Физика распространения звука в атмосфере
Звук в атмосфере представляет собой механические продольные волны, распространяющиеся за счёт колебаний молекул воздуха. Поскольку звук требует среды для передачи, вакуум полностью исключает возможность его распространения. Атмосфера, как упругая газовая среда, обеспечивает перенос акустической энергии от источника к приёмнику с помощью волн упругих сжатий и разрежений.
Характеристики звуковых волн определяются их:
Скорость звука в воздухе на уровне моря при температуре +20 °C составляет приблизительно 343 м/с, однако эта величина изменяется под воздействием различных факторов.
Температура является одним из наиболее значимых факторов, влияющих на скорость звука. При повышении температуры молекулы воздуха движутся быстрее, увеличивается упругость среды, и, как следствие, возрастает скорость звука. Эта зависимость описывается приближённой формулой:
$$ c = \sqrt{\gamma \cdot \dfrac{R T}{M}} $$
где:
Из формулы следует, что при повышении температуры на каждые 1 °C скорость звука увеличивается примерно на 0.6 м/с.
На первый взгляд, может показаться, что давление напрямую влияет на скорость звука. Однако в идеальном газе при постоянной температуре изменения давления и плотности компенсируют друг друга, и скорость звука остаётся постоянной. На практике, при значительных высотах, где и давление, и температура падают, скорость звука уменьшается.
Присутствие водяного пара в воздухе также влияет на скорость звука. Воздух с большей влажностью имеет меньшую молярную массу, поскольку молекула воды легче, чем молекулы азота и кислорода. Это приводит к повышению скорости звука во влажной атмосфере. Разница может достигать нескольких метров в секунду между сухим и насыщенным воздухом при одинаковой температуре.
Атмосфера не является однородной: температура, плотность и влажность воздуха изменяются с высотой. Эти изменения приводят к рефракции звуковых волн, аналогичной преломлению света. Если температура убывает с высотой (нормальное состояние тропосферы), звуковые волны изгибаются вверх, что может затруднять слышимость удалённых источников.
При инверсии температуры, когда в верхних слоях температура выше, чем в нижних, звуковые волны изгибаются вниз, улучшая дальность распространения звука. Это явление особенно заметно в утренние и вечерние часы, а также зимой, когда холодный воздух скапливается у поверхности.
Ветер в атмосфере, особенно при его изменении с высотой (ветровой сдвиг), оказывает влияние на распространение звука. Компонента ветра в направлении звуковой волны может:
Кроме того, вертикальные градиенты ветра создают условия, при которых звуковые лучи искривляются, что может либо усиливать, либо ослаблять звуковой сигнал в зависимости от положения наблюдателя.
Атмосфера не только передаёт, но и поглощает звуковую энергию. Механизмы поглощения включают:
Поглощение зависит от частоты звука: высокочастотные звуки затухают быстрее, чем низкочастотные. Поэтому на больших расстояниях сохраняются преимущественно низкие частоты.
Турбулентность в атмосфере вызывает флуктуации плотности и температуры воздуха, что влечёт за собой рассеяние и фазовые искажения звуковых волн. Этим объясняется, например, мерцание звука, колебания громкости, дрожание тембра, возникающее при прохождении звука через неустойчивые воздушные массы.
Особенно чувствительны к турбулентности узконаправленные акустические сигналы, такие как ультразвук или звуковые волны, используемые в технических измерениях и коммуникациях.
Поверхность Земли, здания, водные поверхности, облака и даже слои с резким изменением температуры могут отражать звуковые волны, создавая явление эха. Отражение зависит от длины волны звука и геометрии отражающей поверхности.
Кроме отражения, возможно также многократное переотражение, приводящее к образованию стоячих волн или усилению определённых частот (резонанс). В атмосфере такие условия возможны, например, в узких долинах, между зданиями или при наличии термальных слоёв.
Звуковые волны с частотами ниже 20 Гц называются инфразвуковыми. Их особенностью является высокая проникающая способность и малое затухание, благодаря чему они могут распространяться на сотни и тысячи километров.
Инфразвук генерируется в атмосфере различными источниками:
Для инфразвуковых волн характерно взаимодействие с высокими слоями атмосферы — мезосферой и термосферой, где они могут многократно отражаться и создавать сложные акустические картины.
Акустической тенью называют область, в которую звуковые волны не проникают из-за их преломления, отражения или поглощения в атмосфере. Это явление может быть вызвано:
В зоне акустической тени звук может быть полностью не слышен, несмотря на близость источника, что имеет важное значение для звукомаскировки и военных применений.
В тропосфере, где присутствует турбулентность, осадки, облака, и значительные температурные градиенты, звук распространяется неравномерно. В стратосфере, напротив, атмосфера более стабильна, и при некоторых условиях звуковые волны (особенно инфразвук) могут распространяться на большие расстояния с малым затуханием. В мезосфере и выше возможны специфические резонансные эффекты, но для звуковой энергии основной поток теряется ещё ниже — вследствие уменьшения плотности воздуха и интенсивного поглощения.
Знание физики распространения звука в атмосфере имеет важное значение для метеорологии, геофизики, аэрокосмических технологий, оборонной промышленности и экологии. Используются следующие подходы:
Каждое из этих применений требует учёта сложных многослойных свойств атмосферы и динамического характера её изменений.