Cвойства звука — описание и характеристики

Звуковые волны

Это разрежение и сгущение звука в упругой или звукопроводящей среде. Когда произошла механическая вибрация тела, волна расходится через проводящую среду звука: воздух, воду, газ, различные жидкости. Распространение происходит с разными скоростями, которые зависят от конкретной среды и ее упругости. В воздухе этот показатель звуковой волны составляет 330-340 м / с, в воде — 1450 м / с.

Звуковая волна невидима, но слышна человеку, так как она попадает в его барабанные перепонки. Ему нужны средства для его распространения. Ученые показали, что в вакууме, то есть в пространстве без воздуха, звуковая волна может образовываться, но не распространяться.

Приемники звука

Так называемые устройства, которые воспринимают звуковую энергию, измеряют характеристики звуковой волны (давление, интенсивность, скорость и т.д.) и преобразуют ее в другую энергию. Для приема звука в различных помещениях используются:

• микрофоны — для воздушного пространства;
• геофоны — для восприятия звуков земной коры;
• гидрофоны — для улавливания звука в воде.

Есть приемники естественного звука — слуховые аппараты для людей и животных — и техники. Когда упругое тело вибрирует, возникающие волны через некоторое время достигают слуховых органов. Барабанная перепонка вибрирует с частотой, соответствующей частоте источника звука. Эти колебания передаются в слуховой нерв, который посылает импульсы в мозг для дальнейшей обработки. Таким образом, у человека и животного возникают определенные звуковые ощущения.

Технические звуковые приемники преобразуют акустический сигнал в электрический. Благодаря этому звук передается на разные расстояния, его можно записывать, усиливать, анализировать и т.д.

Акустическая волна в разных средах

Распространение звука в среде зависит от ее структуры и характеристик. Жидкости, воздух, твердые тела — все эти вещества устроены по-разному, поэтому по-разному проводят звук.

Частицы воды и твердых тел удерживаются вместе кристаллической решеткой. Атомы связаны электрическими силами, поэтому вода не может полностью рассеяться, а твердые объекты сохраняют свою форму. Когда звуковое давление перемещает одну частицу, другие следуют за ней. Это свойство называется эластичностью и указывает на способность среды, тела, противостоять деформации. Чем эластичнее среда, тем быстрее проводит звук.

По сравнению с твердыми телами и жидкостями воздух наименее эластичен. Это связано с его структурой. Между частицами нет связи, поэтому воздух всегда имеет тенденцию рассеиваться. Этому препятствует сила тяжести и постоянные столкновения атомов друг с другом.

При 0 ° C скорость распространения звука в воздухе составляет 340 м / с, в воде — 1480 м / с. В твердых телах, особенно в металлах, звук распространяется намного быстрее (до 5-6 тысяч м / с).

Переход звука из среды в среду

это возможно только в том случае, если плотности двух сред не слишком различаются. Например, разница между воздухом и водой слишком велика. Звук по мере приближения к границе отражается от поверхности реки. Лишь небольшая часть энергии волны тратится на вибрацию верхних слоев воды. Под водой, у ее поверхности, звуки все еще слышны, но глубиной не более метра.

Среды, обладающие звукоизоляционными свойствами

В зданиях с тонкими стенами слышимость хорошая, потому что звук заставляет их вибрировать. Стены воссоздают шум соседней комнаты. Что препятствует распространению звука, что изолирует акустическую волну? Пробковая крошка, минеральная вата, гипс с микрочастицами, поролон — все эти материалы имеют одно общее свойство: в них много отсеков и пор. Звук, попадая в эти пустоты, многократно отражается и поглощается.

Что мешает распространению звука в природе? Примером поглощения акустической волны в естественных условиях является туман. В хорошую погоду чувствует себя лучше и на большем расстоянии. Туман — это неоднородный воздух, в нем есть капли воды. Часть волны поглощается «отсеками» между водой и воздухом.

Свойства и характеристики звука

Высота

Это характеристика звука, которая зависит от частоты вибрации физического тела. Единица измерения — герц (Гц): количество периодических звуковых колебаний в секунду. В зависимости от частоты вибрации издают звуки:

• низкая частота — с небольшим количеством колебаний (не более 300 Гц);
• средняя частота — звуки, вибрирующие с частотой 300-3000 Гц;
• высокочастотный — с числом колебаний более 3000 Гц.

