ATMOSFERSKA AKUSTIKA proučava širenje zvuka u atmosferi. Valovi zvuka su elastični, longitudinalni valovi, koji se od izvora šire u atmosferi brzinom v, koja zavisi od temperature zraka i dana je izrazom \(v=331\sqrt{1+0,004\,t},\) (1) gdje je t temperatura u stupnjevima Celsiusa. Kod 0°C brzina zvuka je 331 m u sek. Formula (1) ne vrijedi u blizini jakih eksplozija, gdje su promjene tlaka zraka vrlo velike u odnosu prema postojećem tlaku (udarni valovi), a brzine zvuka kreću se tada od 800 do 2000 metara u sekundi.

Dužine onih valova zvuka u zraku, koje primjećuje naše uho, iznose od nekoliko centimetara do više metara. Od izvora zvuk se širi na sve strane. Jakost zvuka pri širenju opada s kvadratom udaljenosti od izvora. Napredovanje valova u određenim smjerovima možemo geometrijski prikazati pravcima, koji se zovu zrake.

Naiđu li valovi zvuka na zapreke, kojih dimenzije nisu velike u odnosu prema dužini vala zvuka, oni ih obilaze. To je pojava ogiba, koji se kod zvuka vrlo lako primjećuje (zvuk se čuje, premda se izvor ne vidi), za razliku od valova svjetlosti, kojih ogib nastaje na zaprekama vrlo malenih dimenzija, budući da im je dužina vala znatno kraća nego kod zvuka. Ako su dimenzije zapreka, na koje nailaze valovi zvuka pri širenju, veće od dužine vala zvuka, valovi se odbijaju (refleksija) i nastaje jeka. Da jeka ne stigne prebrzo te da se ne smiješa s izvornim zvukom, mora objekt, na kome se zvuk reflektira biti dosta daleko od izvora. Vrijeme x, za koje zvuk prevali daljinu od izvora do mjesta refleksije i natrag do izvora, jednako je τ = 2D/ν, (2) gdje je D daljina od izvora do mjesta refleksije, a v brzina zvuka. Za jasan izgovor jednog sloga potrebno je oko 0,2 sekunde. Da bi se čula jasna jeka jednog sloga, potrebno je, da daljina objekta refleksije bude najmanje 33 metra od izvora, što slijedi iz formule (2) za x = 0,2 sek i v = 330 m u sek. Primijećene su jeke i do 20 slogova. Utvrđena su i mjesta, na kojima se isti zvuk čuo u izvoru i po nekoliko puta, i to zbog refleksije na objektima, koji su se nalazili na različitim udaljenostima od izvora. Kad slušamo jeku zvuka, a ne nalazimo se u izvoru, primjećujemo, da i za zvuk vrijedi zakon odbijanja, t. j. da je kut doraza zrake zvuka jednak kutu odraza.

Valovi zvuka, uzrokovani snažnim eksplozijama, dopiru u atmosferi do velikih visina. Budući da se u donjem dijelu atmosfere (troposferi) temperatura zraka s visinom mijenja, mijenjat će se, prema formuli (1), i brzina valova zvuka, dok se šire tim dijelom atmosfere. Zamislimo troposferu podijeljenu u tanke slojeve različite temperature, unutar kojih je brzina zvuka stalna. Na granicama tih slojeva, valovi se zvuka lome po zakonu loma, jer im je brzina u svakom sloju različita. Kako je troposfera u normalnim prilikama obilježena padom temperature s visinom, opadat će s visinom i brzina zvuka. U tom se slučaju valovi zvuka neprekidno lome prema vertikali, tako da zrake unutar troposfere zvuka ne će biti pravci, nego zakrivljene linije i to normalno s konkavnom stranom prema gore (sl. 1a).

Tako na pr., ako je na zemlji brzina zvuka 338 m u sek (što odgovara temperaturi od +10°C), onda će zraka zvuka, koja je od izvora pošla u horizontalnom smjeru, doći na granicu stratosfere (izoterma —50°C) brzinom od 300 m u sek i pod kutom od 62,5° s vertikalom.

