Атмосферная акустика. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

АТМОСФЕРНАЯ АКУСТИКА - раздел акустики, в к-ром изучаются процессы генерации и распространения звука в реальной атмосфере, а также акустич. методы исследования атмосферы. Можно считать, что А. а. возникла в кон. 17 в., когда проводились первые опыты по определению скорости звука в атмосфере, но подлинное развитие она получила в 20 в., после появления электроакустики и электроники. Для атмосферы справедливы все положения теоретич. и эксперим. акустики газовых сред; однако атмосфера представляет собой очень сложную, неоднородную, стратифицированную по плотности, скорости движения, температуре и составу, сильно турбулизированную среду, в к-рой возникают специфич. явления.

Скорость звука в приближении коротких волн, когда длина волны много меньше масштаба неоднородностей температуры T и скорости ветра U, равна:

, где

- угол между направлениями распространения звука и ветра, T - т. н. виртуальная температура, учитывающая влияние влажности. Изменение скорости звука в пространстве может достигать неск. процентов, что приводит к значит. эффектам рефракции звука и его рассеяния. К обычному для газов поглощению звука, когда коэф. поглощения обратно пропорционален плотности среды

и прямо пропорционален квадрату частоты, добавляется поглощение, обусловленное влиянием влажности, к-рая при небольших относит. значениях может существенно увеличить коэф.

. Повышенное поглощение звука на высоких частотах приводит к тому, что на больших расстояниях в его спектре остаются гл. обр. низкие частоты (напр., звук выстрела, резкий вблизи, становится глухим вдали). Звуки очень низких частот, напр. инфразвук от мощных взрывов с частотой в десятые и сотые доли Гц, могут распространяться без заметного затухания на сотни и тысячи км.

При распространении звука мощных взрывов вверх от земной поверхности благодаря прибл. постоянству плотности потока энергии - интенсивности звука -

, колебательная скорость частиц

растёт с высотой как

, а звуковое давление р уменьшается как

, но гораздо медленнее, чем ср. давление атмосферы

, что приводит к нелинейным эффектам.

Стратификация атмосферы по температуре, а также по скорости ветра может привести к тому, что наклонные звуковые лучи от наземного источника звука будут благодаря рефракции загибаться обратно к земной поверхности, отражаться от неё под тем же углом и т. д., т. е. образуется атм. волновод акустический .Это возможно благодаря часто возникающим инверсиям температуры в приземном слое атмосферы или на высотах до 1-2 км, а также благодаря постоянно существующим в атмосфере инверсиям на высотах ок. 40 км и выше 80 км. Ветер на определ. высотах может существенно усиливать или ослаблять волноводные эффекты. В хорошо сформированном волноводе звук ослабляется с расстоянием R не по закону сферич. волны (как .), а по закону ци-линдрич. волны (как

). При падении температуры с высотой или при распространении против ветра образуется звуковая тень. Поверхность земли, как правило, далека от идеальной твердой границы и поэтому вносит добавочное затухание звука: распространяющийся вдоль земной поверхности звук от наземного источника ослабляется быстрее, чем по закону сферической волны.

Флуктуации температуры и скорости ветра, вызванные атм. турбулентностью, приводят к рассеянию звука и соотв. к нек-рому ослаблению распространяющейся в атмосфере звуковой волны. Это рассеяние может также привести к появлению сравнительно слабого звука в зоне тени.

В реальной атмосфере постоянно присутствуют шумы естеств. происхождения с весьма широким спектральным диапазоном: начиная с инфразвука с периодами до 200- 300 с и кончая УЗ. Источниками инфразвуковых шумов могут быть разл. геофиз. и метеорологич. явления - полярные сияния, магнитные бури, ураганы, движения воздуха в мощных кучевых и грозовых облаках, извержения вулканов, землетрясения и т. п. В слышимой области частот разл. шумы, вызываемые гл. обр. ветром, создают даже в тихой сельской местности заметный звуковой фон. При обтекании ветром морского волнения возникают инфразвуковые волны с частотами 0,2-0,3 Гц, к-рые при достаточной силе шторма можно обнаруживать за тысячи км от места их возникновения и использовать для штормового оповещения. Располагая неленгационной сетью приёмников, определяют направление прихода инфразвука. Особенный интерес представляет гром, раскаты к-рого объясняются большой длиной грозового разряда, фокусировкой и дефокусировкой звуковых волн благодаря кривизне канала молнии и рефракции волн в атмосфере.

