Звук в атмосфере представляет собой упругие продольные волны, распространяющиеся за счёт периодических колебаний молекул воздуха. Поскольку атмосфера — это неоднородная, анизотропная, нестабильная среда с вариациями температуры, давления, влажности и ветра, распространение звуковых волн в ней подчиняется сложным законам и сопровождается разнообразными эффектами.
Температура воздуха оказывает первостепенное влияние на скорость звука. В стандартной атмосфере скорость звука c определяется формулой:
$$ c = \sqrt{\gamma \cdot R \cdot T} $$
где:
Температурная стратификация приводит к изменению скорости звука с высотой. В тропосфере, где температура убывает с высотой, скорость звука также уменьшается. Это вызывает эффект рефракции вниз, то есть изгиб звуковых лучей к земле, что увеличивает дальность слышимости.
Наоборот, при температурной инверсии (повышении температуры с высотой, особенно в ночное время) лучи изгибаются вверх — зона акустической тени формируется на определённом расстоянии от источника, и в ней звук ослаблен или вовсе не слышен.
Скорость звука в движущейся среде изменяется согласно принципу суперпозиции: если ветер дует в направлении распространения звука, его скорость увеличивается, и наоборот. Однако градиент ветра, то есть изменение его скорости и направления с высотой, оказывает куда более существенное влияние.
Ветровая рефракция возникает, когда скорость ветра возрастает с высотой. Это приводит к изгибу звуковых лучей в направлении увеличения скорости. При попутном ветре — вниз, при встречном — вверх. Эффект особенно выражен при сильных приземных ветрах и вызывает анизотропию звукового поля.
Влажность увеличивает скорость звука, так как водяной пар легче сухого воздуха. Формула для учёта влажности более сложна, но для практики важно, что при высокой влажности звук распространяется быстрее. Влажность также влияет на поглощение звука. При повышении влажности потери снижаются — особенно в диапазоне высоких частот (1–10 кГц), где молекулярное поглощение наиболее заметно.
Поглощение обусловлено двумя основными механизмами:
Коэффициент поглощения зависит от частоты:
Для сухого воздуха при температуре 20 °C и частоте 10 кГц поглощение достигает ≈ 1 дБ/м, что делает высокочастотные сигналы практически недоступными на больших расстояниях.
Дифракция позволяет звуку огибать препятствия (здания, холмы и т.д.), особенно если длина волны сопоставима с размерами препятствия. Поэтому низкочастотные звуки слышны “за углом” или через преграды, в отличие от высокочастотных, которые более направлены.
Интерференция возникает при наличии нескольких источников или при отражениях от земли и облаков. Образуются зоны усиления и ослабления звука (стоячие волны, пучности и узлы). Особенно значим эффект интерференции в городских условиях и вблизи поверхностей.
Приземный слой атмосферы (до 100–200 м) наиболее подвержен суточным колебаниям температуры, ветра и влажности, что делает звуковое поле динамичным и неустойчивым. Именно в этом слое наблюдаются такие явления, как:
На высотах выше 1–2 км градиенты становятся более плавными, но могут возникать слоистость атмосферы, что создаёт волноводы — своеобразные каналы для распространения звука на дальние расстояния. Один из примеров — стратосферный канал, в котором низкочастотные звуки могут распространяться на тысячи километров (например, при ядерных взрывах или извержениях вулканов).
Это область, в которую звук не проникает из-за изгиба звуковых лучей вверх или из-за препятствий. Причинами формирования могут быть:
Появление акустических теней приводит к резким изменениям слышимости в пределах нескольких десятков метров — особенно актуально при проектировании акустических систем на открытом воздухе (например, громкоговорителей или сирен).
Дальность слышимости определяется комплексным взаимодействием всех вышеперечисленных факторов. В наилучших условиях (температурная инверсия, высокая влажность, отсутствие встречного ветра) слышимость может достигать десятков километров. В неблагоприятных — звук может исчезать уже через 300–500 м.
Особенно чувствительны к этим факторам низкочастотные звуки, распространяющиеся дальше, и высокочастотные сигналы, быстро теряющие энергию.
Инфразвуковые волны (частоты < 20 Гц) обладают особыми свойствами. Благодаря малому затуханию они способны распространяться на сотни и тысячи километров, огибая земной шар. Источники инфразвука:
Эти волны активно используются в системе глобального мониторинга (например, сетью CTBTO) для фиксации мощных событий в атмосфере.
Для описания распространения звука в атмосфере применяются различные модели:
Понимание процессов распространения звука в атмосфере критично для:
Особое внимание уделяется вопросам прогнозирования распространения при различных метеоусловиях — это позволяет обеспечить надёжную работу акустических систем и раннего оповещения.