Акустическая тень

Версия 04:48, 10 декабря 2015

Акустическая тень — аналог световой тени, область пространства, в которой звук источников не слышен.

Явления акустической тени

Объяснение явления акустической тени связано с понятием дифракции звука. Дифракцией называется огибание волнами препятствия. Дифракция анализируется с помощью принципа Гюйгенса. Степень такого огибания зависит от соотношения между длиной волны и размером препятствия или отверстия. Поскольку длина звуковой волны во много раз больше, чем световой, дифракция звуковых волн менее удивляет нас, нежели дифракция света. Так, можно разговаривать с кем-то стоящим за углом здания, хотя он и не виден. Звуковая волна с легкостью огибает угол, тогда как свет из-за малости своей длины волны дает резкие тени. Рассмотрим дифракцию плоской звуковой волны, падающей на твердый плоский экран с отверстием. Для определения формы волнового фронта по другую сторону экрана нужно знать соотношение между длиной волны l и диаметром отверстия D. Если эти величины примерно одинаковы или l намного больше D, то получается полная дифракция: волновой фронт выходящей волны будет сферическим, а волна достигнет всех точек за экраном. Если же l несколько меньше D, то выходящая волна будет распространяться преимущественно в прямом направлении. И наконец, если l намного меньше D, то вся ее энергия будет распространяться по прямой. Дифракция наблюдается и тогда, когда на пути звука оказывается какое-либо препятствие. Если размеры препятствия намного больше длины волны, то звук отражается, а позади препятствия формируется зона акустической тени. Когда размеры препятствия сравнимы с длиной волны или меньше ее, звук дифрагирует в какой-то мере во всех направлениях.

Зона молчания может возникать, когда температура воздуха понижается с увеличением высоты. Звуковые волны, идущие от источника звука, отклоняются вверх вследствие рефракции. В зону молчания под преломленными звуковыми лучами звук не проникает. Акустическую тень может вызвать рефракция, обусловленная градиентом температуры. Если скорость звука в неоднородной среде непрерывно меняется от точки к точке, то рефракция также меняется. Поскольку скорость звука и в воздухе, и в воде зависит от температуры, при наличии градиента температуры звуковые волны могут изменять направление своего движения. В атмосфере и океане из-за горизонтальной стратификации обычно наблюдаются вертикальные градиенты температуры. Поэтому вследствие изменений скорости звука по вертикали, обусловленных температурными градиентами, звуковая волна может отклоняться либо вверх, либо вниз. Рассмотрим случай, когда в каком-то месте вблизи поверхности Земли воздух теплее, чем в более высоких слоях. Тогда с увеличением высоты температура воздуха здесь понижается, а вместе с ней уменьшается и скорость звука. Звук, излучаемый источником вблизи поверхности Земли, вследствие рефракции будет уходить вверх. Это показано на рис. 1, где изображены звуковые «лучи». Отклонение лучей звука, показанное на рис. 1, в общей форме описывается законом Снеллиуса. Если через θ, как и раньше, обозначить угол между вертикалью и направлением излучения, то обобщенный закон Снеллиуса имеет вид равенства sin(θ)/v=const, относящегося к любой точке луча. Таким образом, если луч переходит в область, где скорость v уменьшается, то угол θ тоже должен уменьшаться. Поэтому звуковые лучи всегда отклоняются в направлении уменьшения скорости звука. Из рис. 1 видно, что существует область, расположенная на некотором удалении от источника, куда звуковые лучи вообще не проникают - зона молчания. Вполне возможно, что где-то на высоте, большей, чем показано на рис. 1, из-за градиента температуры скорость звука увеличивается с высотой. В таком случае первоначально отклонившаяся вверх звуковая волна здесь отклонится к поверхности Земли на большом удалении. Так бывает, когда в атмосфере образуется слой температурной инверсии, в результате чего оказывается возможным прием сверхдальних звуковых сигналов. При этом качество приема в удаленных точках бывает даже лучше, чем вблизи.

Зона молчания

В акустике - область, в к-рой звук удалённых мощных источников (взрывы, вулканич. извержения и т. п.) не слышен, в то время как на ещё больших расстояниях он снова появляется ("зона аномальной слышимости"). 3. м. обычно имеет на земной поверхности форму неправильного кольца, окружающего источник звука. Одновременно наблюдаются одна-две, иногда три 3. м., разделённые зонами аномальной слышимости. Внутр. радиус первой 3. м. обычно равен 20-80 км, иногда он достигает 150 км; внеш. радиус простирается до 150-400 км. <Причиной образования 3. м. является рефракция звука в атмосфере. Т. к. темп-pa в ниж. слоях атмосферы убывает с высотой (вплоть до минус 50-75 °С на высоте 15-20 км), звуковые лучи отклоняются вверх, что приводит к прекращению слышимости на поверхности Земли. Повышение темп-ры до плюс 50-70 °С в слое, лежащем на высоте 40-60 км, приводит к тому, что лучи загибаются книзу и, огибая сверху 3. м., возвращаются на земную поверхность, образуя зону аномальной слышимости. Вторая и третья зоны аномальной слышимости возникают вследствие одно- и двухкратного отражения звуковых лучей от земной поверхности. Для зон аномальной слышимости характерно запаздывание прихода звука по времени на 10- 30% по сравнению со случаем нормального распространения звука вдоль земной поверхности; это запаздывание обусловлено большей длиной искривлённого луча по сравнению с прямым путём вдоль поверхности и меньшей скоростью звука в холодном воздухе. Ветер изменяет форму лучей, уничтожая симметрию в условиях распространения звука, что может привести к значит. искажению кольцеобразной формы 3. м. и даже разомкнуть кольцо, ограничив зону аномальной слышимости некоторым сектором. Изучение 3.. м. впервые привело к мысли о наличии слоя с повышенной темп-рой на высоте ок. 40 км. Исследование аномального распространения звука - один из методов определения температур в ср. атмосфере.

Зона акустической тени

Зона акустической тени — пространственная область в толще воды, в пределах которой невозможна регистрация звуковых волн от источника без отражения, рассеяния и дифракции звука на неоднородностях. зоны акустической тени возникают при тех же условиях, что и зоны акустической освещенности, но находятся между ними. Наличие звуковой энергии в зоне акустической тени обусловлено отражением звука дном, поверхностью водоёма. При этом наблюдаются большие потери, поэтому интенсивность звука в зоне акустической тени очень мала. В зоне акустической тени обнаружение объектов при помощи гидролокатора весьма затруднено, так как в эти зоны не попадают прямые звуковые лучи. Подобное явление наблюдается часто и при распространении звука в других средах.

Источники

https://dic.academic.ru

https://wiki.wargaming.net/ru/Navy:Зона_акустической_тени