Скорость ветра возрастает с увеличением высоты

Число переменных параметров в задаче распространения звука так велико, что теоретическая оценка влияния градиентов ненадежна; чтобы дать представление о порядке величин, укажем, что при частоте звука 1 кГц и распространении его против ветра, дующего со скоростью 20 км/ч, интенсивность звука на расстоянии 1 км от источника снизится примерно на 30 дБ. Турбулентность ветра вызывает рассеяние звуковых волн и отклонение их в область тени, а также снижает интенсивность проходящих волн.

На распространение звука на открытом воздухе влияют не только градиенты ветра и температуры. На больших расстояниях для высоких частот очень существен другой фактор — вязкость воздуха. Так как частицы воздуха непрерывно совершают колебательные движения, то между соседними частицами возникают силы трения. Трение всегда приводит к поглощению энергии; на высоких частотах, когда соседние частицы колеблются друг относительно друга с большой скоростью, влияние трения может стать заметным. В результате трения звук частотой 10 кГц на расстоянии в 1 км затухает примерно на 40 дБ, это помимо ослабления, обусловленного законом обратных квадратов Земля также поглощает звуковую энергию. Об этом мы узнаем в следующей главе. Если местность холмистая, заросшая лесом или покрыта снегом, поглощение может оказаться очень существенным.

До сих пор наши звуковые волны испытывали только действие ветра и температуры. Но ведь мы живем не в пустыне, и звуки, которые мы слышим на открытом воздухе, как правило, встречают на своем пути препятствия потверже, чем дуновение ветра. Что происходит, когда звуковая волна падает на твердую поверхность, мы узнаем еще только через две главы, но, так как обычно поверхности имеют ограниченные размеры, выясним уже сейчас, что происходит со звуком, обходящим края таких препятствий.

Представим себе длинную, совершенно звуконепроницаемую стену, ограниченную прямым краем. Что случится со звуковой волной, проходящей мимо этого края? По-видимому, многие скажут, что волна пройдет совершенно прямо и по другую сторону стены образуется звуковая тень. Во всяком случае, это происходит со светом, а ведь нас учили, что звук, как и свет, распространяется прямолинейно. Однако и для звука, и для света все обстоит иначе.

В самом деле, вспомним метод Гюйгенса для построения волны. Каждую точку фронта волны можно рассматривать как самостоятельный источник вторичных волн, излучающий маленькие сферические волны, а благодаря тому что точки расположены непрерывно, взаимодействие этих сферических волн приводит к образованию такого же нового фронта волны, продвинувшегося немного вперед. Но если фронт звуковой волны встречает край стены, только часть фронта пройдет мимо этого края. Поэтому точки на конце той части фронта, которая прошла мимо стены, окажутся без соседей с одной стороны. С этой стороны взаимодействие маленьких сферических волн, восстанавливавших основной фронт волны по мере его продвижения вперед, прекратится. В результате срезанный край фронта волны станет новым источником звука, излучающим сферические волны в область звуковой тени перпендикулярно направлению распространения основного фронта волны. Волны по-прежнему налагаются друг на друга, но результат получается совсем иной.

Рис. 34 (а) Картина прохождения ряда волновых фронтов мимо ребра стены.

На рис 34, а схематически изображено дальнейшее движение оборванных фронтов волн. Кроме того, для некоторого момента времени показаны вторичные сферические волны, излученные точками на оборванных концах фронтов. Для простоты на рисунке представлено только несколько точек по ходу движения фронта, а в действительности они образуют непрерывную линию. Что же происходит теперь? В направлении, перпендикулярном движению основных волн, все вторичные волны взаимно уничтожаются. Точки максимальных сгущений в одних волнах точно совпадают с точками максимальных разрежений в других. Но, чем ближе к линии прохождения края фронта, тем менее полно вторичные волны уничтожают друг друга. В результате, например, в точке a экранирующее действие стены выражено очень слабо, потому что вторичные волны комбинируются здесь преимущественно конструктивно и производят такой же звук, как и основные волны. Напротив, в точке b взаимодействие вторичных волн деструктивно и по чисто геометрическим причинам сопровождается их значительным взаимным уничтожением. Поэтому в точке b наблюдатель в основном защищен стеной от звука.

Теперь обратимся к рис. 34, б. Он аналогичен рис. 34, а, но относится к более низкочастотному, иначе, к более длинноволновому звуку. Различия между этими рисунками бросаются в глаза. Для длинноволновых звуков взаимное уничтожение вторичных волн далеко не так эффективно, и поэтому экранирующее действие стены проявляется только в области более глубокой звуковой тени. Напротив, для самых коротковолновых звуков взаимное уничтожение вторичных волн происходит чрезвычайно эффективно почти до самых оборванных концов фронтов. Таким образом, высокочастотные звуки по своему поведению ближе к световым волнам, чем низкочастотные. Описанный выше процесс называется дифракцией; он присущ всем видам волн, в том числе и световым, хотя длина световых волн настолько мала, что обнаружить дифракцию света значительно труднее.

Рис. 34 (б) То же, но при меньшей частоте звука.

Как мы уже знаем, звуки, состоящие только из одной частоты, встречаются редко. Дифракция влияет на сложную волну так же, как и простую, но дифракция низкочастотных компонент выражена значительно сильнее. Чтобы установить, насколько велика будет дифракция в том или ином случае, необходимо знать расстояния от источника и приемника звука до стены, а также высоту этих объектов. Дифракция позволяет понять, почему мы слышим звуки от источников, которые находятся вне нашего поля зрения, как это часто наблюдается в самых разнообразных ситуациях. Как мы уже упоминали, говоря о звуковой тени, обусловленной градиентами ветра и температуры, дифракция звука — один из факторов снижения эффекта затенения.

Рис. 34 (в) Построение фронта волны методом Гюйгенса при излучении звука из отверстия.

Процесс взаимного уничтожения вторичных звуковых волн играет большую роль, когда звук распределен в пространстве неравномерно. Нетрудно заметить сходство между описанием дифракции и объяснением направленности излучения, создаваемого колеблющейся пластиной. Когда плоские волны, бегущие по вентиляционной трубе, внезапно вырываются наружу, на конце ее происходит то же, что и при излучении звука колеблющейся стальной пластиной: высокочастотный звук направляется прямо, вперед, тогда как для низких частот взаимное уничтожение вторичных волн по краям фронта оказывается менее полным, поэтому выходящий из трубы звук низкого тона имеет меньшую направленность и расходится в стороны. Явление, которое мы обозначали как «взаимное уничтожение» или «взаимодействие волн», на языке физики называют «интерференцией». Интерференция имеет место всегда, когда две волны одновременно проходят через одну точку. Это очень распространенное явление; впервые мы встретились с ним, рассматривая прохождение звука в резонансной трубе: в результате интерференции исходной и отраженной волн возникала стоячая волна. На этом принципе построены применяемые в лабораториях интерферометры— это особые резонансные трубы для измерения отражательной способности вещества, которое помещают на конце трубы.

Разумеется, отражение звука происходит не только когда звук доходит до конца трубы, но и в других случаях. Чаще всего отражение наблюдается при падении звука на большую плоскую твердую поверхность. Начнем с конца и, прежде чем обсуждать причины (см. гл. 8), рассмотрим некоторые следствия отражения звука. На рис. 6 и 7 было показано, что происходит при взаимодействии бегущих друг другу навстречу волн: образуется стоячая волна; она пульсирует, оставаясь на месте и не двигаясь ни в каком направлении. Эти рисунки относились к плоским волнам, бегущим по трубе, но с плоскими волнами приходится встречаться не слишком часто; у нас гораздо больше шансов наткнуться на другой тип волн — на сферические волны. Что же происходит при отражении сферической волны?

Рис. 35. Интерференция волны и ее отражения от плоскости.

На рис. 35 изображена «замороженная» сферическая волна. На рисунок нанесены и соединены друг с другом точки максимальных сгущений и разрежений в волне. Помимо падающей волны, на схеме показаны большая отражающая поверхность и отраженная сферическая волна. Здесь снова наблюдается интерференция: сгущения и разрежения в одной волне будут взаимно уничтожаться или усиливаться при наложении на сгущения и разрежения в другой волне. Результат получается весьма любопытный: обнаруживаются определенные зоны, где обе волны постоянно взаимодействуют конструктивно, усиливая интенсивность звука, и другие зоны, где их взаимодействие постоянно деструктивно и приводит к снижению интенсивности звука до нуля. При низкочастотных звуках, с их большой длиной волны, эти зоны велики, и поэтому при наличии в низкочастотном звуковом поле отражательных поверхностей можно оказаться в зоне значительной интенсивности звука, а перейдя в другое место, попасть в зону относительной тишины. Для высокочастотных же звуков такие зоны очень малы, так что одно ухо может оказаться в зоне большой интенсивности звука, а другое — в зоне тишины. Если подвигать головой, то можно попасть первым ухом в зону тишины, а вторым — в зону сильного звука.

Мы рассмотрели процесс интерференции применительно лишь к чистому тону. Если звук содержит целый набор чистых тонов, интерференционная картина значительно усложнится. А в случае беспорядочного шума, не содержащего периодических компонент, интерференция вообще не имеет устойчивого характера, зоны сильной и слабой интенсивности звука не формируются, так как длины волн, фазы и амплитуды звуков, составляющих шум, непрерывно меняются.

[12] При разности путей, равной половине длины волны, эти волны могут уничтожить друг друга: вместо усиления произойдет ослабление. — Прим. ред.

Поиск по сайту: