Отражение и преломление звука на границе двух сред.

Звуковые волны имеют длины волн порядка от нескольких сан­тиметров до десятков метров. Волна с частотой 20 гц имеет в воз­духе длину примерно 16 ж, с частотой 10 000 гц — 3,3 см, поэтому отражение по законам, полученным нами для отражения волн ранее, возможно лишь при достаточно больших размерах предметов, на которые падают звуковые волны. В противном случае происходит так называемое явление дифракции, волны огибают препятствия и заходят в область геометрической тени.

Отражение от больших препятствий (для частот порядка 5—10 кг от предметов с площадью поверхности 0,5—1 ) происходит с соб­людением равенства углов падения и отражения.

При падении на границу раздела двух сред, скорости распростра­нения звука в которых различаются, часть звуковой энергии отра­жается, а часть проходит во вторую среду (рис.3), при этом лучи падающий, преломленный и отраженный лежат в одной плоскости и синус угла падения так относится к синусу угла преломления, как скорость звука в первой среде отно­сится к скорости во второй среде:

. (8)

Величина п называется показателемпреломления.

Если интенсивность звука в первой среде , а во второй, то

(9)

где -коэффициент проникновения. Какпоказал один из создателей теоретической физики Релей,

(10)

Коэффициент проникновения зависит от отношения акустических сопротивлений сред.

Если

то(11)

Если

то(12)

Коэффициент отражения, очевидно, равен R=1-.

Следовательно, интенсивность преломленного звука:

(13)

а интенсивность отраженного:

(14)

Распространение звука.

Расчеты поглощения звука в воздухе показывают, что волна с частотой 1000 гц при 20 °С ослабевает в е раз на расстоянии при­мерно 115 км. Учет влияния теплопроводности снижает эту личину до 81 км. Однако в действительности звук в атмосфере затухает много быстрее. Причина этого в том, что на его распространение влияют ветер, температура и влажность воздуха, наличие слоев различной плотности. Рисунок 3 поясняет влияние ветра.

Рис. 3

Сферическая волна от точечного источника в однородной атмосфере должна распространяться с одинаковой скоростью во всех направлениях. Но если имеет место ветер, скорость его и скорость волны складываются геометрически. Так как скорость ветра у земли меньше (вследствие трения о ее поверхность), а с высотой растает, то отдельные части фронта волны движутся относительно земли с разной скоростью.

Если волна распространяется под некоторым углом навстречу г.пру, то лучи, как можно усмотреть из построения на чертеже, вгибаются вверх, а с противоположной стороны от источника прижимаются к земле. Поэтому звук слышен на большем расстоя­нии от источника с подветренной стороны, чем с наветренной.

На рисунке 4 изображено распространение звуковой волны, когда температура воздуха убывает с высотой.

Рис. 4

В теплом воздухе звук распространяется (при прочих равных условиях) быстрее, чем в холодном (см. равенство 4). В звуковой волне лучи заги­баются вверх. Если температура слоев воздуха, прилегающих к земле, ниже, чем на некоторой высоте (что бывает в ясные ночи, когда земля и прилегающие к ней слои воздуха быстро остывают вследствие излучения), лучи прижимаются к земле. Поэтому в жаркий день, когда земля и нижние слои воздуха сильно нагреты, расстояние, на котором слышен звук, заметно меньше, чем в ясную ночь. Если в слое, лежащем на какой-то высоте над землей, тем­пература воздуха меняется скачком (а следовательно, вместе с из­менением скорости звука меняется и акустическое сопротивление 2реды), то звук, дойдя до него, отражается к земле; отразившись от ее поверхности, он испытывает вновь отражение от слоя темпе­ратурного скачка и т. д. При этом дальность распространения звука может сильно возрасти, так как энергия звуковой волны концентри­руется в границах некоторого сравнительно ограниченного слоя.

Движение воздуха в атмосфере всегда турбулентно. Поэтому скорость и температура в каждой точке воздушного потока пульсируют по величине, а скорость, кроме то­го, и по направлению. Это приводит к возникновению мелких неоднородностей в атмосфере и к рассеянию на них зву­ковой энергии, а следовательно, к зна­чительному увеличению затухания звука. Многие источники звука излучают волны низких частот: инфразвуковые и близкие к ним. Источниками таких зву­ковых колебаний являются, например, взрыв, шум двигателя, ветер и т. п. Благодаря своей низкой частоте эти зву­ки могут распространяться на сравни­тельно большие расстояния. На высоте 50—70км в атмосфере имеется слей озона, сильно поглощающий тепловые лучи,

благодаря чему температура этого слоя резко повышена (50—70°С). Звук сильного взрыва, доходя до этого слоя, отражается и воз­вращается к поверхности земли. Звук, идущий вдоль поверхно­сти земли, сильно затухает в силу рассеяния на неровностях по­верхности, на турбулентных неоднородностях в прилегающих к земле слоях воздуха. Поэтому вокруг источника взрыва на поверх­ности земли образуется чередование зон, в которых звук слышен, с зонами, в которых он не слышен.

На распространение звука в воде, так же как и в воздухе, влия­ет наличие течений, температурных градиентов, турбулентных неоднородностей. Но влияние их сказывается значительно сильнее, чем в воздухе. Кроме того, благодаря различному содержанию солей плотность морской воды может сильно меняться от слоя к слою, что так же, как и изменение температуры, вызывает изги­бание (рефракцию) лучей. Скачкообразное изменение температуры или солености воды обусловливает многократные отражения звука, образование звуковых каналов. На распространение звука в воде

сказывается наличие в ней мельчайших пузырьков воздуха, мелких животных и водорослей. Все это чрезвычайно усложняет картину распространения звука в естественных водоемах.