Эффект Доплера и сверхзвуковое движение

Звук от движущегося источника идет в среде с той же скоростью, что и от неподвижного, поскольку звук — это колебания среды. Скорость зависит только от свойств среды, в которой он распространяется. Но для наблюдателя, который улавливает этот звук, меняется его частота. Это явление носит название эффекта Доплера. Рисунок 2.96 поясняет причину изменения воспринимаемой частоты.

Пусть источник звука приближается к приемнику (ухо наблюдателя) со скоростью v, заметной по сравнению со скоростью звука в среде v_3B, но все же v < v_3B (рис. 2.96, б). При этом в начале каждого периода звук испускается из нового места: волна 1 исходила из точки 1, волна 2 — из точки 2 и т. д. Видно, что расстояния между сгущениями, т. е. длина волны, получается меньше, чем если бы источник был неподвижен (рис. 2.96, а). Теперь волны с этой уменьшенной длиной волны К = ~vT проходят мимо уха со скоростью v_3B. Воздействие уплотнений на ухо будет происходить чаще: v' = v_3B /(k — vT)> v = v эв /X. Ухо воспримет звук более высокой частоты. Используя соотношение Т.

= 1/v, можно получить формулу.

Наоборот, при удалении источника от наблюдателя длина волны становится больше (рис. 2.96, в), воздействие уплотнений воздуха на ухо — реже, т. е. воспринимаемая частота уменьшается:

Эффект Доплера можно наблюдать, слушая гудок проходящего мимо нас поезда. При приближении поезда звук выше, а сразу после того, как гудящий локомотив минует нас и начинает удаляться, звук становится ниже тоном.

Может так случиться, что источник звука движется со скоростью v > г>_зв — сверхзвуковое, или сверхволновое, движение, источник обгоняет свой звук. В этом случае картина положений источника и волн от него будет такой, как показано на рисунке 2.97, а. Волны 1,2,3,…, складываясь, дают огибающую, т. е. результирующую волну в виде конуса, который называется ударной волной. Угол его раствора, а зависит от соотношения скоростей и_зви v источника:

Рис. 2.97, а Чем скорость источника больше, тем а.

меньше, a [3 больше (рис. 2.97, а, б).

После пролета сверхзвукового самолета на небольшой высоте слышен резкий хлопок, похожий на звук выстрела. Распространенное утверждение «Хлопок слышен, когда самолет берет звуковой барьер» неточно. Правильнее сказать, что если самолет летит со сверхзвуковой скоростью, то сначала мы видим самолет и не слышим ничего, а хлопок мы услышим, когда ударная волна дойдет до нашего уха (рис. 2.97, б).

Аналогичная, но плоская картина получается, когда судно идет по воде со скоростью, большей, чем скорость волн на воде. Последняя невелика, порядка 5 км/час, поэтому от судна почти всегда расходятся буруны под углом, а к курсу судна, как на рисунке 2.97. По углу, а можно судить о том, насколько скорость судна больше скорости распространения волн.

Подробное ознакомление с некоторыми свойствами волн (интерференция, дифракция, фазовая и групповая скорости) отложим до изучения оптических волн, где эти свойства будут особенно существенны. Все, что там будет сказано об оптических волнах, применимо к любым волнам, в частности к звуковым и волнам на воде.