Атмосферная акустика
Акустика (от греч. akustikós — слуховой, слушающийся) в узком смысле слова — учение о звуке, т. е. об упругих колебаниях и волнах в газах, жидкостях и твёрдых телах, слышимых человеческим ухом (частоты таких колебаний находятся в диапазоне 16 Гц – 20 кГц); в широком смысле — область физики, исследующая упругие колебания и волны от самых низких частот (условно от 0 Гц) до предельно высоких частот 1012–1013 Гц, их взаимодействие с веществом и применение этих колебаний (волн).
Атмосферная акустика является одним из разделов акустики, в котором изучаются вопросы распространения акустических волн в атмосфере или, иными словами, особенности генерации и распространения звуковых волн.
Распространение акустических волн в атмосфере подчиняется общим законам распространения звука в идеальном газе. Однако, так как в земной атмосфере отмечается непостоянство газового состава, наличие турбулентных движений, вертикальная и горизонтальная стратификация плотности, температуры, влажности воздуха в сочетании с ветром у поверхности земли и на различных высотах, при решении ряда практических задач требуется учитывать некоторые отличия в распространении звуковых волн в идеальной газовой среде и реальной атмосфере. Поэтому атмосферная акустика также тесно связана с проблемами физики атмосферы и теории распространения волн в случайно неоднородных средах.
Диапазон звуковых частот, представляющих практический интерес в атмосферной акустике, довольно широк. Он охватывает область инфразвука (с частотой колебаний от сверхнизких частот до 16–20 Гц), область слышимых человеком колебаний (16 Гц – 20 кГц) и распространяется в область ультразвуковых частот (свыше 20 кГц).
В атмосфере наблюдаются различные звуки естественного и искусственного происхождения. Длительные раскаты грома происходят вследствие большой длины грозового разряда, а также потому, что из-за рефракции звуковая волна распространяется по различным путям и приходит с различными запаздываниями. Некоторые геофизические явления — полярные сияния, магнитные бури, мощные землетрясения, ураганы, морские волнения — являются источниками звуковых и особенно инфразвуковых волн. Их исследование важно не только для геофизики, но, например, для заблаговременного штормового оповещения. Разнообразные слышимые шумы вызываются или срывом вихрей с различных препятствий (свист ветра в надстройке судов и снастях), или колебаниями каких-либо предметов в потоке воздуха (гудение проводов и т. п.).
Различные звуковые сигналы, подаваемые с морских судов, маяков и навигационных знаков, имеют прямое отношение к распространению акустических волн с целью обеспечения безопасности мореплавания. Это особенно важно в условиях штормовой погоды, в ночное время и при тумане.
Основные определения
Звуковыми колебаниями называются колебательные движения частиц среды под воздействием переменного возмущения в упругой среде.
Звуковые колебания в газообразных средах являются продольными колебаниями, т. е. частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны.
Область воздушного пространства, в которой распространяются звуковые волны, называется акустическим полем.
В атмосферной акустике удобным геометрическим представлением этого процесса является звуковой луч — направление распространения звуковых волн. При этом поверхность, перпендикулярная звуковому лучу и состоящая из точек акустического поля с одинаковой фазой колебания частиц среды, называется фронтом волны.
К основным характеристикам звукового поля относятся звуковое давление, смещение частиц среды, скорость колебаний и акустическое сопротивление среды.
Звуковым давлением Р называется разность между мгновенным значением давления Рм в точке среды при прохождении через неё звуковой волны и статическим давлением Рс в той же точке, т. е.
Звуковое давление — это сила, действующая на единицу поверхности. Измеряется она в ньютонах на 1 м2 (Н/м2). Эта единица называется паскалем (Па). Следует отметить, что в большинстве случаев звуковое давление акустических колебаний в воздухе во много раз меньше атмосферного давления.
Смещением называется отклонение частиц среды от её положения под действием проходящей звуковой волны. Смещение измеряется в метрах (м).
Скоростью колебаний называется скорость движения частиц среды под действием проходящей звуковой волны.
Акустическим сопротивлением называется отношение звукового давления Р к скорости колебаний v.
Интенсивностью, или силой звука I называется количество энергии, проходящее в 1 секунду через единицу площади, перпендикулярной направлению распространения волны. Единицей интенсивности звука является ватт на 1 м2 (Вт/м2).
Скорость звука в атмосфере
Формула для определения скорости звука в виде 
впервые была предложена П.-С. Лапласом. Она получена в предположении, что процесс распространения адиабатичен и изменение температуры в среде, связанное со сжатием и разрежением в звуковой волне, не успевает выравниваться за период колебания. С учётом соотношения для идеальных газов 
скорость звука может быть представлена в виде:
где R — универсальная газовая постоянная; μ — молекулярная масса газа; Т — абсолютная температура.
