الصوتيات تحت الماء

تتكون الموجة الصوتية المنتشرة تحت الماء من تضاغطات وتخلخلات متناوبة في الماء. ويتم رصد هذه التضاغطات والتخلخلات بواسطة جهاز استقبال، كالأذن البشرية أو الميكروفون المائي ، على شكل تغيرات في الضغط . وقد تكون هذه الموجات من صنع الإنسان أو طبيعية المنشأ.

سرعة الصوت${\displaystyle c\,}$(أي الحركة الطولية لجبهات الموجة) مرتبطة بالتردد${\displaystyle f\,}$والطول الموجي${\displaystyle \lambda \,}$من موجة${\displaystyle c=f\cdot \lambda }$.

وهذا يختلف عن سرعة الجسيمات${\displaystyle u\,}$، وهو ما يشير إلى حركة الجزيئات في الوسط بسبب الصوت، ويربط ضغط الموجة المستوية${\displaystyle p\,}$بالنسبة لكثافة السائل${\displaystyle \rho \,}$وسرعة الصوت${\displaystyle c\,}$بواسطة${\displaystyle p=c\cdot u\cdot \rho }$.

منتج${\displaystyle c}$و${\displaystyle \rho \,}$تُعرف القيمة المُستنتجة من الصيغة أعلاه باسم المعاوقة الصوتية المميزة . وتُعرف القدرة الصوتية (الطاقة لكل ثانية) التي تعبر وحدة المساحة باسم شدة الموجة، وبالنسبة للموجة المستوية، تُعطى الشدة المتوسطة بالصيغة التالية:${\displaystyle I=q^{2}/(\rho c)\,}$، أين${\displaystyle q\,}$هو الجذر التربيعي لمتوسط ​​الضغط الصوتي.

عند تردد 1  كيلو هرتز، يبلغ الطول الموجي في الماء حوالي 1.5 متر. في بعض الأحيان يتم استخدام مصطلح "سرعة الصوت" ولكن هذا غير صحيح لأن الكمية كمية قياسية.

يُعزى التباين الكبير في المعاوقة بين الهواء والماء (نسبة المعاوقة حوالي 3600) ودرجة خشونة السطح إلى أن سطح البحر يتصرف كعاكس مثالي تقريبًا للصوت عند الترددات الأقل من 1  كيلوهرتز. وتتجاوز سرعة الصوت في الماء سرعته في الهواء بمقدار 4.4 أضعاف، وتبلغ نسبة الكثافة حوالي 820.

يكون امتصاص الصوت منخفض التردد ضعيفًا. ^{[ 7 ]} (انظر الأدلة الفنية - حساب امتصاص الصوت في مياه البحر للاطلاع على حاسبة إلكترونية). السبب الرئيسي لتوهين الصوت في المياه العذبة، وعند الترددات العالية في مياه البحر (أعلى من 100  كيلوهرتز) هو اللزوجة . وتُعزى المساهمات الإضافية عند الترددات المنخفضة في مياه البحر إلى الاسترخاء الأيوني لحمض البوريك (حتى حوالي 10  كيلوهرتز) ^{[ 7 ]} وكبريتات المغنيسيوم (حوالي 10  كيلوهرتز - 100  كيلوهرتز). ^{[ 8 ]}

قد يُمتص الصوت نتيجةً لفقدانه عند حدود السوائل. بالقرب من سطح البحر، قد يحدث الفقدان في طبقة الفقاعات أو في الجليد، بينما في القاع، يمكن للصوت أن يخترق الرواسب ويُمتص.

يعتمد انتشار الصوت تحت الماء على عوامل عديدة. يتحدد اتجاه انتشار الصوت بتدرجات سرعة الصوت في الماء. تُحوّل هذه التدرجات الموجة الصوتية من خلال الانكسار والانعكاس والتشتت. في البحر، تكون التدرجات الرأسية أكبر بكثير من التدرجات الأفقية. يؤدي هذا، بالإضافة إلى ميل سرعة الصوت للزيادة مع ازدياد العمق نتيجةً لزيادة الضغط في أعماق البحار ، إلى انعكاس تدرج سرعة الصوت في الطبقة الحرارية ، مما يُنشئ موجهًا فعالًا عند العمق الذي يُقابل أدنى سرعة صوت. قد يُؤدي توزيع سرعة الصوت إلى ظهور مناطق ذات شدة صوت منخفضة تُسمى "مناطق الظل"، ومناطق ذات شدة صوت عالية تُسمى "مناطق الكاوستيك". يُمكن تحديد هذه المناطق باستخدام تقنيات تتبع الأشعة .

