Τηλεπισκόπηση στο Θαλάσσιο Περιβάλλον Ενότητα 2β: Το Ταξίδι του Ήχου κάτω από το Νερό Γιώργος Παπαθεοδώρου Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Γεωλογίας

Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα CC BY-NC-ND 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] Σύμφωνα με αυτήν την άδεια ο δικαιούχος σας δίνει το δικαίωμα να: Μοιραστείτε — αντιγράψετε και αναδιανέμετε το υλικό Υπό τους ακόλουθους όρους: Αναφορά Δημιουργού — Θα πρέπει να καταχωρίσετε αναφορά στο δημιουργό, με σύνδεσμο της άδειας Μη εμπορική χρήση — Δεν μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το υλικό για εμπορικούς σκοπούς Μη παράγωγα έργα — Μπορείτε να αναδιανείμετε το υλικό ως έχει, χωρίς να προβείτε σε αλλαγές (ανάμιξη, τροποποίηση)

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στo πλαίσιo του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

Σκοποί ενότητας Εισαγωγή στις βασικές αρχές τις κυματικής Επεξήγηση του τρόπου διάδοσης των ηχητικών κυμάτων στο νερό Ανάλυση των φαινομένων της ανάκλασης και της συμβολής των κυμάτων Εφαρμογή των ηχητικών κυμάτων στην εύρεση του βάθους (Βυθόμετρα) 4

Περιεχόμενα ενότητας  Ποιες είναι οι κατηγορίες κυμάτων.  Βασικές αρχές των ηχητικών κυμάτων στον νερό (πλάτος, μήκος, συχνότητα, ταχύτητα, ένταση).  Τα φαινόμενα της ανάκλασης και της συμβολής των ηχητικών κυμάτων στο νερό.  Το βυθόμετρο και ο τρόπος λειτουργίας του. 5

Γιατί όχι το Φως 6 Η ενέργεια του φωτός απορροφάται από το θαλάσσιο περιβάλλον με αποτέλεσμα να φτάνει μέχρι το βάθος των 40 μέτρων στις βέλτιστες συνθήκες (ηλιοφάνεια, διαυγή νερά, νηνεμία) δημιουργώντας την ευφωτική ζώνη.

Εγκάρσια και Επιμήκη κύματα Εγκάρσια Η διατάραξη είναι κάθετη με την διεύθυνση διάδοσης του κύματος Επιμήκη η διατάραξη είναι παράλληλη με την διεύθυνση διάδοσης του κύματος 7 κίνηση χεριού διεύθυνση διάδοσης του κύματος κίνηση χεριού πύκνωμα αραίωμα

Τα θαλάσσια κύματα 8 Τα θαλάσσια κύματα μεταφέρουν ενέργεια, δεν μεταφέρουν μόρια νερού από θέση σε θέση. Είναι μερικώς εγκάρσια και μερικώς επιμήκη. Φώτο: Σ. Κορδέλλα, 2010

Ηχητικά κύματα 9 from French, “Vibrations and Waves,” Norton, c

Πως λειτούργει μία πηγή ήχου στο νερό? 10 1 cycle/s 1Hz Για υψηλότερες συχνότητες ?

Φαινόμενο Πιεζοηλεκτρισμού Πιεζοηλεκτρικό Υλικό Πιεζοηλεκτρικό Υλικό Δύναμη Εμφάνιση Ηλεκτρικού Δυναμικού σε συγκεκριμένες επιφάνειες με την άσκηση μηχανικής πίεσης. Όταν εφαρμόζεται ηλεκτρικό πεδίο σε μία από τις δύο επιφάνειες, ο κρύσταλλος υπόκειται μηχανική παραμόρφωση.

Κυματομορφή 12 Μια παλλόμενη επιφάνεια προκαλεί πυκνώσεις και αραιώσεις. μόρια αέρα

Πλάτος, Μήκος, Περίοδος Το πλάτος Α είναι η μέγιστη μετατόπιση Το μήκος κύματος λ είναι η απόσταση από δύο κορυφές ή κοιλίες Η περίοδος Τ είναι ο χρόνος που χρειάζεται για να περάσει από ένα σημείο ένα μήκος κύματος 13 λ Απόσταση αδιατάρακτη θέση (α) Σε συγκεκριμένη χρονική στιγμή T (α) Σε συγκεκριμένη θέση Χρόνος

Ταχύτητα του ήχου Η ταχύτητα του ήχου ορίζεται ως το πηλίκο του μήκους κύματος προς την περίοδο U=λ/Τ=f*λ 14 1 η πειραματική μέτρηση της ταχύτητας του ήχου κάτω από το νερό:Jean-Daniel Colladon & Charles-Francois Sturm(1826). Σχέσεις/Τύποι f = U / λ Τ = 1 / f f = 1 / T

Ταχύτητα Η ταχύτητα του ήχου στο θαλασσινό νερό ελέγχεται από τον τύπο: Όπου: c = ταχύτητα (m/s) T = θερμοκρασία( o C) S = αλατότητα(ppt) z = βάθος (m) 15

16

Συχνότητα 17 Η συχνότητα f (Hz) περιγράφει τον αριθμό τον μήκων κύματος που εκπέμπονται στην μονάδα του χρόνου.

