Wie groß wäre die Kommunikationsreichweite einer Unterwasserart?

TL;DR: Ein normales Gespräch in 1 km Tiefe würde etwa 2 Kilometer im Wasser zurücklegen. Der lauteste Schrei, den ein Mensch hervorbringen könnte, würde etwa 3,14 km zurücklegen.

Es gibt viele Faktoren, die es schwierig machen, zu berechnen, wie weit Schall sich ausbreitet, die größten sind Druck und Temperatur. Je niedriger die Temperatur, desto weniger weit wandert der Schall, je höher der Druck, desto weiter geht er.

Die Berechnung der Schallentfernung ist schwierig, da nicht alle Variablen bekannt sind. Aber das Prinzip hinter dem Schall, der über die Entfernung an Lautstärke verliert, wird als Absorption bezeichnet . Der Schall verliert auch Energie, wenn er sich ausbreitet. Der Gesamtenergieverlust dieser beiden Faktoren wird als Übertragungsverlust bezeichnet. Je nach Chemikalien im Wasser gehen über unterschiedliche Entfernungen unterschiedlich viel Schall verloren.

Um etwas zu rechnen und zu versuchen, Durchschnittswerte zu erhalten. Die Einheit für Schallenergie ist dB. Normale Gespräche haben eine Leistung von 60 dB . Im Wasser ist der Schall stärker, daher addieren wir 62 zu allen Werten für Schall in der Einheit dB. Das bedeutet, dass normale Gespräche unter Wasser eine effektive Stärke von etwa 122 dB haben. Die normale Stimmfrequenz variiert, aber eine typische Frequenz liegt bei etwa 170 Hz . Bei etwa dieser Frequenz beträgt die Absorptionsrate in den meisten Ozeanen etwa 0,06 dB/km . Wir können also sehen, dass die Absorptionsrate vernachlässigbar ist (obwohl sie in die folgenden Berechnungen einbezogen wird). Dies bedeutet jedoch, dass Frequenzen einen geringen Einfluss auf die Entfernung haben, die Schall zurücklegt.

Nun verliert Schall auch Energie, wenn er sich ausbreitet. Schall breitet sich auf zwei verschiedene Arten aus, sphärisch und zylindrisch. Wenn das Wasser tief genug ist, breitet es sich kugelförmig aus, aber wenn das Wasser flacher ist, breitet es sich zylindrisch aus. Dies geschieht, weil der Schall von der Wasseroberfläche und dem Meeresboden abprallt. Während also etwas Energie verloren geht, wenn der Schall zurückprallt, geht mehr Energie verloren, wenn er sich vollständig in einer Kugel ausbreitet. Der Schall breitet sich also etwa doppelt so weit aus, wenn die zylindrische Form verwendet wird. Der Schall breitet sich in einem Zylinder aus, wenn der Schall nicht verblasst, bevor er die Wasseroberfläche erreicht (so dass er von der Oberfläche abprallt). Der Betrag, um den sich die Schallentfernung über eine bestimmte Entfernung verdünnt, kann berechnet werden. Die Formel für den Verlust lautet hier TL = 20 Log(R). TL steht für Transmission Loss und R steht für Reichweite/Radius der Kugel. Da dB logarithmisch skaliert ist, können wir dies direkt in dB-Einheiten umwandeln. Bei 1 km sind es also 60 dB, was perfekt der Lautstärke menschlicher Gespräche entspricht.

Der Gesamtübertragungsverlust beträgt also 60 dB/km + die Absorptionsrate, die 0,06 dB/km beträgt, ergibt 60,06 dB/km

Im Allgemeinen liegt die menschliche Hörschwelle bei 0 dB. Unter Verwendung der oben berechneten Daten würde der Ton eines normalen menschlichen Gesprächs (wenn es irgendwie unter Wasser mit der gleichen Stärke kommuniziert werden könnte) etwa 2,03 km zurücklegen.