عند خط الاستواء وخطوط العرض المعتدلة في المحيط، تكون درجة حرارة السطح مرتفعة بما يكفي لعكس تأثير الضغط، مما يؤدي إلى انخفاض سرعة الصوت إلى أدنى مستوى لها على عمق بضع مئات من الأمتار. يُنشئ هذا الانخفاض قناة خاصة تُعرف بقناة الصوت العميق، أو قناة SOFAR (تحديد مدى الصوت وتثبيته)، مما يسمح بانتشار الصوت تحت الماء لمسافات تصل إلى آلاف الكيلومترات دون التفاعل مع سطح البحر أو قاعه. ومن الظواهر الأخرى في أعماق البحار تكوّن مناطق تركيز الصوت، المعروفة بمناطق التقارب. في هذه الحالة، ينكسر الصوت إلى أسفل من مصدر قريب من السطح ثم يعود إلى أعلى. وتعتمد المسافة الأفقية من المصدر التي يحدث عندها هذا الانكسار على تدرجات سرعة الصوت الموجبة والسالبة. كما يمكن أن تتشكل قناة سطحية في المياه العميقة والضحلة نسبيًا عند حدوث انكسار لأعلى، على سبيل المثال بسبب انخفاض درجة حرارة السطح. وينتشر الصوت عن طريق ارتداده المتكرر عن السطح.

بشكل عام، مع انتشار الصوت تحت الماء، تقل شدته مع ازدياد المسافة، مع أنه في بعض الحالات يمكن الحصول على زيادة في شدته نتيجة التركيز. يُعدّ فقد الانتشار (أو فقد الإرسال ) مقياسًا كميًا لانخفاض شدة الصوت بين نقطتين، عادةً ما تكونان مصدر الصوت وجهاز استقبال بعيد.${\displaystyle I_{s}}$هي شدة المجال البعيد للمصدر عند نقطة تبعد مترًا واحدًا عن مركزه الصوتي و${\displaystyle I_{r}}$إذا كانت شدة الإشارة عند جهاز الاستقبال، فإن فقدان الانتشار يُعطى بالمعادلة ^{[ 2 ].}${\displaystyle {\mathit {PL}}=10\log(I_{s}/I_{r})}$في هذه المعادلة${\displaystyle I_{r}}$لا تمثل شدة الصوت الحقيقية عند جهاز الاستقبال، وهي كمية متجهة ، بل هي كمية قياسية تساوي شدة الموجة المستوية المكافئة (EPWI) لحقل الصوت. تُعرَّف شدة الموجة المستوية المكافئة بأنها مقدار شدة موجة مستوية لها نفس قيمة الضغط الفعال (RMS) لحقل الصوت الحقيقي. في المدى القصير، يهيمن الانتشار على فقدان الانتشار، بينما في المدى الطويل يهيمن عليه فقدان الامتصاص و/أو التشتت.

يمكن تقديم تعريف بديل من حيث الضغط بدلاً من الشدة، ^{[ 15 ]} مما يعطي${\displaystyle {\mathit {PL}}=20\log(p_{s}/p_{r})}$، أين${\displaystyle p_{s}}$ يمثل RMS ضغط الصوت في المجال البعيد لجهاز العرض، مُقاسًا بمسافة قياسية تبلغ 1 متر، و${\displaystyle p_{r}}$ يمثل ضغط RMS عند موضع جهاز الاستقبال.

لا يتطابق هذان التعريفان تمامًا، لأن المعاوقة المميزة عند جهاز الاستقبال قد تختلف عن تلك الموجودة عند المصدر. ولهذا السبب، يؤدي استخدام تعريف الشدة إلى معادلة سونار مختلفة عن تلك القائمة على نسبة الضغط. ^{[ 16 ]} إذا كان كل من المصدر وجهاز الاستقبال مغمورين في الماء، يكون الفرق ضئيلاً.

