Почему звук звукового удара низкий?

Во-первых, «звуковые удары» не обязательно должны быть низкими. Например, треск хлыста создается, когда кончик хлыста превышает скорость звука, и большинство согласится, что этот треск является высоким звуком (по крайней мере, выше, чем звуковой удар самолета).

Во-вторых, приведенное вами уравнение эффекта Доплера применимо только к звукам, излучаемым источником звука.$^*$Однако ударная волна — это не то же самое, что просто излучение звука. Чтобы процитировать статью в Википедии о звуковых ударах от самолетов

Давление в носу повышается, постепенно снижаясь до отрицательного давления в хвостовой части, за которым следует внезапное возвращение к нормальному давлению после того, как объект проходит. Этот «профиль избыточного давления» известен как N-волна из-за его формы. «Бум» возникает при внезапном изменении давления; следовательно, N-волна вызывает два удара: один, когда начальное повышение давления достигает наблюдателя, а другой, когда давление возвращается к норме. Это приводит к характерной «двойной стреле» сверхзвукового самолета. При маневрировании самолета распределение давления принимает различные формы с характерной U-образной формой.

И шаг будет зависеть от того, сколько воздуха проталкивается:

Мощность или объем ударной волны зависит от количества ускоряемого воздуха ... Поэтому более длинные самолеты «раздвигают» свои стрелы больше, чем более мелкие, что приводит к менее мощной стреле.

и я уверен, что расстояние между наблюдателем и источником также играет роль, учитывая, как более низкие звуки могут распространяться дальше более высоких.

Таким образом, кажется, что неправильное понимание здесь заключается в том, что когда что-то излучает звук, превышающий скорость звука, звуковая волна с доплеровским смещением является звуковым ударом. Это не вариант. Звуковые удары гораздо сложнее, и в них больше физики, чем просто группирование звуковых волн из-за движущегося источника.

$^*$Не говоря уже о том, что он дает отрицательные частоты, когда$v_s>v$. Очевидно, что это уравнение нарушается при скоростях, равных или превышающих скорость звука.

Следовательно, высота звукового удара должна быть высокой.

Как уже указывали другие, звуковой удар не подвержен эффекту Доплера , потому что это просто нелинейный импульс давления (т. е. звуковая волна с одним или половиной периода ) из-за того, что воздух движется со скоростью, превышающей скорость звука .

Но чаще всего я слышу звуковой удар, похожий на низкий гром. Почему это?

Звуковой удар, преобразованный в частотное пространство с помощью преобразования Фурье , имеет очень широкополосную функцию отклика (для чистой прерывистой или ступенчатой ​​функции преобразование Фурье будет иметь мощность на всех частотах). Для простоты предположим, что мощность одинакова на всех частотах (это неправда, но это простой способ понять явление).

Частота в приемнике (т. е. высота звука, слышимая человеком) зависит от нескольких факторов, один из которых зависит от расстояния до источника (как отмечалось ранее). По мере удаления от источника любой широкополосный звук будет смещаться к более низким частотам из-за ослабления более высоких частот.

Другая проблема заключается в том, что человеческое ухо не имеет плоской частотной характеристики . Очень сильные звуковые удары будут звучать иначе, чем более слабые из-за насыщения на некоторых (или всех) частотах в диапазоне человеческого слуха. Таким образом, в нашем чрезмерно идеализированном сценарии короткого импульса белого шума, если амплитуда белого шума достаточно велика, некоторые частотные диапазоны насыщаются и заставляют мозг интерпретировать «высоту» звука иначе, чем если бы амплитуда белого шума было меньше.

Обратите внимание, что частотная характеристика звукового удара зависит от длины волны импульса давления. Чем острее градиенты, тем шире диапазон звуковых частот.

Забавное примечание

Я слышал звуковые удары хлыстов, пули, пролетающие рядом, и истребители, пролетающие над головой. Все это звучит как глухой треск, а не высокий или низкий шум. Если вы находитесь дальше от источника (например, струя преодолевает звуковой барьер на очень большой высоте), то это может звучать как низкочастотный гул (гул и треск требуют другого вопроса и ответа).

Несколько лет назад в нашей лаборатории работал специалист по прослушиванию , который превращал данные космического корабля в звуковые файлы. На первый взгляд это казалось поверхностным, субъективным арт-проектом. После беседы с ним я начал понимать, что они не были поверхностными или субъективными, а скорее обладали очень полезной техникой анализа. Поэтому он начал прослушивать данные о магнитном поле солнечного ветра.ничего не зная о содержащихся в них данных или явлениях. Он быстро нашел несколько очень интересных звуков, и мы поняли несколько вещей. Во-первых, уши могут переваривать и различать гораздо больший объем информации в единицу времени, чем глаза. То есть он мог просматривать и последовательно находить интересные временные интервалы на порядки быстрее, чем кто-либо в нашей лаборатории мог это делать «на глаз». Он смог классифицировать и классифицировать интервалы данных ветрового магнитометра примерно за 20 лет всего за несколько недель. Попытка сделать то же самое «на глаз» даже у самых быстрых из нас заняла бы несколько лет.

Во-вторых, он смог идентифицировать уникальный звук бесстолкновительных ударных волн . Все они имели одинаковую слуховую реакцию, т. е. что-то вроде глухого треска и/или удара. При проверке в его высококлассном аудиопрограммном обеспечении все они выглядели именно так, как и следовало ожидать. Они представляли собой изолированную полосу мощности во всем диапазоне частот, наблюдаемом прибором.