tämän artikkelin on kirjoittanut Mike Bannon
sulje silmäsi hetkeksi ja teeskentele olevasi piknikillä kesken iltapäivän perheen ja ystävien kanssa Central Parkissa. Noin kahden jalkapallokentän päässä voit nähdä softball peli. Näet miesten ja naisten hurraavan, kun Palloilijat lyövät palloa ja kisaavat pesistä. Pelaaja liukuu kotipesään ja erotuomari antaa hänelle merkin ulos. Te näette kaiken tämän toiminnan, mutta ette kuule sitä.
myöhemmin samana iltana lämpötilan viiletessä ja muiden softball-joukkueiden pelatessa valojen alla näkee ja kuulee kaiken selvästi. Miksi näin on? Voisiko olla niin, että päivisin sijait akustisessa varjossa?
päivän aikana aurinko lämmittää maan pintaa lämmittäen lähellä maanpintaa olevaa ilmaa. Ääni kulkee nopeammin lämpimämmässä ilmassa. Ääni kulkee siis nopeammin ilmassa lähellä maanpintaa. Yöllä tapahtuu päinvastoin. Yöllä maa jäähtyy nopeasti. Korkeampi ilma on lämpimämpää kuin lähellä maanpintaa oleva ilma. Päivän aikana ääni kulkee nopeammin lähellä maanpintaa. Tämä saa ääniaallon taittumaan ylöspäin. Yöllä tapahtuu päinvastoin. Ääni kauempana maasta kulkee nopeammin yöllä aiheuttaen ääniaallon taittumisen takaisin kohti maata.
1800-luvulla Osborne Reynolds suoritti ensimmäisen ääniaaltojen taittumistestin. Hän asetti soivan kellon, yksi jalka maanpinnan yläpuolella, ja ryömi kaksikymmentä metriä. Hän joutui nostamaan päätään kuullakseen soivan äänen. Sitten hän ryömi seitsemänkymmentä metriä ja hänen täytyi seistä ennen kuin hän pystyi kuulemaan soivan äänen.
vuonna 2001 Charles D. Ross julkaisi Civil War Acoustic Shadows-nimisen kirjan. Tässä artikkelissa aiomme tutkia ilmiötä ääniaaltojen taittuminen ja miten se liittyy ääniä sodan muodostumista akustisia varjoja.
alaspäin suuntautuva ääniaaltojen taittuminen
1900-luvun alussa tiedemiehet alkoivat kuumailmapallojen avulla oppia lisää ilmakehästämme ja sen eri kerroksista. Vuonna 1923 ilmakehän lämpötilan muutokset dokumentoitiin meteoreja tutkittaessa. Nobel-palkittu itävaltalainen fyysikko Erwin Schrödinger esitti vuonna 1924, että ”matalataajuiset äänet imeytyisivät ilmakehässä vähemmän ja taittuisivat siten takaisin maahan voimakkaammin kuin korkeataajuiset äänet”.
ne kerrokset, joissa otsonimme on, ovat yleensä lämpimämpiä auringosta tulevan säteilyn vuoksi. Kun ääniaalto osuu tähän lämpimämpään kerrokseen, se taittuu takaisin maata kohti.
tuuli
Tuulella on myös tärkeä rooli ääniaaltojen taittumisessa ja viime kädessä niiden kulkemassa matkassa. Tuuli, joka kulkee suoraan lähestyvään ääniaaltoon, saa sen taittumaan jyrkemmin ylöspäin. Ääniaallon kanssa samaan suuntaan kulkeva tuuli tekee ääniaallon taittumisesta asteittaisempaa. Yläilmakehässä aallon suuntaan kulkeva voimakas tuuli työntää aaltoa edelleen ja nopeammin.
