Глава 7. ТУРБУЛЕНТНОСТЬ И ЗВУК

§ 1. Введение. Общие сведения

До сих пор мы имели дело с распространением звука в однородных покоящихся средах. Вместе с тем в природе и в технике мы часто встречаемся с турбулентным движением, основные сведения о котором даны в гл. 1. Представляет большой интерес вопрос о характере распространения звука в турбулентных средах, таких, как атмосфера или море, в которых благодаря большим масштабам движения числа Рейнольдса велики и движение среды практически всегда турбулентно.

Турбулентность приводит к флуктуациям гидродинамических параметров. В атмосфере — к возникновению случайных полей пульсаций скорости потока и, температуры плотности давления влажности и т. д. Эти пульсации вызывают флуктуации показателя преломления среды и скорости распространения волн (для света играют роль для радиоволн СВЧ диапазона для звука — ). Для наглядности можно представить, что все пространство, занятое турбулентным потоком, случайным образом заполнено слабыми неоднородностями показателя преломления в виде выпуклых и вогнутых, т. е. фокусирующих и дефокусирующих, линз самых различных масштабов, накладывающихся друг на друга.

Флуктуации в турбулентной среде приводят к ряду интересных явлений при распространении через такую среду звуковых волн, радиоволн и света. К их числу относятся флуктуации фазы и угла прихода волн, амплитуды или уровня сигнала, рассеяние волн и другие.

Задачи распространения звука в турбулентной среде играют существенную роль в атмосферной акустике и гидроакустике; электромагнитных волн в атмосфере — в атмосферной оптике, распространении лазерного излучения, радиосвязи, астрономии. Мы обсудим лишь наиболее простые акустические задачи из всей этой большой проблемы, которую можно назвать «турбулентность и волны».

Первые работы по влиянию случайных неоднородностей атмосферы на распространение звука и электромагнитных волн были выполнены довольно давно. Еще в конце 30-х годов [1,2] при изучении распространения звука при ветре было обращено внимание на то,

что принимаемый сигнал подвержен изменениям — замираниям или фэдингам. Средний уровень сигнала уменьшается при прохождении волной заметного расстояния и зависит от скорости ветра, что можно было отнести не только к влиянию рефракции, но и к потерям энергии за счет рассеяния. В [3,4] интерференционным методом были проведены первые систематические измерения флуктуаций фазы и было выяснено, что они зависели от скорости ветра и частоты звука. Далее эти работы были продолжены как в экспериментальном, так и в теоретическом направлении [4—7]; в них исследованы и флуктуации уровня сигнала.

Большое значение для решения проблемы «турбулентность и волны» сыграли как развитая в эти годы статистическая теория локально изотропной турбулентности, закон «2/3» Колмогорова—Обухова (§ 7, гл. 1), так и выявление микроструктуры развитого турбулентного потока на основе непосредственных измерений в атмосфере. Эти работы способствовали дальнейшему развитию теории волн в турбулентной среде и решению ряда прикладных задач. Работы в этом направлении продолжают развиваться как в области эксперимента, так и в области теории и многообразных приложений.

В настоящее время приобретает все большее значение метод импульсного зондирования атмосферы звуковым лучом на основе наблюдения рассеяния звука на неоднородностях коэффициента преломления [8]. Теория рассеяния волн [9, 10], использующая современные представления о структуре турбулентности, открывает возможность, используя эффект рассеяния радиоволн на звуковом импульсе, дистанционно определить характеристики атмосферы. Метод рассеяния звука используется также и для изучения неоднородностей в толще морской воды, в том числе внутренних волн.

Таким образом, исследование распространения звука в среде со случайными неоднородностями является интересной задачей физической акустики и вместе с тем оказывается важным для решения обратной задачи — из данных по акустическому зондированию получать сведения о турбулентном и неоднородном состоянии атмосферы и океана. В этой главе мы не имеем возможности остановиться на важной задаче генерации звука турбулентным потоком; первые важные результаты в этой области были получены в [11, 12].