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声波在水下如何工作?

 

你知道吗?

声学不仅涉及声音在空气中的传播,还涉及声音在水中的传播。研究声音传播及其在水中的表现的学科称为水下声学。水下声学是科学的一个分支,它已经成为自第一次世界大战以来一直使用的技术。甚至在此之前,1490年,列奥纳多·达·芬奇在一篇文章中阐述了他的理论“如果你将你的船停在海洋中并你把一根长管的一侧放入水中,然后把耳朵放在另一侧,你就能从很远的地方听到船的声音。”这表明水声技术早已为人所知。

在第二次世界大战中,在军事案例中,水声学被用作通信平台,通过水传递信息。 1925年,水声学被用来根据获得的声波来测量海洋深度——它的用途之一就是找到坠入海底的飞机。随着时间的推移,许多技术被开发出来并进行了研究。

探鱼器导航工具也是渔民可以使用的应用程序之一。这些工具可用于渔民寻找海洋中的鱼群。我们还可以根据传播的声音的频率范围知道鱼群距船舶的距离和位置。

在工业中,水声学已被应用于确定海洋中石油和天然气的存在。使用的方法非常有效且高效。在灾害管理中,基于从海底检测到的次声波的传播,开发了海上海啸的早期检测。近年来,一项引起许多研究兴趣的技术是自主水下航行器(AUV)。 AUV是一种无人水下航行器,AUV可以识别水下生物和物理。使用AUV可以成为识别近岸水域形状状况的最佳选择,因为它可以长期运行。此外,使用AUV还可以避免对珊瑚礁和海洋生态系统的破坏。

水下研究的必要性相当高,特别是对于像印度尼西亚这样拥有广阔海洋的国家。采矿作业、珊瑚礁观测、海上石油勘探和海上事故需要水下声学研究。

波速是振动穿过介质的速率。声音在水中的传播速度比在空气中更快且传播距离更远,因为水的机械特性与空气不同。我们知道,声波在空气中传播的速度在333m/s到340m/s之间,声波在水中的传播速度是声波在空气中的传播速度的四倍。声波在水中的传播速度为 1500 m/s 至 1520 m/s。我们知道声音传播是由于介质中粒子的上下运动而发生的。在海上,海水深度越深,压力就越高。高压水粒子将被压缩,以便它们继续传播声音而不会损失太多能量。此外,水中的密度比空气中的密度高。这导致声音可以在水中快速传播且传播得很远。不幸的是,海水中的声速不是一个恒定值。随地点、季节、早晚以及水深的不同,其变化幅度很小(百分之几)。尽管声速的变化并不大,但它们对声音在海洋中的传播方式具有重要影响。然而,海水的温度也会影响声波的速度,温水比冷水传播得更快、更远。

根据温度的不同,海洋分为三层,即混合水、温跃层和深水。在温跃层中,温度从海洋的混合上层到更冷的深水迅速降低。在温跃层中,声波的速度随着海水的深度而减小。在温跃层以下的层中,温度再次恒定,压力增加。在这一层中,声波的速度再次随着海水深度的增加而增加。

Temperature ⇢


众所周知,波长与频率成反比。

从以上公式中可以看出,频率越低,波长越长。因此,20 Hz 声波在水中的长度为 75 m,而 20 Hz 声波在空气中的长度仅为 17 m,通常用于捕获水下声音的传感器是水听器或水下麦克风。

分贝作为声压的单位,是压力测量值与参考压力之间的比率。请注意,空气中的参考压力与水是不同的。因此,水中 150 分贝的声音与空气中 150 分贝的声音不同。在空气中,参考压力为20μPa,在水中,参考压力为1μPa。根据声压级方程,空气中的 dB 到水中的换算值为

水的特性阻抗约为空气的3600倍


因此,空气与水的换算系数为


例如,如果喷气发动机在空气中的声音为 135 分贝,那么在水中的声音为 197 分贝。

Written by:

Adetia Alfadenata

Acoustic Engineer

Geonoise Indonesia

support.id@geonoise.asia

 

Reference:

  • Urick, Robert J.1983.” Principal of Underwater Sound/3rd Edition”.McGraw-Hill Book Company
  • Nieukirk, Sharon.” Understandig Ocean Acoustic”.NOAA Ocean explorer Webmaster
  • Singh H, Roman C, Pizarro O, Eustice R. Advances in High Resolution Imaging from Underwater Vehicles. In: Thrun S, Brooks R, Durrant-Whyte H, editors. Robotics Research. vol. 28 of Springer Tracts in Advanced Robotics. Springer Berlin Heidelberg; 2007. p. 430–448
  • Pike, John.  “Underwater Acoustic”. Diakses secara online melalui https://fas.org/man/dod-101/sys/ship/acoustics.htm
  • Discovery of Sound in the Sea.”How does sound in air differ from sound in water?” diakses secara online melalui https://dosits.org/science/sounds-in-the-sea/how-does-sound-in-air-differ-from-sound-in-water/
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噪声指南针:带方向的噪声监测


带方向的噪声监测

无人值守噪声监测的最大挑战之一是确保监测站点确实是被测量的源。

是什么发出噪音?

