Звук ветра как акустическое явление¶

Звук ветра — акустическое явление, возникающее при взаимодействии движущихся воздушных масс с препятствиями: элементами рельефа, растительностью, строениями и предметами. Сам по себе равномерный поток воздуха звука не производит; слышимым он становится лишь тогда, когда встречает преграду, вызывая турбулентность, вихреобразование и колебания. Воспринимаемый человеком диапазон таких звуков простирается от низкого гула до высокого свиста, а их характер зависит от скорости потока, формы препятствия и свойств среды.

¶Физическая природа

Звук представляет собой механические колебания упругой среды, распространяющиеся в виде волн. В воздухе источником этих колебаний при ветре становятся несколько механизмов.

• Вихреобразование (эоловы тоны). При обтекании потоком цилиндрического или заострённого препятствия (провода, ветки, струны) за ним поочерёдно срываются вихри. Это явление описывается числом Струхаля и порождает периодические колебания давления — чистый музыкальный тон. Именно так «поют» провода линий электропередачи и струны эоловой арфы.
• Турбулентность. Неупорядоченные вихри разных масштабов дают широкополосный шум — шорох листвы, гул в кронах, шелест травы.
• Колебания упругих тел. Ветер раскачивает гибкие элементы (ветви, флаги, тросы), и те издают звук при соударениях или резонансе.
• Резонанс объёмов. Поток, проходящий через щели, отверстия, полости (расщелины скал, дымоходы, пещеры), возбуждает стоячие волны, порождая свист, вой или гудение.

Скорость звука в воздухе при нормальных условиях составляет около 343 м/с; она слабо зависит от ветра, но сам ветер влияет на распространение звуковых волн, отклоняя их по направлению потока.

¶Зависимость от скорости и препятствий

Интенсивность и высота звука растут с увеличением скорости ветра. Слабый бриз (1–3 м/с) даёт едва уловимый шелест; умеренный (5–10 м/с) — отчётливый шум листвы; сильный (свыше 15 м/с) — гул, свист и завывание. Характер звучания определяется также:

¶Восприятие человеком

Человеческое ухо воспринимает звуковые колебания в диапазоне примерно от 16–20 Гц до 20 кГц. Низкочастотные составляющие ветрового шума (инфразвук) не слышны, но могут ощущаться как вибрация и вызывать тревогу. Громкость измеряется в децибелах: шорох листвы соответствует примерно 20–30 дБ, сильный ветер в кронах — 50–60 дБ, завывание в шторм может превышать 80 дБ.

Восприятие звука ветра субъективно: он может казаться успокаивающим или тревожным в зависимости от контекста, силы и спектра. Психоакустика относит равномерный природный шум к «розовому» спектру, близкому к белому шуму, который нередко используется для маскировки посторонних звуков и облегчения засыпания.

¶В культуре и искусстве

Звук ветра — устойчивый образ мировой культуры. В литературе и поэзии он символизирует перемены, тревогу, одиночество или свободу. В музыке композиторы имитировали его оркестровыми средствами и специальными инструментами.

• Эолова арфа — струнный инструмент, звучащий от ветра; назван по имени Эола, повелителя ветров в греческой мифологии.
• Флейты и свистки — духовые инструменты, чей принцип близок к свисту воздуха в щелях.
• Звукозапись — в кино и на телевидении ветровой шум создают синтезом или записью природных звуков для передачи атмосферы.

В русской традиции образ ветра присутствует в фольклоре: завывание вьюги, свист в трубе, гул в поле связывались с нечистой силой и стихийными духами. Народные приметы часто толковали характер ветра как предзнаменование.

¶Практическое значение

Знание акустики ветра применяется в нескольких областях.

• Строительство. Аэродинамический шум зданий и мостов нормируется; форма конструкций подбирается так, чтобы избежать резонансного свиста.
• Энергетика. Шум ветрогенераторов — один из факторов, учитываемых при размещении ветропарков вблизи жилья.
• Транспорт. Аэродинамический шум обтекания — существенная составляющая шума скоростных поездов и автомобилей.
• Метеорология. По характеру ветрового шума в прошлом косвенно судили о силе и направлении ветра.

¶Измерение и моделирование

Для изучения ветрового шума применяют микрофоны, анемометры и акустические камеры. В аэродинамических трубах моделируют обтекание макетов, измеряя спектр возникающих колебаний. Ветровой шум моделируют также численно, решая уравнения газовой динамики совместно с акустическими. Эти методы позволяют прогнозировать шумовую нагрузку ещё на стадии проектирования.

¶Интересные факты

• Свист проводов линий электропередачи в сырую погоду усиливается из-за изменения свойств поверхности.
• «Поющие» песчаные дюны издают низкий гул, механизм которого близок к ветровому возбуждению колебаний.
• Инфразвук от штормового ветра способен распространяться на сотни километров и регистрироваться чувствительными приборами задолго до прихода бури.

Источники: учебники по общей физике и акустике; работы по аэродинамике и психоакустике; материалы по музыкальной акустике и фольклористике.