הצגת המקור של הדף "אקוסטיקה תת-מימית"

[[קובץ:SCM4 fig11.jpg|ממוזער|שמאל|פלט של מודל ממוחשב להתפשטות אקוסטית מתחת למים בסביבת אוקיינוס פשוטה.]]
{{רשימת מדיה|כותרת=שידורי סונאר|יישור=שמאל}}
{{פריט מדיה|
שם=Sonar pings.ogg|
כותרת=אותות סונאר|
תיאור=[[סונאר#סונאר אקטיבי|סונאר אקטיבי]] השולח 2 אותות אקוסטיים בהפרש של [[שנייה]] אחת ביניהם.}}
{{סוף רשימת מדיה}}
'''אקוסטיקה תת-מימית''' או '''הידרו-אקוסטיקה''' היא ענף בתחום ה[[אקוסטיקה]] שעוסק בחקר התפשטות [[קול]] ב[[מים]] ובאינטראקציה בין [[אקוסטיקה#גלי קול - גל מכני|הגלים המכניים]] העוברים ב[[תווך|תווך המימי]] לבין גבולותיו - פני המים, קרקעיתם, גדות, ועצמים השקועים במים.

אקוסטיקה תת-מימית עוסקת במים של [[אוקיינוס]]ים, [[ים|ימים]], [[אגם|אגמים]] ו[[בריכה|בריכות]]. תחום [[תדר (קול)|התדרים]] האופייני לתחום האקוסטיקה התת-מימית הוא בין 10 [[הרץ]] ל-1 מגהרץ (<math>10Hz<f<1MHz</math>). מעבר לגבולות תחום תדר זה, דהיינו בתדרים הקטנים מ-10 הרץ או בתדרים הגדולים מ-1 מגהרץ גל הקול אינו מתקדם אלא נבלע. הסיבות לכך שונות בגבולות השונים:
* עבור <math>f<10Hz</math> - אורך הגל גדול מאוד יחסית לתדרים הנמוכים מתדר זה ולכן הסבירות שגל הקול יפגע תוך כדי מסלולו בקרקעית הים גבוהה. כל פגיעה כזו ב[[קרקעית הים]] מנחיתה באופן משמעותי את עוצמת הקול עד לבליעתו.
* עבור <math>f>1MHz</math> - אורך הגל קטן מאוד יחסית לתדרים הגבוהים מתדר זה ולכן עוצמת הקול יורדת מהר יותר כפונקציה של המרחק עד לבליעתו של הקול בתווך הימי.

תחום האקוסטיקה התת-מימית קשור באופן הדוק למספר תחומים נוספים של חקר האקוסטיקה: [[סונאר]], [[מתמר]]ים, [[עיבוד אותות קול]], [[אוקיינוגרפיה|אוקיינוגרפיה אקוסטית]], [[ביואקוסטיקה]] ו[[אקוסטיקה פיזיקלית]].

== היסטוריה ==
=== צעדים ראשונים ===
צעדים ראשונים במחקר המדעי של התחום נרשמו החל מסוף [[ימי הביניים]] ועד אמצע [[העת החדשה]]:
* ב-[[1490]] כתב [[לאונרדו דה וינצ'י]]:{{הערה|{{צ-ספר|מחבר=Leonardo da Vinci|שם=Codex Forster|מו"ל=None|שנת הוצאה=[[1487]]-[[1490]]|קישור=http://www.universalleonardo.org/trail.php?trail=541&work=482}}}}
{{ציטוט|תוכן="אם אתה גורם לספינה שלך לעצור, ממקם את ראשו של צינור ארוך במים, ומצמיד את זנבו לאוזנך, תוכל לשמוע ספינות הנמצאות במרחק גדול ממך"}}
* ב-[[1687]] כתב [[אייזק ניוטון]] את ספרו "'''[[עקרונות מתמטיים של פילוסופיית הטבע]]'''" אשר כלל מודל מתמטי ראשוני להתפשטות גלי קול.
* ב-[[1826]] השתמשו [[ג'ין דניאל קולדון]] השווייצרי ו[[שארל שטורם]] הצרפתי ב[[קרן יער|קרן תת-מימית]] כדי למדוד את הזמן שחלף בין הבזק של אור לבין קול שנבעו שניהם כאחד מפעמון של ספינה שקועה ב[[אגם ז'נבה]].{{הערה|{{צ-מאמר|מחבר=C. S. Clay & H. Medwin|שם=Acoustical Oceanography|כתב עת=Journal of Sound and Vibration|כרך=60, pp. 615-616|סדרה=4|שנת הוצאה=[[1977]]|קישור=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022460X78801047}}}} הם סיפקו את המדידה הכמותית הראשונה אי פעם של מהירות הקול במים - 1,435 [[מטר לשנייה]] על פני מרחק של 17 [[ק"מ]].{{הערה|{{צ-מאמר|מחבר=S.Sturm, D.Colladon|שם=Mémoire sur la Compression des liquides|כתב עת=Annales de Chimie et de Physique|כרך=3, p.236|סדרה=36|שנת הוצאה=[[1827]]|קישור=http://www.chapitre.com/CHAPITRE/fr/BOOK/gay-lussac-arago-pouillet-jean-daniel-colladon-charles-sturm-poisson-kupffer-fel/annales-de-chimie-et-de-physique-1827-volume-3-tome-trente-sixieme-tome-36-tome,54089908.aspx}}}} התוצאה שקיבלו הייתה בטווח שגיאה של 2% מהערכים המקובלים במאה ה-21.
* ב-[[1877]] כתב ה[[לורד ריילי]] את ספרו "'''[[התאוריה של הקול]]'''", וייסד את התאוריה האקוסטית המודרנית.

=== התפתחות המחקר ===
טביעת [[הטיטניק]] ב-1912 ופרוץ [[מלחמת העולם הראשונה]] היוו תמריץ לגל הבא בהתפתחות התחום:{{הערה|{{צ-מאמר|מחבר=A. B. Wood|שם=From the Board of Invention and Research to the Royal Naval Scientific Service|כתב עת=Journal of the Royal Naval Scientific Service|כרך=20, pp. 1-100 (185-284)|סדרה=4|שנת הוצאה=[[1965]]|קישור=https://scripps.ucsd.edu/labs/buckingham/wp-content/uploads/sites/60/2015/06/1965ABWood.pdf}}}}
* במסגרת בניית והרחבת ציי [[צוללת|צוללות]], פותחו ה[[סונאר#סונאר אקטיבי|סונאר האקטיבי]] וה[[סונאר#סונאר פאסיבי|סונאר הפאסיבי]].
* פותחו ה[[מוקש ימי#מוקשים אקוסטיים|מוקשים הימיים האקוסטיים]].
* פותחו מערכות לגילוי [[קרחון|קרחונים]] ו[[צוללת|צוללות]].
* פותחו פטנטים להתמצאות במרחב באמצעות [[תהודה]].
<gallery widths="150px" heights="150px" perrow="3" mode="packed">
קובץ:HMS C38.jpg|[[צוללת]] [[הממלכה המאוחדת|בריטית]] מ"דגם C" מתקופת [[מלחמת העולם הראשונה]]
קובץ:U9Submarine.jpg|הצוללת ה[[גרמניה|גרמנית]] SM U-9, אשר הטביעה שלוש [[סיירת (אונייה)|סיירות]] [[הממלכה המאוחדת|בריטית]] בתוך פחות משעה ב[[מלחמת העולם הראשונה]] ([[ספטמבר]] [[1914]])
קובץ:Structure of Naval mine.JPG|חתך של [[מוקש ימי]]
</gallery>

ב-[[1919]] פורסם המאמר המדעי הראשון על אקוסטיקה תת-מימית,{{הערה|{{צ-מאמר|מחבר=H. Lichte|שם=On the influence of horizontal temperature layers in sea water on the range of underwater sound signals|כתב עת=Physikalische Zeitschrift|כרך=17, p. 385|שנת הוצאה=[[1919]]|קישור=http://darchive.mblwhoilibrary.org/bitstream/handle/1912/3021/LICHTE.pdf?sequence=1&isAllowed=y}}}} המתאר תאורטית את [[שבירה|שבירת גלי הקול]] המושפעת מה[[טמפרטורה]] ומה[[מליחות (ריכוז מלח)|מליחות]]. תחזיות מרחק התפשטות גלי הקול שהוצגו במאמר אושרו אמפירית במדידות [[אקוסטיקה תת-מימית#הפסדי המעבר (TL - Transmission Losses)|הפסדי המעבר]].