Πλάτος Κύματος 18 Το πλάτος Α(m) ορίζει την μέγιστη μετατόπιση

Ένταση ηχητικών κυμάτων Το ποσό της ενέργειας που περνάει ανά μονάδα επιφανείας και χρόνου. Το ποσό της ενέργειας που περνάει ανά μονάδα επιφανείας και χρόνου. I= P/A I= P/A P=ενέργεια (watts) P=ενέργεια (watts) A = επιφάνεια (m 2 ) A = επιφάνεια (m 2 ) I = ένταση (W / m 2 ) I = ένταση (W / m 2 ) Αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της απόστασης από την ηχητική πηγή. Αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της απόστασης από την ηχητική πηγή. 19

Ανάκλαση 20 Το φαινόμενο της Ανάκλασης περιγράφει την αλλαγή της διεύθυνσης διάδοσης ενός κύματος, μέσα στο ίδιο μέσο, όταν αυτό προσκρούσει σε μία διαχωριστική επιφάνεια. 1. Η προσπίπτουσα, η ανακλώμενη ακτίνα και η κάθετη ευθεία επάνω στον καθρέφτη βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο 2 Η γωνία της προσπίπτουσας είναι ίση με τη γωνία της ανάκλασης (Θi = Θr)

Διάθλαση 21 Κατά το φαινόμενο της Διάθλασης συμβαίνει η εκτροπή της ευθύγραμμης τροχιάς διάδωσης ενός κύματος όταν αυτό διέρχεται από ένα διαπεράτό μέσο σε ένα άλλο (Αέρας –Νερό ή Νερό- Ιζήματα) Η σχέση που συνδέει τη γωνία πρόσπτωσης με τη γωνία διάθλασης, ως προς την κάθετο, στη διαχωριστική επιφάνεια είναι γνωστή ως "Νόμος του Σνελ".γωνίαΝόμος του Σνελ Στην περίπτωση που κύματα διερχόμενα από ένα μέσον πέσουν κάθετα στην επιφάνεια του άλλου, τότε η γωνία πρόσπτωσης είναι μηδενική με αποτέλεσμα και η γωνία διάθλασης να είναι και αυτή μηδενική n1sinθ1 = n2sinθ2

Συμβολή 22 Ως Συμβολή ορίζεται το φαινόμενο κατα το οποίο δύο κύματα που προέρχονται από δύο σύμφωνες πηγές διαδίδονται στην ίδια περιοχή του μέσου. Ενισχυτική συμβολή συμβαίνει όταν τα δύο κύματα έχουν διαφορά φάσης ίση με 2π ή ακέραιο πολλαπλάσιο αυτού Καταστρεπτική συμβολή συμβαίνει όταν η διαφορά φάσης των δύο κυμάτων είναι περιττό πολλαπλάσιο του π

Βυθόμετρο Το βυθόμετρο πρόκειται για ένα ηχοβολιστικό μηχάνημα που με βάση το φαινόμενο της Ανάκλασης μας δίνει την δυνατότητα να βρούμε το βάθος μιας περιοχής Το βάθος υπολογίζεται με βάση τον τύπο: D=U(t/2) όπου D είναι η απόσταση ή το βάθος στην συγκριμένη περίπτωση, U η ταχύτητα του ήχου ( 1500 m/s στο νερό) και t ο χρόνος που χρειάστηκε το κύμα από την στιγμή της εκπομπής του μέχρι και την επιστροφή του, γι’ αυτό διαιρείται με το 2. 23

Ιστορική Αναδρομη Πρότερα της ανακάλυψης των ηχητικών βυθομέτρων η βυθομέτρηση γινόταν με την μέθοδο της βολιδοσκόπησης ή του σκαντάγιου Η μέθοδος αυτή στηρίζονταν στην ρίψη μίας ορειχάλκινης βολίδας η οποία ήταν δεμένη σε ένα σχοινί που με βάση αυτό βρίσκονταν το βάθος 24

Τύποι βυθομέτρων Για τα ρηχά νερά (<300m) χρησιμοποιούνται βυθόμετρα μεγάλης συχνότητας kHz που έχουν την δυνατότητα να σχηματίσουν μικρή κωνική δέσμη επιταχύνοντας μεγαλύτερη ακρίβεια Για βαθειά νερά (>300m) χρησιμοποιούνται βυθόμετρα μικρής συχνότητας 10-30kHz που έχουν αρκετή ενέργεια ώστε να φτάσει το κύμα στα βάθη αυτά 300 kHz1000 mΌλη η ενέργεια 40 kHz 5 kHz 1000 m30 % 8%

Σημείωμα Αναφοράς Copyright, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Γεωλογίας, Γιώργος Παπαθεοδώρου. «Τηλεπισκόπηση στο Θαλάσσιο Περιβάλλον». Έκδοση: 1.0. Πάτρα Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση:

Αναφορές Τα σχήματα και οι πίνακες χωρίς αναφορές έχουν δημιουργηθεί από τους διδάσκοντες του μαθήματος, την ερευνητική ομάδα του Εργαστηρίου Θαλάσσιας Γεωλογίας και Φυσικής Ωκεανογραφίας, Τμ. Γεωλογίας, Παν. Πατρών και την Τμηματική Ομάδα Εργασίας και διατίθενται με την άδεια CC BYNC-ΝD 4.0. Οι φωτογραφίες της παρουσίασης (χωρίς αναφορές) προέρχονται από προσωπικό αρχείο του διδάσκοντα και του Εργαστηρίου Θαλάσσιας Γεωλογίας και Φυσικής Ωκεανογραφίας, Τμ. Γεωλογίας, Παν. Πατρών και διατίθενται με την άδεια CC BY-NC-ΝD 4.0. Φωτογραφία στην διαφάνεια 9 Πηγή: Φωτογραφίες στις διαφάνειες 20 έως 22 Πηγή: