Влажность и звук

В конце прошлого века в Англии производились длительные наблюдения слышимости вестминстерского часового колокола. Было установлено, что колокол вечером слышен лучше у. дальше, чем днем. Уже тогда это объясняли высокой влажностью и стабильностью приземного слоя воздуха в вечернее время.
В дореволюционном киевском Подоле существовало выражение «Лавра гудит» (особенная густота и явственность колокольного звона Лавры).
Эта примета была связана с надвигающимся ненастьем, т.е. с повышенной влажностью воздуха. В США также было отмечено значительное влияние влажности на распространение звуков разной тональности. В концертной чаше Голливуда, например, при исполнении музыкальных произведений, в задних рядах для публики, на расстоянии 165 м от оркестра, во влажную погоду высокие тона воспринимались в несколько раз громче, чем в сухую. Подобное влияние влажности на распространение звука было установлено и для закрытых помещений. Специальные наблюдения над слышимостью сирен плавучих маяков в Англии показали, что изменения слышимости сигналов во многих случаях почти в точности следовали за изменениями относительной влажности воздуха. Эти наблюдения обратили внимание исследователей на явную связь между влажностью и поглощением звука. Большое значение звуковых сигналов для навигации явилось стимулом к изучению явления не только в естественных, но и в лабораторных условиях.
Акустические колебания проходят среду как последовательность адиабатических разрежений и сжатий. При адиабатическом сжатии газа часть энергии сжатия переходит в энергию внутримолекулярных движений, при адиабатическом разрежении она возвращается обратно. Если время, необходимое для осуществления разрежения и сжатия, будет одного порядка со временем, требующимся для установления термического равновесия (релаксации), то известная доля звуковой энергии, превратившись во внутреннюю энергию молекул в процессе сжатия, по окончании расширения не успеет превратиться во внешнюю. В этом случае произойдет наиболее значительное поглощение звука молекулами газа.
Энергия, затрачиваемая на сжатие, превращается прежде всего в поступательную энергию молекул, движущихся параллельно направлению сжатия. Определенная часть поступательной энергии переходит затем во вращательную и колебательную энергию атомов в молекулах, но может быть затрачена и на осуществление перехода атомных и молекулярных электронов на более высокие уровни энергии.
В сухом, чистом и неподвижном воздухе поглощение акустических колебаний имеет наименьшую величину и осуществляется молекулами кислорода. Во влажном воздухе поглощение возрастает, но остается меньшим по величине, чем в турбулентном воздушном потоке. Поглощение звука во влажном воздухе происходит за счет взаимодействия молекул кислорода и водяного пара. Часть звуковой энергии при неупругих столкновениях молекул переходит в колебательную энергию атомов в молекулах. Для всех частот с увеличением относительной влажности поглощение звука сначала возрастает, при влажности 10...20% достигает максимума и при дальнейшем увеличении влажности монотонно уменьшается.
При температуре ниже или около 0°C столкновения между молекулами энергетически недостаточны для возбуждения колебательных движений атомов в молекулах кислорода. Зато при увеличении температуры воздуха от 20 до 55°C молекулярное поглощение звука благодаря возбуждению колебательных движений в молекулах кислорода возрастает примерно в 2 раза. В Калифорнии, например, при температуре около 55°C и влажности в 2,5% во время штиля на частоте 3 кГц поглощение звука составляет 0,13 дБ/м.
В зоне умеренного климата на той же частоте при влажности 40% и отсутствии ветра оно равняется лишь 0,02 дБ/м.
Внутренняя энергия молекул азота слишком мала, чтобы влиять на поглощение звука. В углекислом газе поглощение звука становится значительным, начиная с частоты в 3 кГц, и в дальнейшем быстро растет.
Воздух, наполненный туманом, не может не вызывать добавочного поглощения и рассеяния звука. Затухание звука в тумане происходит благодаря его рассеиванию на каплях, так как капли участвуют в колебательном движении и испаряются при сжатиях звуковых волн. Наблюдаемое иногда при редких туманах улучшение слышимости можно объяснить влиянием свойственной туману высокой влажности, наличием температурных инверсий, отклоняющих звуковые лучи к земле, и почти полным отсутствием ветра.
Обычно при подъеме над земной поверхностью температура атмосферного воздуха падает, при инверсиях наблюдается обратный ход температуры.