ääniaaltojen taittuminen & sota
ennen nykytekniikan aikaa armeijan komentajat luottivat sound of: n ohjaavan heitä sotilaallisessa päätöksenteossaan. Monesti komentajat tekivät heidän vahingokseen päätöksiä kuulemansa perusteella. Monet jäivät äänivarjon no-man ’ s Landiin. Ensimmäinen äänitetty sound shadow-efekti tapahtui merellä Englannin ja Hollannin rannikoiden välissä. Englannin laivasto taisteli neljän päivän ajan Alankomaiden laivastoa vastaan Dunkerquen rannikolla toisessa Englannin-Hollannin sodassa. Historioitsijat antavat kunnian suuremmalle Alankomaiden laivastolle voitosta. Taistelun aikana merellä varjovyöhykkeellä jossain taistelun ja Englannin rannikon välissä sijainneet ei-taistelleet veneilijät eivät kuulleet taistelua. Toisaalta taistelu kuultiin eri puolilla Englantia.
ensimmäisen maailmansodan aikana 28.syyskuuta 1914 Saksan tykistö alkoi tulittaa belgialaista Antwerpenin kaupunkia ja kaupunkia suojanneita linnoituksia. Akustinen varjovyöhyke alkoi noin kolmenkymmenen mailin päässä tykistöstä ja päättyi noin kuudenkymmenen mailin päässä. 60 mailin rajan jälkeen kuultiin saksalaisten tykistöpommitus. Ihmiset 30-60 kilometrin säteellä tykistöstä eivät voineet kuulla sitä.
19.syyskuuta 1862 kenraali Grant suunnitteli hyökkäävänsä etelävaltioiden kenraalimajuri Sterling Pricen kimppuun lähellä Iukan pikkukaupunkia Mississippissä. Suunnitelmana oli, että unionin kenraalimajuri William Rosecrans hyökkäisi ensin Pricen kimppuun ja sitten kuultuaan taistelusta Grantin kenraalimajuri Edward Ord siirtäisi joukkonsa estääkseen Pricen perääntymisen. Ordin oli määrä hyökätä joukkojensa kimppuun kuultuaan taistelun ääniä. Niitä ääniä ei koskaan tullut. Rosecranin armeijan taistellessa konfederaatioita vastaan koko iltapäivän, ord ja hänen armeijansa, jotka sijaitsivat akustisessa varjossa, eivät koskaan kuulleet taistelun ääniä eivätkä lopulta koskaan hyökänneet. Price perääntyi ja lopulta pelasti toistaiseksi armeijansa.
General Longstreetin muotokuva (1821-1904)
Gettysburgissa 2. heinäkuuta 1863 kenraali Lee antoi kenraaliluutnantti James Longstreetille käskyn hyökätä Cemetery Ridgen eteläpäähän. Mäen huippu oli käytännössä puolustamaton. Lee toivoi saavansa tykkinsä pyöreisiin latvoihin, jotta Konfederaatio voisi pommittaa unionin joukkoja tykkitulella. Kuultuaan Longstreetin hyökkäyksen kenraaliluutnantti Richard Ewellin oli määrä hyökätä vasemmalta. Hänen oli määrä käskeä miehiään hyökkäämään heti, kun hän kuuli Longstreetin tykkitulen. Hän ei kuullut Longstreetin tykkejä. Ewell ja hänen armeijansa joutuivat akustiseen varjoon. Samaan aikaan unionin kenraalimajuri George Meade siirsi miehiä oikealta vasemmalle pysäyttääkseen Longstreetin etenemisen.
kenraali Leen ”Waterloo”
vuonna 1865 Lee sai armeijansa sijoitettua Petersburg Virginian kaupungin ulkopuolelle. Lee arvasi oikein, että Grant yrittäisi hyökätä oikeaan sivustaan. Lee lähetti kenraali George Picketin Pohjois-Virginian armeijan, viisituhatta Konfederaation sotilasta, kanssa viiteen haaraan kaivautumaan ja pystyttämään maa-ja puupuolustuksia. Lee ymmärsi, että tämä alue oli pidettävä auki, jotta hänen eteläinen huoltorautatiensä olisi auki.