是建筑工地、附近的铁路还是飞机?

了解有关噪声指南针的更多信息

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噪音的颜色

声音是随机信号的集合,这些信号具有取决于声源的某些物理特性。声音的物理特性之一可以从形成的频谱中看出。有很多噪声可以根据频谱特征来区分,例如白噪声、粉噪声、布朗噪声、蓝噪声、紫噪声、灰噪声等。一般来说,在测量和音频测试中经常使用的是白噪声、粉红噪声和褐色噪声。

很多人都对白噪声非常熟悉,通常,空调发出的静态声音通过伪装背景噪音让我们入睡,总是被认为是白噪声,尽管从技术上讲,我们从空调风扇旋转中听到的声音不是白噪声。我们与白噪声联系在一起的许多声音实际上是粉红噪声、褐色噪声、绿噪声或蓝噪声。在音频工程的世界中,存在着各种类型的噪声颜色,它们具有自己独特的频谱,其产生是为了给音乐编曲、放松等留下丰富的印象。因此,本文将解释静态噪声并不总是白噪声。

以下是音频工程领域中非常熟悉且经常讨论的一些音色:

  1. 白噪声

日常生活中最常提到的嘈杂色彩是白噪声。白噪声被称为“白色”,象征着数学计算中均匀或平坦地包含所有频率的白光。这是从数学上说的,因为实际上它并不完全平坦。如果使用以下等式计算,则白噪声计算模式是均匀分布的:


因此,在白噪声的情况下,信号功率变为:

所得频谱呈恒定直线的形式,如下图所示,


所示的图表是一个对数函数,而不是线性函数,其中高频的频率范围比低频的频率范围更宽。这是可以听到的白噪声:

https://soundcloud.com/betabayu-santika/betabayus-white-noise

2. 粉红噪音

粉红噪声频谱按对数比例减小,但在按比例变宽的频带中具有相同的功率。这意味着粉红噪声在 40 至 60 Hz 频率范围内与 4000 至 6000 Hz 频段内具有相同的功率。由于人类在这样一个比例空间中听到声音,无论实际频率如何(40-60 Hz 听起来与 4000-6000 Hz 的音程和距离相同),双倍频率(一个八度音程)都被感知为相同的,因此每个八度音程都包含相同量的能量,因此粉红噪声通常用作音频工程中的参考信号。与白噪声相比,频谱功率密度每倍频程降低 3 dB(密度与 1/f 成比例)。因此,粉红噪声通常被称为“1/f 噪声”。有些人将粉色与红色和白色联系在一起,其中粉色比红色更亮,比白色更暗,因此它被描述为值接近 ~ 1 的减少光谱。从数学上讲,可以使用以下公式计算粉红噪声:


粉红噪声产生的曲线描绘如下:


粉红噪音将像下面的音频文件一样听到,

https://soundcloud.com/betabayu-santika/betabayus-pink-noise
3. 布朗噪声

布朗噪声颜色有几个名称,有些人称之为布朗噪声、布朗噪声或红噪声。布朗运动是由布朗运动(随机游走或醉汉游走)的发明者罗伯特·布朗发现的,其中布朗运动产生的噪声与红噪声/布朗噪声相同。被描述为比粉红和白光更暗的红光,所形成的光谱具有急剧下降的特征,超过粉红噪声的下降(1 / f2 或每倍频程下降 6 dB)。从视觉上看,红噪声值是粉噪声的边界,与白噪声一起,所以形成的频谱曲线如下:


布朗噪声听起来像下面的音频文件:

https://soundcloud.com/betabayu-santika/betabayus-brown-noise

4. 蓝色噪声

如果说红噪声和粉噪声的特征有所减弱,那么蓝噪声则相反。蓝噪声具有与粉红噪声成反比的上坡频谱曲线特征。在有限频率范围内,蓝色噪声的功率密度随着频率的增加(密度与 f 成正比)每倍频程增加 3 dB。在计算机图形学中,术语“蓝噪声”有时更宽松地使用,指具有最小低频分量且没有集中能量尖峰的任何噪声。这对于抖动来说可能是一个很好的噪声。切伦科夫辐射是几乎完美的蓝噪声的自然发生的例子,在介质折射率的渗透性近似恒定的频谱区域中,功率密度随频率线性增长。精确的密度谱由 Frank-Tamm 公式给出。在这种情况下,频率范围的有限性来自于材料可以具有大于1的折射率的范围的有限性。由于这些原因,切伦科夫辐射也呈现出亮蓝色。