בשני העשורים הבאים פותחו מספר יישומים:
* ב[[שנות ה-20 של המאה ה-20|שנות ה-20]] פותח [[מד עומק|מד העומק]] לשימוש מסחרי.
* ב[[שנות ה-30 של המאה ה-20|שנות ה-30]] פותחו [[מתמר]]ים [[פיאזואלקטריות|פיאזואלקטריים]].

<gallery widths="150px" heights="150px" perrow="3" mode="packed">
קובץ:Principle of SBES.svg|[[דיאגרמה]] המראה את עקרון הפעולה של מד עומק {{אנ|Echo sounding}}
קובץ:Hydrophone.jpg|[[צילום]] של [[מתמר]] [[פיאזואלקטריות|פיאזואלקטרי]] ([[הידרופון]]) פשוט.
</gallery>

יישומים אלה שימשו היטב במהלך [[מלחמת העולם השנייה]] במערכות ה[[סונאר]] ב[[צוללת|צוללות]] וב[[פריגטה#פריגטות ללוחמה נגד צוללות|ספינות נגד צוללות (ספינות נצ"ל)]].
<gallery widths="150px" heights="150px" perrow="3" mode="packed">
קובץ:HMS Swale K217.jpg|[[אה"מ]] "סוייל" (HMS Swale), [[פריגטה]] [[הממלכה המאוחדת|בריטית]] [[הפריגטות מסדרת ריבר|מסדרת ריבר]], אשר הטביעה שתי [[צוללת|צוללות]] [[גרמניה|גרמניות]] ב[[מלחמת העולם השנייה]].
קובץ:Mk VII depth charge.jpg|טעינת [[פצצת עומק|פצצות עומק]], על סיפון ספינת ה[[לוחמה נגד צוללות|נצ"ל]] [[אוניית הוד מלכותה|אה"מ]] "דיאנטוס" במהלך [[מלחמת העולם השנייה]] ([[אוגוסט]] [[1942]]).
קובץ:Torpedoed_merchant_ship.jpg|צוללת מפגיזה אוניית סוחר שנפגעה מ[[טורפדו]]
</gallery>

בזמן [[המלחמה הקרה]], כחלק מ[[מרוץ חימוש|מרוץ החימוש]] בין [[מעצמת-על|המעצמות]], פותחו ושוכללו מערכות אקוסטיות רבות כגון מערכות ה[[סונאר]] וה[[טורפדו]] ונבנו [[צוללת גרעינית|צוללות גרעיניות]]. הדבר הביא להתקדמות רבה בהבנה התאורטית של האקוסטיקה התת-מימית ובמעבר להפעלת המערכות באמצעות [[מחשב]]ים.
<gallery widths="150px" heights="150px" perrow="3" mode="packed">
קובץ:USS Nautilus SSN-571 -underway.jpg|הצוללת הגרעינית הראשונה ה[[נאוטילוס (צוללת גרעינית)|נאוטילוס]] (Nautilus), אשר הושקה בשנת [[1954]].
קובץ:MK46 torpedo launch.jpg|שיגור [[טורפדו]] [[לוחמה נגד צוללות|נצ"ל]] MK-46 {{אנ|Mark 46 torpedo}}. בשירות [[צי ארצות הברית]] החל מ[[שנות ה-60 של המאה ה-20|שנות ה-60]].
קובץ:53-65K torpedo MW.JPG|[[טורפדו]] נגד ספינות 53-65K {{אנ|Type 53 torpedo}}. נישא על [[קילו (סדרת צוללות)|צוללות קילו]] [[הצי הסובייטי|סובייטיות]] החל מ-[[1965]].
</gallery>
בשנת [[1967]] כתב [[רוברט ג' יוריק]] את המהדורה הראשונה של ספרו "'''עקרונות האקוסטיקה התת-מימית למהנדסים'''".{{הערה|שם=:0|{{צ-ספר|מחבר=R. J. Urick|שם=Principles of Underwater Sound|מקום הוצאה=New York|מו"ל=McGraw-Hill|מהדורה=3rd Edition|שנת הוצאה=[[1983]]}}}} ספר זה, אשר יצא ב-3 מהדורות, מכונה על ידי העוסקים בתחום כ-"תנ"ך של האקוסטיקאים" ונחשב עד היום כמקור מרכזי ומקיף ב[[סילבוס]] של [[קורס|קורסים אקדמיים]] בתחום האקוסטיקה התת-מימית.

== תאוריה ==
=== גלי קול במים ===

גל קול העובר בתווך הימי מוגדר כאוסף של פעולות דחיסה ודילול מכניים של מולקולות המים. פעולות אלו מזוהות במקלט כגון האוזן האנושית או [[הידרופון]] כשינויים ב[[לחץ]]. גלי קול נוצרים באופן טבעי או באופן מלאכותי על ידי אדם באמצעות מכשירים תת-מימיים.

=== מהירות קול, צפיפות ועכבה ===

[[מהירות הקול]] <math>c \,</math> (התנועה האורכית של חזית גל הקול) ניתנת לחישוב על פי הנוסחה:

:<math>c = f \cdot \lambda \quad (1)</math>

כאשר <math>f \,</math> היא [[תדר|תדירות הקול]] ו- <math>\lambda \,</math> הוא [[אורך גל|אורך גל הקול]].

מהירות זו שונה ממהירות החלקיקים <math>u \,</math> אשר מוגדרת כתנועת המולקולות בתווך הימי הנובעת ממקור קול וניתנת לחישוב על פי הנוסחה:

:<math>p = c \cdot u \cdot \rho \quad (2)</math>

כאשר <math>c \,</math> היא מהירות הקול, <math>p \,</math> הוא הלחץ ו- <math>\rho \,</math> היא צפיפות הנוזל.

המכפלה של <math>c</math> ו- <math>\rho \,</math> מהנוסחה שלעיל ידועה כ[[עכבה אקוסטית]]. [[הספק|ההספק האקוסטי]] (אנרגיה לשנייה) העובר ביחידת שטח ידוע כ[[עוצמה (פיזיקה)|עוצמת הגל]]. עבור גל מישורי, העוצמה הממוצעת <math>I \,</math> ניתנת על ידי הנוסחה:

:<math>I = p^2/(\rho c) \, \quad (3)</math>

כאשר <math>p \,</math> הוא הלחץ האקוסטי ביחידות [[שורש ממוצע הריבועים]].

הניגוד הגדול בין עכבת גל הקול באוויר לבין עכבת גל הקול במים (הבדל יחסי פי 3600) ובין מידת חספוס פני השטח באוויר ובמים מצביע על כך שבתדרים הקטנים מ-1kHz פני הים מתנהגים כמו מחזיר קול מושלם. מהירות הקול גבוהה פי 4.3 מהמהירות באוויר (ב-1kHz אורך גל הקול במים הוא בערך 1.5 מטר, לעומת זאת באותה התדירות אורך גל הקול באוויר הוא בערך 0.3 מטר) וההבדל היחסי בצפיפות הוא לערך פי 820.

=== בליעת גלי קול ===

על פי משוואה (1) קיים יחס פרופורציוני הפוך בין תדר הקול לבין אורך הגל שלו (זאת בהנחה שמהירות הקול היא בדרך כלל קבועה או כמעט קבועה).
כאשר תדר הקול גבוה, אורך הגל הוא קטן ועל כן עוצמת הקול יורדת באופן מהיר עם המרחק וגל הקול נבלע במרחק קצר ממקורו.
לעומת זאת, כאשר תדר הקול נמוך, אורך הגל הוא גדול ולכן עוצמת הקול יורדת באופן איטי עם המרחק וגל הקול נבלע במרחק ארוך ממקורו.

