Акустическая тень - аналог световой тени, область пространства, в которой звук источников не слышен.

Объяснение явления акустической тени связано с понятием дифракции звука. Дифракцией называется огибание волнами препятствия. Дифракция анализируется с помощью принципа Гюйгенса. Степень такого огибания зависит от соотношения между длиной волны и размером препятствия или отверстия. Поскольку длина звуковой волны во много раз больше, чем световой, дифракция звуковых волн менее удивляет нас, нежели дифракция света. Так, можно разговаривать с кем-то стоящим за углом здания, хотя он и не виден. Звуковая волна с легкостью огибает угол, тогда как свет из-за малости своей длины волны дает резкие тени.

Рассмотрим дифракцию плоской звуковой волны, падающей на твердый плоский экран с отверстием. Для определения формы волнового фронта по другую сторону экрана нужно знать соотношение между длиной волны l и диаметром отверстия D. Если эти величины примерно одинаковы или l намного больше D, то получается полная дифракция: волновой фронт выходящей волны будет сферическим, а волна достигнет всех точек за экраном. Если же l несколько меньше D, то выходящая волна будет распространяться преимущественно в прямом направлении. И наконец, если l намного меньше D, то вся ее энергия будет распространяться по прямой.

Дифракция наблюдается и тогда, когда на пути звука оказывается какое-либо препятствие. Если размеры препятствия намного больше длины волны, то звук отражается, а позади препятствия формируется зона акустической тени. Когда размеры препятствия сравнимы с длиной волны или меньше ее, звук дифрагирует в какой-то мере во всех направлениях.

Зона молчания может возникать, когда температура воздуха понижается с увеличением высоты. Звуковые волны, идущие от источника звука, отклоняются вверх вследствие рефракции. В зону молчания под преломленными звуковыми лучами звук не проникает.

Акустическую тень может вызвать рефракция, обусловленная градиентом температуры. Если скорость звука в неоднородной среде непрерывно меняется от точки к точке, то рефракция также меняется. Поскольку скорость звука и в воздухе, и в воде зависит от температуры, при наличии градиента температуры звуковые волны могут изменять направление своего движения. В атмосфере и океане из-за горизонтальной стратификации обычно наблюдаются вертикальные градиенты температуры. Поэтому вследствие изменений скорости звука по вертикали, обусловленных температурными градиентами, звуковая волна может отклоняться либо вверх, либо вниз.

Рассмотрим случай, когда в каком-то месте вблизи поверхности Земли воздух теплее, чем в более высоких слоях. Тогда с увеличением высоты температура воздуха здесь понижается, а вместе с ней уменьшается и скорость звука. Звук, излучаемый источником вблизи поверхности Земли, вследствие рефракции будет уходить вверх. Это показано на рис. 1, где изображены звуковые «лучи». Отклонение лучей звука, показанное на рис. 1, в общей форме описывается законом Снеллиуса. Если через θ, как и раньше, обозначить угол между вертикалью и направлением излучения, то обобщенный закон Снеллиуса имеет вид равенства sin(θ)/v=const, относящегося к любой точке луча. Таким образом, если луч переходит в область, где скорость v уменьшается, то угол θ тоже должен уменьшаться. Поэтому звуковые лучи всегда отклоняются в направлении уменьшения скорости звука. Из рис. 1 видно, что существует область, расположенная на некотором удалении от источника, куда звуковые лучи вообще не проникают - зона молчания.

Вполне возможно, что где-то на высоте, большей, чем показано на рис. 1, из-за градиента температуры скорость звука увеличивается с высотой. В таком случае первоначально отклонившаяся вверх звуковая волна здесь отклонится к поверхности Земли на большом удалении. Так бывает, когда в атмосфере образуется слой температурной инверсии, в результате чего оказывается возможным прием сверхдальних звуковых сигналов. При этом качество приема в удаленных точках бывает даже лучше, чем вблизи.

Явления дифракции звука и звуковой тени учитывается в архитектурной акустике. Так, например, иногда стены здания покрывают выступами с размерами порядка длины волны звука. (На частоте 100 Гц длина волны в воздухе около 3,5 м.) При этом звук, падая на стены, рассеивается во всех направлениях. В архитектурной акустике это явление называется диффузией звука.

Звуковая рефракция с образованием зон молчания является причиной сверхдальнего приема звукового сигнала. В истории было много примеров сверхдальнего приема. Например, во время Первой мировой войны, когда атмосферные условия благоприятствовали соответствующей рефракции звука, канонаду на французском фронте можно было слышать в Англии.

