Sóng âm hoạt động dưới nước như thế nào?

“Bạn có biết?

Âm học không chỉ là sự truyền âm trong không khí, mà còn là sự truyền trong nước. Nghiên cứu về sự truyền âm và cách nó hoạt động trong nước được gọi là âm học dưới nước. Âm học dưới nước là một nhánh của khoa học, và nó đã trở thành một công nghệ được sử dụng kể từ Thế chiến I. Thậm chí trước đó, vào năm 1490, Leonardo da Vinci đã nêu lý thuyết của mình trong một bài báo “nếu bạn dừng con tàu của mình trên đại dương và bạn đặt một bên của một ống dài xuống nước, sau đó đặt tai vào bên kia, bạn sẽ nghe thấy tiếng tàu từ rất xa ”. Điều này cho thấy rằng công nghệ âm học dưới nước đã được biết đến từ lâu.”

Trong Thế chiến thứ hai, trong các trường hợp quân sự, âm thanh dưới nước được sử dụng như một nền tảng liên lạc để truyền thông tin qua nước. Năm 1925, máy đo âm thanh dưới nước được sử dụng để đo độ sâu đại dương dựa trên sóng âm thu được – một trong những khả năng sử dụng của nó là tìm thấy chiếc máy bay bị rơi xuống đáy biển. Thời gian trôi qua và nhiều công nghệ được phát triển và các nghiên cứu đã được thực hiện.

Một trong những ứng dụng cũng có thể được sử dụng cho ngư dân là công cụ điều hướng máy tìm cá. Những công cụ này có thể được sử dụng cho những người đánh cá để tìm các đàn cá trong đại dương. Chúng ta cũng có thể biết khoảng cách và vị trí của trường cá từ tàu dựa vào dải tần của âm thanh truyền đi.

Trong công nghiệp, phương pháp âm học dưới nước đã được ứng dụng để xác định sự hiện diện của dầu và khí đốt trong biển. Phương pháp được sử dụng khá hiệu quả và phổ biến. Trong những năm gần đây, một công nghệ đã thu hút sự quan tâm trong nhiều nghiên cứu là Phương tiện tự lái dưới nước (AUV). AUV là một phương tiện không người lái dưới nước, nơi AUV có thể xác định sinh học và vật lý dưới nước. Việc sử dụng AUV có thể là lựa chọn tốt nhất trong việc xác định các điều kiện hình dạng của vùng nước ven biển vì nó có thể hoạt động trong thời gian dài. Bên cạnh đó, việc sử dụng AUV cũng có thể tránh được thiệt hại đối với các rạn san hô và hệ sinh thái biển.

Sự cần thiết của nghiên cứu dưới nước là khác cao, đặc biệt là đối với các quốc gia có đại dương rộng lớn, chẳng hạn như Indonesia. Nghiên cứu âm thanh dưới nước là cần thiết trong các hoạt động khai thác, quan sát các rạn san hô, thăm dò dầu khí ngoài khơi và các tai nạn trên biển.

Tốc độ của sóng là tốc độ truyền dao động trong môi trường. Âm thanh chuyển động với tốc độ nhanh hơn trong nước và với khoảng cách xa hơn trong không khí vì các đặc tính cơ học của nước khác với không khí. Ta biết tốc độ truyền sóng âm trong không khí từ 333 m / s đến 340 m / s, tốc độ truyền sóng âm trong nước nhanh gấp 4 lần tốc độ truyền âm trong không khí. Tốc độ của sóng âm trong nước từ 1500 m / s đến 1520 m / s. Chúng ta biết rằng sự truyền âm xảy ra do sự lên xuống của các hạt trong môi trường. Trên biển, độ sâu của biển càng lớn, áp suất càng cao. Các hạt nước áp suất cao sẽ bị nén lại để chúng tiếp tục truyền âm thanh mà không bị mất nhiều năng lượng. Bên cạnh đó, tỷ trọng trong nước cao hơn tỷ trọng trong không khí. Điều này làm cho âm thanh có thể truyền đi nhanh và xa trong nước. Thật không may, tốc độ âm thanh trong nước biển không phải là một giá trị cố định. Nó thay đổi một lượng nhỏ (vài phần trăm) tùy theo từng nơi, từng mùa, từ sáng đến tối và theo độ sâu của nước. Mặc dù sự biến đổi về tốc độ của âm thanh không lớn nhưng chúng có ảnh hưởng quan trọng đến cách âm thanh di chuyển trong đại dương. Tuy nhiên, nhiệt độ trong nước biển cũng ảnh hưởng đến tốc độ của sóng âm, nước ấm di chuyển nhanh hơn và xa hơn nước lạnh hơn.

Có ba lớp trong biển, dựa trên nhiệt độ của nó, đó là nước hỗn hợp, đường nhiệt và nước sâu. Trong đường nhiệt, nhiệt độ giảm nhanh chóng từ lớp hỗn hợp trên của đại dương đến vùng nước sâu lạnh hơn nhiều. Trong đường nhiệt, tốc độ của sóng âm giảm dần theo độ sâu của biển. Trong lớp bên dưới đường nhiệt, nhiệt độ lại trở nên không đổi và áp suất tăng lên. Trong lớp này, tốc độ của sóng âm lại tăng lên theo độ sâu của biển.

Như chúng ta đã biết, bước sóng tỷ lệ nghịch với tần số.

Như có thể thấy trong phương trình trên, tần số càng thấp thì bước sóng càng dài. Do đó, sóng âm 20 Hz trong nước dài 75 m trong khi sóng âm 20 Hz trong không khí chỉ dài 17 m trong không khí. Nói chung, cảm biến được sử dụng để thu âm thanh dưới nước là một hydrophone hoặc micrô dưới nước.

Decibel là đơn vị đo áp suất âm thanh là tỷ số giữa phép đo áp suất và áp suất tham chiếu. Lưu ý rằng áp suất tham chiếu trong không khí với nước là khác nhau. Do đó, 150 dB âm thanh trong nước không giống với 150 dB âm thanh trong không khí. Trong không khí, áp suất tham chiếu là 20μPa trong khi trong nước, áp suất tham chiếu là 1μPa. Dựa trên phương trình Mức áp suất âm thanh, giá trị chuyển đổi của dB trong không khí thành nước là