Длительность

Чтобы определить эту характеристику звука, необходимо измерить продолжительность вибрации тела, издающего звук. Музыкальное звучание длится от 0,015 до 0,02 с до нескольких минут. Педаль органа производит самый длинный звук.

Громкость

По-другому эту характеристику называют силой звука, которая определяется амплитудой колебаний: чем она больше, тем громче звук и наоборот. Громкость измеряется в децибелах (дБ). В теории музыки градация используется для обозначения силы звука, с которой необходимо воспроизвести композицию:

• сильный;
• пианино;
• наполовину сильный;
• средний уровень;
• очень сильный;
• пианиссимо;
• форте-фортиссимо;
• фортепиано-пианиссимо и так далее

Еще одна особенность, тесно связанная с громкостью звука в музыкальной практике: динамика. Благодаря динамичным оттенкам можно придать композиции определенную форму.

Они достигаются мастерством исполнителя, акустическими свойствами помещения и музыкальных инструментов.

Другие характеристики

Амплитуда

Это функция, которая влияет на громкость звука. Амплитуда составляет половину разницы между максимальным и минимальным значениями плотности.

Спектральный состав

Спектр — это частотное распределение звуковой волны при гармонических колебаниях. Человеческое ухо воспринимает звук на основе частот, составляющих звуковую волну. Они определяют тон: высокие частоты производят высокие тона и наоборот. Музыкальное звучание имеет несколько тонов:

1. Фундаментальный — тон, соответствующий минимальной частоте из общей частоты, установленной для конкретного звука.
2. Обертон — это тон, который соответствует всем остальным частотам. Есть гармоники с частотами, кратными основной частоте.

Музыкальные звуки одного основного тона различаются по тембру. Он определяется амплитудами и частотами гармоник, а также увеличением амплитуды в начале и в конце звука.

Интенсивность

Это название энергии, которая переносится звуковой волной в течение определенного периода времени по любой поверхности. Еще одна особенность напрямую зависит от интенсивности: объем. Он определяется амплитудой колебаний в звуковой волне. Что касается восприятия человеческими органами слуха, различают порог слышимости — минимальную интенсивность, доступную для человеческого восприятия. Граница, за которой ухо не может воспринимать интенсивность звуковой волны без боли, называется болевым порогом.

Это также зависит от звуковой частоты.

Тембр

В противном случае это называется цветом звука. На тембр влияют несколько факторов: устройство источника звука, материал, размер и форма. Тембр меняется из-за различных музыкальных эффектов. В музыкальной практике это свойство влияет на выразительность произведения. Тембр придает мелодии характерный звук.

Современные проблемы применения медицинского ультразвука

Ультразвук в мегагерцовом диапазоне частот достаточно хорошо распространяется в биологических тканях. Как известно, живые организмы почти на 90% состоят из воды. Следовательно, скорость распространения звука в таких условиях близка к 1500 м / с, что соответствует скорости распространения звука в воде. Длина волны ультразвука на частоте 1 МГц составляет 1,5 мм, что обеспечивает достаточно высокое пространственное разрешение ультразвуковых методов.

Хорошо известно использование ультразвука в медицине для диагностики и обследования внутренних органов и суставов (ультразвук). Достижения в ультразвуковой хирургии менее известны, хотя есть значительные результаты. В первую очередь, это дробление и удаление камней в почках с помощью сфокусированных ударных волн — так называемая литотрипсия. С 1980-х годов литотрипсия является наиболее распространенной процедурой удаления камней из почек. Еще одно стремительно развивающееся направление исследований — терапевтическая область ультразвука, основным преимуществом которой является терапевтический эффект внутри организма без повреждения окружающих тканей. Экспериментально продемонстрированы широкие возможности различных видов ультразвуковой терапии, некоторые из них уже нашли применение в клинической практике. Пример — интенсивный сфокусированный ультразвук.