Зона молчания в акустике – область, в которой звук удалённых мощных источников (орудийная стрельба, взрыв и т.д.) не слышен, в то время как на больших расстояниях он снова появляется («зона аномальной слышимости»). Зоны молчания обычно имеют на земной поверхности форму неправильного кольца, окружающего источник звука. Иногда наблюдается две и даже три зоны молчания, разделённые зонами аномальной слышимости. Внутренний радиус 1-й зоны молчания обычно равен 20–80 км, иногда он достигает 150 км; внешний радиус может достигать 15–400 км.

Акустическую тень используют в локаторах различного рода для создания трехмерного изображения исследуемого объекта. Этот принцип применяется как в гидролокации, так и например в медицине для анализа тканей.

 

Принцип работы локатора бокового обзора понятен из рис.1. Локатор, установленный на буксируемом подводном аппарате-роботе или глубоководной субмарине, посылает в стороны (перпендикулярно движению) ультразвуковые импульсы, очень узкие (примерно 1°) в горизонтальной плоскости и широкие (обычно около 40°) в вертикальной. Такой импульс как невидимое широкое (но плоское) лезвие беспрепятственно пронзает толщу воды, а наткнувшись на какой-либо предмет (дно, скалу, подводный кабель или затонувший корабль), возвращается назад. Но возвращается не весь сразу: отражение от более удаленных предметов, естественно, приходит позже. Приходящие сигналы передаются на корабль-буксировщик по кабелю и записываются на специальную ленту. Поскольку при посылке одного импульса «освещается» лишь узкая полоса дна, самописец дает ее профиль. Но локатор (вместе с несущим его подводным аппаратом) движется, поэтому следующий посланный ультразвуковой импульс выписывает уже слегка смещенный профиль дна, и т. д. В результате самописец как электронный луч на экране телевизора строит строка за строкой так называемую «сонографию» — изображение широкой полосы морского дна. Дальность обзора в поперечном направлении достигает сотен метров и ограничивается в основном возможностями записывающей аппаратуры.

С акустической тенью связано одно из преимуществ сонара бокового обзора над оптическими системами. Так, на рис.2 изображен парусный корабль, затонувший более 100 лет назад. Силуэт корабля (он виден сверху) черный, а звуковая тень от него совсем светлая на фоне более темного грунта. Корабль находился далеко в стороне от сонара, поэтому тень дает его «в профиль»: отчетливо видны мачты, бушприт и даже поручни. Таким образом, акустическая тень позволяет видеть один и тот же объект в двух проекциях сразу, что никак не под силу оптическим средствам. Конечно, иногда они тоже фиксируют тень, но она не помогает, а, наоборот, мешает расшифровке изображений.

Звуки, идущие вдоль поверхности земли, сильно поглощаются и рассеиваются благодаря неровностям земной поверхности, а также неоднородностям в температуре и скорости ветра. Поэтому звук от сильного взрыва можно слышать на расстояниях, не превышающих 20–30 км. Однако на еще больших расстояниях звук опять становится слышным.

Это явление объясняется тем, что на высоте 50–70 км имеются слои атмосферного озона с температурой +50 – +70° С. Скорость звука здесь больше, чем в нижних слоях, и звук, идущий под некоторым углом к земной поверхности, постепенно загибается, описывает дугу и снова возвращается на землю (рис.1). Этим и объясняется тот факт, что после зоны молчания, на расстоянии около 150–200 км и более, можно опять услышать звук сильного взрыва. Зон слышимости иногда может быть не две, а несколько, так как пришедшие сверху звуковые лучи отражаются земной поверхностью, поднимаются вверх и снова возвращаются к ней, совершив опять такое же путешествие вверх и вниз.

На рисунке 2 на карте показаны зона молчания и кольцевая зона аномальной слышимости при взрыве большой силы в Москве 9 мая 1920 г.

При катастрофическом извержении вулкана Кракатау (около острова Суматра) 27 августа 1883 г., сопровождавшегося сильнейшим землетрясением, возникли настолько большие волны давления в атмосфере (инфразвук с периодами в доли минуты и больше), что, как считают, они не сколько раз обошли вокруг земного шара.

При ядерных взрывах возникающие ударные волны, переходящие на некотором расстоянии из–за затухания в сильные инфразвуковые волны, также распространяются на большие расстояния: Эти волны могут быть сравнительно легко отмечены инфразвуковыми приемниками и, таким образом, при помощи этих волн может быть обнаружен ядерный взрыв, произведенный в воздухе на большом расстоянии от места наблюдения. Как известно, существует несколько методов обнаружения ядерных взрывов, произведенных на больших расстояниях, в зависимости от того, где произошел этот взрыв – в воздухе, воде или в земле.