Розповсюдження звукових хвиль в атмосфері - Атмосферна акустика
У реальній атмосфері, яка розшарована температурно по вертикалі та має акустичні неоднорідності (температурні та вологісні флуктуації за рахунок турбулентних та конвективних рухів), звукові хвилі будуть переломлюватися, а також послаблюватися за рахунок розсіювання та поглинання. При цьому заломлення (рефракція) найбільш сильно виражена у вертикальній площині, де температура сильно змінюється з висотою, а в горизонтальній нею можна знехтувати.
Рефракція звуку у атмосфері. Характер заломлення звукових коливань у вертикальній площині визначається стратифікацією атмосфери. Нехай джерело звуку знаходиться на земній поверхні (рис. 8.9). Якщо температура повітря зменшується з висотою, то швидкість звуку також зменшується з висотою і за законами геометричної оптики (акустики) звуковий промінь буде переломлюватися прагнучи нормалі zz (рис. 8.9а). При підвищенні температури вигин променя буде зворотним і він, зазнавши повного внутрішнього відображення, може повернутися на земну поверхню (рис. 8.9б).
Якщо джерело звуку S знаходиться в атмосфері на висоті Н (грім, літальний апарат та ін), то звукові хвилі без вітру будуть рефрагувати, як це показано на рис. 8.10а та 8.10б залежно від стратифікації атмосфери.
Наявність сильного вітру може суттєво спотворити цю картину залежно від його розподілу з висотою.
Мал. 8.10.Рефракція звукових променів в атмосфері при сильних звуках на висоті Н і падінні а), зростанні б) температури з висотою
Лівіше і правіше ± l на рис. а лежить зона мовчання (заштрихована), оскільки звукові хвилі йдуть нагору від земної поверхні.
У разі падіння температури з висотою і дуже сильного звуку в атмосфері (наприклад, грім, літак), коли йогогранична чутність визначається рефракцією (а чи не поглинанням), радіус зони чутності l(м) землі (рис.8.10а) можна оцінити за наближеною формулою;
де Т0? До - температура біля земної поверхні; Н – висота звуку; ?С/1м - вертикальний градієнт температури.
При освіті потужних інтенсивних інверсій в атмосфері промінь від наземного джерела (відповідно до рис. 8.10б), випробувавши повне внутрішнє відображення, повернеться на земну поверхню. При дуже сильних звуках можливо таке дво-триразове (і навіть більше) відбиток у системі земна поверхня - інверсія, тобто. створення хвилеводу з аномальною чутністю звуку великій відстані. Тому в морозні ночі (тобто при сильних радіаційних інверсіях) чутність завжди сильно покращується.
Ослаблення звуку у атмосфері. Звукова хвиля в міру віддалення від джерела звуку послаблюється за рахунок трьох факторів: 1) падіння щільності потоку енергії в сфері хвилі, що розширюється; 2) розсіювання на акустичних неоднорідностях; 3) різних механізмів поглинання. У результаті сили звуку I (Вт/м 2 ) з відривом r закон ослаблення з допомогою всіх трьох чинників записується як:
де I0 – початкова сила звуку; I0/r 2 - дає ослаблення за рахунок падіння щільності хвилі на відстані r; e- 2r - дає ослаблення за рахунок поглинання та розсіювання на відстані r, - коефіцієнт ослаблення, м-1.
Замість сили ослаблення сили звуку (8.29) використовується також формула ослаблення (втрат) звуку на відстані r в децибелах. Втрати L* будуть очевидно рівні
L* = 10 lg = 20 lg r + r (8.30)
де = 20lg e = 8,68.
Перше доданок (8.30) виражає втрати звуку за рахунок падіння щільності в сферичній хвилі, що розширюється, а друге - за рахунок всіх механізмів поглинання і розсіювання. Специфікоювикористання (8.30) і те, що у першому доданку r слід виражати м, тоді як у другому у тих одиницях довжини, у яких вона використана (дБ/м, дБ/км та інших.).
Розсіювання та поглинання звуку залежать також від частоти. З її зростанням вони зростають дуже сильно за квадратичним законом. Тому коефіцієнти ослаблення зазвичай задаються для стандартної частоти 1000 Гц. На інших частотах їх значення слід вводити відповідні поправки. Наслідком цієї залежності ослаблення сили звуку від частоти є те, що в реальній атмосфері високочастотні складові швидко втрачаються (вимиваються) і звук стає насиченим низькими тонами, наприклад, віддалені гуркіт грому. Цим пояснюється також і той чинник, що інфразвук поширюється великі відстані, послаблюючись набагато менше, ніж звичайні звукові хвилі.
Сильні звуки, особливо антропогенного походження (відбійний молоток, шум двигуна літака та інших.), загалом шкідливо діють здоров'я. Так, для тихих житлових районів низькочастотні шуми (до 150-300 Гц) повинні перевищувати 60-65 дБ, а високочастотні (2400 Гц і від) - 15-20 дБ. Для житлових кварталів із середнім рівнем шумів їх значення можуть бути на 5-7 дБ вищими. У галасливих ділових районах рівень шумів у низькочастотній області становить 80-85 дБ, а у високочастотній близько 30-40 дБ. Як приклад, гарної акустичної обстановки наведено характерний рівень шуму в нічний та денний час у джунглях у дБ: