Dieser Artikel wurde von Mike Bannon geschrieben
Schließen Sie für einen Moment die Augen und tun Sie so, als würden Sie am Nachmittag mit Familie und Freunden im Central Park picknicken. Über ein zwei Fußballfelder entfernt können Sie ein Softball-Spiel zu sehen. Sie können die Männer und Frauen jubeln sehen, wie Ballspieler den Ball schlagen und um die Basen rennen. Sie sehen, wie ein Spieler in die Home Plate rutscht, und Sie sehen zu, wie der Schiedsrichter ihm das Signal gibt. Sie können all diese Aktionen sehen, aber Sie können sie nicht hören.
Später in der Nacht, wenn die Temperatur abkühlt und andere Softball-Teams unter den Lichtern spielen, können Sie alles klar sehen und hören. Warum ist das so? Könnte es sein, dass Sie sich tagsüber in einem akustischen Schatten befanden?
Tagsüber erwärmt die Sonne die Erdoberfläche und erwärmt die Luft in Bodennähe. Schall bewegt sich in wärmerer Luft schneller. So bewegt sich der Schall schneller in der Luft in Bodennähe. Das Gegenteil passiert nachts. Nachts kühlt der Boden schnell ab. Die höhere Luft ist wärmer als die bodennahe Luft. Tagsüber bewegt sich der Schall schneller in Bodennähe. Dadurch bricht die Schallwelle nach oben. Nachts passiert das Gegenteil. Der Schall, der weiter vom Boden entfernt ist, bewegt sich nachts schneller, wodurch die Schallwelle zurück zur Erde gebrochen wird.
In den 1800er Jahren führte Osborne Reynolds den ersten Schallwellenbrechungstest durch. Er stellte eine Klingel, einen Fuß über dem Boden, und kroch zwanzig Meter. Er musste den Kopf heben, um das Klingeln zu hören. Dann kroch er siebzig Meter und musste stehen, bevor er das Klingeln hören konnte.
Im Jahr 2001 veröffentlichte Charles D. Ross ein Buch mit dem Titel Civil War Acoustic Shadows. In diesem Artikel werden wir das Phänomen der Schallwellenbrechung untersuchen und wie es sich auf die Geräusche des Krieges und die Bildung akustischer Schatten bezieht.
Schallwellenbrechung nach unten
Im frühen 20.Jahrhundert begannen Wissenschaftler mit dem Einsatz von Heißluftballons, mehr über unsere Atmosphäre und ihre verschiedenen Schichten zu erfahren. Im Jahr 1923 wurden atmosphärische Temperaturänderungen beim Studium von Meteoren dokumentiert. Im Jahr 1924 schlug Erwin Schrödinger, ein mit dem Nobelpreis ausgezeichneter österreichischer Physiker, vor, dass „niederfrequente Geräusche weniger in der Atmosphäre absorbiert und daher stärker zur Erde zurückgebrochen würden als hochfrequente Geräusche“.
Die Schichten, die unser Ozon beherbergen, sind aufgrund der eingefangenen Sonnenstrahlung tendenziell wärmer. Wenn die Schallwelle auf diese wärmere Schicht trifft, wird sie zurück zur Erde gebrochen.
Wind
Wind spielt auch eine wichtige Rolle bei der Brechung von Schallwellen und letztendlich bei der Entfernung, die sie zurücklegen. Wind, der direkt in eine entgegenkommende Schallwelle reist, lässt sie schärfer nach oben brechen. Wind, der sich in die gleiche Richtung wie eine Schallwelle bewegt, führt zu einer allmählicheren Brechung der Schallwelle. In der oberen Atmosphäre wird ein starker Wind, der sich in Richtung der Welle bewegt, die Welle weiter und schneller drücken.
Schallwellenbrechung & Krieg
Vor dem Zeitalter der modernen Technologie verließen sich Armeekommandanten auf Schallwellen, um sie bei ihrem militärischen Entscheidungsprozess zu unterstützen. Zu ihrem Nachteil trafen die Kommandeure oft Entscheidungen auf der Grundlage dessen, was sie hörten. Viele wurden im Klang des Niemandslandes gefangen. Der erste aufgezeichnete Schallschatteneffekt ereignete sich auf See zwischen den Küsten Englands und Hollands. Vier Tage lang kämpfte die englische Marine während des zweiten englisch-niederländischen Krieges vor der Küste von Dünkirchen gegen die niederländische Marine. Historiker schreiben der größeren niederländischen Marine den Sieg zu. Während der Schlacht hörten nicht kämpfende Bootspassagiere, die sich auf See in einer Schattenzone irgendwo zwischen der Schlacht und der Küste Englands befanden, die Schlacht nicht. Auf der anderen Seite war die Schlacht an verschiedenen Orten in England zu hören.
Während des ersten Weltkriegs, am 28.September 1914, begann die deutsche Artillerie, die belgische Stadt Antwerpen und die Befestigungen, die die Stadt schützten, zu beschießen. Die akustische Schattenzone begann ungefähr dreißig Meilen von der Artillerie entfernt und endete ungefähr sechzig Meilen entfernt. Nach der Sechzig-Meilen-Marke war das deutsche Artilleriebeschuss zu hören. Die Leute im Umkreis von dreißig bis sechzig Meilen um die Artillerie konnten es nicht hören.
Am 19.September 1862 plante General Grant einen Angriff auf den konföderierten Generalmajor Sterling Price in der Nähe der kleinen Stadt Iuka, Mississippi. Der Plan war, dass der Generalmajor der Union, William Rosecrans, zuerst Price angriff und dann, als er die Schlacht hörte, Grants Generalmajor Edward Ord seine Truppen einrücken würde, um einen Rückzug von Price zu verhindern. Ord sollte seine Truppen engagieren, nachdem er die Geräusche der Schlacht gehört hatte. Diese Geräusche kamen nie. Als Rosecrans Armee den ganzen Nachmittag mit den Konföderierten kämpfte, hörten Ord und seine Armee, die sich in einem akustischen Schatten befanden, die Schlachtgeräusche nie und griffen letztendlich nie an. Price zog sich zurück und rettete schließlich vorerst seine Armee.
General Longstreet (1821-1904)
Am 2. Juli 1863 erteilt General Lee in Gettysburg einen Befehl an Generalleutnant James Longstreet, die Round Tops – das südliche Ende des Cemetery Ridge – anzugreifen. Der Gipfel des Hügels war praktisch unverteidigt. Lee hoffte, seine Kanonen auf die runden Spitzen zu bringen, damit die Konföderierten die Unionstruppen mit Kanonenfeuer bombardieren konnten. Als er Longstreets Angriff hörte, sollte Generalleutnant Richard Ewell von links angreifen. Er sollte seinen Männern befehlen, anzugreifen, sobald er Longstreets Kanonenfeuer hörte. Er hörte nie Longstreets Kanonen. Ewell und seine Armee befanden sich in einem akustischen Schatten. In der Zwischenzeit bewegte der Generalmajor der Union, George Meade, Männer von rechts nach links, um Longstreets Vormarsch zu stoppen.
General Lees „Waterloo“
1865 ließ Lee seine Armee außerhalb der Stadt Petersburg Virginia stationieren. Lee vermutete richtig, dass Grant versuchen würde, seine rechte Flanke anzugreifen. Lee schickte General George Picket mit der Armee von Nordvirginia, fünftausend konföderierte Soldaten, nach Five Forks, um sich einzugraben und Schmutz- und Holzverteidigungen aufzubauen. Lee verstand die Notwendigkeit, dieses Gebiet zu halten, um seine Southern Supply Railroad offen zu halten.
Grant wusste um diese strategische Bedeutung und schickte seinen Unionsgeneralmajor Phillip Sheridan, um Lees linke Flanke an den Five Forks anzugreifen. Am Morgen des Angriffs lud der konföderierte Generalmajor Fitzhugh Lee Picket zusammen mit Generalmajor Thomas Rosser zu einem Fischbacken ein, der zwei Meilen von Pickets Frontlinie entfernt war. Picket versäumte es, ihm zu sagen, dass er gehen würde. Historiker spekulieren, dass er ihm Männer, die wahrscheinlich hungrig und unterernährt waren, nicht erzählte, weil er sich schuldig fühlte.