Prema tome u mirnoj troposferi i pri normalnim prilikama, a s obzirom na prostornu razdiobu temperature (pad temperature prema visini), zvuk se može čuti samo na mjestima, koja se nalaze iznad razine, u kojoj se nalazi izvor zvuka. Visina mora biti to veća, što je mjesto udaljenije od izvora zvuka. Zraka zvuka, koja jednom napusti izvor, ne bi se, prema onome što je rečeno, nikada više vratila na zemlju. Kako međutim zrake zvuka zbog ogiba ne zakreću odmah prema gore, postoji oko izvora u blizini zemlje t. zv. normalni (ili unutarnji) pojas zvuka, koji kod dovoljno velike jakosti zvuka ima polumjer i do 50 km.

Kad bi temperatura rasla s visinom, zrake bi zvuka također bile svinute linije, ali s konkavnom stranom okrenute prema dolje, budući da bi se one u tom slučaju lomile od vertikale. Normalni bi pojas zvuka tada bio vrlo velik, jer bi se gotovo sve zrake vraćale na zemlju (sl. 1b).

God. 1903 utvrđeno je nakon snažne eksplozije dinamita u mjestu Forde u Westfalu, da osim normalnog pojasa zvuka postoji još i abnormalni (ili izvanji) pojas zvuka, koji je od normalnog odijeljen pojasom nečujnosti. Unutarnji rub abnormalnog pojasa bio je udaljen 120 km od mjesta eksplozije, a vanjski oko 180 km. Ista pojava zapažena je prilikom topničke pucnjave kod Spitheada (blizu Portsmoutha) 1901. Spomenutim otkrićima utvrđeno je, da se valovi zvuka ipak vraćaju na zemlju, premda su se njihove staze u početku udaljivale od zemlje u visinu.

Objašnjenje te pojave zahtijevalo je pooštrenje metoda ispitivanja, i to u prvom redu konstataciju valova zvuka u određenim udaljenostima od izvora objektivnim načinom, dakle instrumentima, koji omogućuju pouzdano određivanje vremena, kad zvuk dolazi. Budući da se ovdje radi o proučavanju širenja valova u atmosferi, upotrebile su se u tu svrhu već posve razvijene metode seizmologije (nauke o potresima), tako da je ta grana atmosferske akustike dobila ime »seizmika atmosfere«.

Na osnovu materijala, do kojega se došlo opažanjem širenja valova zvuka, koji su bili izazvani brojnom topovskom pucnjavom za vrijeme svjetskog rata, zatim katastrofalnim eksplozijama i akustičkim pojavama kod provala vulkana, nastojalo se utvrditi uzroke stvaranja abnormalnih pojasa, ali do danas nije još to pitanje definitivno riješeno. Sl. 2 prikazuje normalni i abnormalni pojas zvuka (crtkano), odijeljen pojasom nečujnosti, prilikom jedne eksplozije u Moskvi 1921.

Postoje različite hipoteze o stvaranju spomenutih pojasa. Te hipoteze nalaze uzroke te pojave u različitim faktorima u atmosferi, koji utječu na brzinu zvuka, a time i na smjer širenja zvuka u pojedinim dijelovima atmosfere.

Osim od temperature, brzina zvuka zavisi i od vjetra, jer on smanjuje brzinu valova zvuka, koji se šire prema privjetrini, a povećava je kod onih valova, koji se šire prema zavjetrini.

Na sl. 3 prikazan je slučaj, koji pokazuje, uz koje uvjete može u atmosferi nastati abnormalan pojas zvuka na tlu zbog utjecaja vjetra. Tu se pretpostavlja, da temperatura jednoliko opada s visinom za 6,2° na 1 km; do visine od 0,37 km je tišina, a iznad toga brzina vjetra raste za 4 m u sek na 1 km. Uz te se uvjete na strani privjetrine zvuk ne vraća na zemlju, dok na strani zavjetrine nastaje abnormalan pojas zvuka između 159 i 174 km daljine od izvora. Pojas nečujnosti je osjenjen.

Premda vjetar svakako utječe na brzinu zvuka, ipak se on ne može smatrati glavnim uzrokom stvaranja abnormalnog pojasa zvuka, jer je taj pojas primijećen i u danima bez vjetra. Osim toga nemoguće je utjecajem vjetra protumačiti postanak prstenastog abnormalnog pojasa (sl. 2), kao i stvaranje više takvih pojasa u različitim udaljenostima od izvora.

Postoje još hipoteze, koje traže uzrok stvaranju abnormalnog pojasa u promjeni sastava atmosfere s visinom, te u ogibu valova zvuka u atmosferi.