Wikipedia sagt, dass der lauteste aufgezeichnete Schrei 129 dB war , was 191 dB in Wasser entspricht. Unter Verwendung der obigen Berechnungen würde ein Schrei in 1 km Tiefe also etwa 3,18 km zurücklegen. Beachten Sie, dass die Lautstärke hoch genug ist, um menschliche Ohren zu verletzen, sodass die Unterwasserlebewesen in der Lage sein sollten, mit lauteren Lautstärken umzugehen, oder sie sollten leiser sprechen.

Es gibt ein Phänomen , das Schall über viel größere Entfernungen reisen lässt. Dies wurde besonders an den Geräuschen der Wale bemerkt und ermöglicht es ihnen, über sehr große Entfernungen zu kommunizieren. Wenn Schall durch Wasser wandert, wird er langsamer, wodurch er nach unten gebrochen wird. Das Wasser darunter wird immer kühler, sodass der Schall immer langsamer wird und sich bricht. Ab einem bestimmten Punkt wird das Wasser nicht mehr kälter, aber der Druck steigt weiter an. Wenn der Druck höher wird, beschleunigt sich der Schall. Dadurch wird der Schall nach oben gebrochen. Es wird dann wieder nach unten gebrochen, wenn es wieder in Bereiche gelangt, in denen sich die Wassertemperatur verlangsamt. Diese Brechung nach oben und unten ermöglicht es dem Schall, eine sehr lange Strecke zurückzulegen, ohne viel Energie zu verlieren.

Zusammenfassung

Es gibt also viele Faktoren, die die Distanz beeinflussen, die der Schall zurücklegt, der größte ist der Druck. Bei dem von Wissenschaftlern verwendeten Standarddruck würde der Ton eines normalen menschlichen Gesprächs etwa 2 km zurücklegen. Aber in bestimmten Tiefen legt Schall tatsächlich eine sehr lange Strecke zurück. Dieses Phänomen ermöglicht es den Walen, über Tausende von Kilometern zu kommunizieren. In geringerem Maße könnte es auch für menschliche Stimmen funktionieren, wenn es nicht überfüllt ist.

Und abschließend möchte ich sagen, dass diese Daten nicht narrensicher sind. Es gibt keine einfache Möglichkeit, genaue Werte zu berechnen, daher sind diese Werte nicht exakt.

Referenzen und Hinweise:

Auf dieser Website gibt es einige sehr gute Grafiken, die die Absorptionsraten zeigen . Schallwerte und Umrechnungsraten von Luft-dB zu Wasser-dB habe ich von dieser Seite bekommen . Leider hindert mich das Urheberrecht daran, sie hier erneut zu veröffentlichen. Informationen zu den vollständigen Berechnungen, die ich durchgeführt habe, um die Basis-TL für die Ausbreitung zu erhalten, finden Sie auf dieser Website . Informationen zur Sprachfrequenz stammten von Wikipedia , ebenso Informationen zu Schreien . Danke an Irigi für den Hinweis auf einige Fehler in meinen ersten Entwürfen.

Könnte damit weit weg sein, aber was soll's.

Ich glaube nicht, dass Sie eine sehr „menschliche“ Sprache aus einer Rasse herausbekommen, die eine Sprache unter Wasser entwickelt hat. Menschen passen in eine seltsame Kategorie, in der sich unser Hörsystem aus Wasserlebewesen entwickelt hat (dasselbe gilt für unser Sehvermögen), höchstwahrscheinlich aus frühen Fischen ... aber unsere Sprache selbst entwickelte sich in moderneren Zeiten, als Säugetiere frei durch das Land streiften. So wurde unser Gesang direkt an das Medium (Luft) gebunden, durch das wir sprachen, und nicht an das Wasser, aus dem unser Gehör stammt.