تبلغ القيم التقريبية لسرعة الصوت في الماء العذب ومياه البحر ، على التوالي، عند الضغط الجوي، 1450 و1500 متر/ثانية ، بينما تبلغ كثافته 1000 و1030 كيلوغرام/متر ^{مكعب . [ 22 ]} تزداد سرعة الصوت في الماء مع ازدياد الضغط ودرجة الحرارة والملوحة . ^{[ 23 ] [ 24 ]} تصل سرعة الصوت في الماء النقي عند الضغط الجوي إلى أقصى قيمة لها عند حوالي 74 درجة مئوية؛ ثم تنخفض سرعته في الماء الساخن بعد هذه الدرجة، وتزداد السرعة القصوى مع ازدياد الضغط. ^{[ 25 ]}   

تم إجراء العديد من القياسات لامتصاص الصوت في البحيرات والمحيط ^{[ 7 ] [ 8 ]} (انظر الأدلة الفنية - حساب امتصاص الصوت في مياه البحر للحصول على حاسبة عبر الإنترنت).

يُمكن قياس الإشارات الصوتية إذا تجاوزت سعتها حدًا أدنى، يُحدد جزئيًا بمعالجة الإشارة المستخدمة وجزئيًا بمستوى الضوضاء المحيطة. الضوضاء المحيطة هي ذلك الجزء من الضوضاء المُستقبلة الذي لا يتأثر بخصائص المصدر أو المُستقبل أو المنصة. وبالتالي، فهي تستثني صدى الصوت وضوضاء السحب، على سبيل المثال.

تتعدد مصادر الضوضاء الخلفية في المحيط، أو الضوضاء المحيطة، وتختلف باختلاف الموقع والتردد. ^{[ 26 ]} عند الترددات المنخفضة، من حوالي 0.1  هرتز إلى 10 هرتز، تُعدّ اضطرابات  المحيط والاهتزازات الدقيقة المساهم الرئيسي في الضوضاء الخلفية. ^{[ 27 ]} تنخفض مستويات طيف الضوضاء النموذجية مع ازدياد التردد من حوالي 140 ديسيبل (مُقاسة بالنسبة إلى 1 ميكروباسكال² ^/ هرتز) عند 1 هرتز إلى حوالي 30 ديسيبل (مُقاسة بالنسبة إلى 1 ميكروباسكال² ^/ هرتز) عند 100 كيلوهرتز. تُعدّ حركة السفن البعيدة أحد المصادر الرئيسية للضوضاء ^{[ 28 ]} في معظم المناطق عند ترددات تقارب 100 هرتز، بينما تُعدّ الضوضاء السطحية الناتجة عن الرياح المصدر الرئيسي بين 1 كيلوهرتز و30 كيلوهرتز. عند الترددات العالية جدًا، فوق 100 كيلوهرتز، تبدأ الضوضاء الحرارية لجزيئات الماء بالهيمنة. يبلغ مستوى الطيف الضوضائي الحراري عند تردد 100 كيلوهرتز 25 ديسيبل بالنسبة إلى 1 ميكروباسكال² ^/ هرتز. وتزداد الكثافة الطيفية للضوضاء الحرارية بمقدار 20 ديسيبل لكل عقد (حوالي 6 ديسيبل لكل أوكتاف ). ^{[ 29 ]}            

تساهم مصادر الصوت العابرة أيضاً في الضوضاء المحيطة. وتشمل هذه المصادر النشاط الجيولوجي المتقطع، مثل الزلازل والبراكين تحت الماء، ^{[ 30 ]} وهطول الأمطار على السطح، والنشاط البيولوجي. وتشمل المصادر البيولوجية الحيتان (وخاصة الحيتان الزرقاء والزعنفية وحيتان العنبر )، ^{[ 31 ] [ 32 ]} وأنواعاً معينة من الأسماك، والروبيان القافز .

يمكن أن يتسبب المطر في مستويات عالية من الضوضاء المحيطة. ومع ذلك، يصعب تحديد العلاقة العددية بين معدل هطول الأمطار ومستوى الضوضاء المحيطة لأن قياس معدل هطول الأمطار يمثل مشكلة في البحر.

