Атмосферная акустика (стр. 2 из 2)
Пусть источник звука находится в точке S, а наблюдатель в точке М. Вектор ветра
имеет направление как показано на рис. 8.8, а ось хх параллельна . В момент времени t звук из S дойдет до наблюдателя М, пройдя путь SМ и имея скорость Vc . Но за это же время t ветер «перенесет» центр возникших звуковых волн в точку SM, так что SSM= ct. Наблюдателю будет казаться, что по направлению звук пришел из центра SM. 
Не трудно показать, что при V>> c справедливо соотношение
Vc
V + c соs 
(8.25)где Vc – скорость звука в направлении наблюдателя с учетом скорости ветра с, а угол
– можно измерить, V – скорость ветра в неподвижном воздухе.Аналогично, для оценки
получим:sin
sin (8.26)Таким образом, зная скорость ветра и измерив
, по (8.25) можно достаточно оценить модуль скорости звуковой волны Vc от источника S в направлении наблюдателя М. При этом истинное положение источника S можно найти по углу из (8.26) и учитывая, что 
(8.27)где знак «–» соответствует расположению S с наветренной стороны ( по отношению к наблюдателю М), а знак «+» с подветренной стороны.
Из (8.25) следует, что при
= 0 (М находится точно на линии хх и S с наветренной стороны) влияние ветра на увеличение Vcмаксимально, так что Vc= V + c. При = 180 (Sна хх и в подветренной стороне) имеет место максимальное уменьшение Vc, так что Vc= V – c. При = 90º и 270º ветер не оказывает влияния на модуль скорости Vc(Vc= V). Напротив, звуковая поправка на аберацию максимальна при = 90º и 270º, когда sin = c/ V, и минимальна при = 0 и 180º, когда sin = 0.8.3.4 Распространение звуковых волн в атмосфере
В реальной атмосфере, которая расслоена температурно по вертикали и имеет акустические неоднородности (температурные и влажностные флуктуации за счет турбулентных и конвективных движений), звуковые волны будут преломляться, а так же ослабляться за счет рассеивания и поглощения. При этом преломление (рефракция) наиболее сильно выражена в вертикальной плоскости где температура сильно меняется с высотой, а в горизонтальной ею можно пренебречь.
Рефракция звука в атмосфере. Характер преломления звуковых колебаний в вертикальной плоскости определяется стратификацией атмосферы. Пусть источник звука S находится на земной поверхности (рис. 8.9). Если температура воздуха убывает с высотой, то скорость звука также убывает с высотой и по законам геометрической оптики (акустики) звуковой луч будет преломляться стремясь к нормали zz (рис. 8.9а). При повышении температуры изгиб луча будет обратным и он, испытав полное внутреннее отражение, может вернуться на земную поверхность (рис. 8.9б).
Если источник звука S находится в атмосфере на высоте Н (гром, летательный аппарат и др.), то звуковые волны в отсутствии ветра будут рефрагировать, как это показано на рис. 8.10а и 8.10б в зависимости от стратификации атмосферы.
Наличие сильного ветра может существенно исказить эту картину в зависимости от характера его распределения с высотой.
Рис. 8.10. Рефракция звуковых лучей в атмосфере при сильных звуках на высоте Н и падении а), росте б) температуры с высотой
Левее и правее ± l на рис. а лежит зона молчания (заштрихована), так как звуковые волны уходят вверх от земной поверхности.
В случае падения температуры с высотой и очень сильном звуке в атмосфере (например, гром, самолет), когда его предельная слышимость определяется рефракцией (а не поглощением), радиус зоны слышимости l(м) на земле (рис.8.10а) можно оценить по приближенной формуле;
l = 2 (T0H/
)0,5(8.28)где Т0 ºК – температура у земной поверхности; Н – высота звука;
ºС/1м – вертикальный градиент температуры.При образовании мощных интенсивных инверсий в атмосфере луч от наземного источника (согласно рис. 8.10б), испытав полное внутреннее отражение, вернется на земную поверхность. При очень сильных звуках возможно такое двух- трехкратное (и даже более) отражение в системе земная поверхность – инверсия, т.е. создание волновода с аномальной слышимостью звука на большом расстоянии. По этой причине в морозные ночи (т.е. при сильных радиационных инверсиях) слышимость всегда сильно улучшается.
Ослабление звука в атмосфере. Звуковая волна по мере удаления от источника звука ослабляется за счет трех факторов: 1) падение плотности потока энергии в расширяющейся сфере волны; 2) рассеяния на акустических неоднородностях; 3) различных механизмов поглощения. В итоге для силы звука I (Вт/м2) на расстоянии rзакон ослабления за счет всех трех факторов записывается в виде:
I =
(8.29)где I0 – начальная сила звука; I0/r2 – дает ослабление за счет падения плотности волны на расстоянии r ; e–2 r – дает ослабление за счет поглощения и рассеивания на расстоянии r,
– коэффициент ослабления, м–1.Вместо силы ослабления силы звука по (8.29) используется также формула ослабления (потерь) звука на расстоянии r в децибелах. Потери L* будут очевидно равны
L* = 10 lg
= 20 lg r + 
r (8.30)где
= 20 lg e = 8,68 .Первое слагаемое в (8.30) выражает потери звука за счет падения плотности в расширяющейся сферической волне, а второе – за счет всех механизмов поглощения и рассеивания. Спецификой использования (8.30) является то, что в первом слагаемом r следует выражать в м, а во втором в тех единицах длины, в каких она использована в
(дБ/м, дБ/км и др.).Рассеивание и поглощение звука зависят также от частоты. С ее ростом они возрастают очень сильно по квадратичному закону. Поэтому коэффициенты ослабления
обычно задаются для стандартной частоты в 1000 Гц. На других частотах в их значение следует вводить соответствующие поправки. Следствием этой зависимости ослабления силы звука от частоты является то, что в реальной атмосфере высокочастотные 
составляющие быстро теряются (вымываются) и звук становится насыщенным низкими тонами, например удаленные раскаты грома. Этим объясняется также тот фактор, что инфразвук распространяется на большие расстояния, ослабляясь гораздо меньше, чем обычные звуковые волны.Сильные звуки, особенно антропогенного происхождения (отбойный молоток, шум мотора самолета и др.), в целом вредно действуют на здоровье человека. Так, для тихих жилых районов низкочастотные шумы (до 150–300 Гц) не должны превышать 60–65 дБ, а высокочастотные (2400 Гц и выше) – 15–20 дБ. Для жилых кварталов со средним уровнем шумов их значения могут быть на 5–7 дБ выше. В шумных деловых районах уровень шумов в низкочастотной области составляет 80–85 дБ, а в высокочастотной около 30–40 дБ. Как пример, хорошей акустической обстановки приведен характерный уровень шума в ночное и дневное время в джунглях в дБ:
| Полоса Гц | 75–150 | 150–300 | 300–600 | 600–1200 | 1200–2400 | 2400–4800 |
| День, дБ | 50 | 36 | 25 | 10 | 9 | 8 |
| Ночь, дБ | 45 | 30 | 18 | 5 | 15 | 21 |