Какова будет дальность связи подводного вида?

TL;DR: Обычный разговор на глубине 1 км будет проходить около 2 км в воде. Самый громкий крик, который может издать человек, пронесется примерно на 3,14 км.

Есть много факторов, которые затрудняют расчет расстояния, на которое распространяется звук, самые важные из которых — давление и температура. Чем ниже температура, тем меньше расстояние распространяется звук, чем выше давление, тем дальше он распространяется.

Вычисление расстояния, на которое проходит звук, затруднено, поскольку известны не все переменные. Но принцип потери громкости звуком на расстоянии называется поглощением . Звук также теряет энергию по мере распространения. Суммарные потери энергии этих двух факторов называются потерями при передаче. В зависимости от химических веществ в воде на разных расстояниях теряется разное количество звука.

Чтобы сделать некоторую математику, пытаясь получить средние значения. Единицей звуковой энергии является дБ. Обычный разговор имеет мощность 60 дБ . В воде звук сильнее, поэтому мы добавляем 62 ко всем значениям звука в дБ. Это означает, что обычный разговор под водой имеет эффективную мощность около 122 дБ. Нормальная частота голоса варьируется, но типичная частота составляет около 170 Гц . Примерно на этой частоте в большинстве океанов скорость поглощения составляет около 0,06 дБ/км . Итак, мы видим, что скорость поглощения незначительна (хотя она будет включена в приведенные ниже расчеты). Но это означает, что частоты мало влияют на расстояние, которое проходит звук.

Звук также теряет энергию по мере распространения. Звук распространяется двумя способами: сферически и цилиндрически. Когда вода достаточно глубокая, она распространяется сферически, но когда вода более мелкая, она распространяется цилиндрически. Это происходит потому, что звук отражается от поверхности воды и дна океана. Таким образом, в то время как часть энергии теряется, когда звук отражается, больше энергии теряется, когда он полностью уходит в сферу. Таким образом, звук распространяется примерно в два раза дальше при использовании цилиндрической формы. Звук распространяется в цилиндре, когда звук не затухает до того, как он достигает поверхности воды (то есть он отражается от поверхности). Можно рассчитать величину, на которую разбавляется расстояние между звуками на заданном расстоянии. Формула для потерь здесь: TL = 20 Log(R). TL обозначает потери при передаче, а R обозначает дальность/радиус сферы. Поскольку дБ - это логарифмическая шкала, мы можем напрямую перевести ее в единицы дБ. Таким образом, на расстоянии 1 км получается 60 дБ, что идеально соответствует громкости человеческого разговора.

Таким образом, общие потери при передаче составляют 60 дБ/км + коэффициент поглощения, который составляет 0,06 дБ/км, что составляет 60,06 дБ/км.

Обычно порог слышимости человека составляет 0 дБ. Таким образом, используя данные, рассчитанные выше, звук обычного человеческого разговора (если бы его можно было каким-то образом передать с той же силой под водой) прошел бы около 2,03 км.

Википедия говорит, что самый громкий зарегистрированный крик был 129 дБ , что составляет 191 дБ в воде. Таким образом, используя приведенные выше расчеты, на глубине 1 км крик прошел бы около 3,18 км. Обратите внимание, что это достаточно высокая громкость, чтобы повредить человеческие уши, поэтому подводные существа должны быть в состоянии справиться с большей громкостью или говорить тише.

Есть одно явление , которое позволяет звуку распространяться на гораздо большие расстояния. Это особенно заметно по звукам, издаваемым китами, и позволяет им общаться на очень больших расстояниях. Когда звук проходит через воду, он замедляется, заставляя его преломляться вниз. Вода внизу становится все холоднее, поэтому звук замедляется и преломляется. В определенный момент вода перестает остывать, но давление продолжает расти. Когда давление становится выше, звук ускоряется. Это заставляет звук преломляться вверх. Затем он преломляется обратно вниз, когда возвращается в области, где температура воды замедляется. Это преломление вверх и вниз позволяет звуку проходить очень большое расстояние, не теряя при этом много энергии.