На рисунке 5 показана основная концепция сфокусированного ультразвука. Громкость возле преобразователя достаточно низкая, чтобы не повредить ткань. В фокальной области интенсивность значительно увеличивается, а нагрева за счет поглощения волны достаточно для термического разрушения белков ткани. Это позволяет неинвазивно «прижечь» место внутреннего кровотечения или вызвать некроз опухолевых тканей на глубоко расположенных участках тела человека. Наиболее перспективными с точки зрения расширения использования ультразвуковых методов в медицине являются гемостаз (остановка кровотечения), хирургическое вмешательство и стимуляция иммунного ответа. Также можно упомянуть ультразвуковой контроль и интенсификацию транспорта лекарств. Экспериментально показано, что ультразвук может улучшить перенос лекарств и генов через биологические барьеры: клетки, ткани и сгустки крови.

Рис. 5. Схема действия ультразвука на биологические ткани. Интенсивный сфокусированный ультразвуковой луч используется для локального разрушения опухоли или остановки внутреннего кровотечения без повреждения окружающих тканей. Акустическая энергия, излучаемая ультразвуковым преобразователем, сосредоточена в объеме, примерно равном объему рисового зерна

Мы указываем на некоторые из основных проблем, которые необходимо решить для успешного применения интенсивного ультразвука на практике.

Одна из важных задач — получение больших значений амплитуды акустической волны в фокусе с учетом строения человеческого тела. Усиление ультразвуковой волны во время фокусировки необходимо для обеспечения высокой интенсивности в небольшой фокусной области, чтобы не повредить остальную ткань на пути распространения ультразвука. Ультразвуковой ожог кожи — один из характерных побочных эффектов использования интенсивного ультразвука, так как коэффициент поглощения ультразвука в коже во много раз выше, чем в тканях. Поэтому в этой области громкость должна быть как можно меньше. Эта процедура может выполняться с использованием многоэлементных ультразвуковых антенн, излучение которых будет адаптировано к структуре тела, через которую должно проходить излучение.

Также важны технические разработки для создания хорошего акустического согласования излучателя ультразвука с телом. Дело в том, что ультразвуковые излучатели изготавливаются, как правило, из пьезокерамики. А для обеспечения наилучшей передачи звуковой энергии в организме человека необходимо согласовать условия передачи звука от твердой пьезокерамики к мягким биологическим тканям. Для этого используются специальные контактные смазки или жидкости. Например, по сравнению с вогнутыми источниками, плоские ультразвуковые преобразователи гораздо труднее сфокусировать, но им легче обеспечить совпадение при прямом контакте с кожей. Поглощение в костях еще сильнее, поэтому важно минимизировать воздействие ультразвука. Соответствующая технология предполагает использование фазированных многоэлементных антенн для электронной фокусировки. На рисунке 6 показано схематическое изображение такой антенны для фокусировки ультразвукового излучения в головном мозге через кости черепа.

Рис. 6. Схема транскраниального воздействия ультразвука на мозг

Мозг — это то место, где сфокусированная ультразвуковая терапия уникальна. Основная трудность здесь заключается в том, что ультразвуковые волны плохо проходят через череп из-за поглощения в кости и отражения от ее краев. Кроме того, кости черепа имеют неоднородную толщину и характеризуются более высокой скоростью звука (по сравнению с мягкими тканями, расположенными за ними), что приводит к преломляющим эффектам, которые трудно предсказать. Решение проблемы ультразвукового воздействия и визуализации через толстые кости черепа возможно с использованием недавно разработанных методов волновой физики, связанных с компенсацией потерь и аберраций при распространении волн в неоднородной среде. В его основе лежит голографический принцип, согласно которому распределение характеристик волнового поля по определенной поверхности в этом поле содержит информацию обо всей трехмерной структуре поля, а также принцип обратимости поля недиссипативные волновые процессы во времени и метод относительной инверсии волнового фронта.

Метод инверсии волнового фронта, применяемый в радарах и при исследовании структуры подводных акустических каналов в океане, предполагает использование зондирующей волны, которая, проходя через неоднородную среду, регистрируется многоэлементной антенной. Записанный сигнал имеет сложную пространственную и временную структуру, отражающую многолучевое распространение через неоднородную среду. Если фазовые задержки записанного сигнала поменять местами на антенне и излучается сигнал с такой сложной пространственно-временной фазовой модуляцией, то излучаемый сигнал, проходящий в обратном порядке через те же неоднородности среды, будет собран, например, он сфокусируется на точке излучения зондирующего сигнала. Для реализации этого подхода необходимо использовать многоэлементные приемные и излучающие антенны, управляемые мощными вычислительными процессорами, обеспечивающими комплексную обработку многоканальных сигналов в реальном времени.

