Почему звук в воде распространяется быстрее, чем в воздухе?

Звук распространяется в воздухе со скоростью около 343 метров в секунду. В пресной воде одна и та же волна проходит около 1480 метров в секунду, в морской — около 1520. В этой статье расскажет, чем обусловлена ​​такая разница.

Сами молекулы никуда не летают. Они колеблются на месте, и движется только состояние возмущения — волна давления.

Скорость, с которой это возмущение передается от частицы к частице, определяется двумя конкурирующими свойствами среды: упругостью и инерцией. Первый ускоряет передачу, второй замедляет. Математически это выражается уравнением Ньютона–Лапласа:

c = √(K/ρ)c — скорость звука, K — объемный модуль упругости, характеризующий сопротивление среды сжатию, ρ — плотность, ее инерционное сопротивление движению.

НАСА тестирует тихий сверхзвук: как это изменит авиацию

Эластичность и инерция

Именно эта взаимосвязь объясняет кажущийся парадокс воды. Плотность воды примерно в 830 раз превышает плотность воздуха, что само по себе замедляет звук в воде примерно в 29 раз. Однако эластичность воды несравненно выше. Модуль объемного сжатия воды составляет около 2,2 ГПа, а воздуха — около 142 кПа, что означает, что воду сжимать примерно в 15 600 раз труднее.

Молекулы воды упакованы настолько плотно, что возмущения давления передаются от одной к другой практически без задержки. Молекулы воздуха, с другой стороны, разделены большими промежутками и взаимодействуют только посредством случайных столкновений, что увеличивает время передачи.

Если мы подставим оба параметра в формулу, выигрыш в эластичности с большим запасом покроет потерю инерции. Итоговое ускорение составляет √(15600/830) ≈ 4,3 раза – именно то, что наблюдается на практике.

Три фактора, от которых зависит скорость звука в воде

В реальном океане скорость звука непостоянна. Он варьируется в зависимости от трех физических параметров, каждый из которых DOSITS описывает количественно.

Температура является наиболее значимым фактором в верхних слоях. При повышении температуры на каждый градус Цельсия скорость звука в морской воде увеличивается примерно на 4 м/с. Вот почему поверхностные слои теплых тропических морей проводят звук быстрее, чем холодные арктические воды. Соленость оказывает умеренное влияние: увеличение концентрации соли на 1 единицу ЕПС добавляет около 1,3 м/с. Растворенные в воде ионы натрия и хлора усиливают межмолекулярные взаимодействия и повышают эластичность среды. Давление (глубина) действует по-разному. По мере увеличения глубины давление сжимает воду, уменьшая расстояние между молекулами и увеличивая эластичность. Это добавляет около 1,7 м/с на каждые 100 метров глубины. Канал ГНФАР: естественный волновод

Три фактора - температура, соленость и давление - действуют в океане одновременно, но по-разному в зависимости от глубины. Примерно на высоте 1000 метров вода становится настолько холодной, что температура перестает ускорять звук, но давление еще недостаточно велико, чтобы это компенсировать. В результате образуется слой с минимальной скоростью звука — канал SOFAR (Sound Fixing And Ranging Channel), который NOAA описывает как естественный океанический «волновод».

Звуковые волны, попадающие в этот слой, ведут себя как свет в оптическом волокне. Когда они отклоняются вверх или вниз от зоны минимальной скорости, они сразу же попадают в более быструю среду, которая возвращает их обратно. Волна движется вдоль оси канала, не разбегаясь в стороны и теряя минимум энергии.

Весной 1944 года американские учёные Морис Юинг и Дж. Ламар Ворзель первыми экспериментально подтвердили этот эффект. Взрывные заряды, сброшенные на глубину около 450 метров, были зафиксированы гидрофонами на расстоянии до 900 морских миль, что составляет около 1650 километров, сообщает Discovery of Sound in the Sea.

Синие киты и финвалы используют ГНФАР для связи на трансокеанских расстояниях. Их низкочастотные сигналы частично попадают в этот слой и распространяются по нему на тысячи километров.

Таким образом, высокая скорость звука в воде является следствием одной базовой закономерности: упругость среды важнее ее инерции. Воду сжимать в 15 600 раз труднее, чем воздух, и эта разница в жесткости более чем покрывает восьмисоткратное превосходство воды по плотности.

Ранее мы писали о том, есть ли звук в космосе.