Резюме

Таким образом, есть много факторов, влияющих на расстояние распространения звука, самым большим из которых является давление. При стандартном давлении, используемом учеными, звук обычного человеческого разговора будет распространяться примерно на 2 км. Но на определенных глубинах звук действительно распространяется на очень большое расстояние. Именно это явление позволяет китам общаться на расстоянии в тысячи километров. В меньшей степени это могло бы работать и для человеческих голосов, если бы не было слишком много людей.

И, наконец, я хотел бы сказать, что эти данные не являются надежными. Нет простого способа вычислить точные значения, поэтому эти значения не являются точными.

Ссылки и примечания:

На этом сайте есть несколько очень хороших графиков, показывающих скорость поглощения . На этом сайте я получил звуковые значения и коэффициенты преобразования из дБ воздуха в дБ воды . К сожалению, авторские права не позволяют мне повторно размещать их здесь. Для получения информации о полной математике, которую я сделал, чтобы получить базовый TL для распространения, см. этот сайт . Информация о частоте голоса была взята из Википедии , как и информация о криках . Спасибо Ириги за указание на некоторые ошибки в моих первых набросках.

Может быть, это далеко не так, но что, эй.

Я не думаю, что вы получите очень «человеческую» речь от расы, развившей язык под водой. Люди вписываются в странную категорию, где наша слуховая «система» развилась от водных существ (то же самое и с нашим зрением), вполне вероятно, от ранних рыб… однако сам наш язык развился в более современные времена, когда млекопитающие свободно бродили по земле. Таким образом, наш вокал стал напрямую привязан к среде (воздуху), в которой мы говорили, а не к воде, из которой исходит наш слух.

Виды, оставшиеся под водой, не имели бы атрибута «вокал, связанный с воздухом», и, вполне вероятно, развили бы речь, напрямую связанную с водой как средой. Знаете ли вы о «тональных» языках? Это чуждое понятие для носителя английского языка (за исключением нескольких редких примеров... перегиб вверх в конце предложения, например, будет обозначать возможный вопрос), но для людей, привыкших его обнаруживать, эти тона значат не меньше. как буквы. Мандарин содержит падеж «ма» (это противоположность проблем с рисом / вшами, которые у них есть) ... слово «ма» имеет 4 разных значения ... «мать», «ругать», «лошадь», «конопля». ». Разница между этими 4 терминами полностью тональна.

В случае с подводными видами в английском языке есть несколько звуков, которые были бы практически бесполезны. Произнесите звук «р», а затем звук «ф» ... оба эти звука представляют собой дуновение воздуха, когда губы соприкасаются для «р» и не касаются для «f» (в индонезийских языках этого различия нет). То же самое и с r против l (скажем, Эрл Фуллер, чтобы понять разницу в положении языка) ... th против d - это просто движение языка от верхней части нёба к задней части зубов (движение языка). отсутствие французского приводит к тому, что они говорят dis и den.Английскому языку не хватает французского оригинального звука, что похоже на то, как вы говорите oooo, когда ваш рот находится в улыбающейся форме eee).

Это ограничение звуков, издаваемых ртом, неэффективно под водой, могло бы во многом ограничить язык с точки зрения звуков, которые можно было бы эффективно передать. Это делает тональный характер подводного языка гораздо более подходящим для замены букв, которые они не могут использовать в подводном смысле (также будут создаваться языки, которые звучат немного больше как песня китов, чем человеческий язык). .почти свистящий язык, где изменение высоты звука буквы означает столько же для значения слова, которое они произносят, сколько само слово).

