Иван и Пётр прочитали научную статью в книге Л. В. Тарасова «Физика в природе». В книге автор проводил аналогию между явлением оптической рефракции — искривлением световых лучей в оптически неоднородной среде — и явлением акустической рефракции. Ребят заинтересовало, где в повседневной жизни они могут услышать подтверждение этого факта. Иван предположил, что именно из-за этого эффекта плохо слышно, когда человек кричит против ветра.
В подтверждение своих слов он из этой книги привёл следующие данные: при удалении от земли скорость ветра увеличивается, это заставляет при встречном ветре звуковые лучи искривляться кверху.
Прав ли Иван? Действительно ли явление рефракции в воздухе влияет на слышимость в приведённом примере?
Пётр не согласился с Иваном и привёл другие данные из этой же книги:
- Скорость звука в воздухе при температуре 0 °С — 330 м/с.
- При температуре −30 °С скорость звука — 312 м/с.
- При температуре 30 °С скорость звука уже составляет 350 м/с.
Что мог предполагать Пётр для объяснения плохой слышимости при сильном ветре?
Приведите свои рассуждения по этому эффекту.
Иван прав: скорость ветра обычно возрастает с высотой. При распространении звука против ветра его скорость относительно земли в верхних слоях оказывается меньше, чем у поверхности. Волновой фронт поворачивается, и звуковой пучок искривляется вверх. Он уходит от находящегося на земле слушателя, поэтому к нему приходит меньше звуковой энергии и крик слышен хуже. Это проявление акустической рефракции — изменения направления распространения волны в неоднородной среде.
Но вывод зависит и от температуры воздуха. Из данных Петра видно: при повышении температуры от −
Пётр мог предположить, что температурное изменение скорости звука тоже влияет на слышимость, поэтому одного объяснения ветром недостаточно. Например, тёплый воздух у земли и более холодный наверху дают большую скорость звука внизу; это также может направлять звуковой пучок вверх. При обратном распределении температур направление искривления может измениться. Сильный ветер вдобавок создаёт шум, который заглушает речь.
Итак, плохую слышимость против ветра могут одновременно вызывать отклонение звуковых волн, температурная неоднородность и шум ветра.
Иван прав: при встречном ветре звуковые волны могут отклоняться вверх. Пётр мог указать, что изменение температуры с высотой тоже меняет скорость и направление звука; сильный ветер дополнительно заглушает речь.