Eine Spezies, die unter Wasser bliebe, hätte nicht das Attribut „an die Luft gebundene Stimme“ und würde sehr wahrscheinlich Sprache entwickeln, die direkt an das Wasser als Medium gebunden ist. Kennen Sie „tonale“ Sprachen? Es ist ein fremdes Konzept für einen englischen Muttersprachler (mit Ausnahme einiger seltener Beispiele ... eine Aufwärtsbeugung am Ende eines Satzes zeigt beispielsweise eine mögliche Frage an), aber für Menschen, die daran gewöhnt sind, es zu erkennen, bedeuten diese Töne genauso viel wie die Buchstaben. Mandarin enthält den 'ma'-Fall (es ist die Umkehrung der Reis-/Läuse-Schwierigkeiten, die sie haben) ... das Wort 'ma' hat 4 verschiedene Bedeutungen ... "Mutter", "schimpfen", "Pferd", "Hanf". “. Der Unterschied zwischen diesen 4 Begriffen ist rein tonal..

Im Fall einer Unterwasserart gibt es mehrere englische Laute, die ziemlich nutzlos wären. Sprechen Sie den 'p'-Laut und dann den 'f'-Laut ... diese beiden Laute sind ein Luftstoß, bei dem sich die Lippen für p berühren und nicht für f (indonesischen Sprachen fehlt diese Unterscheidung). Dasselbe gilt für r vs l (sagen Sie Earl Fuller, um die Unterschiede in der Zungenposition dort zu verstehen) ... th vs d ist einfach ein Zungenschnippen von der Oberseite Ihres Gaumens gegen die Rückseite Ihrer Zähne (eine Zungenbewegung im Französischen fehlt es, was dazu führt, dass sie dis und den sagen. Im Englischen fehlt der französische OE-Laut, was ein bisschen so ist, als würde man oooo sagen, während dein Mund die lächelnde eee-Form hat).

Diese Beschränkung auf „mit dem Mund geführte“ Geräusche, die unter Wasser nicht effektiv sind, würde viel dazu beitragen, die Sprache in Bezug auf Geräusche einzuschränken, die effektiv kommuniziert werden könnten. Dies macht die tonale Natur einer Unterwassersprache viel praktikabler als ein Ausfüllen von Buchstaben, die sie im Unterwassersinne nicht ganz ausführen können (würde auch Sprachen erzeugen, die ein wenig mehr wie ein Walgesang klingen als wie eine menschliche Sprache. .fast eine Pfeifsprache, bei der die sich ändernde Tonhöhe eines Buchstabens genauso viel für die Bedeutung des Wortes bedeutet, das sie sagen, wie das Wort selbst).

Dies ist eine sehr lange Art zu sagen, dass die englische Sprache unter Wasser nur eine effektive Reichweite von gut 5-10 Fuß hat, bevor die Dinge verloren gehen, und die meisten Laute, auf die wir bei der Bestimmung von Wörtern angewiesen sind, nahezu unmöglich zu verstehen sind effektiv kommunizieren. Eine aquatische Spezies, die sich selbst entwickelt hat, hätte viel wahrscheinlicher eine eigene „Lied“-Sprache, die eine Kommunikationsreichweite von weit über ein paar Kilometer haben könnte, wenn sie absichtlich ein Geräusch für Langstreckenreisen gemacht hätte (dh einen Schrei).

Im Allgemeinen breiten sich niedrige Frequenzen weiter aus, tragen aber in einer bestimmten Zeitspanne weniger Informationen. Als Ergebnis haben Sie einen Kompromiss zwischen diesen beiden konkurrierenden Anforderungen. Darüber hinaus erfordert niederfrequenter Lärm im Allgemeinen, dass das lärmende Lebewesen größer ist (obwohl es bis zu einem gewissen Grad mit speziell angepassten Organen Möglichkeiten gibt, dies zu umgehen).

Wasser überträgt Schall viel besser als Luft. In Luft beträgt die Schallgeschwindigkeit 342 m/s, in Wasser 1.484 m/s. In Bezug auf den Lautstärkeverlust gibt es eine sehr geringe Absorption von niederfrequentem Schall (ein Grund, warum er so lange anhält), aber er breitet sich immer noch aus und wird dabei leiser. Die Wasser-Luft-Barriere fungiert als nahezu perfekter Reflektor, der zwar dazu neigt, einen Teil des Verlustes zu verringern, aber Echos und ähnliche Verwirrungen erzeugen kann.