蓝噪声产生的曲线如下:

蓝色噪音听起来像下面的音频文件:

https://soundcloud.com/betabayu-santika/betabayus-blue-noise

5. 紫色噪声

如果蓝色噪声与粉红噪声相反,那么紫罗兰色可以归类为与红色或布朗噪声相反。这可以从紫噪声的功率密度的增加看出,随着频率值的增加,紫噪声的功率密度为每倍频程 6 dB。紫噪声或通常也称为紫噪声的比例密度在有限频率范围内为 f2。紫噪声也称为微分白噪声,因为它是白噪声信号微分的结果。

紫噪声产生的曲线如下:


紫噪音听起来像下面的音频文件:

https://soundcloud.com/betabayu-santika/betabayus-violet-noise

6. 灰色噪声

灰噪声是一种随机白噪声,与相同的心理声学噪声曲线相关,或者可以说是逆 A 加权曲线,具有特定的频率范围,给人的印象或感觉是在所有频率上听起来都同样响亮。这与标准白噪声形成鲜明对比,标准白噪声在频率的线性范围内具有相同的强度,但由于人类等响度轮廓中的偏差而被认为不具有相同的响度。

灰色噪声产生的曲线如下:


灰色噪声听起来像下面的音频文件:

https://soundcloud.com/betabayu-santika/betabayus-grey-noise

Written by:

Betabayu Santika

Acoustic Design Engineer

Geonoise Indonesia

Beta@geonoise.asia

 

Sources:

Pics: Noise Curves By Warrakkk – Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=19274696

Hartmann, William M. Signals, sound, and sensation. Springer Science & Business Media, 2004.

“Federal Standard 1037C”. Institute for Telecommunication Sciences. Institute for Telecommunication Sciences, National Telecommunications and Information Administration (ITS-NTIA). Retrieved 16 January 2018.

Lau, Daniel Leo; Arce, Gonzalo R.; Gallagher, Neal C. (1998), “Green-noise digital halftoning”, Proceedings of the IEEE, 86 (12): 2424–42, doi:10.1109/5.735449

Joseph S. Wisniewski (7 October 1996). “Colors of noise pseudo FAQ, version 1.3”. Newsgroup: comp.dsp. Archived from the original on 30 April 2011. Retrieved 1 March 2011.

 

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会自动弹奏的纳米吉他弦

兰卡斯特大学和牛津大学的科学家创造了一种纳米电子电路,无需任何外力即可振动。

他们的实验使用一根类似于振动吉他弦的微小悬线,展示了简单的纳米设备如何直接通过电流产生运动。

为了制造该设备,研究人员采用了碳纳米管,它是一种直径约为 3 纳米的线,大约比吉他弦细 100,000 倍。他们将其安装在两端的金属支架上,然后将其冷却至绝对零以上 0.02 度的温度。电线的中心部分可以自由振动,研究人员可以通过电流通过它并测量电阻的变化来检测振动。

正如吉他弦被拨动时会振动一样,导线在振荡电压的作用下也会振动。这正如研究人员所预期的那样。

当他们在没有外加电压的情况下重复实验时,令人惊讶的是。在适当的条件下,电线会自行振荡。

兰卡斯特大学的首席研究员爱德华·莱尔德博士说:“我们花了一段时间才弄清楚导致振动的原因,但我们最终明白了。在如此微小的设备中,电流由单个电子组成,这一点很重要。电子一个接一个地跳到电线上,每次都给它一个小小的推动力。通常这些推动力是随机的,但我们意识到,当你恰到好处地控制参数时,它们会同步并产生振荡。”

那么纳米吉他弹奏什么音符呢?

“纳米管比吉他弦细得多,因此它的振荡频率要高得多——远达到超声波范围,所以没有人能够听到它。

“但是,我们仍然可以给它分配一个音符。它的频率为 2.31 亿赫兹,这意味着它是 A 弦,音高比标准调音高 21 个八度。”

纳米振荡器可用于放大微小的力,例如在新型显微镜中,或用于测量奇异量子流体的粘度。这些实验将在 Laird 博士在兰卡斯特物理系建立的新实验室中进行,该实验室得到了欧盟 270 万欧元的资助。

Credit: https://www.lancaster.ac.uk/news/the-nano-guitar-string-that-plays-itself

Written by: Phawin Phanudom

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