Onderwater Akoestiek


Welcome to the Website of

Ferry van Eeuwen

 

Start

 

 

Onderwater Akoestiek

Inleiding

Het verschijnsel van de Lichtende Wielen heeft waarschijnlijk te maken met het door een schip in het zeewater opgewekte akoestische trillingen. Deze trillingen brengen door mechanische aanstoting van het lichtgevend plankton deze tot lichtemissie. Er zijn dan blijkbaar nog zeer bijzondere omstandigheden nodig die het door mij en anderen beschreven patronen zichtbaar maken. Tijd dus om gedrag van geluid in zeewater eens nader onder de loep te nemen.

Een varend schip zorgt voor een kakafonie van geluiden die als akoestische trillingen hun weg in het omringende zeewater vervolgen. Behalve het geluid van de opgeworpen boeggolf en van de ruis veroorzaakt door een niet perfect gevormd schip zijn er nog vele andere geluiden te noemen afkomstig van:

-Stuurmachine inclusief hydraulica

-Hulpmotoren en andere machines

-Allerlei soorten pompen

-Voortstuwingsmachine, motor of turbine

-Schroefas

-Schroefbladen

Vooral de schroefbladen brengen trillingen van een groot vermogen voort. De in het zeewater opgewekte frequentie bedraagt, bij een aantal omwentelingen van de schroefas van 120 in combinatie met een 4-bladige schroef , 480 Hz. Dat is dus 480 trillingen per seconden. Dit is een lage frequentie die in staat is om grote afstanden te overbruggen. Bij een aantal omwentelingen van 100 wordt de frequentie 400 Hz. In normaal zeebedrijf zullen de dominante frequenties zich ongeveer tussen deze twee waarden bewegen. Bij dubbelschroevers ontstaan er ingewikkelde interferentie patronen als het aantal omwentelingen niet exact gelijk is. 

Geluid in zeewater

De snelheid van het geluid in zeewater wordt bepaald door drie parameters:

  1. Temperatuur
  2. Zoutgehalte
  3. Druk

Er wordt in zeewater dikwijls gerekend met een geluidssnelheid, in de literatuur veelal afgekort tot 'c', van 1500 m/sec. Dit komt overeen met een snelheid van 5400 km/uur. Deze snelheid wordt bereikt als voldaan wordt aan de volgende voorwaarden:

  1. temperatuur zeewater= 14į Celsius
  2. zoutgehalte= 34,8 delen zout per 1000 liter zeewater
  3. diepte (druk)= 150 cm

In werkelijkheid kan de geluidssnelheid in zeewater variŽren tussen de 1490 en 1620 m/sec. In dieper water neemt de snelheid door de toegenomen druk toe. De waarde van 1620 m/sec wordt daarom alleen aangetroffen in zeer diep water, bijvoorbeeld 6 km.

Ter vergelijking de voortplantingssnelheid van geluid in lucht beweegt zich ongeveer tussen de 330 tot 340 m/sec en is dus veel langzamer dan die in zeewater.

Krakatau

Toen de Krakatau vulkaan bij Java in augustus 1883 de catastrofale uitbarsting had werd het geluid ervan zelfs 6700 km verder in Madagaskar gehoord. Het geluid deed er via de lucht ongeveer 4 uur en 25 minuten over om deze afstand te overbruggen. Via het zeewater bereikte het geluid van de uitbarsting het eiland al in 1 uur en 14 minuten, een verschil van meer dan 3 uur! Eigenlijk is dit te beschouwen als een eenvoudig natuurlijk 'early warning system'.

Een Tsunami-golf die met ongeveer 800 km/uur de snelheid van een straaljager benadert, zou er in dit voorbeeld ongeveer 8 uur en 22 over hebben gedaan. Vergeleken met geluid in zeewater bedraagt het verschil dan zelfs ruim 7 uur. 

