Всеволод Арабаджи - Загадки простой воды

Значительно меньшее действие на звуковой луч оказывает влажность воздуха. Расчет показывает, что при 20°C в воздухе с влажностью 50% скорость звука лишь на 0,5 м/сек больше скорости звука в сухом воздухе той же температуры. При прочих равных условиях звуковые лучи в воздухе преломляются в 2 тыс. раз сильнее, чем световые лучи.

При поднятии источника звука над земной поверхностью район его слышимости расширяется. Поэтому для обеспечения большей дальности слышимости источники звуковых сигналов обычно размещают на возвышенных местах. Преломляясь в теплом приземном слое воздуха, звуковые лучи отклоняются кверху. В этом случае они уже не будут доходить до наблюдателя на земной поверхности, находящегося дальше места их отклонения. Так образуется звуковая тень.

Например, если источник звука расположен на высоте 10 м, то при падении температуры на 0,5°C на каждые 100 м высоты звуковая тень будет начинаться на расстоянии 1,5 км от источника. Статистика наблюдений показывает, что звуковая тень в 3 раза чаще образуется днем, чем ночью, и летом встречается в большем числе случаев, чем в остальные времена года.

Условием для образования звуковой тени является наличие у земной поверхности достаточно теплого воздуха. При охлаждении приземного слоя воздуха звуковая тень может и не образоваться. В особенно жаркие дни граница звуковой тени подходит к источнику звука совсем близко.

При подъеме в атмосфере можно встретить слои воздуха, в которых температура уменьшается до минимума, а потом снова начинает возрастать. Звуковые лучи, пересекающие такой слой под углом к нему, попадают опять в более теплый воздух и в результате преломления поворачивают к земле. После прохождения слоя с минимальной температурой они снова попадают в более теплый воздух, но уже ниже этого слоя, и после преломления отсюда направляются вверх. Так звуковые лучи могут идти вблизи слоя с минимальной температурой, то поднимаясь вверх, то опускаясь вниз, пока их энергия не иссякнет.

Пространство, в котором распространяются звуковые волны вблизи слоя с минимальной температурой, получило название акустического волноводного канала. Значительная дальность распространения звука в этом случае обеспечивается за счет концентрации звуковой энергии вблизи слоя с минимальной температурой воздуха и благодаря отсутствию на пути звуковых лучей отражающих поверхностей.

Ось главного волновода в атмосфере расположена на высоте 15...20 км, вертикальная же его протяженность составляет несколько километров. Ось второго волновода расположена на высоте 75...80 км. Различные комбинации вертикального изменения температуры и скорости ветра могут быть причиной образования в атмосфере дополнительных волноводов. Их влияние усложняет картину хода звуковых лучей в атмосфере.

В земной коре, в морях и океанах также существуют акустические волноводы. В земной коре волновод расположен на глубине 100...200 км, в тропических океанах – на глубине 1...1,5 км. В некоторых случаях в морях и океанах образуется несколько волноводов. Особенно этому содействуют глубинные течения.

Концентрация звуковой энергии по обе стороны от оси океанского волновода (вблизи уровня с минимальной температурой) обычно неодинакова – она больше там, где более резко изменяется с высотой температура. Относительное изменение скорости звука в таких волноводах не превышает 15%. Глубина расположения оси волновода зависит от времени года и географических координат. В общем же при переходе от низких к высоким широтам она уменьшается. В северных широтах ось волновода может даже выходить на поверхность воды – в этом случае образуется волновод поверхностный.

В пределе по волноводному каналу в океане звук мощного взрыва может быть передан на расстояние до 22 тыс. км, т.е. к противоположной точке земного шара. При этом звуковые лучи могут отклоняться от прямолинейного распространения по вертикали на угол до 5°.

В будущем волноводные каналы в морях и океанах могут быть использованы для передачи сигналов об авариях и для установления местонахождения аварий.

«Высоты грозного шума»

Водопад Виктория на реке Замбези называется у местного населения «мози-оа-тунья», или «дым, который шумит». Название «Ниагара» на языке североамериканских индейцев означает «высоты грозного шума». Оба эти названия говорят о том, что при виде водопада человека поражает не только зрелище падения огромной массы воды, но и соответствующий ему звуковой эффект.