Обратим внимание на еще одну характеристику, которую необходимо учитывать при использовании интенсивного сфокусированного ультразвука: это акустическая нелинейность. Дело в том, что в уже применяемых на практике системах ультразвуковой хирургии уровни интенсивности звука в зоне фокусировки достигают 10 000–30 000 Вт / см2. При таких интенсивностях волна ведет себя нелинейно. Скорость распространения звуковой волны становится зависимой от ее фазы: волна в области сжатия имеет более высокую скорость распространения, чем в области разрежения. Таким образом, в синусоидальной волне фаза сжатия достигает фазы разрежения — в волне образуются разрывы, и волна превращается в пилообразную волну, что в спектральном представлении соответствует обогащению монохроматического ультразвукового излучения высшими гармониками. Обогащение спектра излучаемого сигнала также влияет на процесс дифракции. Дифракция и, как следствие, фокусировка ультразвукового излучения становятся нелинейными, т.е амплитудно-зависимыми процессами. Расстояние, на котором возникает разрыв в плоской гармонической волне с частотой 1,5 МГц, типичной для медицинских приложений, составляет всего 3-5 мм. Этот масштаб соизмерим с размером фокальной области ультразвукового луча, поэтому при описании акустических полей таких систем, безусловно, необходимо учитывать нелинейные эффекты.

Что препятствует распространению звука

От тела звук распространяется во всех направлениях одинаково, но только в том случае, если на его пути нет препятствий. Не все препятствия мешают распространению звука. Очевидно, что от шума невозможно спрятаться листом картона, как светом. Дело в том, что звуковые волны обходят препятствия, если их размер меньше длины волны. Длины волн, которые мы слышим, составляют 0,015-15 м. Волна может обогнуть дерево, а здание или скалистые горы — нет. Это отражается такими большими объектами. Как и свет, звуковая волна отражается под углом, равным углу падения. В момент отражения мы слышим эхо.

О неслышимых звуках

Что касается восприятия человеческого уха, различают ультразвук (с частотой выше 20 000 Гц) и инфразвук (ниже 16 кГц). Их называют неслышными, потому что органы слуха людей их не воспринимают. Некоторые животные слышат ультразвук и инфразвук; они записываются инструментами.

Особенностью инфразвуковой волны является способность проходить через другую среду, так как атмосфера, вода или земная кора плохо ее поглощают. Поэтому распространяется на большие расстояния. Источниками волн в природе являются землетрясения, сильные ветры, извержения вулканов. Благодаря специальным устройствам, улавливающим такие волны, можно прогнозировать появление цунами и определять эпицентр землетрясения. Есть и техногенные источники инфразвука: турбины, двигатели, подземные и наземные взрывы, выстрелы.

Ультразвуковые волны обладают уникальным свойством: они образуют направленные лучи, как свет. Они хорошо переносятся жидкостями и твердыми телами и плохо — газами. Чем выше частота ультразвуков, тем интенсивнее они распространяются. В природе он появляется во время громовых раскатов, в звуке водопада, дождя, ветра.

Некоторые животные воспроизводят его самостоятельно: летучие мыши, киты, дельфины и грызуны.

Звуки в жизни человека

Человеческое ухо очень чувствительно из-за эластичности барабанной перепонки. Пик слухового восприятия людей приходится на молодые годы, когда эта особенность слухового органа еще не утрачена, и человек слышит звуки с частотой 20 кГц. В пожилом возрасте люди независимо от пола хуже воспринимают звуковые волны — слышат только частоту не более 12-14 кГц.

Интересные факты

1. Если верхний порог воспринимаемых человеческим ухом частот составляет 20000 Гц, нижний — 16 Гц. Инфразвук с частотой ниже 16 Гц, а также ультразвук (выше 20000 Гц) органами слуха не воспринимаются люди.
2. ВОЗ установила, что человек может спокойно слушать любой звук громкостью не более 85 дБ в течение 8 часов.
3. Чтобы человеческое ухо могло воспринимать звук, он должен длиться не менее 0,015 секунды.
4. Ультразвук нельзя услышать, но его можно почувствовать. Если руку погрузить в жидкость, проводящую ультразвук, то возникнет острая боль. Кроме того, ультразвук способен разрушать металл, очищать воздух и разрушать живые клетки.

Неслышимые звуки

Звук, воспринимаемый или слышимый человеческим ухом, имеет частоты в диапазоне 20-20 000 Гц.Звуковые волны с более низкими частотами называются инфразвуком, а волны с более высокими частотами — ультразвуком.

Когда были созданы высокочувствительные звуковые приемники для разных частот, инфракрасное излучение и ультразвук оказались столь же обычными в природе, как и звуки.

Инфразвук

Инфразвук возникает при работе промышленных предприятий, автомобилей, тракторов и техники. Например, сельскохозяйственные тракторы и грузовые автомобили с резиновым двигателем имеют максимальные колебания в диапазоне 1,5–3,5 Гц, гусеничные тракторы — около 5 Гц. Музыкальный орган также может излучать инфразвук. Всевозможные взрывы и оползни могут издавать звуки инфракрасных частот.

Чувствительные приемники ультразвука показали, что он является частью шума ветра и водопадов, а также звуков, издаваемых некоторыми животными.

Механизм восприятия инфразвука и его влияние на физиологическое состояние человека еще до конца не изучены. Такие звуки не слышны, однако из-за их воздействия на организм человека появляются повышенная нервозность, чувство страха и приступы тошноты. Иногда бывает кровотечение из носа и ушей.

Право собственности на инфразвук, чтобы вызвать страх, используется полицией в нескольких странах по всему миру. Когда необходимо разогнать толпу, полиция включает мощные генераторы и у многих вызывает бессознательное чувство страха, желание побыстрее убраться с места, где действует инфразвук.

При воздействии на человека мощного инфразвука с частотами, близкими к 6 Гц, изображения, воспринимаемые левым и правым глазом, могут отличаться друг от друга, возникают проблемы ориентации в пространстве и возникают необъяснимые чувства тревоги и страха. Подобные ощущения вызывают и световые импульсы с частотой 4-8 Гц. Даже египетские жрецы, чтобы получить признание от узника, связали его и с помощью зеркал направили пульсирующие лучи солнца ему в глаза. Через некоторое время у заключенного появились судороги, изо рта пошла пена, его психика была подавлена, и он отвечал на вопросы.

Ультразвук

Ультразвуковые волны можно получить с помощью специальных высокочастотных излучателей. Узкий пучок ультразвуковых волн очень мало расширяется во время распространения. Благодаря этому ультразвуковая волна может излучаться в определенном направлении.

Ультразвук не раз упоминается на уроках биологии: дельфины и летучие мыши используют его для эхолокации, то есть для определения местоположения окружающих предметов.

Оказывается, многие насекомые воспринимают ультразвук. Восприятие ультразвука в диапазоне частот до 100 кГц — это умение многих грызунов. Собаки воспринимают ультразвук с частотой до 40 кГц.

Ультразвук сегодня широко используется в различных областях науки и техники. Например, его используют для измерения глубины моря. С судна отправляется ультразвуковой сигнал и регистрируется временной интервал до возвращения отраженного сигнала от дна. Зная скорость звука в воде, можно определить расстояние до дна. Прибор для измерения глубины дна называется эхолотом.

С помощью ультразвука металлические изделия «светятся», чтобы выявить в них скрытые дефекты: инородные включения, трещины или пустоты.

Ультразвук широко используется в медицине как для обследования пациента, так и для его лечения. Лечебный эффект ультразвука основан на том, что он вызывает внутренний нагрев тканей тела.

Вместо вывода

Звук — основа любого музыкального произведения. Звуковые свойства, его характеристики позволяют создавать различные композиции. Существуют разные звуки в зависимости от высоты тона, продолжительности, громкости, амплитуды или тембра. Для создания произведений используются в основном музыкальные звуки, имеющие определенный тон.

