Реферат: Атмосферная акустика

13700

3000

9310

В авиационной и космической технике используется число Маха (Ма), равное отношению

Ма = V_{летат.аппарата} / V_звука (8.24)

Каждый летательный аппарат рассчитан на предельно допустимое для него Ма. По мере удаления ударной волны от ее источника и уменьшаются, соответственно падает скорость волны, и она выражается в обычную звуковую волну.

8.3.3 Влияние ветра на скорость звука

В неподвижном воздухе звуковая волна от источника звука Sраспространяется с одинаковой скоростью V во все стороны (при условии изотермичности среды). При наличии ветра скорость звуковой волны в направлении наблюдателя надо рассматривать как определяемую векторной суммой ее скорости в неподвижном воздухе и скорости ветра с учетом положения наблюдателя.

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 V_c . Но за это же время t ветер «перенесет» центр возникших звуковых волн в точку S_M , так что SS_M = ct. Наблюдателю будет казаться, что по направлению звук пришел из центра S_M .

Не трудно показать, что при V>> c справедливо соотношение

V_c V + c соs(8.25)

где V_c – скорость звука в направлении наблюдателя с учетом скорости ветра с, а угол – можно измерить, V – скорость ветра в неподвижном воздухе.

Аналогично, для оценки получим:

sinsin(8.26)

Таким образом, зная скорость ветра и измерив , по (8.25) можно достаточно оценить модуль скорости звуковой волны V_c 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 V_c максимально, так что V_c = V + c. При = 180 (Sна хх и в подветренной стороне) имеет место максимальное уменьшение V_c , так что V_c = V – c. При = 90º и 270º ветер не оказывает влияния на модуль скорости V_c (V_c = 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