Название: Восемь лекций по физике атмосферы и гидросферы (Браже Р. А.)

Жанр: Радиотехнический

Просмотров: 1309


3.3. распространение акустических волн в атмосфере

 

Процесс распространения звуковых колебаний в газах можно считать адиабатическим, так как на звуковых частотах (от 16 Гц до 20 кГц) теплообмен между областями сжатия и растяжения в акустической волне не успевает про- изойти [6]. В адиабатическом приближении скорость звука в идеальном газе

 

c

 

s

 
RT ,     (3.1)

 

где

c p / cV

– отношение теплоемкостей при постоянном давлении и посто-

 

 

 

 
янном объеме (показатель адиабаты), R – универсальная газовая постоянная,

T – абсолютная температура,           – молярная масса газа. Используя уравнение

Менделеева – Клапейрона, формулу (3.1) можно переписать в виде, пригодном и для нахождения скорости звука в реальных газах:

 

s

 
c          p ,        (3.2)

 

где  – плотность газа.

 

 
Из (3.1) видно, что скорость звука возрастает с ростом температуры газа. При постоянном давлении температурная зависимость скорости звука в газах описывается приближенным выражением

 

 

 
cs         cs0

(t          t0 ) ,     (3.3)

 

 

где

cs 0 – скорость звука при температуре t0

0 ºС,    – температурный коэффи-

 

 

 

 

 

 
циент  скорости.        Для      воздуха           при      нормальном   атмосферном  давлении

cs 0

331м/с,

0,59 м/(c·К). Это означает, что при увеличении температуры

воздуха на каждые 10 градусов, скорость звука возрастает приблизительно на

6 м/c.  Например, при 40 ºС она уже равна 355 м/c. Поэтому изменение темпе- ратуры атмосферы с высотой приводит к эффектам рефракции акустических

волн наподобие рефракции электромагнитных волн в атмосфере (см. рис. 3.4).

В воздухе, как и в вообще в газах, коэффициент поглощения звука обрат- но пропорционален плотности среды и прямо пропорционален квадрату часто- ты волны. Сухой воздух более плотный. Поэтому в сухую погоду акустические волны в атмосфере поглощаются слабее, чем в сырую. Кроме того, во влажном воздухе акустические волны дополнительно ослабляются за счет рассеяния на молекулах водяного пара.

Интенсивность звуковых волн пропорциональна скорости их распростра- нения:

 

I           1          2

2

 

2

 
A cs ,   (3.4)

 

 

 
где      и  A – соответственно частота и амплитуда волны. Таким образом, ин- тенсивность акустических эффектов в сухую жаркую погоду выше, чем в сы- рую и холодную.

Повышенное поглощение звука на высоких частотах приводит к тому, что с удалением от источника в его спектре остаются главным образом низкие час- тоты. Например, звук выстрела, резкий и звонкий вблизи, становится глухим вдали.

Кроме того, на распространение звука в атмосфере влияют рельеф мест- ности, направление и скорость ветра, конвективные потоки воздуха. При рас- пространении над пересеченной местностью энергия звуковых волн рассеива-

ется при прохождении вдоль оврагов и холмов, лесных массивов, различных водоемов, зданий и сооружений. По ветру звук распространяется лучше, чем против ветра.

Стратификация атмосферы по температуре и скорости ветра приводит к тому, что наклонные лучи от наземного источника благодаря рефракции заги- баются обратно к земной поверхности, вновь отражаются от нее и т. д. Образу- ется так называемый акустический волновод, в котором концентрируется энер-

гия звуковой волны.

Флуктуации температуры, давления, плотности и состава воздуха в атмо- сфере также приводят к рассеянию звуковых волн и соответственно к их ослаб- лению по мере распространения.

С практической точки зрения силу звука (интенсивность звуковой волны)

удобно оценивать в сравнении с порогом чувствительности человеческого уха и измерять в децибелах – внесистемных единицах, вычисляемых по формуле

 

 

1 дБ

10 lg P2  ,        (3.5)

 

 
P1

 

 

где

P1 , P2

– соответственно одноименные энергетические единицы (мощности,

энергии, плотности энергии и т. п.), измеренные для сравнения. В табл. 3.1 [7] приведены примеры силы звука в различных природных явлениях и техниче- ских устройствах.

 

 

 

Сила звука и звуковое давление

Таблица 3.1

 

Сила звука

Δp, Па

Примеры

дБ

Вт/м2

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

10-12

10-11

10-10

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

1

10

0,00002

0,000065

0,0002

0,00065

0,002

0,0065

0,02

0,0645

0,20

0,645

2,0

6,45

20

64,5

Предел чувствительности человеческого уха

Слабый шѐпот на расстоянии 1 м

Шорох листьев в тихом саду

Средний уровень шума в зрительном зале

Негромкая музыка

Шум в учреждении с открытыми окнами

Разговорная речь на расстоянии 1 м

Шум мотора грузового автомобиля

Шум на улице с интенсивным движением транспорта

Фортиссимо большого симфонического оркестра

Звук автомобильной сирены

Шум при работе пневматического молота

Шум реактивного двигателя на расстоянии 1 м

Сила звука вблизи болевого предела человеческого уха