Звук и инфразвук в исследовании природы

Исследование океана. Звуковые волны распространяются в природе — в атмосфере, в океане, в недрах — по своеобразным каналам. Открытие подводного звукового канала было сделано в нашей стране в 1946 году, когда ученые вместе с военно-морским персоналом протестировали акустическое оборудование в Японском море для измерения подводного звука от взрыва американской атомной бомбы на атолле Бикини… Во время испытаний регистрировался уровень акустического сигнала взрыва глубинной бомбы в зависимости от расстояния. Неожиданно было обнаружено, что на расстояниях более 50 км уровень регистрируемых сигналов начал очень слабо изменяться с расстоянием, и звуки взрывов глубинных бомб были отчетливо слышны даже на расстоянии 600 км, когда эксперимент был прекращен. Ожидалось, что в большом океаническом море акустический сигнал будет распространяться сферически от точечного источника, который можно рассматривать как глубинный заряд. В этом случае интенсивность звука должна быть обратно пропорциональна площади сферы, окружающей источник, т.е она должна уменьшаться обратно пропорционально квадрату расстояния, пройденного звуком.

Объяснение этому интересному эффекту дал Л. М. Бреховских, впоследствии академик, лауреат Государственной премии СССР. Он обратил внимание на то, что температура воды быстро падает до глубины 100-200 м, поэтому принимает постоянное значение около 4 ° C.Падение температуры приводит к уменьшению скорости распространения звука и увеличению давление с глубиной приводит к увеличению этой скорости. Таким образом, зависимость скорости распространения звука от глубины оказывается минимальной, в которой сосредоточена акустическая энергия. На рисунке 1 показано, что если излучатель расположен на уровне минимальной скорости звука, то звуковые лучи, покидающие излучатель за счет преломления, будут поддерживаться близкими к этому минимуму. Следовательно, часть звуковых лучей, выходящих из источника с не очень крутыми углами, остается, когда они распространяются в слое толщиной в несколько сотен метров. Этот слой представляет собой подводный акустический волновод или подводный звуковой канал.

Рис. 1. Схематическое изображение распространения сигнала в подводном звуковом канале. Слева: зависимость скорости звука от глубины. Источник звука и приемник расположены на оси канала, соответствующей минимальной скорости звука. В результате преломления звука лучи совершают циклические колебания. Цифры над лучами указывают угол, под которым луч выходит из источника. В нижней части рисунка показаны две серии осциллограмм записанного сигнала, различающиеся температурным режимом у поверхности канала

Стоит отметить, что эффект акустического волновода использовался средневековыми мастерами для создания туннелей шепота. У этих галерей изогнутые или закрытые стены. Если вы говорите шепотом возле такой стены, то звуковые лучи концентрируются возле нее, и на расстоянии нескольких десятков метров вы отчетливо слышите свой шепот, также находясь близко к стене. Такие шепотные галереи можно найти в соборах Святого Павла в Лондоне и Святого Петра в Риме, в Храме Неба недалеко от Пекина и, возможно, в других местах.

Природа распространения звука в акустическом волноводе аналогична распространению лазерного излучения в оптическом волноводе. В настоящее время характеристики распространения звука в подводном акустическом волноводе используются для термометрии океана.

Океан можно представить как гигантский огромный термометр. Наблюдая за изменениями температуры в глубинных слоях океана, вы можете отслеживать потепление климата. Дело в том, что масштабные изменения климата достоверно определить крайне сложно из-за больших колебаний во времени и пространстве. Эти колебания усредняются огромными массами воды в океане. Определить среднюю температуру глубинных слоев океана в масштабе нескольких тысяч километров можно только акустическими методами, электромагнитные волны в морской воде не распространяются на значительное расстояние.

Скорость распространения звука увеличивается с повышением температуры. На рисунке 1 ниже показаны две серии записанных акустических импульсов, которые отличаются тем, что во второй серии верхние слои океана имели немного более высокую температуру, чем в первой. Как видите, сигналы, распространяющиеся вдоль красного луча, который находится как можно ближе к нагретой поверхности океана, приходят немного раньше, чем сигналы, распространяющиеся вдоль других лучей. На расстоянии 250 км эти изменения времени распространения могут составлять доли секунды. По остальным лучам время распространения не меняется. Таким образом, из этого опыта можно узнать, на сколько градусов и на какой глубине прогрелась вода в океане. Понятно, что чем больше расстояние распространения звука, тем больше чувствительность этого метода. Звук проходит 250 км в океане за 167 с, что соответствует скорости распространения около 1500 м / с. Обратите внимание, что самые быстрые сигналы приходят первыми, распространяясь по самым крутым лучам, которые лежат в слоях океана, с более высокой скоростью распространения. Причем наиболее интенсивные сигналы поступают последними по тонким лучам, расположенным вблизи оси подводного звукового канала, где скорость распространения минимальна.

