Что-то о звуке и его распространении в контексте систем оповещения населения – Часть 1/2

Слушать аудио:

Девиз: На самом деле, именно слух, а не зрение, является самым важным социальным чувством человека. Слуховая система — его основной орган коммуникации. 

Визуальная и Акустическая Информационные Системы  

Визуальная система раннего предупреждения имеет ограниченные возможности. Рассмотрим только два аспекта: дальность действия и интерпретация человеком визуального сигнала. Чтобы зарегистрировать визуальный сигнал, нужно смотреть в правильном направлении. Источник сигнала может находиться за неожиданным препятствием. Вы можете оказаться в задымлённом помещении, а яркость огня может маскировать визуальный сигнал или указание. Человеческий глаз не способен извлечь визуальный сигнал из яркости пламени. Интенсивность пламени может ослепить вас, делая другие аспекты незаметными… 

Акустический сигнал воспринимается человеком гораздо сложнее. Например, потеря звука при просмотре фильма нарушает восприятие сильнее, чем потеря изображения. Акустическая система предупреждения, например, сирена эвакуации, выполняет свою функцию даже в полной суматохе, когда человек подсознательно следует её указаниям. Слуховая система может извлекать команды системы экстренного оповещения даже тогда, когда фоновый шум (например, рушащиеся стены, рев пожара и т.д.) находится на уровне сигнала тревоги, потому что речь — это коррелированный сигнал: отдельные слова логически следуют друг за другом. Акустические инструкции доступны из любой позиции, даже в задымлённой среде. Существует обширная область науки — психоакустика, изучающая эти и многие другие аспекты. Эквивалента в контексте визуального восприятия не известно. 

Передача Информации Через Среду  

Любая передача информации возможна только при передаче энергии. Перенос информации или энергии может требовать или не требовать посредника. В случае звука необходимая среда — атмосфера Земли. Её преимущество — повсеместное присутствие, что делает звук доминирующим инструментом для передачи предупреждающей информации и соответствующих инструкций через акустические массовые системы оповещения. 

Атмосфера Земли Как Газ 

Огромная масса воздуха оказывает на нас силу, которую мы даже не замечаем. Эта сила, нормированная на единицу площади, определяет атмосферное давление. Атмосферное давление уменьшается с высотой и прямо пропорционально плотности молекул воздуха (преимущественно кислород и азот). На уровне моря атмосферное давление составляет около 10 тонн на квадратный метр. Давление действует равномерно со всех сторон, независимо от положения тела. 

Межмолекулярные силы в газе на очень коротких расстояниях притягательны (слабые силы Ван-дер-Ваальса) и на больших расстояниях — отталкивающие. Отталкивающая сила позволяет газу занимать неограниченный объём. Без гравитации атмосфера Земли рассеялась бы; даже солнечный ветер не был бы нужен. Притягательная сила сближает молекулы, заставляя реальный газ занимать меньший объём, чем идеальный. Когда в результате распространяющегося возмущения атомы кислорода и азота сближаются, возникает физический контакт, так как никакая отталкивающая сила этому не препятствует. Какая из сил доминирует, зависит от температуры и давления. При атмосферном давлении и температуре Земли воздух остаётся газом и доступен для акустических систем предупреждения. 

Что Такое Звук

В контексте звука атмосферное давление можно считать постоянным. Ухо не воспринимает атмосферное давление и его медленные изменения (например, из-за погоды). Оно даже приспособлено к таким медленным изменениям (евстахиева труба). Но: ухо фиксирует очень быстрые изменения атмосферного давления. Проще говоря, звук — это достаточно быстрое (но не слишком) и одновременно достаточно значительное изменение текущего атмосферного давления. Ухо регистрирует изменения давления длительностью от 0,050 до 0,000050 секунд. Если изменения давления длятся дольше 0,050 секунд или короче 0,000050 секунд, мы их не слышим. Ещё раз: ухо воспринимает только быструю динамику давления. И именно эти быстрые изменения создают устройства предупреждения в системах публичного оповещения. По сравнению с атмосферным давлением амплитуды этих динамических изменений (создающих звук) очень малы. В процентах от давления они составляют от 0,000000020 % (порог слуха) до 0,1 % (порог дискомфорта). Для наглядности: порог слуха соответствует жужжанию комара на расстоянии трёх метров. 