Verder is er nog de seismische golf die een dergelijk uitbarsting produceert. Er zijn een een paar soorten golven die worden opgewekt. Wij ons beperken ons voor het gemak tot de S-golf,  die de meeste schade aanricht. Deze golf beweegt zich langs het aardoppervlak, ook die onder de zeespiegel, met een snelheid van 1 - 8 km/s. De lage waarde wordt gevonden in de onsamenhangende gedeelten van de aardkorst en de hoogste waarde komt voor in vast gesteente. Door de grote druk van zeewater wordt eventuele zachte aardkorst onder zeespiegel flink samengeperst. Hierdoor zal de snelheid ongeveer tussen de 5 en 8 km/s liggen. Bij een in dit voorbeeld aangenomen snelheid van 6 km/s overbrugt de seismische drukgolf de afstanden 6700 km in slechts 18,6 minuten. 

Signaalverzwakking of attenuatie

Als de geluidsgolf in het zeewater een bepaalde afstand aflegt verzwakt het signaal als gevolg van voornamelijk  wrijvingsverliezen die optreden door het almaar comprimeren en weer uitzetten van watermoleculen tijdens het passeren. Er zijn nog andere effecten zoals chemische, maar deze zijn minder belangrijk. Verder is het zo dat de verzwakking of attenuatie afneemt als de temperatuur van het zeewater hoger wordt. In het algemeen worden lage frequenties veel minder verzwakt dan hoge.

De attenuatie als functie van de frequentie: (a)= zoetwater  (b)= zeewater

Golflengte en frequentie

De golflengte van een geluidsgolf van een frequentie van 480 Hz bedraagt bij c=1500 m/sec ongeveer 3,12 meter. Bij een vroeger veel gebruikte echoloodfrequentie van 14 kHz bedraagt de golflengte 10,7 cm en komt dan in de buurt van de golflengte van radarfrequenties! De lage frequentie van 480Hz is typisch een langeafstandsfrequentie. Het verband tussen golflengte en frequentie is:  Golflengte =     c / frequentie   Hierbij wordt voor c dikwijls 1500 m/sec aangehouden.

Straalbreking of refractie

Door verschillen in zeewatertemperatuur op verschillende dieptes ontstaat  er net als bij licht straalbreking op de scheidingsvlakken. Het signaal wordt op het scheidingsvlak afgebogen. Dit effect werd voor het eerst ontdekt door de Nederlandse natuurkundige Willebrord Snellius (1597 - 1626) en wordt in de Engelse literatuur consequent Snell's Law genoemd.

De snelheid in het gebied C1 en C2 zijn groter en hierdoor buigt de straal van de normaal af.

De snelheid als functie van de diepte. Er treden hier minstens twee effecten op. Het eerste is dat de snelheid groter wordt door de toenemende diepte. Het tweede is dat de snelheid lager zal worden als de temperatuur van het zeewater afneemt. Het effect van de diepte is echter groter.

Schaduwzones

Door de afbuiging van geluidssignalen ontstaan er schaduwzones. Een akoestisch reflecterend voorwerp, bijvoorbeeld een onderzeeŽr of een walvis die zich in dit gebied ophoudt, zijn dan vanuit het schip gezien onzichtbaar. Omgekeerd heeft een dergelijke onderzeeŽr of walvis er geen idee van dat zich op korte afstand een aanstormende tanker bevindt. Een interessant en niet ongevaarlijk verschijnsel.

Schaduwzones vormen een natuurlijk onderdeel van onderwater akoestiek.

Behalve akoestische schaduwzones bestaan er ook schaduwzones die worden veroorzaakt door het schip zelf dat als een geluidsscherm fungeert. Het geluid van de machines en schroefbladen inclusief de knallen veroorzaakt door cavitatie worden door het schip totaal gemaskeerd. Er treedt nog een effect op wat voor verdere verzwakking zorgt in de onmiddellijke nabijheid van het schip. Dichtbij het schip bevindt zich het zogenaamde nabijveld van de geluidstrillingen en hierin is het geluid vele malen zwakker dan in het verafveld. Hetzelfde verschijnsel treedt op bij radarantennes. Pas op een enige afstand van de antenne ontstaat de gewenste radarbundel.