מכאן נובע, כי בליעת גלי קול בתדר נמוך היא חלשה.{{הערה|{{צ-מאמר|מחבר=R. E. Francois & G. R. Garrison|שם=Sound absorption based on ocean measurements. Part II: Boric acid contribution and equation for total absorption|כתב עת=The Journal of the Acoustical Society of America|כרך=72, pp. 1879-1890|שנת הוצאה=[[1982]]|קישור=http://scitation.aip.org/content/asa/journal/jasa/72/3/10.1121/1.388170}}}}

הגורם המרכזי להנחתת גלי הקול (היחלשות עוצמת הקול ובליעתו) במים מתוקים, ובתדר גבוה במי ים (מעל 100kHz) היא ה[[צמיגות]]. גורם מרכזי נוסף לניחות האות בתדירויות נמוכות במי ים הוא רגיעה יונית,{{הערה|{{צ-מאמר|מחבר=L. H. Hall|שם=Attenuation of Sound Resulting from Ionic Relaxation|כתב עת=The Journal of Acoustical Society of America|כרך=24, pp. 704|שנת הוצאה=[[2005]]|קישור= https://doi.org/10.1121/1.1906960}}}} כאשר הדוגמאות הנפוצות הן{{הערה|{{צ-מאמר|מחבר=R. E. Francois and G. R. Garrison|שם=Sound absorption based on ocean measurements. Part I: Pure water and magnesium sulfate contributions|כתב עת=The Journal of Acoustical Society of America|כרך=72, pp. 896-907|שנת הוצאה=[[1982]]|קישור=http://scitation.aip.org/content/asa/journal/jasa/72/3/10.1121/1.388170}}}}:
* נוכחות [[חומצה בורית]] במים (גורם מרכזי לניחות האות עד לתדר 10kHz).
* נוכחות [[מגנזיום גופרתי]] במים (גורם מרכזי לניחות האות בתדרים 10kHz - 500kHz).

גלי קול יכולים להיבלע גם על ידי הפסדים בגבולות הנוזל: קרוב לפני הים, ההפסדים יכולים להיגרם כתוצאה משכבת בועות או קרח ואילו בקרקעית הקול יכול לחדור לסחופת ולהיבלע.

=== פיזור והחזרת גלי קול ===
==== אינטראקציות גבול ====

גם פני הים וגם הקרקעית הם גבולות מחזירים ומפזרים.

===== פני הים =====

שטח פני הים יכול לשמש כמחזיר מושלם עבור מטרות רבות. הבדל העכבות (בין המים לאוויר) בגבול זה הוא גדול כל כך שרק מעט אנרגיה יכולה לעבור אותו. גלי לחץ אקוסטיים מוחזרים מפני הים ב[[פאזה (גלים)|פאזה]] הפוכה הנקראת לעיתים כ-"שינוי של [[פאי]]" או כ-"היפוך של 180 מעלות" ומיוצגת מתמטית ברכיב החזרה של מינוס 1.
בתדר גבוה (מעל 1kHz) או כאשר הים סוער, חלק מגל הקול מתפזר ונלקח בחשבון מתמטית על ידי רכיב החזרה שגודלו בערך מוחלט קטן מ-1. בדרך כלל רכיב ההחזרה ניתן על ידי הביטוי: <math>R=-e^{-2 k^{2} h^{2} sin^2A}</math>, כאשר ''h'' הוא גובה גלי הים ביחידות [[שורש ממוצע הריבועים]].{{הערה|{{צ-ספר|מחבר=H. Medwin & C. S. Clay|שם=Fundamentals of Acoustical Oceanography|מקום הוצאה=Boston|מו"ל=Academic|שנת הוצאה=[[1998]]|קישור=https://books.google.co.il/books?id=kymUKicld2cC&printsec=frontcover&dq=.+Medwin+%26+C.+S.+Clay,+Fundamentals+of+Acoustical+Oceanography&hl=iw&sa=X&ved=0ahUKEwju9fDsp_PNAhUD5xoKHcX2DGYQ6AEIHDAA#v=onepage&q=.%20Medwin%20%26%20C.%20S.%20Clay%2C%20Fundamentals%20of%20Acoustical%20Oceanography&f=false}}}} גורם סיבוכיות נוסף הוא הרוח היוצרת בועות או מביאה דגים קרוב לפני הים.{{הערה|{{צ-מאמר|מחבר=D. E. Weston & P. A. Ching|שם=Wind effects in shallow-water transmission|כתב עת=The Journal of Acoustical Society of America|כרך=86, pp. 1530-1545|שנת הוצאה=[[1989]]|קישור=http://scitation.aip.org/content/asa/journal/jasa/86/4/10.1121/1.398713}}}} הבועות יכולות להיגרם גם כתוצאה מ[[הידרודינמיקה|ענן המיתמר ועולה כלפי מעלה]] הבולע חלק מהקול ומפזר אותו בחזרה.{{הערה|{{צ-מאמר|מחבר=G. V. Norton & J. C. Novarini|שם=On the relative role of sea-surface roughness and bubble plumes in shallow-water propagation in the low-kilohertz region|כתב עת=The Journal of Acoustical Society of America|כרך=110,pp. 2946-2955|שנת הוצאה=[[2001]]|קישור=http://scitation.aip.org/content/asa/journal/jasa/110/6/10.1121/1.1414883}}}}

===== קרקעית הים =====

חוסר ההתאמה בין העכבות האקוסטיות של המים ושל הקרקעית הוא בדרך כלל קטן יותר מאשר זה הקיים בפני הים ועל כן הוא יותר מורכב. הפיזור וההחזרה תלויים בסוגי החומרים מהם עשויה הקרקעית ובעומק השכבות. תאוריות שונות פותחו על מנת לחזות את התפשטות גלי הקול בקרקעית.{{הערה|{{צ-מאמר|מחבר=N. P. Chotiros|שם=Biot model of sound propagation in water‐saturated sand|כתב עת=The Journal of the Acoustical Society of America|כרך=97, p. 199|שנת הוצאה=[[1995]]|קישור=http://scitation.aip.org/content/asa/journal/jasa/97/1/10.1121/1.412304}}}}

== התפשטות גלי קול ==

התפשטות גלי הקול תלויה בהרבה גורמים. כיוון ההתפשטות מוגדר על ידי [[גרדיאנט]] מהירות הקול במים. הקול נע יותר לאט במים מתוקים מאשר במי ים. המהירות מוגדרת על ידי [[מודול הנפח]] של המים ו[[צפיפות החומר]]. מודול הנפח מושפע מה[[טמפרטורה]], ממסיסות המים (בדרך כלל [[מליחות (ריכוז מלח)|מליחות]]) ומה[[לחץ]] (העומק). לעומת זאת השינוי בצפיפות החומר הוא קטן מאוד. [[מהירות הקול|מהירות הקול במים]] ניתנת לחישוב על פי הנוסחה הבאה:{{הערה|שם=:0}}

:<math>c = 1448.96+4.591 \cdot T-0.05304 \cdot T^2+1.34 \cdot (S-35)+0.0163 \cdot z-0.01025 \cdot T \cdot (S - 35) \quad (4)</math>

כאשר '''''c''''' היא מהירות הקול במים ביחידות של [[מטר לשנייה]], '''''T''''' היא ה[[טמפרטורה]] ב[[מעלות צלזיוס]], '''''S''''' היא המליחות (ריכוז מלח)|מליחות ביחידות של [[פרומיל]] ו-'''''z''''' הוא העומק (הלחץ) ביחידות של מטר.

=== מבנה התווך הימי ===

הים מחולק ל-3 שכבות עומק:

==== שכבת הערבוב ====

השכבה העליונה שבה מתערבבים המים שבפני השטח עם המים שבעומק הקרוב אליהם ונוצר מצב של [[שיווי משקל תרמי]] כך שהטמפרטורה קבועה בשכבה זו ומשתנה לפי עונות השנה (בין 13 [[מעלות צלזיוס]] בחורף עד 25 מעלות צלזיוס בקיץ בים התיכון). גודל שכבה זו משתנה בין קיץ לחורף (בים התיכון הוא נע בין 40 מ' בקיץ עד 180 מ' בחורף). מכיוון שבשכבה זו הטמפרטורה קבועה והעומק גדל – [[גרדיאנט]] מהירות הקול הוא חיובי.

==== שכבת התרמוקלינה ====

השכבה האמצעית בין שכבת הערבוב לשכבת העומק. עקב הפרשי הטמפרטורות בין השכבות, גרדיאנט הטמפרטורה בשכבה זו בדרך כלל שלילי אך משתנה בין קיץ לחורף כאשר בחורף הגרדיאנט מגיע למצב קבוע. מכיוון שבשכבה זו הטמפרטורה קטנה והעומק גדל – [[גרדיאנט]] מהירות הקול הוא שלילי.

==== שכבת העומק ====
[[קובץ:SOFAR.png|שמאל|ממוזער|800px|דוגמה לגרף אופייני של מהירות הקול כפונקציה של העומק - מדידה מצפון ל[[הוואי]]]]
השכבה התחתונה שבה הטמפרטורה קבועה לאורך כל השנה (13 [[מעלות צלזיוס]] בים התיכון). מכיוון שבשכבה זו הטמפרטורה קבועה והעומק גדל – [[גרדיאנט]] מהירות הקול הוא חיובי.

