Почему звук в воде кажется тише?

Каждый, кто нырял в воду, наверняка, замечал, что звуки под водой становится тише. Крики с берега почти не слышно, речь неразборчива, а звуки вокруг приглушённые. Однако, с точки зрения физики, звук в воде распространяется лучше, чем в воздухе. Так почему же под водой звуки кажутся тише?

Что такое звук

Звук — это механические колебания, которые распространяются в среде: воздухе, воде, твёрдом теле или плазме.

Когда объект (например, голосовые связки или струна) вибрирует, он сжимает окружающую среду, создаёт волны давления и эти волны доходят до наших ушей. Без среды нет звука, поэтому в космосе абсолютная «тишина».

Как звук распространяется в воздухе

В воздухе, при температуре 20 °C, звук движется со скоростью примерно 343 м/с. Слух человека эволюционно «настроен» именно на эту среду: ушная раковина улавливает звук, барабанная перепонка начинает колебаться и эти колебания передаются во внутреннее ухо. Вся система оптимизирована для нахождения в газовой, а не в жидкой среде.

Что происходит со звуком в воде

Физические свойства воды делают её отличным проводником звука: скорость звука — около 1480−1500 м/с, плотность почти в 800 раз выше, чем у воздуха, частицы расположены ближе друг к другу. Это означает, что колебания передаются быстрее и эффективнее. Именно поэтому киты могут общаться на расстоянии в сотни километров друг от друга, а подводные лодки используют звук для навигации.

Скорость звука в воде подтверждена океанографическими измерениями (например, данные NOAA — National Oceanic and Atmospheric Administration). Она зависит от температуры, солёности и давления и подробно описана в гидроакустике.

Тогда почему под водой «тихо»?

Звук не становится слабее в воде, просто человеческое ухо хуже его слышит. Эта проблема не касается морских животных. Например, у китов и дельфинов адаптированы органы слуха и они используют звук как основной способ общения.

1. Плохой переход звука из воздуха в воду

Звук с берега или с поверхности воды плохо проходит границу между разными по свойствам средами: газовой и водной. Когда звуковая волна доходит до воды, большая часть энергии отражается и только малая часть «входит» в воду.

2. Обратный переход звука из воды в воздух

В ухе есть воздух и когда звук идёт из воды к уху большая часть энергии также отражается на границе вода-воздух и только небольшая часть проходит внутрь. Из-за разницы акустического сопротивления (импеданса) между водой и воздухом отражается до 99,9% энергии звука.

3. Барабанная перепонка в воде работает хуже

В воде давление действует равномерно, поэтому перепонка почти не колеблется, а значит сигнал до внутреннего уха доходит хуже.

4. Потеря направленности

В воздухе мозг определяет направление по разнице во времени прихода звука и разнице в громкости между ушами. В воде звук приходит почти одновременно и распространяется быстрее, поэтому всё звучит «размыто».

5. Костная проводимость

Под водой звук частично доходит до внутреннего уха через кости черепа. Это даёт ощущение, что звук есть, но он глухой и неясный.

Гидрофоны и измерение звука под водой

Гидрофон — это подводный микрофон, разработанный специально для работы в воде. Он улавливает колебания давления напрямую, не зависит от воздушной среды, способен фиксировать очень слабые сигналы. Используется в океанографии, военных системах (сонар), изучении китов и дельфинов, мониторинге шума судов, творческой звукозаписи.
Гидрофоны применяются в научных сетях, таких как SOSUS (Sound Surveillance System), и в исследованиях морской акустики.

Как измеряют звук в воде

Нельзя напрямую сравнивать «громкость» в воде и воздухе, потому что в воде используется другая шкала измерения. В воздухе: 0 дБ соответствует звуковому давлению 20 микропаскалей (20 мкПа), а в воде 1 мкПа.

Пример:

разговор человека в воздушной среде: ~60 dB
звук корабля под водой: может быть >180 dB (в водной шкале)

Но это не значит, что корабль «оглушает», как если бы он был на суше, потому что эти звуки измеряют с помощью разных шкал.

Пара любопытных фактов:

Разговаривать под водой почти невозможно, дайверы, например, общаются с помощью жестов
Удары и стук слышны в воде лучше, чем речь
Определить источник звука в воде сложнее, чем на воздухе
В кинематографе звук под водой, также как и в космосе, нереалистичен и часто искажается ради достижения определенного эффекта.

Звук под водой не становится тише в физическом смысле. Наоборот — звук там распространяется быстрее и эффективнее. Но человеческий слух настроен на воздух, поэтому мир в воде кажется тише.