При наличии в приземном слое атмосферы высокой влажности и мощной температурной инверсии создаются благоприятные условия для сильного преломления и концентрации звуковых лучей вдоль речной долины, как акустического волновода. В этом случае возможны явления типа акустического миража, и дальность слышимости шума водопада резко возрастает. Статистика наблюдений показывает, что ночью шум водопадов слышен в среднем в 3...4 раза дальше, чем днем. Шум водопада Виктория во время половодья (март – июнь) ночью и при отсутствии маскирующих шумов отчетливо слышен в аэропорту, расположенном в одиннадцати километрах от водосброса.

Огромная масса воды Ниагары низвергается с высоты в 50 м и развивает при этом мощность примерно в 4 млн лошадиных сил. На возбуждение акустических колебаний затрачивается менее 1% этой мощности. Шум Ниагары днем обычно слышен на расстоянии 1,6...2 км, ночью же дальность его слышимости может достигать 6...7 км. На расстоянии 57 м от места дробления воды шум Ниагары составляет 87 дБ, у самого же места дробления он настолько оглушителен, что люди буквально не слышат друг друга.

Как показали измерения, у небольшого ручья с расходом воды порядка 0,5...2 л/сек энергия шума распределяется на частоты от 40 Гц до 8 кГц с максимумом в диапазоне 1,6...2 кГц. У водопада с расходом воды 30...40 мз/сек звуковая энергия приходится на тот же диапазон частот, что и для ручья, но максимум смещается к 1 кГц и становится менее острым. У Ниагары при расходе воды в течение суток от 1 500 до 3 000 м3/сек максимум звуковой энергии приходится на диапазон 37...75 Гц. При уменьшении расхода воды происходит небольшое увеличение звуковой энергии Ниагары в диапазоне частот 600 Гц – 4,8 кГц. Общая величина энергии высоких частот (2,4...4,8 кГц) в шуме этого водопада заметно ниже по уровню в сравнении с низкими частотами (75...150 Гц).

Шум водопадов всегда возникает при вспенивании дробящейся воды, когда в ней образуются и захлопываются пузырьки различных размеров (кавитация). Самая сильная компонента в звуке захлопывающихся пузырьков соответствует частоте их резонанса. Поскольку при дроблении воды могут возникать кавитации различных размеров, акустический спектр дробления охватывает сравнительно широкий диапазон частот. Максимум в этом спектре соответствует наиболее часто встречающимся размерам кавитаций. При диаметре большинства пузырьков в 0,33 см резонансная частота их колебаний равна 2 кГц. Это соответствует максимуму в акустическом спектре ручья. У небольшого водопада при диаметре кавитаций в 0,66 см максимум в акустическом спектре приходится на частоту в 1 кГц. Для максимума в спектре Ниагары диаметр пузырьков должен быть равен 12 см.

У некоторых водопадов за счет отражения звука от высоких прибрежных скал создаются благоприятные условия для резонанса воздушной среды между скалами, В результате шум водопада приобретает индивидуальную окраску.

Шумит не только падающая вода, но и набегающие на берег волны, например, морской прибой. Уже при небольшом ветре возникает волнение моря, и волны чередой накатываются на берег. В зоне прибоя волны отдают энергию, накопленную при движении в морях и океанах. Волны прибоя создают при ударе о берег давление от 3 000 до 30 000 кг/м2 и во время сильных бурь могут перемещать глыбы весом до 100 тонн. Возникающие при мощном дроблении водных масс крупные капли поднимаются в высоту до 60 м. Удары волн обрушиваются на берег довольно регулярно со средним периодом 4,8 секунды (при слабом и сильном волнении) и являются причиной возбуждения в атмосфере мощных инфразвуковых колебаний.

Инфразвуки большой энергии с частотой 0,1...0,3 Гц возникают за счет колебания (поднятия и опускания) свободной поверхности воды при волнении. Это происходит на всей затронутой волнением поверхности морей и океанов.

Наряду с инфразвуками, в зоне прибоя порождаются и колебания звукового диапазона за счет дробления воды с образованием кавитаций и перемещения прибрежной гальки. Во время слабого и среднего волнения сила звука прибоя в месте его возникновения составляет 77...82 дБ. При сильном волнении звуки прибоя у скалистых берегов могут усиливаться расположенными в скалах пещерами и выемками. В этом случае получается особенно громкий гул и грохот. В сторону моря зона слышимости прибоя простирается обычно на 300...800 м, в сторону суши, в зависимости от рельефа местности, – на 100...800 м. Спектр шума прибоя подобен спектру шума небольшого водопада.