Влияние влажности и давления на распространение звука
Атмосферное давление оказывает значительное влияние на акустические характеристики среды, прежде всего через изменение плотности и упругости воздуха. Скорость звука c в газах описывается уравнением:
$$ c = \sqrt{\frac{\gamma R T}{M}} $$
где:
Из этого выражения видно, что скорость звука в воздухе напрямую не зависит от давления, поскольку как плотность, так и модуль упругости пропорциональны давлению, и их влияние взаимно компенсируется. Однако, в изолированных условиях (например, в герметичных камерах), где давление может варьироваться при постоянной температуре, изменяется плотность среды, что сказывается на затухании и поглощении звука.
При повышении давления увеличивается плотность воздуха, что может усилить дисперсионные эффекты и повлиять на амплитуду волны. Это особенно важно при рассмотрении высокочастотных сигналов и в условиях сильно сжатого газа. В ультразвуковой акустике изменение давления может существенно сказываться на фазовой скорости и характеристиках распространения.
Низкое давление (например, в условиях высокогорья или в барокамерах) приводит к снижению плотности воздуха, уменьшению импеданса среды и, соответственно, ухудшению передачи звуковой энергии. Это наблюдается как снижение громкости и усиление затухания звука, особенно в области высоких частот.
Влажность воздуха — это содержание водяного пара в атмосфере, выражаемое в процентах относительной влажности или в г/м³ (абсолютная влажность). В отличие от давления, влажность оказывает выраженное влияние на скорость и поглощение звука, особенно в диапазоне средних и высоких частот.
С увеличением влажности молярная масса воздуха уменьшается, поскольку водяной пар (молекулярная масса 18 г/моль) легче, чем азот (28 г/моль) и кислород (32 г/моль), составляющие основу сухого воздуха. Это приводит к увеличению скорости звука во влажном воздухе. При температуре около 20 °C повышение относительной влажности воздуха с 0 % до 100 % увеличивает скорость звука на ~1.5 %.
Это изменение критично в акустических расчетах при точном моделировании распространения звука в атмосфере, особенно при длительных дистанциях, например, в геофизике, радиолокации и биоакустике.
Влияние влажности на поглощение звука особенно заметно при частотах выше 1 кГц. Это обусловлено резонансным поглощением, связанным с релаксационными процессами при взаимодействии звуковых волн с молекулами воды. При высокой влажности воздух становится более «акустически прозрачным», поскольку водяной пар смягчает релаксационные потери кислорода и азота.
Поглощение звука α в дБ/м в воздухе можно приближенно представить через эмпирические зависимости, учитывающие температуру, влажность, давление и частоту. Например, при относительной влажности 50 %, температуре 20 °C и частоте 4 кГц поглощение звука в воздухе составляет около 0.5 дБ/м, тогда как при влажности 0 % оно может достигать 1.5 дБ/м.
Хотя давление и влажность оказывают влияние на звукопередачу по разным физическим механизмам, их совместное действие важно при описании реальных атмосферных условий. Например, при высокой влажности и низком давлении (характерных для тропических широт или перед грозой) звук распространяется быстрее, но его дальность может снижаться из-за увеличенного поглощения, особенно при наличии аэрозолей.
Также в инфразвуковом и ультразвуковом диапазоне наблюдаются нелинейные эффекты, обусловленные одновременно изменением теплопроводности, вязкости воздуха и релаксационного поведения газов в зависимости от температуры, давления и содержания водяного пара.
При проведении инженерных расчетов и компьютерного моделирования распространения звука в атмосфере используются модифицированные формы уравнений волны, включающие поправочные коэффициенты на:
Один из распространённых подходов — использование ISO 9613-1, где акустические потери рассчитываются на основе данных о метеоусловиях. Для точного прогноза распространения звука на больших расстояниях учитывается профиль атмосферы по высоте, включая вертикальные градиенты давления и влажности, что особенно важно при анализе эффекта рефракции и формирования теневых зон.
Лабораторные исследования показали, что изменение относительной влажности воздуха от 0 % до 100 % может изменить уровень звукового давления на расстоянии 100 м до 4–6 дБ для частот выше 5 кГц. Полевые измерения в разных климатических условиях подтвердили, что при равной температуре звук распространяется дальше во влажном воздухе при низких частотах, но испытывает большее затухание при высоких частотах и сухом воздухе.
Особо важно учитывать сезонные и суточные колебания влажности и давления в открытых пространствах — от леса до городского ландшафта, где микроклиматические условия могут влиять на эффективность звукопередачи, в том числе на уровне восприятия речи или сигналов тревоги.
Эти факторы имеют важнейшее значение в прикладной акустике, метеорологии, телекоммуникациях, архитектуре и экологическом мониторинге.