Many measurements have been made of sea surface, bottom and volume reverberation. Empirical models have sometimes been derived from these. A commonly used expression for the band 0.4 to 6.4 kHz is that by Chapman and Harris.^[33] It is found that a sinusoidal waveform is spread in frequency due to the surface motion. For bottom reverberation a Lambert's Law is found often to apply approximately, for example see Mackenzie.^[34] Volume reverberation is usually found to occur mainly in layers, which change depth with the time of day, e.g., see Marshall and Chapman.^[35] The under-surface of ice can produce strong reverberation when it is rough, see for example Milne.^[36]

Bottom loss has been measured as a function of grazing angle for many frequencies in various locations, for example those by the US Marine Geophysical Survey.^[37] The loss depends on the sound speed in the bottom (which is affected by gradients and layering) and by roughness. Graphs have been produced for the loss to be expected in particular circumstances. In shallow water bottom loss often has the dominant impact on long range propagation. At low frequencies sound can propagate through the sediment then back into the water.

As with airborne sound, sound pressure level (SPL) underwater is usually reported in units of decibels, but there are differences that make it difficult (and often inappropriate) to compare SPL in water with SPL in air. These differences include:^[38]

• difference in reference pressure: 1 μPa (one micropascal, or one millionth of a pascal) instead of 20 μPa.^[15]
• difference in interpretation: there are two schools of thought, one maintaining that pressures should be compared directly, and the other that one should first convert to the intensity of an equivalent plane wave.
• difference in hearing sensitivity: any comparison with (A-weighted) sound in air needs to take into account the differences in hearing sensitivity, either of a human diver or other animal.^[39]

السونار هو الاسم الذي يُطلق على المكافئ الصوتي للرادار . تُستخدم نبضات الصوت لاستكشاف أعماق البحار، ثم تُعالج أصداءها لاستخلاص معلومات عنها وعن حدودها والأجسام المغمورة فيها. وهناك استخدام بديل يُعرف بالسونار السلبي ، والذي يحاول القيام بالمهمة نفسها من خلال الاستماع إلى الأصوات المنبعثة من الأجسام تحت الماء.

تبرز الحاجة إلى القياس عن بُعد الصوتي تحت الماء في تطبيقاتٍ مثل جمع البيانات لرصد البيئة، والتواصل مع المركبات تحت الماء المأهولة وغير المأهولة ، ونقل كلام الغواصين، وغيرها. ومن التطبيقات ذات الصلة التحكم عن بُعد تحت الماء ، حيث يُستخدم القياس عن بُعد الصوتي لتشغيل مفتاح أو إطلاق حدثٍ ما عن بُعد. ومن الأمثلة البارزة على التحكم عن بُعد تحت الماء أجهزة الإطلاق الصوتي ، وهي أجهزة تُستخدم لإعادة حزم الأجهزة أو الحمولات الأخرى التي تم إنزالها في قاع البحر إلى السطح بناءً على أمرٍ عن بُعد عند انتهاء عملية الإنزال. تُشكل الاتصالات الصوتية مجالًا بحثيًا نشطًا ^{[ 52 ] [ 53 ]،} مع وجود تحديات كبيرة يجب التغلب عليها، لا سيما في القنوات الأفقية الضحلة.

بالمقارنة مع الاتصالات اللاسلكية ، ينخفض ​​عرض النطاق الترددي المتاح بشكل كبير. وتؤدي سرعة الصوت المنخفضة إلى امتداد انتشار الموجات المتعددة على فترات تأخير زمنية تتراوح بين عشرات ومئات المللي ثانية، بالإضافة إلى انزياحات دوبلر وانتشار كبيرين. غالبًا ما لا تكون أنظمة الاتصالات الصوتية محدودة بالضوضاء، بل بالصدى والتغيرات الزمنية التي تتجاوز قدرة خوارزميات الاستقبال. ويمكن تحسين دقة روابط الاتصالات تحت الماء بشكل كبير باستخدام مصفوفات الميكروفونات المائية، التي تتيح تقنيات معالجة مثل تشكيل الحزمة التكيفي ودمج التنوع .

يُعدّ الملاحة والتتبع تحت الماء مطلبًا أساسيًا للاستكشاف والعمل الذي يقوم به الغواصون، والمركبات الموجهة عن بُعد ( ROV )، والمركبات الآلية تحت الماء (AUV) ، والغواصات المأهولة ، والغواصات البحرية . على عكس معظم الإشارات اللاسلكية التي تُمتص بسرعة، ينتشر الصوت لمسافات طويلة تحت الماء وبمعدل يمكن قياسه أو تقديره بدقة. ^{[ 54 ]} وبالتالي، يُمكن استخدامه لقياس المسافات بين هدف مُتتبَّع ومحطة مرجعية واحدة أو أكثر بدقة، وتحديد موقع الهدف بدقة تصل أحيانًا إلى سنتيمترات. منذ ستينيات القرن الماضي، أدى ذلك إلى ظهور أنظمة تحديد المواقع الصوتية تحت الماء ، والتي تُستخدم الآن على نطاق واسع.

