Почему мы слышим более высокий звук за пределами воды, когда разбиваем два камня в воде?

Наблюдатель находится вне воды; камни находятся в воде (скажем, на 1 м ниже поверхности). Это производит более высокий звук для наблюдателя, чем если бы наблюдатель и камни находились в воздухе.

Это потому, что звуковым волнам требуется больше энергии, чтобы пройти через воду, чем через воздух, так что те, которые мы слышим извне, имеют более высокие частоты после столкновения с самого начала?

Влияет ли плотность среды, возмущенной столкновением твердого тела, на частотное распределение генерируемых звуковых волн? Например, означает ли более высокая «жесткость» клетки молекул воды, окружающей вибрирующие камни, более высокие частоты нормальных мод?

Наконец, играет ли какую-то роль преломление на границе раздела вода-воздух?

Более высокие частоты имеют более высокую энергию. Путь минимума времени - к поверхности.

Более низкие частоты естественным образом распространяются дальше в воде, несмотря на их более низкую энергетическую ценность. Отсюда и использование инфразвука китами для связи на большие расстояния.

Джон Ренни

Частота звуковой волны не может измениться при пересечении границы вода-воздух. Длина волны может изменяться и изменяется, но частота не может, потому что в противном случае не было бы возможности согласовать две волны на границе раздела. Это означает, что более высокая частота не является какой-то причудой распространения звука, а что сталкивающиеся камни излучают более высокую частоту, когда находятся в воде.

Чтобы понять, почему это так, нам нужно рассмотреть, как генерируется звук. Когда два камня сталкиваются, возникает ударная волна, которая распространяется внутрь камней и заставляет их вибрировать. На поверхности камней вибрации распространяются в окружающую среду в виде звуковой волны, и в конечном итоге мы слышим именно это. У камня будет некоторый набор нормальных режимов , и ударная волна будет передавать энергию в эти нормальные режимы, возбуждая их некоторым, вероятно, довольно случайным образом, который будет зависеть от деталей удара. Звук, который мы слышим, представляет собой комбинацию частот и амплитуд всех этих нормальных режимов.

Причина того, что звук удара отличается в воде, просто в том, что нормальные режимы объекта в такой среде, как вода, отличаются от нормальных режимов того же объекта в воздухе. Это связано с тем, что вода имеет (намного!) Более высокий модуль объемной упругости, чем воздух, а окружающая вода сопротивляется перемещению поверхностью вибрирующего камня гораздо больше, чем воздух. Отважный физик мог бы точно предсказать, как изменится звук, потому что это будет сложно. Колебательные режимы, вызывающие боковое смещение воды, будут замедляться, потому что вода имеет более высокую плотность, чем воздух. С другой стороны, колебательные моды, вызывающие сжатие воды, будут переходить на более высокую частоту, потому что вода имеет более высокий модуль объемной упругости, чем воздух.

Возможно, удастся точно рассчитать, как объемный модуль упругости и плотность среды влияют на нормальные моды для некоторого идеализированного объекта, такого как идеально упругая сфера. Я искал такие расчеты в Google, но безуспешно - если кто-нибудь найдет соответствующую ссылку, пожалуйста, отредактируйте ее или добавьте в качестве комментария. На данный момент все, что я могу сказать, это то, что эксперимент показывает, что нормальные режимы с переходом на более высокую частоту доминируют в звуке, который мы слышим.

StarDrop9

Давайте рассмотрим и ответим на каждый из ваших вопросов следующим образом.

1. Влияет ли плотность среды, возмущенной столкновением твердого тела, на частотное распределение генерируемых звуковых волн? Например, означает ли более высокая «жесткость» клетки молекул воды, окружающей вибрирующие камни, более высокие частоты нормальных мод?

Частота генерируемого звука зависит от источника звука и среды: камни сталкиваются в воздухе и воде. Звук от сталкивающихся в воде камней будет иметь более высокую частоту, чем звук при столкновении камней в воздухе, как следует из более высокого тона. Высота звука (насколько высока нота) зависит от частоты волны. Чем выше частота, тем выше высота звука. Так как высота звука была выше, следует, что частота столкновения камней в воде должна быть выше. И да, поскольку резонансная частота (частоты) камней не изменяется ни в одной среде, более высокочастотная клетка или большая плотность воды, окружающей камни, должны учитывать более высокочастотный нормальный режим генерируемой волны.