А.И. Куприянов - Основы защиты информации (1022813), страница 19
Текст из файла (страница 19)
4.3. Акустические поля д ,и2 дл~ 2х2 2 2 (4.38) дд ~р51) 2 2 1 2 (4.39) воздуха„для нормальных атмосферных условий р = 1,225 кг/м'. Поскольку при простом гармоническом движении средняя потенциальная энергия равна средней кинетической энергии, соотношение (4.39) описывает запас энергии в слое воздуха площадью 5'и толщиной дх. Если колебания начинаются в момент времени ~=0, то они распространяются в воздухе (вправо на рис.
4.9) со скоростью и = дх/Ю, где дх— расстояние, на которое возмущение распространяется за время Ж Разделив (4.39) на Ф, можно определить скорость передачи энергии каждому следующему слою толщиной дх: где р — плотность Рис. 4.9. Колебания мембраны и возникновение акустической волны ! (4.40) Щ 1 дх 2 2 сМ 2 Ф 90 Акустические поля распространяются и переносят энергию (и инФормацию) в упругих средах. Если на каком-либо участке сплошной среды, например в слое воздуха или жидкости, возбудить простое гармоническое движение, то оно будет передаваться соседним участкам, от них в свою очередь к друтим участкам и т.д.
В результате возмущение от источника будет распространяться в среде с некоторой скоростью и. Результирующее движение будет бегущей волной. Так, плоская тонкая пластинка (мембрана) площадью з колеблется вправо и влево, совершая простое гармоническое колебание с амплитудой хо и частотой о = 2я/; возбуждает бегущую волну в окружающем воздухе. Пластинка передает энергию слою воздуха массой сЬя (рис. 4.9). Максимальная кинетическая энергия этого слоя воздуха со- ставляет ,':Таким образом, мощность Р, излучаемая колеблющейся пласой в положительном направлении оси х, можно представить е Р = — рЯо2 х„и. 1 2 (4.41) ":;:~плотность потока мощности П, переносимой бегущей волной, деляется как мощность, приходящаяся на единицу площади. (4.41) плотность потока звуковой волны П = — ро22хо2и.
1 2 (4.42) ': Скорость распространения звуковых волн в воздухе, как и воще в газе, определяется соотношением (4.43) у = — — адиабатическая постоянная, равная отношению Сг оемкостей при постоянном обьеме и давлении на уровне моря : 1,41; ро — статическое атмосферное давление; Я вЂ” универсалья газовая постоянная; р — молекулярная масса газа. ::: При уже упомянутых нормальных атмосферных условиях (когтемпература ~ =+20 С, атмосферное давление ро = 10,1325 102 ар) скорость звука в воздухе составляет и = 343 м/с. ;:. При прохождении звуковой волны элементарные объемы сресовершают колебания около своего положения равновесИя.
Ско' сть этих колебаний зависит от звукового давления. В отличие от орости распространения звука она называется колебательной оростью и. -.;: Поверхность, на которой расположены частицы, совершаю": е синфазные колебания, называется фронтом волны. В зависиости от формы этой поверхности различают плоские, цилиндеские и сферические волны. Направление распространения ука перпендикулярно фронту волны, поэтому распространение ' ука можно описывать с помощью звуковых лучей, которые во х точках перпендикулярны фронту звуковых волн. Звуковое давние вдоль луча периодически меняется (для чистого тона — по соидальному закону).
< Расстояние между двумя ближайшими фронтами волны с одиаковой фазой колебаний называется, как и для электромагнит'ого поля, длиной волны Х. Длина волны обратно пропорцио- 91 нальна частоте и существенно зависит от свойств звукопроводящей среды: ее плотности и упругости. Длина волны звукового колебания в газах меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях, как правило, меньше, чем в твердых телах, для которых справедливо соотношение с 1 ГЕ У У~р' (4.44) где Š— модуль упругости (модуль Юнга).
Звуковые волны при распространении в свободной атмосфере благодаря теплопроводности и вязкости воздуха поглощаются тем сильнее, чем выше частота звука и меньше плотность атмосферы. Поэтому резкие вблизи звуки выстрелов или взрывов на больших расстояниях становятся глухими, а колокольный звон — более гулким. Неслышимые звуки очень низких частот (инфразвук) периодами от нескольких секунд до нескольких минут затухают мало, могут распространяться на тысячи километров и даже несколько раз огибать земной шар. Это дает возможность, например, обнаруживать ядерные взрывы, являющиеся мощным источником таких волн.