De door een schip voor zich 'uitgeduwde' schaduwzone zorgt ervoor dat schepen mede op deze wijze akoestisch onzichtbaar kunnen zijn. Dit verschijnsel is verantwoordelijk voor de vele aanvaringen met zeezoogdieren, vooral walvissen. Zelf heb ik verschillende īnear missesī met walvissen van nabij meegemaakt. Het verschijnsel werd door ons toen niet begrepen; wij dachten dat de walvissen lagen te slapen!

Geluidsdruk en intensiteit

Om het verhaal niet al te theoretisch te maken zal hierop in dit korte bestek niet verder worden ingegaan. Het speelt wel een belangrijke rol bij het tot lichtafgifte bewegen van het plankton. Hiervoor is een minimum hoeveelheid energie nodig om de dinoflagellates in de lichtgevende staat te brengen en zo de geluidstrillingen aan het oppervlakte zichtbaar te maken.

Er zijn metingen aan schepen verricht om het geproduceerde geluidsniveau vast te stellen. Bij een containerschip met een lengte van 274 meter en een snelheid van 23 knopen ligt het niveau op 198 dB. Bij een supertanker met een lengte van 340 meter en een snelheid van 20 knopen bedraagt dit 190 dB. Om dB's in zeewater te kunnen vergelijken met die in lucht dient er van de  zeewatergetallen 62 dB te worden afgetrokken. De waarden zijn dan respectievelijk 132 dB en 128 dB.  In lucht begint bij de mens de pijngrens bij 135 dB en treedt gehoorschade op bij 180 dB. Een Saturnusraket produceert 194 dB en hierbij is de druk 1 Atm. Van deze getallen is het duidelijk dat de zeeŽn op sommige plaatsen bol staan van de intense scheepsgeluiden. Wat de effecten hiervan zijn op de verschillende soorten zeebewoners is grotendeels nog onduidelijk. 

Voorplanting van geluid of propagatie

Onder specifieke en zeldzame omstandigheden kan er een soort golfgeleider- of tunneleffect optreden waardoor geluidsgolven zich over enorme afstanden kunnen voorplanten.

Het waveguide- of golfgeleidereffect treedt hier op door weerkaatsing van de geluidsgolven tussen het wateroppervlak en de zeebodem. Dit gebeurt alleen in relatief ondiep water.

 

Op volle zee kan het waveguide-effect ook optreden maar daar vervangt dan een thermische laag van bijvoorbeeld kouder water de zeebodem. De koudere waterlaag zorgt voor de benodigde refractie. Het resultaat is echter hetzelfde: voorplanting over grote afstanden.

De karakteristieken van dit effect zijn:

  1. Het tunneleffect treedt op vlak onder het wateroppervlakte.

  2. Het geluid plant zich horizontaal en parallel aan de zeespiegel voort en buigt mee met de zeespiegel.

  3. Het geluidssignaal plant zich over grote en zeer grote afstanden voort, bijvoorbeeld over duizenden km's.

  4. Het effect treedt zelden op en het is geen erg stabiele situatie, m.a.w. het blijft nooit lang in stand.

Dit zijn volgens mijn bescheiden theorie interessante voorwaarden waardoor de Lichtende Wielen zouden kunnen verklaard. Ik ga er, zoals in de pagina Marine Lightwheels wordt omschreven, vanuit dat deze kunnen ontstaan als een soort akoestisch mengproduct van de eigen scheepsgeluiden en die van veraf varende schepen. Vooral het genoemde in punt 4 is in dit opzicht betekenisvol en zou het geringe aantal waarnemingen van het verschijnsel kunnen verklaren.