Während sie gebackenen Shad und etwas Alkohol genossen, griffen Sheridan und seine Kommandeure die Verteidigung von Picket an, dezimierten schließlich Pickets Streitkräfte und nahmen Tausende gefangen. Als die Schlacht zwei Meilen vom Fischbacken entfernt tobte, Picket und die anderen Kommandeure hörten nichts. Am späten Nachmittag beschloss Picket, einen Kurier zu schicken, um seine Männer zu überprüfen. Als der Kurier in der Ferne ritt, konnten die Generäle zu ihrem Entsetzen sehen, wie ihr Kurier von den vorrückenden Unionstruppen gefangen genommen wurde. Picket sprang auf sein Pferd und ritt zu seinen Männern, aber es war zu spät.
Die Konföderierten erlitten eine schwere Niederlage — eine, die das bevorstehende Ende des Bürgerkriegs beschleunigen würde. Picket und seine Kommandeure waren in einem akustischen Schatten gefangen. An diesem Nachmittag, während die Generäle dachten, sie würden ein ruhiges, ereignisloses, entspannendes Fischbacken genießen, brach ihre Welt zusammen.
Atombombentests
1951 zündete die Regierung der Vereinigten Staaten eine Atombombe fünfundsechzig Meilen von Las Vegas entfernt. Der Test zerschmetterte Fenster in Las Vegas. Die Bombentester entdeckten, dass die Schallwellen der Bombe sechsmal nach oben und unten gebrochen wurden, bevor sie Las Vegas trafen. Die Wellen wurden in der Atmosphäre nach oben gebrochen und dann alle elf Meilen nach unten zurück zur Erdoberfläche gebrochen.
Berechnung der Schallgeschwindigkeit bei verschiedenen Temperaturen
Die Schallgeschwindigkeit bei 0 Grad Celsius beträgt 331 m / s. Für jeweils 1 Grad Celsius erhöht sich die Schallgeschwindigkeit. Hier ist die Formel zur Berechnung der Geschwindigkeitszunahme:
C = (331 + 0.6T)m / s
C = die neue Schallgeschwindigkeit
T = die Lufttemperatur in Grad Celsius
Zur Berechnung der Schallgeschwindigkeit in Luft bei 30 Grad:
C = (331 + 0.6 × 30) = 349 m / s
Bei 30 Grad Celsius beträgt die Schallgeschwindigkeit 349 m / s.
Fazit
Wenn Umweltingenieure Industrielärm für die umliegenden Gemeinden minimieren möchten, müssen sie das Konzept der Schallwellenbrechung und ihres akustischen Schatteneffekts berücksichtigen. Industrielärm, in Gebieten unmittelbar um die Fabriken herum, wird nachts größer sein als tagsüber.
Schauen Sie sich die Ölraffinerie auf dem Foto unten an. Die umliegende Gemeinde wird tagsüber wenig von den Geräuschen hören, die von den Stapeln hoch über der Raffinerie ausgehen. Die Schallwellen von diesen Quellen brechen dann nach oben. Gemeinden, die viele Kilometer entfernt liegen, werden diesen Lärm hören. Doch in der Nacht ist eine andere Geschichte. Diese Wellen werden direkt auf die Gemeinschaft gebrochen.
Angenommen, ein Stapel sendet eine Schallwelle 20 Meter über dem Boden aus. Ingenieure müssen den Brechungswinkel berechnen, um zu bestimmen, wie dieses Phänomen am besten bekämpft und letztendlich die Dezibelwerte auf die umgebende Gemeinschaft reduziert werden können. In einem Follow-up-Artikel „Vorgeschlagene Mathematik zur Refraktion von Schallwellen“ werden wir eine neue Mathematik vorschlagen, mit der der und der Winkel der Refraktion (Biegung) von Schallwellen berechnet werden. Später in diesem Jahr wollen wir auch ein Experiment durchführen, das dem von Osborne Reynolds in den 1800er Jahren ähnelt. Schauen Sie sich diesen Artikel irgendwann im September 2015 an.