Температура и плотность атмосферы уменьшаются с увеличением высоты, но на больших высотах температура снова возрастает. На эти регулярные неоднородности накладываются зависящие от метеорологических условий изменения температуры и скорости ветра, а также их случайные турбулентные пульсации различных масштабов. Все перечисленные неоднородности сильно влияют на распространение звука: возникает искривление звукового луча — рефракция, в результате которой наклонный звуковой луч может вернуться к земной поверхности, образуя акустические зоны слышимости и зоны молчания; происходит рассеяние и ослабление звука на турбулентных неоднородностях, сильное поглощение звука на больших высотах и т.д.
Если атмосферные условия благоприятствуют фокусировке ударных волн, возникающих при движении сверхзвуковых реактивных самолетов, у земной поверхности звуковое давление может достичь значений, опасных для сооружений и здоровья людей. Полярные сияния, магнитные бури, землетрясения, ураганы, морские волнения являются источниками звуковых и особенно инфразвуковых волн. Распространение звуковых волн в водной среде изучает гидроакустика. Особенность подводных звуков — их слабое затухание, вследствие чего под водой звук может распространяться на значительно большие расстояния, чем в воздухе. Так, в диапазойе частот 500 ... 2000 Гц дальность распространения под водой звука средней интенсивности достигает 15 ... 20 км, а в диапазоне ультразву- 92 ых частот — 3 ...
5 км. Звук мог бы распространяться и на значи- ' но большие расстояния, однако в естественных условиях, ме затухания, обусловленного вязкостью воды, ослабление "': а происходит за счет рефракции и его рассеяния и поглощеразличными неоднородностями среды. Рефракция звука выется неоднородностью свойств воды, главным образом по ''- икали, вследствие изменения с глубиной гидростатического .ления, солености и температуры в результате неодинакового ' грева массы воды солнечными лучами. В результате скорость ; пространения звука изменяется с глубиной, причем закон ' енения зависит от времени года, времени дня, глубины во"ма и ряда других причин (например, зимой дальность рас' странения звука больше, чем летом). Из-за рефракции обра- ся зоны тени, т.е. области, расположенные недалеко от ис; ника, в которых интенсивность звука очень мала и слыши- ь отсутствует.
':,;" Рефракция может приводить не только к уменьшению, но и '. личению дальности распространения звука, обусловливая яв-"ние сверхдальнего распространения звука под водой. На неко'вой глубине под поверхностью воды находится слой, в котором "ук распространяется с наименьшей скоростью; выше скорость 'ука увеличивается из-за повышения температуры, а ниже— " едствие увеличения гидростатического давления с глубиной. т слой представляет собой своеобразный подводный звуковой :нал. Луч, отклонившийся от оси канала вверх или вниз, вслед': ие рефракции возвращается в него обратно (рис.
4.10). , Если поместить источник и приемник звука в этом слое, то е звук средней интенсивности (например, звуки взрыва не"льших зарядов массой 1 ... 2 кг) может быть зарегистрирован на стояниях в сотни и тысячи километров. ' На распространение звука высокой частоты, в частности ультзвука, у которого длины волн очень малы, оказывают влияние лкие неоднородности.
Такие неоднородности обычно имеются ;:естественных водоемах. Это микроорганизмы, пузырьки газов и .,::д. Они поглощают и рассеивают энергию звуковых волн. В ре'. льтате с повышением частоты звуковых колебаний дальность их Воздух Скорость звука Рис. 4.10. Распространение звука в водной среде 93 В Я~= Н + р апв~, (4.45) где ро — статическое давление среды (атмосферное давление); р— амплитуда переменной составляющей давления, которая называется звуковым давлением. Эффективное значение звукового давления в случае синусоидальных колебаний меньше амплитудного в Г2 раз.
Среднее значение потока энергии за один период звукового колебания называется интенсивностью или силой звука Х Х= — ~Пй= — =р,и, 1т Уо Р~ (4.46) 94 распространения сокращается. Особенно сильно этот эффект заметен в поверхностном слое воды, где больше всего неоднородностей. Рассеяние звука неоднородностями, а также неровностями поверхности воды и дна вызывает явление подводной реверберации, которая может стать значительной помехой для ряда практического применений гидроакустики. Пределы дальности распространения подводного звука лимитируются также собственными шумами приемников и моря.
Шум моря возникает от ударов волн на поверхности воды, морского прибоя, шума перекатываемой гальки, а также создается морской фауной. Гидроакустика получила широкое практическое применение, в частности в технической разведке, так как никакие виды электромагнитных волн, включая и световые, не распространяются в воде (вследствие ее большой электропроводности) на сколько- нибудь значительные расстояния.
Только звук может служить единственным возможным средством получения информации и средством связи под водой. Для этих целей пользуются как звуковыми частотами 300...16000 Гц, так и ультразвуковыми от 16 кГц и выше. Наиболее широко в гидроакустической разведке применяются эхолоты и гидролокаторы, которыми пользуются для поисковых работ, обнаружения морских и подводных целей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
