69 Факторы, влияющие на распространение звуковых волн. Рефракция звука. Затухание и поглощение звука.
На распространение звуков в атмосфере влияет много факторов: температура на разных высотам, потоки воздуха. Эхо - это отраженный от поверхности звук. Звуковые волны могут отражаться от твердых поверхностей, от слоев воздуха в которых температура отличается от температуры соседних слоев.
Рефракция звука, искривление звуковых лучей в неоднородной среде (атмосфера, океан), скорость звука в которой зависит от координат. Звуковые лучи поворачивают всегда к слою с меньшей скоростью звука, и Рефракция (звука) выражена тем сильнее, чем больше градиент скорости звука.
Рефракция (звука) звука в атмосфере обусловлена пространственными изменениями температуры воздуха, скорости и направления ветра. С высотой температура обычно понижается (до высот 15—20 км) и скорость звука уменьшается, поэтому лучи от источника звука, находящегося вблизи земной поверхности, загибаются кверху и звук, начиная с некоторого расстояния, перестаёт быть слышен (рис. 1, а). Если же температура воздуха с высотой увеличивается (температурная инверсия, часто возникающая ночью), то лучи загибаются книзу и звук распространяется на большие расстояния (рис. 1, б). При распространении звука против ветра лучи загибаются кверху, а при распространении по ветру — к земной поверхности, что существенно улучшает слышимость звука во втором случае (рис. 2). Рефракция (звука) звука в верхних слоях атмосферы может привести к образованию зон молчания и зон аномальной слышимости.
Рефракция (звука) звука в океане связана с пространственными изменениями температуры, солёности и гидростатического давления
Рис. 1, а — ход звуковых лучей при убывании температуры с высотой; б — ход звуковых лучей при возрастании температуры с высотой.
Рис. 2. Влияние ветра на ход звуковых лучей.
ЗАТУХАНИЕ ЗВУКА - уменьшение амплитуды и, следовательно, интенсивности звук. волны по мере её распространения. З. з. обусловлено неск. причинами:
1) т. н. расхождением волны, связанным с тем, что на больших расстояниях от источника поток излучаемой звук. энергии по мере распространения распределяется на всё увеличивающуюся волн. поверхность, и соответственно уменьшается интенсивность звука.
Для сферич. волны амплитуда убывает пропорц. 1/r, для цилиндрич. волны — пропорц. 1/Or.
2) Рассеянием звука на препятствиях в среде и её неоднородностях, размеры к-рых малы или сравнимы с длиной волны (напр., в газах это жидкие капли, в водной среде — пузырьки воздуха, в тв. телах — разл. инородные включения или отд. кристаллиты в поликристаллах), а также на неровных и неоднородных границах среды.
3) Поглощением звука, к-рое происходит в результате необратимого перехода энергии волны в др. виды энергии (преим. в теплоту). При З. з., обусловленном рассеянием и поглощением, амплитуда убывает с расстоянием r по закону е-dr , где d — коэфф. З. з.
Величину поглощения можно характеризовать коэффициентом поглощения, который показывает, как изменяется интенсивность ультразвука в облучаемой среде. С ростом частоты он увеличивается. Интенсивность ультразвуковых колебаний в среде уменьшается по экспоненциальному закону. Этот процесс обусловлен внутренним трением, теплопроводностью поглощающей среды и её структурой. Его ориентировочно характеризует величина полупоглощающего слоя, которая показывает на какой глубине интенсивность колебаний уменьшается в два раза (точнее в 2,718 раза или на 63 %). По Пальману при частоте, равной 0,8 МГц средние величины полупоглощающего слоя для некоторых тканей таковы: жировая ткань — 6,8 см; мышечная — 3,6 см; жировая и мышечная ткани вместе — 4,9 см. С увеличением частоты ультразвука величина полупоглощающего слоя уменьшается. Так при частоте, равной 2,4 МГц, интенсивность ультразвука, проходящего через жировую и мышечную ткани, уменьшается в два раза на глубине 1,5 см.
Кроме того, возможно аномальное поглощение энергии ультразвуковых колебаний в некоторых диапазонах частот — это зависит от особенностей молекулярного строения данной ткани. Известно, что 2/3 энергии ультразвука затухает на молекулярном уровне и 1/3 на уровне микроскопических тканевых структур.