Как много информации о масштабе водопада можно получить из его звука?

Обратите внимание, что все нижеследующее является предположением. Я делаю это только добровольно из-за отсутствия других ответов после многих дней, крутости вопроса и, вероятно, отсутствия людей / ссылок, которые явно имеют опыт работы с этой конкретной темой.

Основное изображение

В качестве общего соотношения, я уверен, можно соотнести громкость звука с общей рассеиваемой энергией --- но производимый шум будет (практически) незначительной долей этой общей энергии (в общем, звук очень важен). мало энергии ¹ ).

В нулевом порядке, я думаю, можно с уверенностью предположить, что водопад производит белый шум , но, очевидно, его необходимо изменить, чтобы он был более точным (то есть , вероятно, розовый/коричневый до первого порядка ). Кроме того, рассматривая переход от небольшого/постепенного склона к настоящему водопаду, я могу убедиться, что существует определенная зависимость от высоты падения в дополнение к объему воды ² .

Как высота влияет на спектр?

Как правило, спектры мощности демонстрируют отсечки по степенному закону (подобные) высокой и низкой энергии, и я ожидаю того же в этом случае. В низкочастотном режиме, если вы начинаете с гладкого потока перед водопадом, нет ничего, что могло бы вызвать возмущения, превышающие масштаб физического размера самого водопада. Итак, я ожидаю низкоэнергетического отсечки на длине волны, сравнимой с высотой водопада . Другими словами, чем выше водопад, тем ниже грохот .

Также должно быть отсечение по высокой энергии, хотя бы по какой-либо другой причине, чтобы избежать ультрафиолетовой катастрофы / расхождения . Но физически, что могло бы вызвать это? Предположительно возмущения наименьшего масштаба (с самой высокой частотой) происходят из-за турбулентности ³ потока и, таким образом, будут определяться в первую очередь вязкостью и диссипацией жидкости ⁴ . Обычно такой спектр падает подобно волновому числу (частоте) в степени -5/3. Но обратите внимание, что это отсечка высоких частот не меняется от водопада к водопаду .

В целом, я предлагаю (читай: предполагаю) следующее:

• Низкочастотная экспоненциальная или степенная отсечка на длинах волн, сравнимых с высотой водопада.
• Высокочастотная степенная отсечка из спектра колмогоровской турбулентности на длине волны, сравнимой с вязким масштабом длины.
• Эти режимы будут связаны степенным законом розового/коричневого шума.
• Амплитуда звука прямо пропорциональна некоторому произведению скорости потока и высоты водопада (думаю, преобладает первый член).

Например: следующий спектр мощности (мощность в зависимости от частоты - обе в условных единицах).

Ответ

Я уверен, что информацию можно получить из звука. В частности, оценки его высоты/размера, скорости потока и расстояния ⁵ . Я также уверен, что это было бы довольно сложно на практике, и в большинстве случаев простое прослушивание и предположение, вероятно, было бы столь же точным, как и любой количественный анализ;)

Дополнительное рассмотрение?

Я полагаю, что его возможные капли воды могут излучать дополнительный звук в масштабах, сравнимых с их собственным размером. Это было бы довольно круто, но я понятия не имею, как оценить/догадаться, важно это или нет. Вероятно, они будут вносить свой вклад в звук только на длинах волн, сравнимых с их размером (и, таким образом, ограниченными максимальным/минимальным размером капель воды ⁶ ...).

Вода, особенно в тумане/брызгах, может очень эффективно глушить звук ( что они использовали для космического корабля ). Я бы предположил, что это окажет значительное влияние на результирующий звук для высот/объемов потока, на которых создается туман/брызги.

Акустические свойства ландшафта также могут быть важны, т. е. является ли ландшафт открытым (с обрывом водопада, похожим на ступенчатую функцию) или закрытым (например, спуск в конце U-образной долины, так далее).

Наконец, важно учитывать дополнительные поверхности: например, камни, поверхность обрыва водопада, песок у основания водопада и т. д. и т. д.

Сноски

1: Подумайте, сколько звука производит 60-ваттный усилитель, и предположим, что его эффективность составляет 10% (вероятно, оптимистично). Это громко и несет небольшую мощность по сравнению с тем, что несет водопад сравнимой громкости. Подавляющее большинство энергии водопада превратится в тепло, турбулентность и объемное движение.

2: Я бы также предположил, что высота/объем смешиваются после некоторой точки насыщения (т.е. 1000 м ³ /мин на высоте 20 м примерно то же самое, что 500 м ³ /мин на высоте 40 м)... но пока давайте проигнорируем это.

3: Турбулентность имеет тенденцию передавать энергию от крупных масштабов к мелкомасштабным.
См.: http://en.wikipedia.org/wiki/Турбулентность .

4: Выяснение фактического соотношения турбулентности наименьшего масштаба как выше моего понимания, так и, я думаю, вне масштаба этого «ответа». Но это касается таких вещей, как спектр Колмогорова и связанная с ним шкала длины .

5: Расстояние может быть оценено на основе комбинации спектра и уровня громкости, чтобы устранить вырождение между громкостью звука и расстоянием.

