY OD TEMPERATURY, ZASOLENIA I CIŚNIENIA c (T, S, P) północny Pacyfik sierpień, 1982 (Levitus, 1982) c(t, S, P) = 5 x T x S x P Prędkość dźwięku w morzu rośnie ze wzrostem temperatury. Przy zmianie temperatury T o 1 C prędkość c zmienia się o 4.0 m/s

27 ZJAWISKA FALOWE Zasada Huyghensa ODBICIE REFRAKCJA (ZAŁAMANIE) INTERFERENCJA DYFRAKCJA..

28 ZASADA HUYGHENSA Christian Huygens ( ) U źródła zasady Huyghensa leżą trzy obserwacje doświadczalne: drgające źródła punktowe wysyłają w ośrodku jednorodnym i izotropowym fale kuliste fale wysyłane przez różne źródła rozchodzą się w ośrodku niezależnie od siebie fale nie rozchodzą się w ośrodku natychmiastowo, lecz ze skończoną prędkością zależną od ośrodka Zasada Huyghensa mówi, że każdy punkt ośrodka do którego dochodzi fala, można traktować jako elementarne źródło wtórnej fali kulistej

29 ODBICIE FAL AKUSTYCZNYCH fale płaskie kąt padania jest równy kątowi odbicia

30 ODBICIE FAL AKUSTYCZNYCH fale kuliste

31 REFRAKCJA FAL

32 REFRAKCJA (ZAŁAMANIE) zasada Snella sinθ c 1 sinθ = sinθ2 = sin c2 c1 c θ 1

33 INTERFERENCJA dodawanie fal w fazie dodawanie fal w przeciwfazie interferencja Interferencja 2

34 INTERFERENCJA.01 sec 300 Hz.01 sec 500 Hz Hz.

35 DYFRAKCJA dyfrakcja dyfrakcja na krawędzi

36 ANALIZA WIDMOWA Każdą funkcję periodyczną można rozłożyć na sumę funkcji sinusoidalnych o odpowiednich częstotliwościach i amplitudach. Taki rozkład nosi nazwę analizy Fouriera a wynikiem analizy jest widmo sygnału. (Fourier 1807) Jean Baptiste Joseph Fourier ( ) Fourier F ( ω) f ( t) = e jωt dt Transformation signal sinusoids of different frequencies

37 ANALIZA WIDMOWA przykład: g(t) = sin(2pf t) + (1/3)sin(2p(3f) t)

38 ANALIZA WIDMOWA przykład: g(t) = sin(2pf t) + (1/3)sin(2p(3f) t) = +

39 ANALIZA WIDMOWA przykład: g(t) = sin(2pf t) + (1/3)sin(2p(3f) t) = +

40 ANALIZA WIDMOWA

41 ANALIZA WIDMOWA = + =

42 ANALIZA WIDMOWA = + =

43 ANALIZA WIDMOWA = + =

44 ANALIZA WIDMOWA = + =

45 ANALIZA WIDMOWA = + =

46 ANALIZA WIDMOWA = A k = 1 1 sin(2 π kt ) k

47 ANALIZA WIDMOWA Przykład sumowania fal sinusoidalnych Fale sinusoidalne fala złożona 30 db.01 sec.01 sec 10 db 20 db widmo.01 sec

48 PRZYKŁADY WIDM

49 NASTĘPNY WYKŁAD Akustyka pasywna i aktywna podstawowe narzędzia akustyki morza: hydrofony, echosondy, sonary

50 DZIĘKUJĘ