Атмосферная акустика

АТМОСФЕРНАЯ АКУСТИКА, раздел акустики, в котором изучаются распространение и генерация звука в реальной земной атмосфере, а также исследуются свойства атмосферы акустическими методами. Атмосферную акустику можно рассматривать как раздел физики атмосферы.

Зарождение атмосферной акустики относится к 1-й половине 20 века, когда начались исследования аномальной слышимости звука от взрывов и была произведена оценка влияния турбулентности на замирания (фединги) акустических волн. Ускорение развития атмосферной акустики произошло после 2-й мировой войны одновременно с быстрым технических прогрессом в электроакустике и электронике. Современная теория акустических явлений в атмосфере опирается на классические труды по акустике движущихся сред и по распространению волн в случайно-неоднородных средах.

Характер распространения звуковых волн и разнообразные акустические явления в атмосфере связаны с зависимостью скорости звука от скорости ветра и от температуры воздуха, с поглощением звука в воздушной среде, с нелинейными эффектами, возникающими при распространении звуковых волн (смотри Нелинейная акустика), и с аэродинамической генерацией звука. Скорость звука с в идеальном газе определяется формулой: с = с₀?(Т/273)^1/2, где с₀ - скорость зву­ка при 0°С (с₀ = 331,5 м/с),  Т - абсолютная температура газа. Из-за сильной температурной зависимости скорость звука в тропиках почти на 50 м/с больше, чем в Арктике и Антарктиде. Изменение температуры и скорости ветра с высотой вызывает искривление звуковых лучей (смотри Рефракция звука), появление зон молчания (или акустической тени). Строгой теории поглощения звука в атмосфере не существует, и для расчёта ослабления звуковой волны используют эмпирические численные коэффициенты. В среднем ослабление звука пропорционально квадрату его частоты. Поэтому ультразвук в атмосфере полностью затухает на расстоянии нескольких метров, в то время как инфразвук может распространяться на тысячи километров. Флуктуации амплитуды и фазы волны, обусловленные атмосферной турбулентностью, приводят к рассеянию и дополнительному ослаблению звука, затрудняют пеленгацию звуковых источников. При распространении акустических импульсов (например, от взрывов) на большие высоты происходит нелинейное искажение их формы, связанное с увеличением колебательной скорости в волне из-за уменьшения плотности воздуха в верхних слоях атмосферы. При сильном ветре происходит генерация звуков и шумов, например, инфразвукового шума при обтекании волнистой морской поверхности ветровым потоком - так называемый голос моря. Возможно, именно по «голосу моря» морские животные заранее узнают о приближении шторма. Инфразвуковые волны с частотами менее 1 Гц могут порождаться полярными сияниями, землетрясениями, извержениями вулканов и другими естественными источниками. К атмосферным акустическим явлениям относится и образование ударных волн самолётами и ракетами, движущимися со сверхзвуковыми скоростями.

В последние десятилетия 20 века достигнут значительный прогресс в понимании физических процессов в области атмосферной акустики. Исследованы законы распространения звука в приземных атмосферных волноводах, разработана и экспериментально подтверждена теория флуктуаций параметров звуковых волн и их рассеяния мелкомасштабными неоднородностями скорости ветра и температуры.

Методы атмосферной акустики используют при дистанционном акустическом зондировании атмосферы. По времени прихода звука от места мощных взрывов и извержений вулканов определяют распределение температуры и ветра в стратосфере и мезосфере. Зондирование средней и верхней атмосферы посредством высокочувствительных акустических приёмников позволяет обнаруживать частичное отражение инфразвука от долгоживущих мезомасштабных неоднородностей и исследовать их параметры. Метод радиоакустического зондирования атмосферы даёт возможность с поверхности Земли определять вертикальные профили температуры в нижней тропосфере.

В системах контроля экологической обстановки вблизи атомных станций и в окрестностях вредных производств применяются акустические локаторы - содары, которые дистанционно определяют скорость ветра, высоту расположения инверсионных слоёв и интенсивность турбулентного перемешивания до высоты около 1 км, а также позволяют оценить ожидаемые концентрации вредных веществ при техногенных авариях. Методы импульсивной акустической томографии нижней атмосферы служат для определения пространственно усреднённых значений температуры и скорости ветра. Для локальных измерений характеристик мелкомасштабной турбулентности применяются ультразвуковые термометры-анемометры, обладающие малой инертностью, высокой чувствительностью и не подверженные радиационным погрешностям. Среди других практических задач, решаемых в атмосферной акустике, особенно важна разработка методов дистанционного определения местоположения и энергии крупных взрывов, включая ядерные.

Лит.: Татарский В. И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М., 1967; Чернов Л. А. Волны в случайно-неоднородных средах. М., 1975; Госсард Э., Хук У. Волны в атмосфере. М., 1978; Каллистратова М. А., Кон А. И. Радиоакустическое зондирование атмосферы. М., 1985; Хргиан А. Х. Физика атмосферы. М., 1986; Обухов А. М. Турбулентность и динамика атмосферы. Л., 1988; Красненко Н. П. Акустическое зондирование атмосферного пограничного слоя. Томск, 2001.