6: Возможно, минимальный размер капель определяется их баллистическим поведением (а не образованием тумана)?

отличная дискуссия, в настоящее время я изучаю небольшие водопады в Великобритании. В моем исследовании с использованием 1/3 октавы я обнаружил, что спектры водопадов различной формы похожи (и это комбинация розового и белого). Особенности, камни, кривизна, высота головы, по-видимому, оказывают значительное влияние, как и ширина и угол наклона, с которым вода воздействует на нижнюю поверхность/бассейн (поскольку не у всех есть большие бассейны). У меня есть записи сигналов, и я мог бы эффект постобработки в гораздо меньших частотных диапазонах.

В дополнение к этому результаты размерного эффекта показывают, что различные параметры, измеренные на полевых площадках, вносят вклад в различные эффекты большого размера для разных частот в нелинейном делении и в некоторых случаях стохастически.

Есть книга Т. Лейтона под названием «Акустический пузырь», которая может добавить немного сумасшедшей математики для тех, кому не все равно; я считаю, что пузырьки будут оказывать значительное влияние на спектры, записанные от взрыва пузырьков до поглощения звука на определенных частотах.

Хотя у меня нет цели полностью ответить на вопрос (я не эксперт ни в акустике, ни в механике жидкости), я постараюсь поделиться со всеми своей точкой зрения. Надеюсь, кто-то поймет и сможет получить что-то оттуда.

Вы предлагаете определить три основных параметра — высоту, объемный расход и расстояние — путем анализа записи звука. Прежде всего, у вас будут серьезные трудности с определением расстояния. Хотя в идеальном сценарии интенсивность звука должна подчиняться закону обратных квадратов с расстоянием, на практике она будет в значительной степени зависеть от рельефа местности. Подумайте о том, чтобы спрятаться за большим камнем или в прямой видимости водопада, причем оба расстояния должны быть равными. В первом случае звук однозначно будет заметно слабее. Звук также, вероятно, будет отличаться, когда вы стоите в долине костного мозга или на открытой плоскости.

Так что давайте пропустим расстояние. Предположим, у нас есть прекрасное место рядом с несколькими водопадами, похожими друг на друга и в одинаковых условиях. Теперь нас интересует только высота и расход водопада. Я согласен с вами, что звуковая энергия будет даваться гравитационной энергией падающей воды — но при некотором трении, возможном изменении кинетической энергии воды и потерях из-за турбулентности потока. Итак, первое, в чем я не уверен, так это в том, как на эти потери влияет высота или течение водопада? Будут ли потери изменяться линейно с этими параметрами или зависимость более сложная? И есть ли другие факторы, которые могут играть роль?

Второй важный вопрос: как звук водопада зависит от его высоты и течения? Оказывает ли один из них более сильное влияние на спектр, чем другой? Или водопад с высоты$h$и поток$Q$иметь такой же звук, как водопад с высотой$2h$и поток$Q/2$? По моему невежеству вполне возможно, что спектр вообще не изменится, и они будут звучать одинаково, только с разной интенсивностью.

Насколько я знаю (отсутствую), на эти вопросы нельзя ответить с помощью простых теоретических предсказаний, и единственный возможный способ найти решение может состоять в том, чтобы напрямую измерить звук нескольких водопадов и сравнить его. Но, как я уже сказал, я не специалист в этой области и могу ошибаться.

Наконец, что касается практической реализации, то измерить звук разных водопадов в одних и тех же условиях будет очень сложно. На звук будет сильно влиять отражение (если вокруг вас есть камни, отражение будет сильнее, чем в середине леса) или другие источники шума (например, поток воды под или над водопадом). Но их можно устранить при постобработке, если знать условия, в которых была сделана запись.

Прежде чем закончить, еще раз напомню, что я не специалист в области акустики или динамики полей и, возможно, моя аргументация неверна. Но я считаю, что этот пост может начать дискуссию, которая приведет к окончательному результату.

Редактировать: как BrianWa указал мне в комментариях, высота водопада будет влиять на скорость падающих капель, и это, безусловно, повлияет на спектр звука. Однако я полагаю, что это изменение будет наблюдаться только до такой высоты, когда сопротивление воздуха при падении компенсирует силу тяжести и капля больше не будет увеличивать скорость. Таким образом, все водопады выше этого порога, вероятно, будут иметь одинаковый (или очень похожий) звуковой спектр.

Я бы предположил, что чем выше падение в какой-то момент, тем быстрее вода на поверхности выталкивается вниз в результате удара водопада о поверхность. Таким образом, внутри пузыря может быть эффект Доплера, который сильнее сжимает подводный звук при более высоких падениях.

Сомнительно, влияет ли это на достаточное количество звука во время разрыва. Я бы предположил, что более быстро продвигающаяся стенка верхней части пузыря создает звуки более высокой частоты. Но человеческое ухо не может различать разные частоты, находящиеся слишком близко друг к другу (маскировка в психоакустике).

Поэтому необходимо провести спектральный анализ. Аналитически я бы предположил, что масса смещается от более низких частот к более высоким по всему спектру для более высоких водопадов (вплоть до некоторого отсечения из-за конечной скорости).