Английские аэронавты, поднимавшиеся во время тумана над Лондоном, наблюдали следующие любопытные явления. Во время поднятия шара в тумане ничего не было видно и все идущие от земли звуки были сильно ослаблены, благодаря чему казались очень отдаленными. Сразу после поднятия над слоем приземного тумана все звуки города были вновь хорошо слышны. Из-за отсутствия перспективы при обзоре окружающего пространства и довольно сильного поглощения звука в облаках аэронавты ощущали изолированность от земли. Лишь иногда ее нарушали слабые звуки земли: гудки поездов, пенье петухов, лай собак. Опознавание земных звуков затруднялось благодаря изменению их тембра в результате преимущественного поглощения в облаках высоких частот.
В практике мореплавания известны случаи, когда звуковые сигналы в тумане слышны на далеких расстояниях и одновременно не слышны на более близких. Если звуковой маяк и корабль не находятся в зоне тумана одновременно, то в зависимости от угла падения звуковых лучей на границу чистого воздуха и тумана возможно и сильное поглощение сигнала, и образование эха.
Лабораторные измерения показали, что в тумане с водностью 2•10–6 г/см3 при радиусе капель 6,25 10–4 см затухание звука на частоте 0,5 кГц составляет 0,016 дБ/м, на частоте 8 кГц оно значительно больше и достигает 0,04 дБ/м.
При изменении влажности и содержания в атмосфере пыли и ядер конденсации могут возникнуть условия, при которых распространение мощных ударных волн благодаря фазовым превращениям на их фронтальных границах становится видимым. В чистом воздухе, не насыщенном водяным паром, взрывные волны могут быть видимы за счет изменения показателя преломления на фронте волны в результате сильного сжатия.
В лабораторных условиях на фронте ударной волны в аргоне удавалось получать температуру до 30 000°C. При этом газ сильно ионизировался, и за продвижением фронта волны можно было следить по исходившему от него яркому свечению. В принципе подобные явления возможны и при мощных взрывах в атмосфере.
Видимые волны звука отмечались неоднократно. В 1906 году их наблюдали во время извержения Везувия, в 1910 году – при извержении Этны. Во время войны 1914 года в низких облаках над стреляющими гаубицами нередко можно было видеть темные и светлые круги толщиной 4...6 угловых минут, быстро удалявшиеся в облаке, расположенном непосредственно над стреляющим орудием. Однажды бегущие по небу темные и светлые полосы наблюдались в ясный летний день с высокой влажностью после взрыва у земной поверхности 30 кг взрывчатого вещества. Во время Великой Отечественной войны в ясное и тихое утро без росы в одном из районов Западной Украины над местом разрыва бомб весом до 300 кг возникали маленькие темно-пепельного цвета дуги шириной в 4 угловые минуты. Сначала медленно, а затем все быстрее дуги приближались к зениту. Перемещение дуг от горизонта к зениту занимало по времени 15 секунд. У горизонта расстояние между дугами составляло 0,5...1°, в зените оно доходило до 5...8°. При каждом взрыве возникало от 2 до 4 концентрических дуг. Быстро пройдя через зенит, дуги уменьшались в размерах и исчезали на фоне неба. Грохот взрыва был слышен во время прохождения дуг через зенит.
Иногда на фоне светлых перистых облаков можно видеть и баллистическую волну, возникающую в передней части летящего со сверхзвуковой скоростью самолета, Волна имеет вид темной полудуги с резко очерченным передним краем. Тыльная часть волны постепенно сливается с фоном облаков. За первой волной может следовать более слабая вторая. Длительность наблюдения явления достигает 10 сек. При пролете через атмосферу крупных метеоритов видимые баллистические волны пока отмечены не были.
В головах комет нередко наблюдаются равномерно расширяющиеся круговые полосы (галосы). Скорость их распространения в верхнем пределе достигает нескольких километров в секунду. Наблюдениями установлено образование следующих друг за другом концентрических галосов с центром чаще всего (но не всегда) в ядре кометы. Расположенные в плоскости галактического экватора, рукава Галактики также состоят из последовательности сгущений и разрежений, но уже в межзвездной среде – нейтральном водороде. Оба явления возникают в результате распространения в космическом пространстве ударных волн и имеют общие черты с развитием ударных волн в земной атмосфере.