Dieser Wikipedia-Artikel kann für Sie hilfreich sein, er behandelt das Thema Unterwasserakustik . Insbesondere gibt es mehrere Abschnitte zur Schallausbreitung unter Wasser.

Die Delfin-Echoortung funktioniert bei einer maximalen Reichweite von etwa 200 m . Das ist allerdings bei einer etwas höheren Frequenz (40 bis 130 kHz). Auch das sind 200 m Hin- und Rückfahrt, also 400 m in eine Richtung, und genau genug, um auf etwas mit der Größe von ein paar Zoll zu zielen. Für allgemeines Singen oder Schreien denke ich, dass etwas in der Nähe von 1 km vernünftig klingt.

Schallabsorption ist eigentlich eine sehr minimale Sache. Das größere Problem sind Reichweitenverluste. Die Schallleistung fällt bei der Ausbreitung nach außen um den Bereich ^ 2 ab, und das begrenzt den meisten Schall. Die niedrigen Frequenzen der Walkommunikation helfen (Frequenz spielt eine Rolle), aber der wichtigere Faktor für die Walkommunikation ist, dass sie den Tiefseekanal nutzen, der Druckgradienten missbraucht, um einen „Wellenleiter“ zu schaffen, der verhindert, dass der Schall ansteigt oder unten. Dies verringert diese Ausbreitungskosten auf eine reine Reichweite und nicht auf Reichweite^2.

Eine größere Einschränkung ist Ihre Anforderung, dass sie ein "normales" Gespräch führen. Jede akustische Umgebung kann als verrauschter Kommunikationskanal modelliert werden, bei dem es auf das "Signal-Rausch-Verhältnis" ankommt. Sogar Wale haben in Gebieten, in denen das Geräusch der Brandung zu laut ist, nur eingeschränkte Kommunikation. Außerdem gilt: Je höher der Informationsgehalt, desto hochwertiger muss der Kanal sein.

Erwägen Sie, die Kommunikation zielgerichteter zu gestalten. Wenn Sie darüber nachdenken, ist ein „Ruf“ über den Ozean von allen zu hören. Wenn es Tausende und Abertausende von Kreaturen gibt, die alle gleichzeitig „schreien“, werden sie sich gegenseitig übertönen.

Es könnte plausibel sein, dass ein Unterwasserlebewesen mit einem vollständig optimierten Niedrigfrequenz-Langstrecken-Kommunikationssystem wie ein Wal ein völlig separates Oberflächenkommunikationssystem entwickeln könnte. Vielleicht ein Delphin-ähnliches Blasloch, das einem symbiotischen Zweck diente, wie Vögel zu rufen, um ein verstopftes Loch zu räumen, oder wie ein Wildruf verwendet wurde, um Landtiere nahe an den Wasserrand zu locken, damit sie verschlungen werden. Das Niederfrequenzsystem könnte nicht stimmlich sein, ausgelöst durch ein Zittern des ganzen Körpers. Das höherfrequente Luftkommunikationssystem, das ursprünglich als Biomimikry entwickelt wurde, könnte weiter natürlich oder künstlich selektiert werden, da kranke Tiere, die Menschen verständliche Geräusche machten, eher Antibiotika oder andere Behandlungen erhielten.

Künstliche Selektion ist, wenn Menschen sich dafür entscheiden, Tiere mit bestimmten Eigenschaften zu züchten, die ihnen gefallen, obwohl sie dem Tier möglicherweise schaden. dh. ohnmächtige Ziegen, Hunde mit so kurzen Schnauzen, dass sie nicht richtig atmen können, Deutsche Doggen und Bernhardiner, die so groß sind, dass sie Herzprobleme haben. Es scheint, dass ein solcher Prozess hier eine große Rolle spielen müsste.