Турбулентность и её роль в распространении звука в атмосфере
Турбулентность в атмосфере представляет собой хаотическое и стохастически изменяющееся движение воздуха, характеризующееся флуктуациями скорости, температуры и давления. Влияние таких флуктуаций на акустические волны обусловлено тем, что звук распространяется в среде, параметры которой непрерывно изменяются во времени и пространстве.
Акустическая волна, проходящая через турбулентную среду, подвергается различным воздействиям: рассеянию, фокусировке, дефокусировке, модуляции фазы и амплитуды. Эти процессы оказывают существенное влияние на энергетические и спектральные характеристики звука, особенно при дальнем распространении и в присутствии сильных градиентов температуры или ветра.
Возмущения плотности и скорости ветра на турбулентных масштабах вызывают случайные изменения пути распространения звуковых волн. Это приводит к флуктуациям фазы и амплитуды сигнала, известным как акустическая сцинтилляция. Они особенно выражены при наличии сильной термической стратификации и наблюдаются в ближнем и среднем поле источника.
Параметр сцинтилляции зависит от интенсивности турбулентности, длины пути распространения и длины волны. При больших расстояниях малые флуктуации приводят к кумулятивному эффекту, вызывая искажение формы сигнала и ухудшение его различимости.
Турбулентные вихри являются пространственными неоднородностями, которые рассеивают звуковые волны. Это рассеяние может быть как изотропным, так и анизотропным в зависимости от структуры турбулентности. Обычно применяются модели типа Вон Кармана или Колмогорова для описания спектра турбулентной энергии и расчёта характеристик рассеяния.
Результатом рассеяния является потеря когерентности сигнала и появление фона (акустического “шума”), который может значительно затруднять детекцию слабых источников.
Для количественной оценки влияния турбулентности на звук используются как аналитические, так и численные методы. Одной из ключевых задач является моделирование индекса преломления звука, зависящего от температуры, давления и скорости ветра, и рассматриваемого как случайное поле.
Широко используется метод параболического уравнения (PE – Parabolic Equation), который позволяет учитывать дифракционные и турбулентные эффекты. Турбулентность вводится в виде случайных флуктуаций в коэффициенты уравнения, и моделирование проводится либо статистическими, либо прямыми методами Монте-Карло.
В условиях, когда длина волны мала по сравнению с характерными размерами неоднородностей, применима геометрическая акустика. В ней турбулентность учитывается как случайные возмущения траектории лучей. Такой подход позволяет анализировать фокусировку и дефокусировку звука, а также статистику приходящих импульсов.
В некоторых случаях турбулентность действует как акустическая линза, вызывая фокусировку звуковых волн. Это приводит к временному усилению звукового сигнала в определённой области пространства. Однако из-за стохастической природы атмосферы такие эффекты неустойчивы и локальны.
Наблюдается также дефокусировка, приводящая к ослаблению сигнала, особенно в диапазоне инфразвука. Подобные явления существенно усложняют интерпретацию данных при акустическом зондировании атмосферы и требуют статистической обработки множества реализаций сигнала.
Пограничный слой, особенно вблизи земной поверхности, является областью с высокой турбулентностью, связанной с шероховатостью подстилающей поверхности, тепловыми потоками и локальными ветрами. Влияние турбулентности здесь наиболее сильно и проявляется в следующих аспектах:
Особенно важно учитывать, что при ночной инверсии температуры верхняя часть пограничного слоя становится отражающей границей, а флуктуации в пределах слоя усиливают многократное рассеяние, создавая эффект акустической “ловушки”.
Для описания акустического поля в турбулентной атмосфере применяются вероятностные методы. Основными статистическими характеристиками являются:
Эти параметры играют ключевую роль в разработке систем пассивного акустического мониторинга и акустического зондирования, особенно в задачах дальнего обнаружения.
Микрофонные массивы позволяют регистрировать пространственно-временную структуру акустических флуктуаций и определять направление на источник при наличии турбулентного фона.
Такие устройства фиксируют структуру турбулентности, позволяя сопоставить её с наблюдаемыми акустическими эффектами.
Инфразвуковые интерферометры чувствительны к фазовым изменениям и позволяют выявить и количественно оценить влияние турбулентных неоднородностей на длинноволновой звук.
Турбулентность часто сочетается с другими крупномасштабными атмосферными явлениями, такими как:
Их совокупное воздействие создаёт сложную акустическую среду, в которой турбулентность выполняет роль множителя, усиливающего или ослабляющего действие других факторов.
Понимание влияния турбулентности на звук критично для:
Наиболее остро вопрос стоит при работе с высокочувствительными сенсорами в присутствии шумового фона, вызванного как природными, так и искусственными источниками турбулентности.