Эта функция распространения звука используется для дистанционного мониторинга теплопередачи в океане, что важно для прогнозирования климата. Океан формирует время на Земле. Северный Ледовитый океан — метеорологическая кухня Европы и значительной части Азии. Распределенная по океану система звуковых излучателей и приемников может решать самые разные задачи. Среди них можно выделить измерение времени распространения сигналов по длинным путям для определения теплосодержания и циркуляции океанических вод как в масштабе всего океана, так и в его отдельных частях; Обеспечение подводного позиционирования и навигации подо льдом; следить за динамикой льда, землетрясениями и передвижением морских животных, пассивно прислушиваясь к океанам. Система может выполнять все эти процедуры в режиме реального времени.

Исследование атмосферы. Распространение звука в атмосфере подчиняется тем же законам, что и распространение звука в океане, с той разницей, что скорость распространения звука в воздухе при нормальных условиях на земной поверхности составляет 340 м / с. Это значительно меньше скорости звука в воде.

На рисунке 2 показана диаграмма звуковых лучей, исходящих от источника звука в атмосфере. Как видно, при наличии ветра лучи ведут себя по-разному в зависимости от направления распространения. Воздушный поток увеличивает скорость распространения звука по ветру и немного снижает его в обратном направлении. Обычно скорость приземного воздушного потока или ветра увеличивается с высотой. Скорость распространения звука по ветру на большой высоте больше, чем у земли, поэтому фронт звуковой волны, когда он поднимается вверх, огибается, и волна направляется вниз, где скорость ниже. Происходит преломление звука. Благодаря этому в слое у поверхности атмосферы образуется звуковой волновод, в котором концентрируется звук, и акустические сигналы могут регистрироваться на поверхности земли, которая распространилась на высоте нескольких десятков километров. Эффект преломления при распространении против ветра приводит к тому, что звук быстро достигает большой высоты (десятки километров). Поэтому у нас слабый слух против ветра и хороший против ветра.

Рис. 2. Схема звуковых лучей, исходящих от источника звука в атмосфере при наличии ветра

Поверхностный звуковой волновод может образовываться не только за счет ветра. В безветренный морозный день где-нибудь за городом можно услышать лай собак или шум машины. В таких атмосферных условиях возможна так называемая температурная инверсия в приземной атмосфере. Обычно температура воздуха снижается с высотой, но в морозный день температура на поверхности земли, особенно в низинах, может быть ниже, чем на определенной высоте. Минимальная температура в приземном слое воздуха соответствует минимальной скорости распространения звука. Следовательно, температурная инверсия обеспечивает распространение волноводного звука у поверхности земли.

На рисунке 3 показано распределение температуры в атмосфере по высоте. Как видите, эта особенность, как и океан, имеет слоистую структуру. В областях нижней границы стратосферы (тропопаузы) и нижней границы термосферы (мезопаузы) температура и, следовательно, скорость распространения звука достигают минимума. Здесь выполняются условия существования атмосферных звуковых каналов. Звуковые волны от извержений вулканов или взрывов Земли распространяются по этим каналам на большие расстояния и даже могут окружать земной шар. Следовательно, средняя атмосфера (высота от 20 до 120 км) является хорошим проводником инфразвука. Это свойство атмосферы позволило ученым разработать метод инфразвукового зондирования атмосферы, основанный на явлении диффузии акустических импульсов на стратифицированных неоднородностях скорости ветра и температуры атмосферы до высот нижней термосферы около 140 км. Используя эту методику, можно определить колебания скорости ветра в диапазоне высот от верхней стратосферы до нижней термосферы (90-140 км).