בדרך כלל ה[[מליחות (ריכוז מלח)|מליחות]] קבועה לאורך אזורים שלמים ולכן <math>\ \Delta S=0 </math>.
לעומת זאת שינוי הטמפרטורה (<math>\ \Delta T </math>) בשכבת ה[[תרמוקלינה]] גורם לשינוי במהירות הקול של <math>\ \Delta c = 1.1 \frac{m}{s} </math>([[מטר לשנייה]]), ואילו השינוי בעומק (<math>\ \Delta z </math>) גורם לשינוי במהירות הקול של <math>\ \Delta c = 1 \frac{m}{s} </math> ([[מטר לשנייה]]).

מכיוון שהמהירות אינה קבועה, עבור כל נקודה במרחב הימי נוצרת החזרת ושבירת גל קול על ידי מעבר ממהירות נמוכה לגבוהה וההפך (תלוי בגרדיאנט מהירות הקול) לפי [[חוק סנל]].

=== צורות התפשטות של גלי קול ===
ישנן 4 צורות של התפשטות והובלה של גלי קול במים למרחקים עצומים דרך [[מוליך גלים]] טבעי:{{הערה|שם=:0}}

==== מובל שטח ====
עקב קיומו של [[גרדיאנט]] מהירות קול חיובי בשכבת הערבוב (שכבת השטח), קרן היוצאת ממקור קול (המוצב בשכבה זו) בזווית כלפי מטה, [[שבירה|תישבר]] ותתעקם כלפי מעלה, עד הגעתה לנקודה מסוימת בשכבה המשמשת כ[[החזרה מלאה|מחזיר מושלם]] עקב שיקולי אנרגיה. כאשר הקרן חוזרת מאחר שהיא באה ממהירות גבוהה לנמוכה, היא שוב תישבר ותתעקם כלפי מעלה, עד הגעתה לפני הים המשמשים גם הם כמחזיר מושלם וכל התהליך מתחיל מחדש. בסופו של דבר, נוצר [[סינוס (טריגונומטריה)|גל סינוסואידי]] הנע בין פני הים לגבול השכבה. בקרן היוצאת בזווית כלפי מעלה מתרחש תהליך זהה אך הפוך.

הסיבה לקיומו של התהליך המתואר לעיל היא [[חוק סנל]] הנקרא גם "חוק הקרניים העצלות". לפי חוק זה, גל הקול כביכול "מעדיף" לנוע במהירות נמוכה מאשר במהירות גבוהה ולכן הקרן נשברת בזווית כלפי המהירות הנמוכה.

העובדה שרוב הקרניים היוצאות ממקור הקול נלכדות בשכבת הערבוב בתהליך שתואר לעיל יוצרת את מובל השטח, דהיינו [[מוליך גלים|מוליך גלים טבעי]] בשכבת השטח.

גודל המובל משתנה גדל בין הקיץ לחורף ולכן עיקר השימוש בו הוא בחורף.

מיעוט הקרניים היוצאות ממקור הקול אינן נלכדות במובל השטח והן משמשות ליצירת צורה נוספת של התפשטות גלי הקול - [[אקוסטיקה תת-מימית#התפשטות גלי קול#אזורי התכנסות ואזורי צל|אזורי התכנסות ואזורי צל]].

====תעלת קול עמוקה====

בנקודה המפרידה בין [[#שכבת התרמוקלינה|שכבת התרמוקלינה]] לבין [[#שכבת העומק|שכבת העומק]] ערך מהירות הקול מגיע למינימום. מאחר שגם מעל וגם מתחת לנקודה זו ישנו מעבר גלי קול ממהירות גבוהה לנמוכה מתרחש התהליך המתואר ב[[#מובל שטח|מובל שטח]]. לכן, נוצר בנקודה זו מובל עומק הנקרא גם תעלת קול עמוקה (ראו גם [[מוביל גלים]]).

מאחר שנקודה זו נמצאת בעומק רב, קשה למקם בה מקור קול עמיד.

למרות זאת, נעשה בה שימוש בחילוץ טייס מהתרסקות מטוס צבאי: הטייס משליך מכיסא המפלט מטען נפץ המחובר ל[[מד עומק]] ומתוכנת להתפוצץ בנקודה זו. קול הפיצוץ נשמע למרחק של עשרות קילומטרים וכך ניתן לגלות את מיקום הטייס.

==== אזורי התכנסות ואזורי צל ====

מצב זה נוצר כאשר קרן היוצאת ממקור קול המוצב ב[[אקוסטיקה תת-מימית#התפשטות גלי קול#מבנה התווך הימי#שכבת הערבוב|שכבת הערבוב]] בזווית כלפי מטה לא נלכדת בשכבה זו וממשיכה לתוך [[אקוסטיקה תת-מימית#התפשטות גלי קול#מבנה התווך הימי#שכבת התרמוקלינה|שכבת התרמוקלינה]].

עקב קיומו של [[גרדיאנט]] מהירות קול חיובי בשכבת הערבוב (שכבת השטח), הקרן בשלב הראשון [[שבירה|תישבר]] ותתעקם כלפי מעלה.

בשלב השני עקב קיומו של [[גרדיאנט]] מהירות קול שלילי בשכבת התרמוקלינה הקרן שבירה|תישבר ותתעקם כלפי מטה.

בשלב השלישי כתוצאה מ[[גרדיאנט]] מהירות הקול החיובי בשכבת העומק, הקרן שוב שבירה|תישבר ותתעקם כלפי מעלה עד הגעתה לנקודה מסוימת בשכבת העומק בה המשמשת כ[[החזרה מלאה|מחזיר מושלם]] עקב שיקולי אנרגיה.

כאשר הקרן חוזרת היא תתעקם שוב בהתאם למסלול שאותו עברה קודם עד הגעתה לפני הים המשמשים גם הם כמחזיר מושלם וכל התהליך מתחיל מחדש. בסופו של דבר, נוצר [[סינוס (טריגונומטריה)|גל סינוסואידי]] הנע בין פני הים לנקודה מסוימת בשכבת העומק.

הצטברות קרניים היוצאות בזוויות קרובות יוצרות 2 סוגים של אזורים:

# אזורים בהם יש התלכדות של קרני קול – "אזורי התכנסות" המשמשים כ[[מוליך גלים|מוליכי גלים]]
# אזורים בהם אין מעבר קרני קול – "אזורי צל" בהן לא ניתן להוליך גלי קול

בקיץ כאשר מובל השטח קטן או לא קיים, הדרך האלטרנטיבית להתפשטות גלי הקול היא דרך אזורי ההתכנסות.

בים התיכון בפני הים, נקודות ההתכנסות מצויות במרחק של כ-34 קילו [[יארד]] אחת מהשנייה.

==== דילוגי קרקעית ====

כאשר עומק הנקודה האמורה לשמש כ[[החזרה מלאה|מחזיר מושלם]] עקב שיקולי אנרגיה בצורת התפשטות של [[אקוסטיקה תת-מימית#התפשטות גלי קול# צורות התפשטות של גלי קול# אזורי התכנסות ואזורי צל|אזורי התכנסות ואזורי צל]] נמצא מתחת לקרקעית, קרן הקול מוחזרת מהקרקעית ועוברת את המסלול המתואר לעיל עד לפני הים וחזרה. בדומה לאמור לעיל, נוצר [[סינוס (טריגונומטריה)|גל סינוסואידי]] אלא שהפעם הוא נע בין פני הים לבין הקרקעית ומושפע מהרכב הקרקעית, האם היא עשויה מחומרים מחזירים או לא.

הצטברות קרניים היוצאות בזוויות קרובות מטה או למעלה ומגיעות לקרקעית יוצרת צורת [[מוליך גלים|הולכת גל טבעית נוספת]] הנקראת דילוגי קרקעית – עקב הדילוג בין פני הים לבין הקרקעית.

מטבע הדברים התופעה נפוצה יותר במים רדודים מאשר במים עמוקים.

להלן דוגמה סכמטית להתפשטות גל קול בצורות שונות:

[[קובץ:Rays test.gif|מרכז|ממוזער|1000px|מסלול גל הקול בטווח ובעומק עבור צורות התקדמות שונות]]

== מידת לחץ הקול ==
המשרעת של גל קול מאופיינת בדרך-כלל בעזרת [[לחץ קול|לחץ הקול]]. בסביבה רגילה ניתן למצוא טווח נרחב מאוד של [[לחץ|לחצים]], ולפיכך מקובל למדוד את לחץ הקול ב[[סקאלה לוגריתמית]], ביחידת המידה [[דציבל]]. אם <math>p</math> הוא [[שורש ממוצע הריבועים]] של משרעת לחץ הקול אזי מידת לחץ הקול (sound pressure level, SPL) מוגדרת כ-20 פעמים הלוגריתם של היחס בין <math>p</math> לבין לחץ ידוע כלשהו, <math>p_0</math>.