Najvjerojatniji su uzrok vraćanju valova zvuka t. zv. inverzije (porast temperature s visinom) u stratosferi ili u višim dijelovima troposfere. U slojevima inverzije zvuk se lomi od vertikale i, ako je inverzija dovoljno rasprostranjena po visini, valovi zvuka vraćat će se na zemlju, ako im je brzina na tjemenu staze (što zavisi o temperaturi) veća od brzine pri tlu.

Iz motrenja vremena dolaska i kuta upadanja valova zvuka, koji se vraćaju na zemlju, može se posebnim metodama odrediti brzina zvuka u stratosferi, i prema formuli (1) izvoditi zaključci o rasporedu temperature u stratosferi. Na osnovu tako određene brzine zvuka u stratosferi zaključuje se, da u stratosferi temperatura raste (v. Atmosfera). Određivanje temperature u stratosferi pomoću brzine zvuka, smatra se danas najboljom indirektnom metodom za ispitivanje temperature u stratosferi.

LIT.: A. Wegener, Akustik der Atmosphäre, Müller-Pouillets Lehrbuch der Physik, Braunschweig 1928; O. Meisser, Luftseismik, Wien-Harms Handbuch der Experimentalphysik, Leipzig 1930; B. Gutenberg, Die Schallausbreitung in der Atmosphare, Handbuch der Geophysik, Berlin 1932.M. K.

U pomorstvu se veoma mnogo proučava širenje zvuka kod različitih meteoroloških prilika, jer se u navigaciji, usprkos radiolokaciji, ipak najviše koristi zvuk za orijentaciju u magli. U tu svrhu opremljene su sve važne istaknute točke na kopnu, otocima i grebenima, svjetionici i brodovi-svjetionici sirenama, nautofonima, rogovima za maglu ili posebnim topovima. Na moru se najviše proučavalo širenje zvuka s brodova-svjetionika, koji su opremljeni snažnim nautofonima za maglu. E. S. Player vršio je 1921—1922 pokuse s nautofonom broda-svjetionika North Goodwin i drugih susjednih brodova u kanalu La Manche. Atmosferskom akustikom na moru bavio se i E. W. Barlow, član uprave svjetioničke službe u Engleskoj. Tom se pojavom trajno bave i svjetioničke uprave u Engleskoj i USA. Sva su ta proučavanja dokazala, da rasprostiranje zvuka u atmosferi nad morem ovisi o vjetru, o temperaturi zraka, a najviše o relativnoj vlazi u atmosferi.

Utjecaj vjetra. U potpuno mirnoj atmosferi, jednolične temperature i vlažnosti, zvuk se širi pravilno na sve strane. Zvučni valovi postaju koncentrične kugle ili, točnije rečeno, polukugle, a zrake su ravni pravci (sl. 4).

Utjecaj vjetra tu pravilnost potpuno poremećuje i čitava polukugla, kao da se nagnula niz vjetar (sl. 5).

Na sl. 5 označene su samo dvije zrake, jedna u privjetrini (desno) i druga u zavjetrini (lijevo). Te zrake objašnjuju širenje zvuka u vjetru. Radi veće jednostavnosti, u svim je visinama uzet jednoličan vjetar, ali je poznato, da je vjetar pri površini mora zbog trenja na valovima slabiji, a u gornjim slojevima brzina mu obično raste, što se više penje. Kao što se kod jedrenja opažaju razlike u praćanju jedara na različitim visinama jarbola, tako se opažaju i razlike u jačini zvuka, ako se sluša s razine mora, s palube ili s koša na jarbolu. Na lijevoj se strani sl. 5 vidi, da se zrake zvuka naglo dižu uvis, pa se zatim gotovo isto tako strmo spuštaju u zavjetrini na površinu mora. Zvuk se, dakle, u zavjetrini slobodno i brzo širi prema gore. Na desnoj strani slike, u privjetrini, zvuk se sporije diže uvis, duže se rasprostire duž hrapave površine mora, savija nagore i napokon se gubi u visokim slojevima atmosfere. To je prvi razlog, zašto se zvuk sirene ili nautofona uvijek dalje i bolje čuje nizvjetar nego uzvjetar. Na sl. 6, a to je zapravo točnije nacrtana lijeva strana sl. 5, vidi se, da se zrake zvuka spuštaju pod strmim kutom i pokrivaju gotovo jednolično čitavu površinu mora, čitavo područje dometa. Zbog toga, što se zrake zvuka koso spuštaju odozgo, one lakše prelaze sve zapreke, kao što su grebeni, hridine, visoki valovi i sl., pa manje gube od svoje početne energije. To je drugi razlog, zašto se zvuk u zavjetrini bolje čuje. Treći je razlog, da se zvuk nautofona bolje čuje u zavjetrini, to, što se brzina zvuka, koji se giba nizvjetar, povećava za iznos brzine vjetra, dok se, obratno, uzvjetar ta brzina isto toliko smanjuje. Kako se zvuk rasprostire s brzinom od oko 650 čvorova, očito je, da samo osobito jaki vjetrovi mogu utjecati na brzinu zvuka.