Важная практич. задача А. а.- исследование распространения промышленных и транспортных шумов, атм. ядерных взрывов, шумов реактивных самолётов. Ударные волны сверхзвуковых самолётов могут из-за кривизны траектории полёта и рефракции звука фокусироваться вблизи земной поверхности так, что давление в волне может достичь опасных значений. Одна из самых ранних задач А. а.- звукометрия (артиллерийская разведка) - определение по разности времени прихода звука выстрела к неск. микрофонам местоположения источника звука.

В число задач А. а. входит исследование самой атмосферы акустич. методами. Долгое время наблюдение звука от мощных взрывов было единств. методом исследования верхних слоев атмосферы. По расположению зон слышимости и зон молчания и по времени запаздывания прихода звукового сигнала можно определить распределение температуры и ветра по высоте. Более точные результаты получаются при помощи наземной сети микрофонов, регистрирующих время прихода звука от взрывов зарядов, сбрасываемых с вертикально летящей ракеты. При помощи такой же сети микрофонов по регистрации времени прихода звука грома восстанавливается расположение канала грозового разряда. При исследовании атм. турбулентности широко применяются акустич. термометры и особенно анемометры, в к-рых флуктуации температуры и ветра оцениваются по времени распространения УЗ с частотой порядка 10⁵ Гц на небольшие (5-20 см) расстояния.

В 1970-х гг. получило значит. применение для исследования пограничного слоя атмосферы акустич. зондирование, при к-ром остронаправленные мощные звуковые импульсы частотой 1-3 кГц рассеиваются на флуктуациях температуры и ветра и по характеристикам принятого рассеянного сигнала оцениваются осн. характеристики турбулентности, т. н. структурные постоянные флуктуации температуры и ветра. Эти оценки можно производить вдоль луча с разрешением 10-15 м на расстояниях до 1 км (в сверхмощных звуковых НЧ-локаторах - содарах - до 2-3 км). При наклонном направлении луча по доплеровскому сдвигу частоты рассеянного сигнала оценивается скорость ветра. В кон. 70-х гг. начало развиваться радиоакустич. зондирование, при к-ром непрерывное радиоизлучение рассеивается на мощных звуковых направленных импульсах. T. к. скорость звука зависит от температуры воздуха, то по доплеровскому смещению частоты рассеянного радиосигнала можно определять температуру на высотах до неск. сотен метров.

Литература по атмосферной акустике

Знаете ли Вы, что такое "усталость света"?
Усталость света, анг. tired light - это явление потери энергии квантом электромагнитного излучения при прохождении космических расстояний, то же самое, что эффект красного смещения спектра далеких галактик, обнаруженный Эдвином Хабблом в 1926 г.
На самом деле кванты света, проходя миллиарды световых лет, отдают свою энергию эфиру, "пустому пространству", так как он является реальной физической средой - носителем электромагнитных колебаний с ненулевой вязкостью или трением, и, следовательно, колебания в этой среде должны затухать с расходом энергии на трение. Трение это чрезвычайно мало, а потому эффект "старения света" или "красное смещение Хаббла" обнаруживается лишь на межгалактических расстояниях.
Таким образом, свет далеких звезд не суммируется со светом ближних. Далекие звезды становятся красными, а совсем далекие уходят в радиодиапазон и перестают быть видимыми вообще. Это реально наблюдаемое явление астрономии глубокого космоса. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.