ניתן לחשב את מידת לחץ הקול בדציבלים כך:

:<math>L_p =20\, \log_{10}\left(\frac{p_1}{p_0}\right)=10\, \log_{10}\left(\frac{p_1^2}{p_0^2}\right)dBSPL \quad(5)</math>

הלחץ הידוע <math>p_0</math> בו משתמשים הוא סף [[טווח השמיעה]] האנושי:

:<math>p_0 = 2 \cdot 10^{-5} Pa \quad (6)</math>

(דהיינו, 20 מיקרו-[[פסקל (יחידת מידה)|פסקל]]; במים, סף השמיעה הוא מיקרו-פסקל אחד).

==עוצמת הקול==
קיים הבדל בין מידת [[לחץ קול|לחץ הקול]] לבין מידת כוח הקול. מידת [[לחץ]] הקול נמדדת בעזרת [[מיקרופון|מיקרופונים]] ומכשירים דומים, וניתן למדוד אותה ישירות. מידת עוצמת הקול, לעומת זאת, היא מידה של כמות האנרגיה המושקעת (ב[[רמקול]], למשל) כדי לייצר קול. בשל גורמים סביבתיים והשפעות אחרות, כמות האנרגיה המשמשת להפקת הקול לא בהכרח שווה למידת הקול הנתפשת בחושיו של השומע.

לא ניתן למדוד עוצמת קול ישירות, ולכן מידה זו מחושבת על-פי נתונים אחרים. ישנן שתי שיטות מקובלות למדידתה: "השיטה הישירה" ו"השיטה ההשוואתית". בשיטה הראשונה מודדים את עוצמת הקול על ידי חישוב משוואה הכוללת את התנאים הסביבתיים (כגון [[טמפרטורה]], [[לחות]], זמן [[תהודה]] וכו') ואת לחץ הקול. בשיטה השנייה, משווים את לחץ הקול ללחץ קול המופק באותם תנאים ממקור קול מוכר המפיק עוצמת קול ידועה וקבועה, והשוואת לחץ זה עם לחץ הקול הנמדד. שתי השיטות אמינות ומדויקות באותה המידה.

== פרמטרים אקוסטיים ==
[[קובץ:Sonar_Principle_EN.svg|ממוזער|300px|עקרון הפעולה של [[סונאר]]]]
ישנם מספר פרמטרים מדידים המגדירים את אופן פעולת גל הקול.{{הערה|שם=:0}} עיקר שימושם הוא עבור מערכות [[סונאר]] אך הם רלוונטיים גם עבור שאר המערכות האקוסטיות הקיימות כגון: [[מד עומק]], [[טלפון תת-מימי]], [[טורפדו]] וכו'.

באופן כללי כל אחד מהפרמטרים מוגדר ביחידות של [[דציבל|דציבל (dB)]] ([[יחידת מידה]] [[גודל חסר ממד|חסרת ממדים]]), יחד על פי "השיטה ההשוואתית" למדידת עוצמת קול ומבטא בדרך כלל את היחס בין עוצמת נמדדת לבין עוצמת יחוס הנמדדת ב[[הידרופון]]:

: <math>PM =10\, \log_{10} \frac {I}{I_0} \mbox{ dB} \quad (7)</math>

כאשר PM הוא שם הפרמטר, <math> I </math> היא העוצמה הנמדדת ואילו <math> I_0 </math> היא בדרך כלל עוצמת הייחוס ללחץ של <math> 1\mu Pa </math> ב-1 [[יארד]].

הפרמטרים הם:

=== רמת המקור (SL - Source Level) ===
==== הגדרה ====

: <math>SL =10\, \log_{10} \frac {I}{I_0} \mbox{ dB} \quad (8)</math>

כאשר <math> I </math> היא עוצמת רעש המקור בטווח קרוב ואילו <math> I_0 </math> היא עוצמת הייחוס ללחץ של <math> 1\mu Pa </math> ב-1 [[יארד]].

==== פירוט ====
* עבור מערכת אקטיבית הכוללת משדר ומקלט כגון [[סונאר#סונאר אקטיבי|סונאר אקטיבי]] רמת המקור היא בפשטות עוצמת השידור.
* עבור מערכת פאסיבית הכוללת מקלט בלבד כגון [[סונאר#סונאר פאסיבי|סונאר פאסיבי]] רמת המקור היא עוצמת הרעש המגיעה מהמטרה ונובעת מ-3 מקורות אפשריים:
# [[חדר מכונות (אונייה)|רעשי מכונות]]
# [[מדחף|רעשי מדחפים]]
# [[רעשי זמרה]] - רעשי [[קוויטציה]] הנובעים מהתפוצצות בועות אוויר הנוצרות על ידי [[מדחף|מדחפים]] בעלי מהירות סיבוב גבוהה.

=== רמת הרעש (NL - Noise Level) ===
==== הגדרה ====

: <math>NL =10\, \log_{10} \frac {I}{I_0} \mbox{ dB} \quad (9.1)</math>

כאשר <math> I </math> היא עוצמת הרעש ואילו <math> I_0 </math> היא עוצמת הייחוס ללחץ של <math> 1\mu Pa </math> ב-1 [[יארד]].

==== פירוט ====
===== רעש סביבתי (AN - Ambient Noise) =====
[[קובץ:Wentz curves.jpg|ממוזער|550px|עקומות וונץ המתארות [[אקוסטיקה תת-מימית#רעש סביבתי (AN - Ambient Noise)|רעש סביבתי]] אקוסטי ממקורות שונים ב[[תדר]]ים שונים.]]
ישנם מספר מקורות של רעש רקע בסביבה הימית בתדרים שונים:

# 0.1Hz-10Hz - [[מערבולת|מערבולות]] ו[[סייסמולוגיה|פעילות סייסמית]] של הים
# 100Hz - [[אונייה|רעשי ספנות]]
# 1kHz-30kHz - [[גל (מים)|רעש ים (מצב ים)]] - רעש הנובע ממצב הים – ים סוער או רגוע, גובה הגלים, מהירות הרוח וכו'
# 100kHz - [[רעש תרמי]] של מולקולות המים
# תדירות משתנה - [[גשם|רעשי גשם]] ו[[ביולוגיה|רעשים ביולוגיים]]

===== רעש עצמי (SN - Self Noise) =====

ישנם מספר מקורות של רעש עצמי הנובעים ממקור הקול:

# [[מתמר|רעשי מתמרים]]
# [[אלקטרוניקה|רעשים אלקטרוניים]]
# [[חדר מכונות|רעשי מכונות]]
# [[מדחף|רעשי מדחף]]
# [[אונייה#מבנה#חלקי האונייה#גוף|רעשי גוף האונייה]]

רמת הרעש יכולה להיות רעש סביבתי או רעש עצמי (הגדול מביניהם).

אם הרעש הסביבתי שווה לרעש העצמי, לדוגמה:

: <math>AN=SN=10\, \log_{10} \frac {I}{I_0} = X \mbox{ dB} \quad (9.2)</math>

אזי מתקיים [[לוגריתם|חיבור פנימי לוגריתמי]]:

:<math> NL = AN+SN = 10\, \log _{10} \frac {(2\cdot I)}{I_0} = 10\, \log_{10} \frac {I}{I_0} + 10\, \log _{10} (2) \quad (9.3)</math>

והרעש הכולל הוא:

:<math> NL = X + 3 \mbox{ dB} \quad (9.4)</math>

כלל זה נכון כשמדובר בשני גורמים של אותו רכיב אבל ברכיבים שונים כגון: SL ו-NL החיבור הוא רגיל, לדוגמה:

:<math>SL=NL=10\, \log_{10} \frac {I}{I_0} = X \mbox{ dB} \quad (9.5)</math>

:<math> SL+NL = 2X \mbox{ dB} \quad (9.6)</math>

===רמת ההדהודים (RL - Reverberation Level)===
==== הגדרה ====

:<math>RL =10\, \log_{10} \frac {I}{I_0} \mbox{ dB} \quad (10)</math>

כאשר <math> I </math> היא עוצמת ההדהודים בהדקי ה[[הידרופון]] ואילו <math> I_0 </math> היא עוצמת הייחוס ללחץ של <math> 1\mu Pa </math> ב-1 [[יארד]].

