атмосферная акустика

АТМОСФЕРНАЯ АКУСТИКА - раздел акустики, в к-ром изучаются процессы генерации и распространения звука в реальной атмосфере, а также акустич. методы исследования атмосферы. Можно считать, что А. а. возникла в кон. 17 в., когда проводились первые опыты по определению скорости звука в атмосфере, но подлинное развитие она получила в 20 в., после появления электроакустики и электроники. Для атмосферы справедливы все положения теоретич. и эксперим. акустики газовых сред; однако атмосфера представляет собой очень сложную, неоднородную, стратифицированную по плотности, скорости движения, темп-ре и составу, сильно турбулизированную среду, в к-рой возникают специфич. явления.

Скорость звука в приближении коротких волн, когда длина волны много меньше масштаба неоднородностей темп-ры T и скорости ветра U, равна: , где - угол между направлениями распространения звука и ветра, T - т. н. виртуальная темп-ра, учитывающая влияние влажности. Изменение скорости звука в пространстве может достигать неск. процентов, что приводит к значит. эффектам рефракции звука и его рассеяния. К обычному для газов поглощению звука, когда коэф. поглощения обратно пропорционален плотности среды и прямо пропорционален квадрату частоты, добавляется поглощение, обусловленное влиянием влажности, к-рая при небольших относит. значениях может существенно увеличить коэф. . Повышенное поглощение звука на высоких частотах приводит к тому, что на больших расстояниях в его спектре остаются гл. обр. низкие частоты (напр., звук выстрела, резкий вблизи, становится глухим вдали). Звуки очень низких частот, напр. инфразвук от мощных взрывов с частотой в десятые и сотые доли Гц, могут распространяться без заметного затухания на сотни и тысячи км.

При распространении звука мощных взрывов вверх от земной поверхности благодаря прибл. постоянству плотности потока энергии - интенсивности звука - , колебательная скорость частиц растёт с высотой как, а звуковое давление р уменьшается как , но гораздо медленнее, чем ср. давление атмосферы , что приводит к нелинейным эффектам.

Стратификация атмосферы по темп-ре, а также по скорости ветра может привести к тому, что наклонные звуковые лучи от наземного источника звука будут благодаря рефракции загибаться обратно к земной поверхности, отражаться от неё под тем же углом и т. д., т. е. образуется атм. волновод акустический .Это возможно благодаря часто возникающим инверсиям темп-ры в приземном слое атмосферы или на высотах до 1-2 км, а также благодаря постоянно существующим в атмосфере инверсиям на высотах ок. 40 км и выше 80 км. Ветер на определ. высотах может существенно усиливать или ослаблять волноводные эффекты. В хорошо сформированном волноводе звук ослабляется с расстоянием R не по закону сферич. волны (как .), а по закону ци-линдрич. волны (как ). При падении темп-ры с высотой или при распространении против ветра образуется звуковая тень. Поверхность земли, как правило, далека от идеальной твердой границы и поэтому вносит добавочное затухание звука: распространяющийся вдоль земной поверхности звук от наземного источника ослабляется быстрее, чем по закону сферической волны.

Флуктуации темп-ры и скорости ветра, вызванные атм. турбулентностью, приводят к рассеянию звука и соотв. к нек-рому ослаблению распространяющейся в атмосфере звуковой волны. Это рассеяние может также привести к появлению сравнительно слабого звука в зоне тени.

В реальной атмосфере постоянно присутствуют шумы естеств. происхождения с весьма широким спектральным диапазоном: начиная с инфразвука с периодами до 200- 300 с и кончая УЗ. Источниками инфразвуковых шумов могут быть разл. геофиз. и метеорологич. явления - полярные сияния, магнитные бури, ураганы, движения воздуха в мощных кучевых и грозовых облаках, извержения вулканов, землетрясения и т. п. В слышимой области частот разл. шумы, вызываемые гл. обр. ветром, создают даже в тихой сельской местности заметный звуковой фон. При обтекании ветром морского волнения возникают инфразвуковые волны с частотами 0,2-0,3 Гц, к-рые при достаточной силе шторма можно обнаруживать за тысячи км от места их возникновения и использовать для штормового оповещения. Располагая неленгационной сетью приёмников, определяют направление прихода инфразвука. Особенный интерес представляет гром, раскаты к-рого объясняются большой длиной грозового разряда, фокусировкой и дефокусировкой звуковых волн благодаря кривизне канала молнии и рефракции волн в атмосфере.

Важная практич. задача А. а.- исследование распространения промышленных и транспортных шумов, атм. ядерных взрывов, шумов реактивных самолётов. Ударные волны сверхзвуковых самолётов могут из-за кривизны траектории полёта и рефракции звука фокусироваться вблизи земной поверхности так, что давление в волне может достичь опасных значений. Одна из самых ранних задач А. а.- звукометрия (артиллерийская разведка) - определение по разности времени прихода звука выстрела к неск. микрофонам местоположения источника звука.

В число задач А. а. входит исследование самой атмосферы акустич. методами. Долгое время наблюдение звука от мощных взрывов было единств. методом исследования верхних слоев атмосферы. По расположению зон слышимости и зон молчания и по времени запаздывания прихода звукового сигнала можно определить распределение темп-ры и ветра по высоте. Более точные результаты получаются при помощи наземной сети микрофонов, регистрирующих время прихода звука от взрывов зарядов, сбрасываемых с вертикально летящей ракеты. При помощи такой же сети микрофонов по регистрации времени прихода звука грома восстанавливается расположение канала грозового разряда. При исследовании атм. турбулентности широко применяются акустич. термометры и особенно анемометры, в к-рых флуктуации темп-ры и ветра оцениваются по времени распространения УЗ с частотой порядка 10⁵ Гц на небольшие (5-20 см) расстояния.

В 1970-х гг. получило значит. применение для исследования пограничного слоя атмосферы акустич. зондирование, при к-ром остронаправленные мощные звуковые импульсы частотой 1-3 кГц рассеиваются на флуктуациях темп-ры и ветра и по характеристикам принятого рассеянного сигнала оцениваются осн. характеристики турбулентности, т. н. структурные постоянные флуктуации темп-ры и ветра. Эти оценки можно производить вдоль луча с разрешением 10-15 м на расстояниях до 1 км (в сверхмощных звуковых НЧ-локаторах - содарах - до 2-3 км). При наклонном направлении луча по доплеровскому сдвигу частоты рассеянного сигнала оценивается скорость ветра. В кон. 70-х гг. начало развиваться радиоакустич. зондирование, при к-ром непрерывное радиоизлучение рассеивается на мощных звуковых направленных импульсах. T. к. скорость звука зависит от темп-ры воздуха, то по доплеровскому смещению частоты рассеянного радиосигнала можно определять темп-ру на высотах до неск. сотен метров.

Лит.: Блохинцев Д. И., Акустика неоднородной движущейся среды, 2 изд., M., 1981; Красильников В. А., Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твердых телах, 3 изд., M., 1960; Татарский В. И., Распространение волн в турбулентной атмосфере, M., 1967; Brown E. H., Hall F. F. Yr., Advances in atmospheric acoustics, "Revs Geophys. and Space Phys.", 1978, v. 16, p. 47. B. M. Бовшеверов.

   <<      Предметный указатель      >>