Это очень длинный способ сказать, что английский язык под водой имеет эффективный диапазон только в добрых 5-10 футов, прежде чем все начнет теряться, и большинство звуков, от которых мы зависим при определении слов, почти невозможно понять. эффективно общаться. Водные виды, которые развились сами по себе, с гораздо большей вероятностью имели бы свой собственный «песенный» язык, который мог бы иметь дальность общения значительно превышающую несколько километров, если бы они намеренно издавали звук для дальних путешествий (например, крик)

Обычно низкие частоты распространяются дальше, но несут меньше информации за заданный промежуток времени. В результате у вас есть компромисс между этими двумя конкурирующими требованиями. Кроме того, низкочастотный шум обычно требует, чтобы существо, производящее шум, было больше (хотя есть способы обойти это в определенной степени с помощью специально приспособленных органов).

Вода передает звук намного эффективнее, чем воздух. В воздухе скорость звука 342 м/с, в воде 1484 м/с. Что касается потери громкости, низкочастотный звук поглощается очень слабо (одна из причин, по которой он так долго распространяется), но при этом он все равно распространяется и становится тише. Водно-воздушный барьер действует как почти идеальный отражатель, поэтому он имеет тенденцию уменьшать некоторые потери, но может создавать эхо и подобные помехи.

Эта статья в Википедии может быть вам полезна, поскольку она посвящена подводной акустике . В частности, есть несколько разделов о распространении звука под водой.

Эхолокация дельфинов работает на максимальной дальности около 200 м . Это на немного более высокой частоте (от 40 до 130 кГц). Кроме того, это 200 м туда и обратно, то есть 400 м в одну сторону, и достаточно точно, чтобы нацелиться на что-то размером в пару дюймов. Для общего пения или крика я думаю, что что-то в районе 1 км звучит разумно.

Поглощение звука на самом деле очень минимальная вещь. Большая проблема - потери дальности. Звуковая мощность падает на диапазон ^ 2 по мере распространения наружу, и это ограничивает большую часть звука. Низкие частоты общения китов ДЕЙСТВИТЕЛЬНО помогают (частота действительно имеет значение), но более важным фактором для общения китов является то, что они используют Глубоководный канал, который злоупотребляет градиентами давления для создания «волновода», который не дает звуку подниматься вверх. или вниз. Это снижает эти затраты на распространение до просто диапазона, а не диапазона ^ 2.

Большим ограничением является ваше требование, чтобы они поддерживали «нормальный» разговор. Любая акустическая среда может быть смоделирована как зашумленный канал связи, где имеет значение «отношение сигнал/шум». Даже киты имеют ограниченное общение в районах, где шум прибоя слишком шумный. Кроме того, чем выше информативность, тем более качественным должен быть канал.

Подумайте о том, чтобы сделать общение более направленным. Если подумать, то «крик» за океаном слышен всем. Если тысячи и тысячи существ «кричат» одновременно, они заглушат друг друга.

Вполне вероятно, что подводное существо с полностью оптимизированной низкочастотной, дальнобойной системой связи, такой как кит, может развить совершенно отдельную наземную систему связи. Возможно, дыхало, похожее на дельфина, которое служило какой-то симбиотической цели, например, призывало птиц очистить засоренную нору, или использовалось в качестве игрового зова, чтобы заманить наземных животных близко к кромке воды, чтобы они их съели. Низкочастотная система может быть беззвучной, вызванной дрожью всего тела. Система воздушной связи с более высокой частотой, хотя изначально она развивалась как биомимикрия, в дальнейшем могла быть естественным или искусственным образом выбрана в качестве больных животных, которые издавали звуки, понятные людям, с большей вероятностью получавшие антибиотики или другое лечение.

Искусственный отбор — это когда люди предпочитают разводить животных с определенными чертами, которые им нравятся, несмотря на то, что они потенциально вредны для животного. т.е. падающие в обморок козы, собаки с такой короткой мордой, что они не могут нормально дышать, немецкие доги и сенбернары, настолько большие, что у них проблемы с сердцем. Кажется, что такой процесс, возможно, должен сыграть здесь большую роль.