مبانی آکوستیک

جذب موج های صوتی در شاره ها

بخش هفتم

تنش در شاردهای ناهمگن.

وقتی شاره ناهمگن باشد، مثلا در آن ذرات معلق یا میکرو سلوله ای با دمای مختلف قرار گرفته باشند، یا در ناحیه ای از شاره اغتشاش برپا باشد تنكشی افزون بر تنكشی که در مورد شار همگن صورت می گرفت برای صوت ايجاد می گردد. دو علت اولیه این تنكش اضافی عبارتند از ساز و کار جذب اضافی و پاشند. مه و ذرات دود اثر مشخصی بر انتشار صوت در جو دارند. در نزدیکی ذرات معلق، اتلاف مربوط به چسبناکی و رسانایی گرمایی علاوه بر آنچه در شاره همگن موجود بود وجود پیدا می کند. بعلاوه يك نوع فراروند و اهلش همراه با تبخیر آب که در قطره های ریزمه قرار دارد در نتیجه عبور موج های صوتی تشدید می گردد. تعادل طبیعی که بین بخار اشباع شده نزدیك به قطره وهوای خارج موجود است به واسطه موج های صوتی بر هم می خورد و در نتیجه تاخیر کی در برقرار شدن تعادل حاصل می گردد. هر دو نوع عمل موجب اتلافهایی می شود که رفته رفته با فرکانس زیاد می شوند. مثلا در فرکانس 1000 سیکل بر ثانیه دخالت این عاملها در تنکش صوت اندازه گیری شده و معلوم گردیده که در يك مقدار مه که در هر سانتیمتر مکعب 400 قطره ریز داشته باشد و شعاع میانگین هريك از قطره ها برابر با  باشد، مقدار آن در حدود  بوده است. این مقدار چند صد مرتبه بزرگتر از مقداری است که با اندازه گیری در هوای خشك به دست آمده، و چندین ده مرتبه بزرگتر از مقداری است که در هوای مرطوب اندازه گیری شده است. وجود قطره های ریز مه در هوا نیز سبب پایین آمدن سرعت انتشار صوت در هوا می شود و آن را به c0.9 می رساند. و عبارت است از سرعت انتشار صوت در هوای خشك در همان دمای هوای مه داد

در آبی که حبابهای معلق گاز وجود داشته باشند تنكش بسیار زیادی برای صوت پیدا می شود. مثلا اتلاف مربوط به نیروهای چسبناکی و رسانایی گرمایی توأم با تراکم و انبساط حبا بهای کوچك هوا که در اثر عبور موج های صوتی پیدا می شوند موجب می گردد که انرژی صوتی تلف گردد. اثر دیگر ناهمگنی که اهمیت ویژه ای در انتقال مستقیم تا به های صوتی که حامل انرژی صوتی هستنددارد عبارت است از پاشند. مقصود از پاشند برداشت مقدار کمی انرژی از تابه مستقيم بوسیله هر حباب و تابش آن در تمام اطراف است. وجود حبابهای گاز ماهیت محیطی را که در آن تا بههای صوتی انتشار می یابند تغییر می دهد، زيرا چگالی و تراکم پذیری محیط را تغییر می دهد، و در نتیجه سرعت انتشار صوت در آن محیط تغییر می کند. این گونه تغییرات که در چگالی و سرعت پیدا می شوند ممکن است سبب شوند که مقدار زیادی انرژی آکوستیکی بر اثر بازتاب و شکست از امتداد تا به اصلی خارج گردد. پس اگر در آب مقدار زیادی حبابهای گاز وجود داشته باشد تا به صوتی بواسطه باز تاب و شکست و جذب و پاشند تنکيده می گردد.

اگر چه در قسمت عمده اقیانوس حبابهای گاز بطور وفور یافت نمی شوند، ولی عده فوق العاده زیادی حباب در نواری از آب که در عقب کشتیها و زیر دریاییهایی که نزديك به سطح آب در حرکت باشند و همچنین جایی که موجها در عمق کم در سطح شکسته شوند وجود دارد. وقتی این حبابها درست شوند در نتیجه در آنها نوعی گرایش برای اجتماع در يك محل معين و زیاد شدن غلظتشان به وجود می آید، و چنانکه مشاهده شده چنین اجتماع بزرگی و متمرکزی از حبابها موجب تنكش بسیار موج های صوتی در اقیانوس می گردد. يك حباب تنها اثر کمی بر انتقال صوت دارد. ولی وقتی عده آنها زیاد شد جمع اثرهای آنها قابل ملاحظه است. چون حبابهای درشت با سرعت به سطح آب می آیند، عمرشان به اندازه ای کوتاه است که می توان آنها را نادیده گرفت. با وجود این، هر گاه عده زیادی حباب با شعاعهای کوچک نسبت به طول موجی که باید از بین آنها عبور کند مجتمع گردند تنكش قابل ملاحظه ای در صوت پدید می آورند.