==== פירוט ====

רכיב זה קיים אך ורק עבור מערכת אקטיבית הכוללת משדר ומקלט כגון [[סונאר#סונאר אקטיבי|סונאר אקטיבי]].

רמת ההדהודים מבטאת את עוצמת ההד החוזר כתוצאה משידור אות אקוסטי ונובעת מ-3 מקורות אפשריים:

# הדהודי שטח – [[הד]] החוזר מפני הים
# הדהודי נפח – הד החוזר מנפח הים ומהיצורים החיים בו כגון: [[פלנקטון]]
# הדהודי קרקעית – הד החוזר מן הקרקעית
ככל שמתרחקים מהמשדר, ההד קטן כפונקציה של הטווח.

רמת ההדהודים נלקחת בחשבון רק כאשר ערכה גדול מערך הרעש (NL). אם ערכה שווה לערך הרעש מתקיים [[לוגריתם|חיבור פנימי לוגריתמי]] (כמו ב-9.3) המוסיף 3dB כיוון שמדובר בשני גורמים של רכיב הרעש.

=== אינדקס הכיווניות (DI - Directivity Index) ===
==== הגדרה ====

:<math>DI =10\, \log_{10} \frac {I_d}{I_{Omni}} \mbox{ dB} \quad (11)</math>

כאשר <math> I_d </math> היא העוצמה בכיוון מסוים (בזווית מסוימת) ואילו <math> I_{Omni} </math> היא עוצמה כל-כיוונית (360 מעלות).

==== פירוט ====

אינדקס הכיווניות הוא היחס בין עוצמת הקול בכיוון מסוים ([[קרן (גאומטריה)|אלומה]]) לבין עוצמת רעש הרקע אשר ערכה זהה עבור כל הזוויות.
ככל שהאלומה (עבור מערכת אקטיבית אלומות השידור והקליטה, עבור מערכת פסיבית אלומת הקליטה) צרה יותר, מכוונת לכיוון מסוים ומסתובבת כך אינדקס הכיווניות גדול יותר.

בדרך כלל אינדקס הכיווניות נחשב כרכיב המפחית מרכיב רמת הרעש (NL), כיוון שהשידור/קליטה בכיוון מסוים מסנן רעשים.

=== חוזק המטרה (TS - Target Strength) ===
==== הגדרה ====

:<math>TS =10\, \log_{10} \frac {I_r}{I_i} \mbox{ dB} \quad (12.1)</math>

כאשר <math> I_r </math> היא העוצמה המוחזרת מהמטרה ואילו <math> I_i </math> היא העוצמה הפוגעת במטרה.

==== פירוט ====

עבור מערכת אקטיבית הכוללת משדר ומקלט כגון [[סונאר אקטיבי]] היחס בין עוצמת הקול המוחזר ממטרה לבין עוצמת הקול הפוגע במטרה (עוצמת הקול המשודר במרחק 1 יארד מהמטרה) נקרא חוזק המטרה.

כמו כן ניתן להגדיר רכיב זה כ[[חתך פעולה|שטח חתך אקוסטי]] בדומה ל[[שטח חתך מכ"ם|שטח חתך מכ"מי]] (שח"מ) על ידי המשוואה הבאה:

:<math>TS =10\, \log_{10} \frac {\sigma}{4\pi} \mbox{ dB} \quad (12.2)</math>

כאשר <math> \sigma </math> הוא [[חתך פעולה|שטח חתך הפעולה האקוסטי]].

גודל זה תלוי הן בפרמטרים הפיזיקליים של האות כגון:
* [[תדר]]
* [[חוק סנל|זוויות פגיעה והחזרה מהמטרה]]

והן בפרמטרים הפיזיקליים של המטרה:
* [[צורה גאומטרית]]
* סוג החומר (האם עשויה מחומר מחזיר או בולע).

=== סף הגילוי (DT - Detection Threshold) ===
==== הגדרה ====

לסף הגילוי ישנן 2 הגדרות:
# עבור אות צר סרט:{{ש}}<math> DT_0 = 10\, \log_{10} \frac {S}{N_0} \mbox{ dB} \quad (13.1) </math>{{ש}}כאשר, <math> S </math> היא עוצמת האות ואילו <math> N_0 </math> היא עוצמת הרעש ל -1Hz
# עבור אות רחב סרט:{{ש}}<math> DT_w = 10\, \log_{10} \frac {S}{N} \mbox{ dB} \quad (13.2)</math>{{ש}}כאשר, <math> S </math> היא עוצמת האות ואילו <math> N </math> היא עוצמת הרעש עבור [[רוחב סרט]] של <math> w </math>

היחס בין ההגדרות השונות מתבטא ב-2 המשוואות הבאות:

::<math>N=N_0 \cdot w \quad (13.3)</math>.

::<math>DT_0 =10\, \log_{10} {w} + DT_w \quad (13.4)</math>.

==== פירוט ====

בדומה ל[[אלקטרומגנטיות]] בה קיים [[יחס אות לרעש]] ([[SNR]]), גם עבור אות אקוסטי קיים מושג דומה והוא מבוטא באמצעות רכיב סף הגילוי המוגדר כיחס בין עוצמת האות לעוצמת הרעש.

בצורה אחרת ניתן להגדיר רכיב זה, בעזרת [[הסתברות|ההסתברויות]] לגילוי <math> \left( Probability\ of\ Detection\ - P_{d} \right)</math> ולאזעקת שווא <math> \left( Probability\ of\ False\ Alarm\ - P_{fa} \right)</math> .

חיבור הסתברויות אלו לא שווה ל-1 ונלקחות בחשבון בנפרד:
* ההסתברות לגילוי <math>\left(P_{d}\right) </math> חלה כאשר קיים אות. <math> \left(1-P_{d}\right) </math> היא ההסתברות לאי גילויו של אות קיים
* ההסתברות לאזעקת שווא <math>\left(P_{fa}\right) </math> חלה כאשר לא קיים אות. <math> \left(1-P_{fa}\right) </math> היא ההסתברות להחלטה נכונה שלא קיים אות

ערכי הסתברות אלו מצוינים במפרטים של מערכות אקוסטיות כאשר הערכים הנפוצים הם: <math> P_d = 0.5,0.9 </math> ו-<math> P_{fa} = 10^{-3},10^{-4} </math>

סף הגילוי תלוי בעיקר בשני גורמים:

# ביצועי המערכת
# רמת המפעיל

=== הפסדי המעבר (TL - Transmission Losses) ===
==== הגדרה ====

:<math>TL =10\, \log_{10} \frac {I_s}{I_t} \mbox{ dB}\quad(14.1)</math>

כאשר <math> I_s </math> היא עוצמת המקור ואילו <math> I_t </math> היא העוצמה העוברת במרחק <math> R </math> מהמקור.

==== פירוט ====

הפסדי המעבר מוגדרים כירידה המצטברת בעוצמת גל לחץ אקוסטי היוצא ממקור קול ומתפשט במרחב הימי.

ככל שהגל מתקדם במרחב, עוצמת האות האקוסטי יורדת וזאת עקב 2 גורמים:

# [[אקוסטיקה תת-מימית#התפשטות גלי קול|התפשטות (פרישת) אלומת הקול]]
# [[אקוסטיקה תת-מימית#בליעת גלי קול|הנחתת עוצמת הקול]]

===== התפשטות (פרישה) =====

באופן כללי, עוצמה נמדדת ב[[הספק]] ליחידת [[שטח]] ומוגדרת על פי הנוסחה:

:<math>I =\frac {P}{A} \quad(14.2)</math>

כאשר <math> P </math> הוא ה[[הספק]] ואילו <math> A </math> הוא [[שטח|גודל השטח]].

====== התפשטות כדורית ([[גאומטריה ספירית|ספירית]]) ======
[[קובץ:Deep_water_wave.gif|ממוזער|390px|התנהגות [[גלי ים|גלי הים]] במים עמוקים]]במקרה זה, העוצמה מוגדרת על פי הנוסחה הבאה:

:<math>I =\frac {P}{\pi \cdot r^2} \quad(14.3)</math>

כאשר <math> P </math> הוא ה[[הספק]] ואילו <math> r </math> הוא ה[[מרחק]] ממקור הקול.