يتضمن الاستكشاف الزلزالي استخدام الصوت منخفض التردد (أقل من 100  هرتز) لاستكشاف أعماق قاع البحر. ورغم دقة الصوت المنخفضة نسبيًا نظرًا لطول موجاته، إلا أنه يُفضّل لأن الترددات العالية تتلاشى بشدة عند انتقالها عبر قاع البحر. وتشمل مصادر الصوت المستخدمة المدافع الهوائية ، والاهتزازات الزلزالية ، والمتفجرات .

يمكن استخدام أجهزة الاستشعار الصوتية لرصد الصوت الناتج عن الرياح والأمطار . على سبيل المثال، وصف نيستوين مقياس المطر الصوتي . ^{[ 55} ] كما يمكن رصد ضربات البرق. ^{[ 56 ]} وتستخدم تقنية قياس درجة حرارة المحيطات الصوتية (ATOC ⁾ الصوت منخفض التردد لقياس درجة حرارة المحيطات العالمية.

علم المحيطات الصوتي هو استخدام الصوت تحت الماء لدراسة البحر وحدوده ومحتوياته.

بفضل خصائص انتشاره الممتازة، يُستخدم الصوت تحت الماء كأداة مساعدة في دراسة الحياة البحرية، بدءًا من العوالق الدقيقة وصولًا إلى الحوت الأزرق . تُستخدم أجهزة قياس الصدى غالبًا لتوفير بيانات عن وفرة الحياة البحرية وتوزيعها وسلوكها. كما تُستخدم هذه الأجهزة، التي تُعرف أيضًا باسم الصوتيات المائية، لتحديد مواقع الأسماك وكميتها وحجمها وكتلتها الحيوية.

تُستخدم تقنية القياس عن بُعد الصوتية أيضًا لمراقبة الأسماك والحياة البحرية. يُثبّت جهاز إرسال صوتي على السمكة (أحيانًا داخليًا) بينما تستقبل مجموعة من أجهزة الاستقبال المعلومات التي تنقلها الموجة الصوتية. وهذا يمكّن الباحثين من تتبع تحركات الأفراد على نطاق صغير إلى متوسط. ^{[ 63 ]}

يُنتج روبيان المسدس فقاعات تجويف متوهجة صوتيًا تصل إلى 5000 كلفن (4700 درجة مئوية) ^{[ 64 ].}  

النيوترينو جسيم أساسي يتفاعل بشكل ضعيف للغاية مع المادة الأخرى. ولهذا السبب، يتطلب الأمر أجهزة كشف واسعة النطاق، ويُستخدم المحيط أحيانًا لهذا الغرض. وعلى وجه الخصوص، يُعتقد أنه يمكن الكشف عن النيوترينوات فائقة الطاقة في مياه البحر صوتيًا. ^{[ 65 ]}

وتشمل التطبيقات الأخرى ما يلي:

• قياس معدل هطول الأمطار
• قياسات سرعة الرياح
• قياس درجة الحرارة العالمي
• رصد تبادل الغازات بين المحيط والغلاف الجوي
• نظام استشعار مصفوفة مقطور للمراقبة
• جهاز قياس سرعة التيار بتقنية دوبلر الصوتية لقياس سرعة الماء
• كاميرا صوتية
• صوت سائل
• المراقبة الصوتية السلبية

• غاريسون، توم س. (1 أغسطس 2012). أساسيات علم المحيطات . سينغيج ليرنينغ. ISBN 978-0-8400-6155-3.
• كونزيج ، روبرت (17 أكتوبر 2000). رسم خرائط الأعماق: القصة الاستثنائية لعلوم المحيطات . دبليو دبليو نورتون وشركاه. رقم ISBN 978-0-393-34535-3.
• ستيوارت، روبرت هـ. (سبتمبر 2009). مقدمة في علم المحيطات الفيزيائي . مطبعة جامعة فلوريدا. ISBN 978-1-61610-045-2.