Brzina vjetra naprotiv nema nikakva utjecaja, dokle će doprijeti zvuk u visinu.

Kod ispitivanja širenja zvuka uzvjetar uzima se, da brzina vjetra raste s visinom, što je gotovo uvijek slučaj na moru. Zrake u privjetrini naglo se svijaju uvis (sl. 7, koja je zapravo desna strana sl. 5). Jedna od tih svinutih zraka dodiruje morsku površinu. To je tangentna zraka SPT. Sve zrake ispod te tangentne zrake odbijaju se od površine mora i odlaze uvis. Brod na moru čut će signale za maglu od sirene 5 do točke P, dok će se u višim slojevima čuti mnogo dalje. Zbog ogiba (postrane ekspanzije) zvuk se međutim čuje na moru, iako dosta slabije, i ispod tangentne zrake, to jest do granične zrake, koja je na sl. 7 označena isprekidanim crticama. Tako, na pr., brod u položaju A ne će čuti sirenu S, no kad se približi točki Q, čut će je najprije iz koša na jarbolu, zatim s mosta i napokon s donje palube. Ta pojava objašnjava, zašto se ponekad zvuk sirene uopće ne čuje sa zapovjedničkog mosta, dok se s koša na jarbolu razabire sasvim dobro.

Pri vjetru, koji puše u protivnom smjeru rasprostiranja zvuka, odlučna je i visina izvora zvuka nad morem. Slično, dakle, kao i kod dometa svijetla. Što je sirena na većoj visini, zvuk će se čuti dalje. Tangentna zraka zvuka ne će biti više SPT, nego SPU. Zvuk će se prema tome čuti već s položaja R (sl. 8). Po toj slici vidi se, da sirene i nautofone treba postavljati visoko iznad palube, na jarbol ili barem na dimnjak; kad se međutim zvuk širi nizvjetar, svejedno je, koliko je sirena visoko.

Kod obalnih sirena treba paziti i na položaj izvora zvuka na kopnu. Ako se sirena ili nautofon nalaze u točki S, pa čak i dovoljno visoko nad morem, a ispred izvora zvuka prostire se širok, plosnat i visok rt, može se dogoditi, da se zvuk i s bližeg položaja broda uopće ne čuje (sl. 9).

Zbog tih razloga na modernim brodovima postavljaju električne nautofone visoko u košu prednjeg jarbola, a ne na dimnjaku. Kad bi nautofon bio nisko na dimnjaku, pramčana bi paluba ispred dimnjaka, a osobito zapovjednički most, stvarali zvučnu sjenu kao kakav visok istaknut rt na prikazanom primjeru. Na sl. 9 vidimo, da brod ne će čuti signale čak ni u točki P.

U privjetrini visoke obale često se događaju neobične zvučne pojave. To je redovito posljedica nejednake brzine vjetra pod obalom i na otvorenoj pučini. Pod kopnom vjetar je u nižim slojevima obično mnogo slabiji nego na pučini. Zrake zvuka svijaju se uvis (kao na sl. 7), no na stanovitoj udaljenosti od kopna pretvaraju se u gotovo sasvim ravne crte, zbog nagle promjene u brzini vjetra. Zvuk će se razgovijetno čuti do točke P, izgubit će se od P do V, da se u točki V opet začuje. Ta se pojava tumači ogibom (lateralnom ekspanzijom) donjih zraka zvuka PT (sl. 10).

Pretpostavimo, da u razini mora nema vjetra ili da puše tek lagan povjetarac, i da zrake, koje se rasprostiru uvis, ulaze u jak vjetar gornjih slojeva atmosfere, zrake će se zvuka na toj visini ponovo saviti i nastaviti put uvis, ali pod mnogo blažim kutom. Ako vjetar i dalje raste s visinom, zrake će se još jednom saviti prema moru u zavjetrini, a uvis prema privjetrini. Ako pak vjetar počne naglo opadati, zrake će se savijati obratno. To dokazuje, da ima neizmjerno mnogo putova, kojima se zrake zvuka mogu vratiti na površinu mora i neočekivano se pojaviti na mjestima, gdje ih ne bismo očekivali.