Grant tiesi tämän strategisen merkityksen ja lähetti Unioninsa kenraalimajuri Phillip Sheridanin hyökkäämään Leen vasempaan sivustaan viiden haarukan kohdalla. Hyökkäyspäivän aamuna Konfederaation kenraalimajuri Fitzhugh Lee kutsui Picketin yhdessä kenraalimajuri Thomas Rosserin kanssa kalanpaistoon kolmen kilometrin päähän Picketin etulinjasta. Picket ei kertonut miehille, että hän oli lähdössä. Historioitsijat arvelevat, ettei hän kertonut hänelle miehiä, jotka olivat luultavasti nälkäisiä ja aliravittuja, koska hän tunsi syyllisyyttä.
nauttiessaan leivottua Shadia ja hieman alkoholia Sheridan ja hänen komentajansa hyökkäsivät Picketin puolustuksia vastaan lopulta tuhoten Picketin joukot ja ottaen tuhansia vankeja. Taistelun raivotessa kolmen kilometrin päässä kalanpaistosta, – lakkovahdit ja muut komentajat eivät kuulleet mitään. Myöhään iltapäivällä Picket päätti lähettää kuriirin tarkistamaan miestensä voinnin. Kuriirin ratsastaessa pois matkan päästä kenraalit saattoivat kauhukseen nähdä unionin etenevien joukkojen ottavan kuriirinsa vangiksi. Picket hyppäsi hevosensa selkään ja ratsasti miestensä luo, mutta oli liian myöhäistä.
Etelävaltiot kärsivät suuren tappion, joka nopeuttaisi sisällissodan tulevaa loppua. Picket ja hänen komentajansa joutuivat akustiseen varjoon. Sinä iltapäivänä, kun kenraalit luulivat nauttivansa rauhallisesta, tapahtumaköyhästä, rentouttavasta kalaleivonnasta, heidän maailmansa oli romahtamassa.
Ydinpommikokeet
vuonna 1951 Yhdysvaltain hallitus räjäytti ydinpommin 65 kilometrin päässä Las Vegasista. Testi rikkoi ikkunoita Las Vegasissa. Pommin testaajat havaitsivat, että pommin ääniaallot taittuivat ylös-ja alaspäin kuusi kertaa ennen osumistaan Las Vegasiin. Aallot taittuivat ylöspäin ilmakehässä ja taittuivat sitten alaspäin takaisin maan pinnalle yhdentoista mailin välein.
laskettaessa äänen nopeutta eri lämpötiloissa
äänen nopeus 0 celsiusasteessa on 331 m / s.jokaista lisättyä 1 celsiusastetta kohti äänen nopeus kasvaa. Tässä on laskukaava nopeuden nousulle:
C = (331 + 0.6T) m / s
C = Uusi äänen nopeus
t = ilman lämpötila asteina
laskea äänen nopeus ilmassa 30 asteessa:
C = (331 + 0.6 × 30) = 349 m/s
30 celsiusasteessa äänen nopeus on 349 m / s.
johtopäätös
kun ympäristöinsinöörit pyrkivät minimoimaan teollisuusmelun ympäröiville yhteisöille, heidän on otettava huomioon ääniaaltojen taittumisen käsite ja sen akustinen varjovaikutus. Teollisuusmelu on tehtaita välittömästi ympäröivillä alueilla voimakkaampaa yöllä kuin päivällä.
katso öljynjalostamoa alla olevasta kuvasta. Ympäröivä yhteisö kuulee päivän aikana vain vähän ääniä, jotka tulevat jalostamon yläpuolella olevista pinoista. Näistä lähteistä tulevat ääniaallot taittuvat lopulta ylöspäin. Monien kilometrien päässä sijaitsevat yhteisöt tulevat tänne tätä melua. Yön aikana tilanne on kuitenkin toinen. Nämä aallot taittuvat suoraan yhteisöön.
sanotaan, että pino lähettää ääniaaltoa 20 metriä maanpinnan yläpuolella. Insinöörien on laskettava taittokulma määrittääkseen, miten parhaiten torjutaan tätä ilmiötä ja lopulta vähennetään desibelitasoja ympäröivään yhteisöön. Jatkoartikkelissa ”Proposed Math for Refracting Sound Waves” ehdotamme uutta matematiikkaa, jota käytetään ääniaaltojen taittumisen (taivuttamisen) ja kulman laskemiseen. Myöhemmin tänä vuonna, aiomme myös suorittaa kokeen samanlainen kuin Osborne Reynolds 1800-luvulla. Etsi tämä artikkeli joskus syyskuussa, 2015.