Рис. 3. Стратификация температуры в атмосфере. Изменение давления указывается в гектопаскалях (1 гПа = 100 Па). В областях тропопаузы и мезопаузы температура и, следовательно, скорость распространения звука достигают минимума. Вот атмосферные аудиоканалы

Сейсмические волны в земле. Аналогичным образом по Земле распространяются сейсмические волны. Они могут быть как натуральными, так и искусственными. Естественными источниками сейсмических волн можно назвать землетрясения, извержения вулканов, оползни. Искусственно сейсмические волны наиболее эффективно возбуждаются взрывом или специальными многотонными вибраторами. Если в океане и атмосфере распространяются только продольные звуковые волны (сдвиговая упругость отсутствует в жидкостях и газах), сейсмические волны могут быть как продольными, так и поперечными. Поперечные волны в зависимости от плоскости колебаний могут иметь разную поляризацию. Скорость распространения поперечных волн, как правило, в 2-3 раза ниже скорости распространения продольных волн. Наличие двух типов сейсмических волн расширяет возможности сейсмического зондирования по сравнению с зондированием океана или атмосферы.

Центральная задача сейсморазведки — изучение строения земли и поиск полезных ископаемых. Обе эти задачи требуют противоречивых подходов. С одной стороны, интересно заглянуть как можно глубже под земную поверхность. Этого можно добиться за счет снижения частоты сейсмического излучения. По мере уменьшения частоты потери на затухание уменьшаются, и звуковые волны распространяются дальше. С другой стороны, уменьшение частоты приводит к увеличению длины излучаемой волны, а это снижает разрешающую способность метода дистанционного зондирования. Постоянно возрастающие требования к качеству горных исследований вынуждают искать способы повышения разрешающей способности и, как следствие, точности сейсморазведки.

Возникшее противоречие разрешилось благодаря разработке методов приема сейсмических сигналов. Известно, что чем крупнее приемная антенна, тем выше ее пространственное разрешение. Если сигналы принимаются большим количеством приемников, объединенных в единую сеть, можно повысить пространственную точность дистанционного зондирования. Но для этого требуется сложная обработка сигналов от многих сотен или даже тысяч приемников. Современные сейсмические исследования обеспечивают достаточную акустическую точность для выявления продуктивных залежей полезных ископаемых, таких как нефть или газ, на глубинах более 10 км. Современные технологии позволяют скважине проходить горизонтально вдоль пласта для повышения эффективности добычи нефти. Мощность слоя около 10 м на глубине нескольких километров. В этом случае длина колодца может быть более 10 км. Точность закладки котлована соизмерима с точностью позиционирования ракеты на траектории межпланетного полета.

Рис. 4. Вертикальный сейсмический разрез строения верхних слоев земли

Естественные низкочастотные сейсмические сигналы от землетрясений или даже цунами, вызванных движением Луны, используются для исследования структур Земли. На рисунке 4 показан пример результатов такой съемки на глубине более 50 км. Это указывает на то, что земная структура содержит не только горизонтальные слои, но и крупные вертикальные разломы, которые могут достигать мантии.

Знание особенностей распространения низкочастотных звуков в океане, атмосфере и на суше позволило разработать и создать эффективную международную систему мониторинга выполнения Договора о полном запрещении ядерных испытаний. На суше и в океане есть специальные станции, которые непрерывно отслеживают и записывают сейсмические, гидроакустические и инфразвуковые сигналы в атмосфере. Эти станции объединены в общую сеть и таким образом могут определять место и время события, которое привело к появлению того или иного сигнала.

Примером такой эффективности является обнаружение взрыва метеороида в небе над Челябинском 15 февраля 2013 г. Метеороид вошел в атмосферу под углом 20 ° со скоростью 18 км / с. По мере того, как метеороид летел через атмосферу, его скорость уменьшалась и увеличивалась. Перед ним возникла ударная волна, в которой воздух был сильно сжат и нагрет. Метеороид разрушился, когда перепад давления на фронте ударной волны и на противоположной стороне превысил предел прочности метеороида на разрыв. Это разрушение (взрыв) сопровождалось вспышкой яркости излучения на пять секунд. Максимальная яркость наблюдалась на высоте 23,3 км к югу от Челябинска. Примерный эффективный диаметр метеороида составляет 18 м, а его масса — 11 000 тонн. Семнадцать станций зафиксировали ударную волну от этого взрыва. Последующий анализ позволил оценить эквивалент мощности взрыва в 2-3 кт в тротиловом эквиваленте.