Интерпретация Генерации Звука На Молекулярном Уровне 

Частицы звука имеют минимальные, незначительные взаимные силы. Отдельные молекулы движутся свободно, хаотично, в так называемом броуновском движении. Это движение также создаёт быстрые динамические изменения давления, но для звука они незначительны. Чтобы сгенерировать звук, необходимо вызвать быстрое коллективное сжатие и последующее разрежение плотности частиц, то есть локальное атмосферное давление, что и делает электронное устройство предупреждения. Представим, что этот процесс сгенерирован один раз. Локально мы создаём событие — возмущение стабильного атмосферного давления. Мы создали звуковое возмущение. Хорошо, но как ухо фиксирует его даже на расстоянии? Потому что это атмосферное возмущение (звук) распространяется через пространство, через среду — атмосферу. 

Механизм Распространения Акустического Возмущения Через Атмосферу  

Примечание: Ниже приведён вербальный описательный механизм, визуально иллюстрируемый во второй части, так что не расстраивайтесь. 

Воздух сжимаем (не удивительно, ведь пространство между разреженными молекулами почти вакуум). 

Пусть начальным стимулом будет, например, колебание мембраны устройства предупреждения. Мембрана сталкивается с ближайшей молекулой воздуха, молекулой №1, передавая ей импульс и кинетическую энергию. Эта первая атакующая частица проходит определённое расстояние (зависит от массы и смещения мембраны) и сталкивается с соседней частицей, молекулой №2. Столкновение упругое, так как молекулы воздуха упруги. Только в момент удара силы между молекулами имеют значение. 

Первая частица передаёт часть импульса второй частице согласно закону сохранения импульса, толкая её в направлении кинетической силы частицы №1. 

Оставшаяся энергия возбуждает обе частицы, возможно, придавая вращение. Благодаря упругости частиц и третьему закону Ньютона частица №1 отбрасывается назад — если её сразу не ударит следующая атакующая частица №3. В противном случае частица №1 просто остановится и продолжит хаотическое движение в броуновском движении. 

При каждом ударе и отскоке часть кинетической энергии преобразуется в вибрацию — резонанс микроэластичной системы молекулы воздуха, где периодически меняются доминирующие размеры частицы. Молекула упругая. 

Так как атака происходит под неортогональным углом, атакованная частица получает некоторое вращение. 

Эти два аспекта представляют поглощение энергии при распространении звука. 

Явление происходит коллективно и когерентно по всей поверхности мембраны, создавая более высокую плотность молекул около мембраны и, следовательно, увеличивая давление. 

При противоположном смещении мембраны то же самое происходит за мембраной, то есть перед ней, вызывая разрежение воздуха и снижение плотности частиц — отрицательное давление. 

Из вышеописанного ясно, что движение частиц — эффект пинг-понга — происходит в направлении распространения звука. Это быстрое изменение давления распространяется продольно через воздух, движение частиц параллельно распространению волны. Когда мембрана динамика резко отклоняется, возникает цепная реакция, обеспечивающая эффективное распространение возмущения как быстрого колебания давления. 

Пространственное Смещение Возбуждённых Частиц Воздуха

В этом контексте мы говорим не о колебании частиц, а о их пространственном смещении. Это соответствует исследованиям, определяющим максимальное смещение частиц воздуха. Это смещение зависит от величины акустического давления. Насколько резко одна частица сталкивается с другой, зависит от вектора акустического давления и скорости изменения давления. 

На пороге слуха смещение частицы составляет 0,000000000008 м; при обычном акустическом давлении — около 0,00000004 м; на пороге дискомфорта (максимально допустимое давление) максимальное смещение частицы — 0,00004 м. 

Для справки: атом водорода примерно в десять раз больше минимального смещения возбужденной частицы воздуха. Фактически, при минимальном слышимом смещении частицы можно поставить под вопрос, можно ли ещё считать воздух континуумом для передачи звука. 

Примечательно, что броуновское тепловое движение молекул имеет амплитуду всего на один порядок меньше (в десять раз меньше) смещения частицы на пороге слуха. Таким образом, слуховая система работает на грани физической возможности. Если бы она была чуть чувствительнее, можно было бы сказать, что она способна «слышать, как растёт трава». 

Статья написана:

Stanislav Gašpar

Stanislav долгое время работал в области проектирования электроники, прежде чем перейти в акустику, привнося неконформистский подход к решению связанных с этим тем. В последнее время, в контексте акустики, он находит стимулирующим взаимодействие с ИИ, стремясь заставить его противоречить самому себе и навязать собственную интерпретацию представленной проблемы.

Благодаря многолетнему опыту работы в технократической индустрии, он принял два руководящих принципа: реальность на порядки сложнее, чем мы её интерпретируем, и настоящее веселье начинается, когда «что-то не работает»

Это может быть вам интересно