1.10. ПРЕЛОМЛЕНИЕ ЗВУКА

Звуковая волна, падая на поверхность раздела двух сред, как и световая волна, частично проходит в другую среду. При этом происходит преломление волны, т. е. если волна падает на поверхность раздела под углом то в следующей среде Направление движения волны (звукового луча) будет под углом Отношение угла падения к углу преломления (рис. 1.11) определяется отношением скоростей распространения звуковых колебаний в этих средах: где скорости звука в обеих средах. Если удельные акустические сопротивления обеих сред близки друг к другу, то почти вся энергия перейдет из одной среды в другую, а если при этом среды (или материалы из них) будут иметь разные скорости звука, то можно сделать акустические линзы из таких материалов (см. разд. 6).

Если среда имеет переменные параметры (например, атмосферное давление и плотность), то происходит изгиб звуковых волн (рис. 1.12). Например, для горизонтального распространения волны при постепенном увеличении скорости звука с высотой звуковой луч будет изгибаться вниз (рис. 1.12, а) а при уменьшении — вверх (рис. 1.12, б). На изгиб звуковых волн сильно влияют ветер и потоки воздуха в различных направлениях.

Пример. Вследствие воздушных течений и ветра скорость распространения звуковых волн изменяется на при изменении высоты на Определить траекторию распространения волны, если начальный угол звукового луча к вертикали 89°, а скорость распространения

Будем считать, что скорость звука меняется скачками по При падении на соседний слой под углом 89° произойдет преломление звукового луча. Угол с вертикалью будет составлять Подставляя в эту формулу 89°, получаем угол . В этом

Рис. 1.11. Иллюстрация преломления волн

Рис. 1.12. Иллюстрация изгиба звуковых волн при изменении скорости звука: а — при уменьшении ее; б - при увеличении

Рис. 1.13. Траектория звукового луча при распространении его вдрль земной поверхности, если скорость звука изменяется с высотой

слое луч будет находиться до встречи со следующим слоем. Определим по той же формуле угол преломления при переходе луча в следующий слой. Он равен 83,7°. Для следующего слоя получим 82,3° и т. д. Для десятого преломления угол будет составлять 76°, для тридцатого — При этом луч отклонится от горизонтали на и будет находиться от первой точки преломления на На рис. 1.13 нанесена расчетная траектория этого луча.