הצבת העוצמה בנוסחת הפסדי המעבר מביאה לתוצאה הבאה:

:<math>TL =10\, \log_{10} \frac {I_s}{I_t} =10\, \log_{10} \frac {\frac{P}{(\pi \cdot 1^2)}}{\frac {P}{(\pi \cdot R^2)}}=10\, \log_{10} R^2 =20\, \log_{10} R \mbox{ dB}\quad(14.4)</math>

כאשר <math> R </math> הוא המרחק ממקור הקול שבו נמדדים הפסדי המעבר.

התפשטות כדורית מהווה קירוב עבור התפשטות קול במים עמוקים.

====== התפשטות גלילית ([[גליל (גאומטריה)|צילינדרית]]) ======
[[קובץ:Shallow_water_wave.gif|ממוזער|466px|התנהגות [[גלי ים|גלי הים]] במים רדודים]]במקרה זה, העוצמה מוגדרת על פי הנוסחה הבאה:

:<math>I =\frac {P}{2 \cdot \pi \cdot r} \quad(14.5)</math>

כאשר <math> P </math> הוא ה[[הספק]] ואילו <math> r </math> הוא ה[[מרחק]] ממקור הקול.

הצבת העוצמה בנוסחת הפסדי המעבר מביאה לתוצאה הבאה:

:<math>TL =10\, \log_{10} \frac {I_s}{I_t} =10\, \log_{10} \frac {\frac{P}{(2 \cdot \pi \cdot 1)}}{\frac {P}{(2 \cdot \pi \cdot R)}}=10\, \log_{10} R \mbox{ dB}\quad(14.6)</math>

כאשר <math> R </math> הוא המרחק ממקור הקול שבו נמדדים הפסדי המעבר.

התפשטות גלילית מהווה קירוב עבור התפשטות קול במים רדודים.

==== הנחתה (בליעה) ====

ישנם מספר משתנים המשפיעים על ההנחתה:

# ה[[צמיגות]]
#רגיעה יונית של [[חומצה בורית]] ו[[מגנזיום גופרתי]]
#[[טמפרטורה|טמפרטורת המים]]
#[[תדר|תדירות גל הקול]]

שילוב שני האפקטים, התפשטות והנחתת גל הקול, מבוטא בנוסחה הבאה:

:<math>TL =10\, \log_{10} R+\alpha \cdot 10^{-3} \cdot R \mbox{ dB}\quad(14.7)</math>

כאשר <math> R </math> הוא המרחק ממקור הקול שבו נמדדים הפסדי המעבר ואילו <math> \alpha </math> הוא רכיב ההנחתה ביחידות של [[דציבל|dB]] ל[[יארד|קילויארד]].

==== חישוב הפסדי המעבר ====

נוסחאות (14.4), (14.6) ו-(14.7) מהווה קירוב בלבד מאחר שהתווך הימי אינו כדור מושלם או גליל מושלם.

כמו כן, התלות של הפסדי המעבר בגורמים נוספים בלתי צפויים ומשתנים כגון: קיומם של מובלים, אזורי התכנסות ואזורי צל (ראה: [[אקוסטיקה תת-מימית#התפשטות גלי קול#צורות התפשטות של גלי קול|צורות התפשטות של גלי קול]]) אינה מאפשרת חישוב מדויק של הפסדי המעבר.

על מנת לפתור בעיה זו פותחו מודלים לחישוב הפסדי המעבר כאשר העיקריים בהם הם:

# [[משוואה דיפרנציאלית|מודל משוואה דיפרנציאלית פרבולית]] - קירוב משוואת הגלים למשוואה פרבולית. מודל זה רלוונטי עבור תדרים נמוכים מתחת ל-3kHz.
# [[קרן (גאומטריה)|מודל קרניים או אלומות]] - קירוב גלי הקול לקרניים ישרות או לאלומות. מודל זה רלוונטי עבור תדרים גבוהים מ-3kHz.

== יישומים ==
=== סונאר ===
{{הפניה לערך מורחב|סונאר}}
סונאר הוא השם שניתן למקבילה האקוסטית של מכ"ם. ב[[סונאר#סונאר אקטיבי|סונאר אקטיבי]] משדרים פולסים אקוסטיים כדי לחקור את הים, ולאחר מכן ההדים המוחזרים מעובדים כדי לחלץ מידע על הים, גבולותיו ואובייקטים מתחת למים. שימוש אלטרנטיבי, הידוע בשם [[סונאר#סונאר פאסיבי|סונאר פאסיבי]], מנסה לעשות את אותו הדבר על ידי האזנה לצלילים המוקרנים על ידי אובייקטים מתחת למים. ניתן להשתמש ב[[אקוסטיקה תת-מימית#פרמטרים אקוסטיים|פרמטרים האקוסטיים]] כדי לחשב את ה - <math>FOM</math> ([[ספרת הערך]]) של מערכת הסונאר, המוגדר ככמות המאפיינת רמת ביצועי סונאר ע"פ הפרמטרים האקוסטיים הניתנים למדידה מדויקת. השוואת ערך ה-FOM של מערכת הסונאר לערך [[אקוסטיקה תת-מימית#הפסדי המעבר (TL - Transmission Losses)|הפסדי המעבר (TL)]], קובעת האם יהיה גילוי במערכת או לא.
<gallery widths="180px" heights="250px" perrow="2" mode="packed">
קובץ:Variabel dybde sonar (VDS) på et af søværnets skibe af Thetis-klassen.jpg|הורדה למים של [[סונאר]] נגרר על ידי [[נצ"ל|ספינת נצ"ל]]
קובץ:SH-3H HS-15 lowers AQS-13 sonar 1979.JPEG|[[סונאר]] טובל AQS-13, נישא על גבי ה[[הליקופטר]] האמריקאי SH-3H HS-15.
</gallery>

===תקשורת תת-מימית===
[[קובץ:Acoustic Release Method ARC1.jpg|ממוזער|דיאגרמת הפעולה של [[משחרר אקוסטי]].]]
הצורך ב[[תקשורת|תקשורת אקוסטית]] מתחת למים קיים ביישומים כגון איסוף נתונים לניטור סביבתי, תקשורת עם ובין כלי רכב מאוישים ולא מאוישים מתחת למים, שידור של צוללן, וכו'.

יישום מרכזי של [[תקשורת|תקשורת אקוסטית]] הוא שליטה מרחוק מתחת למים. דוגמה בולטת הם [[משחרר אקוסטי|משחררים אקוסטיים]] - מכשירים ימיים לפריסה מחדש ושיקום של ציוד אלקטרוני טבוע בקרקעית הים, שבו הציוד הטבוע מופעל מרחוק על ידי אות פקודה אקוסטי.

המחקר בתחום זה כולל אתגרים משמעותיים, במיוחד בערוצים אופקיים, במים רדודים.{{הערה|{{צ-מאמר|מחבר=D. B. Kilfoyle and A. B. Baggeroer|שם=The state of the art in underwater acoustic telemetry|כתב עת=[[IEEE]]|כרך=25, pp. 4-27|שנת הוצאה=[[2000]]|קישור=http://ieeexplore.ieee.org/xpl/login.jsp?tp=&arnumber=820733&url=http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee.org%2Fxpls%2Fabs_all.jsp%3Farnumber%3D820733}}}}{{הערה|{{צ-מאמר|מחבר=M.Stojanovic|שם=Acoustic (Underwater) Communications" |כתב עת=entry in Encyclopedia of Telecommunications|מו"ל=John Wiley & Sons|שנת הוצאה=[[2003]]|קישור=http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/0471219282.eot110/abstract}}}}[[קובץ:ROV Hercules 2005.JPG|ממוזער|הורדה לים של [[רכב תת-מימי]] לצורכי מחקר.]]בהשוואה ל[[תקשורת רדיו|רדיו]], [[רוחב פס|רוחב הפס]] הזמין קטן בכמה סדרי גודל. יתר על כן, מהירות הקול הנמוכה גורמת להתפשטות רב ערוצית היוצרת [[זמן השהיה]] של עשרות או מאות אלפיות השנייה ו[[אפקט דופלר|הסחות דופלר]] משמעותיות. לעיתים קרובות מערכות תקשורת אקוסטית אינן מוגבלות על ידי רעש, אלא על ידי הדהודים. אמינות מערכות אלו משופרת באמצעות מערכי [[הידרופונ]]ים, המאפשרים טכניקות עיבוד כגון [[עיצוב אלומה]] אדפטיבי.