فرض کنیم که سطح مقطع مؤثر هر حباب برای تنکش و باشد، و بر حسب متر مربع بیان شود. این سطح مقطع مؤثر اندازه کسری از انرژی را نشان میدهد که حباب از تابه صوتی به سطح مقطع يك متر مربع جدا می سازد. بر حسب مقدار فرکانس، این مقطع مؤثر، ممکن است مساوی، کمتر یا بیشتر از سطح مقطع حقیقی  باشد. a عبارت است از شعاع حباب. مثلا هر گاه ارتعاش شعاعی حباب با فرکانس رزونانس انجام شود که با رابطه زیر داده شده

مقطع مؤثر ممکن است بیش از هزار مرتبه بزرگتر از مقطع حقیقی حباب باشد. در معادله 9.44 فرکانس برحسب سیکل بر ثانیه، 4 بر حسب متر، فشار هیدروستاتيك  بر حسب نیوتن بر متر مربع، چگالی آب  و بر حسب  منظور می شود. وقتی فرکانس صوت بیش از این فرکانس رزونانس باشد، مقطع مؤثر ومقطع حقیقی تقریبا با هم برابرند. بر عکس در فرکانسهای کمتر از فرکانس رزونانس مقطع مؤثر خیلی کوچکتر از مقطع حقیقی است. حال چنانچه فرض کنیم که در هر متر مكعب N عدد حباب وجود داشته باشد، و مقطع هر يك از آنها برابر با  باشد اتلاف شدت برای يك موج تخت که به اندازه dx از میان آنها عبور کند عبارت خواهد بود از

اگر مقدار شدت را برای x=0 برابر با  بگیریم، یعنی پایای انتگراسیون را  بگذاریم، خواهیم داشت

چون شدت متناسب است با مربع دامنه فشار ، می توان معادله بالا را به شکل زیر نوشت

پس می بینیم که تنكش موج های تا به صوت در آیی که در آن حبابهای گازی داشته باشد با رابطه   نپر برمتر، یا با رابطه  بیان می شود. البته تمام حبابها دارای مقطع مساوی نیستند و در نتیجه لازم است به طریقی حاصل جمع ابعاد حبابهای مختلف را که اندازه های متفاوت دارند تعیین کرد تا بتوانیم مقدار حقیقی پایای تنكش را حساب کنیم. ولی در عمل فقط حاصل جمع ابعاد حبابهایی را که دارای فرکانسی نزديك به فرکانس رزونانس هستند باید در نظر گرفت.

ناوشکنی که با سرعت 15 میل دریایی در ساعت در حرکت بوده ردی به درازای 500 متر به دنبال خود بر جای گذاشته است. پایای تنکش برای این رد آبی چنین مشاهده شده است:  در فرکانس 8 کیلوسیكل بر ثانیه،  در فرکانس 20 كيلو سیکل بر ثانیه، و  در فرکانس 40 کیلو سیکل بر ثانیه. در قسمت عمده و اصلی اقیانوسها تعداد حبابها در واحد حجم به اندازه ای کم است که اثر تنکشی آنها در مقایسه با تنكشی که در اثر نیروهای چسبناکی و سایر پدیده های تأخیری که در این فصل به آنها اشاره کردیم پدید می آید صرف نظر کردنی است. بالاخره یاد آور می شویم که اجتماع عظیم ماهیهای کوچک در يك محل مقداری تنکش قابل اندازه گیری در تابه های صوتی ایجاد می کند. سرچشمه اصلی این تنكش را بدون شک می توان پاشند انرژی بوسیله کیسه هوای درون ماهیها دانست .

دیدگاهتان را بنویسید

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد. زمینه وب سایت اختیاری است.

دیدگاهپیغام شما
نامنام شما
ایمیلایمیل
وب سایتوب سایت