Utjecaj temperature. Temperatura zraka obično opada s visinom. U tom se slučaju zrake zvuka svijaju uvis prema vertikali (sl. 1a). No kako i u raspodjeli temperature može biti nepravilnosti, to se ti utjecaji mogu ili kompenzirati učincima vjetra ili pak utjecaje vjetra još pojačati. Promjena temperature i vjetra po visini mogu, dakle, najnepravilnije svijati zrake zvuka i stvoriti veoma nepravilne pojave.

Čini se, da je istraživanje meteora dokazalo, da u visini od oko 60 km postoji znatan i nagao porast temperature. Whipple drži, da bi refleksija zvučnih zraka u toj visini mogla na površini mora stvoriti zone, na kojima Se zvuk čuje na udaljenost od oko 140 km od izvora. Mnoga su motrenja na moru doista potvrdila zone zvuka i na takvim daljinama.

Utjecaj vlage. Najveći utjecaj na rasprostiranje zvuka na moru ima svakako relativna vlaga u atmosferi. E. S. Player je vršio u tom smjeru mnoga mjerenja u blizini brodova-svjetionika. Na pr. 21. IV. 1921 gotovo nije bilo promjena ni vjetra ni temperature preko dana, a jačina zvuka sasvim je pravilno slijedila promjene u relativnoj vlazi. Zvuk iz daljine postaje slabiji, kad vlaga opada, a pojačava se, kad vlažnost raste. Toga dana proučavao je Player zvuk nautofona broda-svjetionika Tongue s daljine od 9 nautičkih milja i zabilježio:
Općenito je poznato, da se relativna vlaga u atmosferi u nekim slučajevima može veoma naglo mijenjati. S njom se naglo mijenja i vodljivost zvuka. Player je jednog dana bez vjetra i uz stalnu temperaturu mjerio signale nautofona broda-svjetionika North Goodwin, koji je davao gotovo dva sata jednolične signale u razmacima od jedne minute. Te je signale Player primao osobitim mikrofonom i pobuđenu struju mjerio osjetljivim galvanometrom. Iznenadile su ga razlike otklona galvanometra u tako kratkim razmacima, no nesumnjivo je utvrdio, da su te promjene slijedile oscilaciju relativne vlage.
Iskustvo je potvrdilo mornarima, da se pri magli ne mogu pouzdati u zvučne signale. Ponekad ih čuju veoma daleko, da za čas-dva sasvim nestanu; u magli se mogu jasno čuti zvučni signali, koje po vedrom vremenu ne bismo ni zamijetili. Te se protuslovne pojave mogu protumačiti jedino različitim rasporedom vlage u atmosferi. Za razliku od kopna, na moru se nalazi vlaga i pri jačem vjetru. Na moru se, dakle, u magli s vjetrom mogu očekivati osobito velike nepravilnosti.

Ako na moru vlada jednolična magla bez vjetra, zvuk će se rasprostirati dobro i pravilno, ali ako su izvor zvuka i brod, koji sluša signale, u gustoj magli, a između njih leži područje vedrine, refleksije zvuka mogu biti tako jake, da zrake uopće ne dopru do broda. Isto se može dogoditi, ako su izvor zvuka i brod u vedrini, a između njih leži oblak guste magle. Čak i u području, koje pokriva gusta magla, može biti slojeva različite gustoće, pa prema tome i nepravilnih refleksija. Te razlike mogu prouzročiti takve lomove i gubitke energije zvučnih valova, da oni potpuno ponište onu pozitivnu razliku, koju obično daje povećana vlažnost u magli. Poznate su nepovoljne prilike za zvučne signale i pri tmurnom vremenu, kad vlada tišina bez vjetra, visoka temperatura u sjeni i kad je nebo vedro, ali sunce zastrto sumaglicom. Player je ustanovio, da se zvuk tada ne čuje ni s male daljine, iako se zrake zvuka spuštaju koso kao da dolaze iz aviona u letu. To tmurno vrijeme ponekad je predznak oluje, ali je poznato i to, da se zvuk baš prije oluje katkada izvanredno dobro rasprostire, a signali se čuju do velikih daljina. Čini se, da kiša, grad i snijeg nemaju mnogo utjecaja na rasprostiranje zvuka na moru.P. M.