=== ניווט ומעקב תת-מימי ===
[[קובץ:LBL Acoustic Positioning System Aquamap Diver.jpg|ממוזער|330px|דיאגרמת הפעולה של [[מערכת מיקום אקוסטית תת-מימית]] עבור [[צוללן|צוללנים]] (LBL):
[[גל קול|אות אקוסטי]] משודר בין [[משיב אקוסטי]] המחובר לצוללן (A) לבין משיבי המערכת (B,C,D) ונקלט שוב על ידי משיב A המודד את [[זמן]] ריצת האות בשני הכיוונים. באמצעות מהירות קול מדודה או משוערת, מבוצע חישוב של ה[[מרחק]] שעובר האות האקוסטי. מדידות מרחק אלה נשלחות אל מחשב כף היד של הצוללן (E) אשר משתמש ב[[אלגוריתם חיפוש]] או [[גאומטריה|חישובים גאומטריים]] כדי לקבוע את מיקומו המדויק ולהציגו.]]

ציוד ניווט ומעקב תת-מימי, משמש לצורך חיפושים ועבודה על ידי [[צוללן|צוללנים]], [[כלי רכב תת-מימי|כלי רכב תת-מימיים נשלטים מרחוק]], כלי רכב תת-מימיים אוטונומיים, [[צוללת|צוללות]] מאוישות וצוללות אוטונומיות כאחד.

בניגוד ל[[רדיו|אותות רדיו]] הנבלעים במהירות בתווך הימי, אותות קול מתפשטים לטווח ארוך יותר וניתנים למדידה או להערכה מדויקת.{{הערה|{{צ-ספר|מחבר=P.H. Milne|שם=Underwater Acoustic Positioning Systems|מו"ל=Gulf Publishing|שנת הוצאה=[[1983]]|קישור=https://books.google.ca/books/about/Underwater_acoustic_positioning_systems.html?id=nf9TAAAAMAAJ}}}} לכן, ניתן להשתמש באותות קול למדידת המרחק בין מטרה הנמצאת במעקב לבין תחנת הבסיס בדיוק רב, ובעזרת [[טריאנגולציה]] לחשב את המיקום של היעד, לעיתים ברמת הדיוק של סנטימטר. החל משנת 1960, פותחו [[מערכת מיקום אקוסטית תת-מימית|מערכות מיקום אקוסטיות תת-מימיות]] המצויות ב[[המאה ה-21|מאה ה-21]] בשימוש נרחב.

=== מחקר סייסמי ===
{{הפניה לערך מורחב|סייסמולוגיה}}
[[סייסמולוגיה]] (מחקר רעידות האדמה) כרוכה בשימוש בגלי קול בתדר נמוך (<math>f<100 Hz</math>) על מנת לדגום את קרקעית הים לעומק. גלי קול בתדר גבוה מונחתים מאוד כאשר הם עוברים דרך הקרקעית ולכן מועדף השימוש בגלי קול בתדר נמוך, למרות הרזולוציה הנמוכה יחסית שלהם עקב אורך גל גדול (ביחס הפוך לתדר).

מקורות הקול בתחום זה כוללים [[מתנד הרמוני|מתנדים]], [[רובה אוויר|רובי אוויר]] ו[[חומר נפץ|חומרי נפץ]].

===תצפיות אקלים ומזג אוויר===
חיישנים אקוסטיים משמשים לניטור קול המיוצר על ידי [[רוח]] ו[[משקעים]].

דוגמאות נפוצות הן:
* [[מד גשם|מד גשם אקוסטי]]{{הערה|{{צ-מאמר|מחבר=J. A. Nystuen|שם=Listening to raindrops from underwater: An acoustic disdrometer|כתב עת=Journal of Atmospheric and Oceanic Technology|כרך=18, pp. 1640-1657|שנת הוצאה=[[2001]]|קישור=http://journals.ametsoc.org/doi/abs/10.1175/1520-0426(2001)018%3C1640%3ALTRFUA%3E2.0.CO%3B2}}}}
* ניטור [[מכת ברק|מכות ברק]]{{הערה|{{צ-מאמר|מחבר=R. D. Hill|שם=Investigation of lightning strikes to water surfaces|כתב עת=The Journal of Acoustical Society of America|כרך=78, pp. 2096-2099|שנת הוצאה=[[1985]]|קישור=http://scitation.aip.org/content/asa/journal/jasa/78/6/10.1121/1.392668}}}}
*[[טומוגרפיה|מערכת טומוגרפיה אקוסטית לאקלים ים]] המשתמשת בגלי קול בתדר נמוך למדידת טמפרטורת האוקיינוס הגלובלית
[[קובץ:Laevavrakk "Aid".png|ממוזער|תמונת [[סונאר סריקת-צד]] של שיירי ספינה טרופה ב[[אסטוניה]]|ימין|133x133 פיקסלים]][[קובץ:Akhumps_128_016_0_500c.png|ממוזער|250px|[[ספקטרוגרף]] של [[שירת הלווייתן|שירת לווייתן גדול סנפיר]]]]

=== אוקיינוגרפיה ===
{{הפניה לערך מורחב|אוקיינוגרפיה}}
[[אוקיינוגרפיה|מאפיינים אוקיינוגרפים]] בקנה מידה גדול ניתנים למדידה על ידי [[טומוגרפיה|מערכת טומוגרפיה אקוסטית]]. מאפייני קרקעית ניתן למדוד על ידי [[סונאר סריקת צד]] ואפיון תת-קרקעית.

=== ביולוגיה ימית ===
{{ערך מורחב|ביולוגיה ימית}}
בשל מאפייני ההתפשטות של גלי קול בתווך הימי, נעשה בהם שימוש ככלי מסייע בחקר בעלי חיים ימיים, מ[[פלנקטון]] ל[[לווייתן כחול|לווייתן הכחול]]. גלי קול משמשים לעיתים קרובות כדי לספק נתוני תפוצת והתנהגות בעלי חיים ימיים. כמו כן, נעשה שימוש במערכות אקוסטיות למדידת מיקום, כמות, גודל וביו-מסה של דגים.

[[תקשורת|תקשורת אקוסטית]] משמשת גם לניטור דגים ובעלי חיים ימיים. משדר אקוסטי מצורף לדגים (לפעמים באופן פנימי) בזמן שמערך של מקלטים נפרש לקבלת המידע. מערכת זו מאפשרת לחוקרים לעקוב אחר תנועות דגים בודדים בקנה מידה קטנה ובינוני.{{הערה|{{צ-מאמר|מחבר=J. E. Thorpe, L. G. Ross, G. Struthers, W. Watts|שם=Tracking Atlantic salmon smolts, Salmo salar L., through Loch Voil, Scotland|כתב עת=Journal of Fish Biology|מו"ל=John Wiley & Sons|שנת הוצאה=[[1981]]|קישור=http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1095-8649.1981.tb03820.x/full}}}}
{{-}}

== ראו גם ==
* [[אוקיינוגרפיה|אוקיינוגרפיה אקוסטית]]
* [[הידרודינמיקה]]
* [[סונאר]]
* [[עיבוד אותות קול]]
* [[תקשורת|תקשורת אקוסטית]]
* [[אלקטרואקוסטיקה]]
* [[שירת הלווייתן]]
* [[מודיעין אקוסטי ימי]]

== קישורים חיצוניים ==
{{ויקישיתוף בשורה}}
<div class="mw-content-ltr">
* [http://oalib.hlsresearch.com/ Ocean Acoustics Library]
* [http://www.isvr.soton.ac.uk/FDAG/uaua.HTM Ultrasonics and Underwater Acoustics]
* [http://www.pmel.noaa.gov/vents/acoustics.html Monitoring the global ocean through underwater acoustics]
* [https://web.archive.org/web/20170421221253/http://oceanlink.island.net/oinfo/acoustics/acoustics.html An Ocean of Sound]
* [http://www.arl.nus.edu.sg/web/research/acomms Underwater Acoustic Communications]
* [http://acomms.whoi.edu/ Acoustic Communications Group]
* [http://www.oceanexplorer.noaa.gov/explorations/sound01/sound01.html Sound in the Sea]
* [http://www.physics.sfsu.edu/~bland/research/uarg.html SFSU Underwater Acoustics Research Group]
* [http://www.dosits.org/ Discovery of Sound in the Sea]
</div>
* [https://web.archive.org/web/20160820081731/http://www.acoustics.org.il/ אתר האגודה הישראלית לאקוסטיקה]

== הערות שוליים ==
{{הערות שוליים|יישור=שמאל}}

{{ערך מומלץ}}

{{בקרת זהויות}}

[[קטגוריה:אקוסטיקה|*]]
[[קטגוריה:תחומים בפיזיקה]]