Как видно из этого выражения, значение скорости звука в этом приближении не зависит ни от частоты звука, ни от его амплитуды. Для сухого воздуха γ = 1.402, μ = 28.96 кг/моль, R = 8.314 Дж/(моль∙К) скорость звука будет
с возрастанием примерно на 0,6 м/с при повышении температуры Т на 1 °С. При нормальном атмосферном давлении и температуре 0 °С скорость звука с = 333 м/с.
Атмосфера является акустически неоднородной средой, поэтому акустические волны, т. е. звук, испытывают в ней ослабление, отражение и преломление, причём все эти процессы тесно связаны с её физическим состоянием. Поэтому изучение особенностей распространения звука в атмосфере имеет практическое значение как один из косвенных методов исследования её свойств — в целях звуковой сигнализации и определения местонахождения источника звука (звуковой разведки).
Поглощение звука в воздухе
Основные физические механизмы поглощения звука в атмосфере известны: при распространении звукового излучения происходит постепенное затухание энергии звука, при удалении от источника звука его интенсивность уменьшается. Это происходит потому, что энергия, излучённая источником звука, распределяется на всё большие сферические поверхности. Однако строгой теории поглощения не существует. Имеющиеся эмпирические соотношения разных авторов содержат различные численные коэффициенты. При этом, поглощение звука в газах разделяют на классическое и молекулярное.
Классическое поглощение обусловлено главным образом механизмами вязкости и теплопроводности.
Сущность молекулярного поглощения звуковых колебаний состоит в том, что упорядоченные колебательные движения частиц воздуха превращаются в беспорядочные движения этих частиц — молекул.
Сила звука в атмосфере обычно убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника звука.
Рефракция и отражение звука
Вопросы рефракции звука подробно рассматриваются теорией распространения звука в стратифицированной движущейся среде. Все средние величины — давление, плотность, температура, скорость ветра — являются функцией только вертикальной координаты. Физически стратификация обусловлена силой тяжести, а также трением воздуха о подстилающую поверхность.
В атмосфере практически всегда наблюдаются вертикальные градиенты температуры и скорости ветра. Это приводит при распространении звука от его источника к искривлению траекторий акустических лучей, т. е. к рефракции звука в атмосфере.
Если ограничить рассмотрение небольшим по горизонтали районом, то максимальные изменения элементов будут иметь место в вертикальном направлении, поэтому и скорость звука будет изменяться главным образом по вертикали.
Возрастание скорости ветра с высотой в направлении распространения звука приводит к отражению звука вниз и способствует сосредоточению акустической энергии у земной поверхности. К этому же приводит и рост температуры с высотой.
В случае распространения звука против ветра, а также в случае понижения температуры воздуха с высотой звуковые лучи отклоняются кверху, что способствует образованию «акустической тени» у поверхности.
При некоторых условиях в атмосфере в результате рефракции звука наклонный звуковой луч может вернуться к земной поверхности, образуя акустические зоны слышимости и зоны молчания. В земной атмосфере отмечается как рассеяние, так и ослабление звука на турбулентных неоднородностях, а также сильное поглощение звука на больших высотах.
Звуковые волны в атмосфере могут отражаться от тех или иных объектов — облаков, осадков, водной поверхности, айсбергов, береговой зоны и т. п., при этом звук может неоднократно повторяться. Таким образом, раскаты грома при грозе, а иногда при подаче звукового сигнала гудком, нередко формируют акустический процесс, называемый эхом.
Несмотря на большую силу источника звука при грозе, дальность слышимости грома редко превышает 20–25 км. Происходит это потому, что, во-первых, гром возникает при всем извилистом пути молнии и его энергия рассеивается по этому пути; а во-вторых, гром всегда возникает при метеорологических условиях, неблагоприятных для слышимости. По промежутку времени между вспышкой молнии и громом можно определить расстояние от наблюдателя до места удара молнии. Для этого следует промежуток времени умножить на среднюю скорость звука, равную 332 м/с.
Такие звуковые процессы, как вой ветра, гудение и свист проводов, объясняются следующим образом: при обтекании воздушным потоком твёрдых предметов около каждого из них возникают завихрения воздуха. Если срыв вихрей с препятствий происходит с частотой, воспринимаемой ухом (что имеет место при большой скорости ветра), то возникает звуковая волна. Чем больше скорость ветра, тем выше тон образующегося звука. А так как ветер дует обычно порывами, то создаётся большое число различных звуков.
При обтекании воздухом проводов тон звука зависит ещё и от диаметра колеблющегося провода, а сила звука — от степени его натяжения. Особенно сильно гудение проводов наблюдается зимой при сильных морозах, когда они, охлаждаясь, укорачиваются и сильнее натягиваются.
Литература
Гидрометеорологическое Обеспечение Мореплавания - Глухов В.Г., Гордиенко А.И., Шаронов А.Ю., Шматков В.А. [2014]
