Итак, некоторое время самолет сохраняет примерно одно и то же
расстояние от нас. А раз его расстояние до нас уменьшается медленнее,
чем распространяется звук, то звук от более поздних моментов полета
дойдет до нас позднее, чем от более ранних, как обычно. Значит, дальнюю
часть полета самолета мы прослушиваем в обратном порядке, а более
близкую (позднюю) часть полета слышим в обычной последовательности.
Поэтому сначала мы вообще не слышим этого самолета, а затем до нас
одновременно доходит звук сразу со значительной части его пути, потому
что там расстояние от самолета до нас уменьшалось точно с такой же
скоростью, с которой это расстояние про-ходил звук. Таким образом, гул
от самолета за некоторый промежуток времени придет к нам в один и тот же
момент. Именно это неожиданное появление звука сразу от целого отрезка
пути самолета, ставшее таким оглушительным благодаря сложению всех
шумов, и называется ударной волной.
Для большей определенности предположим (см. табл. 1), что, когда наш
секундомер показывает 0 сек, самолет находился на таком расстоянии от
нас, при котором точка на земной поверхности, находящаяся прямо под
самолетом, была удалена от нас ровно на 12 км. Поскольку самолет летел
на высоте 4 км, его расстояние от нас было немного больше, а именно 12,7
км; чтобы дойти до нас, звуку требовалось приблизительно 38,5 сек. За
следующие 10 сек самолет пролетел около 4 км. Точка, над которой он
находился, была от нас уже в 8 км, расстояние между нами и самолетом по
прямой составляло около 9 км, и звуку требовалось 27,3 сек, чтобы пройти
его. В этом случае звук был испущен на 10 сек позже, чем в предыдущем,
так что он пришел к нам через 37,3 сек после 0 секя т. е. за 0,8 сек до
того звука, который был испущен десятью секундами раньше. Еще через 5
сек точка, над которой пролетал самолет, была от нас всего в 6 км,
расстояние по прямой от самолета до нас равнялось 7,2 км, и звук покрыл
его за 21,8 сек, придя к нам еще на полсекунды раньше, чем звук,
излученный за 5 сек до этого.
Таблица 1
| Момент испускания звука, сек |
Координата точки, над которой пролетает самолет, км |
Расстояние от самолета до наблюдателя по прямой, км |
Время пробега звука, сек |
Момент прихода звука к наблюдателю, сек |
| 0 |
12 |
12,7 |
38,5 |
0+38,5 |
| 0+5 |
10 |
10,8 |
32,7 |
0+37,7 |
| 0+10 |
8 |
9,0 |
27,3 |
0+37,3 |
| 0+15 |
6 |
7,2 |
21,8 |
0+36,8 |
| 0+20 |
4 |
5,6 |
17,0 |
0+37,0 |
| 0+25 |
2 |
4,5 |
13,6 |
0+38,6 |
| 0+30 |
0 |
4,0 |
12,1 |
0+42,1 |
Пятью секундами позднее направление на самолет уже составляло с
горизонтом 45°, так что самолет пролетал над точкой, лежащей всего в 4
км от нас, а расстояние до него по прямой составляло около 5,6 км,
которые звук прошел примерно за 17 сек. Поэтому звук, испущенный тогда
самолетом, пришел к нам почти одновременно с тем звуком, который
испустил самолет за 5 сек до этого (точнее, он пришел на 0,2 сек позже).
Таким образом, до некоторого момента (см. четвертую строку табл. 1) мы
вообще не слышали подлетавшего самолета! Еще через 5 сек самолет
пролетал над точкой, удаленной от нас на 2 км, по прямой до самолета
было 4,5 км, звук прошел их за 13,6 сек и дошел до нас поэтому на 1,6
сек позднее, чем звук, испущенный пятью секундами раньше. Наконец, еще
через 5 сек самолет будет прямо над нами, а звук придет с высоты в 4 км
через 12,1 сек, т. е. на 3,5 сек позже, чем испущенный за 5 сек до
этого. Итак, в течение почти 37 сек с момента начала наблюдения мы
ничего не слышали. Потом внезапно, подобно удару, мы услышали звук от
целого участка траектории самолета, а затем слышим одновременно два
звука: звук, испущенный самолетом после этого момента, и звук,
испущенный самолетом раньше, когда он был дальше от нас. Таким образом,
гул от самолета, относящийся к моменту начала наблюдения (0 сек) и точке
на земле в 12 км от нас, дошел до нас в то же самое время, что и звук,
испущенный самолетом, когда он пролетал над точкой, удаленной от нас
всего на 2 км.
Часто можно наблюдать еще одно явление. Пусть самолет летел сначала в
том же направлении и на той же высоте, что и в предыдущем примере, но
скорость его немного меньше скорости звука. Поэтому, хотя он и
приближался к нам довольно быстро, звук, соответствующий различным
моментам полета, доходил до нас в порядке следования этих моментов друг
за другом. Допустим теперь, что самолет стал лететь быстрее, превышая
скорость звука, и тогда началась уже рассмотренная нами картина, когда,
как мы помним, гул воспринимался в обратном порядке по времени. Между
периодом поступления звука в нормальном порядке (дозвуковой полет) и
периодом поступления звука в обратном порядке (сверхзвуковой полет)
должен быть такой момент, когда мы одновременно услышим звук, пришедший с
целого участка пути самолета - новый звуковой удар. Это случится как
раз в момент приближения к нам самолета со скоростью звука. Сам он в
этот момент будет двигаться немного быстрее звука, так как его путь
направлен не точно к нам. Значит, при таком полете будет два звуковых
удара, и сначала мы услышим первый из упомянутых здесь. До этого удара
мы еще ничего не слышали, а после него мы услышим сразу звук, испущенный
в течение трех периодов полета: в дозвуковом полете, пока самолет еще
не увеличил свою скорость, поступающий к нам в нормальном порядке; при
сверхзвуковом полете на том участке, где самолет был еще далеко от нас, -
в обратном порядке по времени; наконец, на последнем участке полета,
начиная с того момента, когда самолет был почти прямо над нами, - вновь
поступающий в нормальном порядке, но одновременно с двумя предыдущими
звуками. Чуть позже мы услышим второй удар, который мы разобрали здесь
только что; после него мы будем слышать лишь звук, испущенный этим
самолетом, когда он был над нами или уже улетал вдаль.
Разные результаты, получаемые при движении излучателя или приемника
звука, следуют из того, что ударные волны могут появиться только при
движении излучателя со сверхзвуковой скоростью. Пусть на поверхности
земли имеется источник звука и навстречу ему со скоростью, превышающей
скорость звука, летит самолет. Его пассажиры не услышат ничего похожего
на звуковой удар. Дело в том, что удар случается лишь тогда, когда звук
собирается сразу от целого отрезка пути, в один и тот же момент приходя к
приемнику. Если бы излучатель покоился относительно воздуха, то, чтобы
дать такой эффект, звуковым волнам пришлось бы догонять друг друга, а
это никак не может быть, так как скорость звука одна и та же для всех
звуковых волн - и никакого удара не произойдет.
Мы хорошо знакомы еще с одним видом волн - с волнами на поверхности
воды. Подобно звуковым волнам, они распространяются в среде (воде), но
свойства их гораздо сложнее, потому что скорость их зависит от длины
волны. Например, волны длиной 450 м (расстояние между соседними
гребнями) бегут по океану со скоростью около 100 км/час, тогда как
волны, расстояние между соседними гребнями которых составляет всего 30
см, движутся со скоростью только 2,4 км/час. Но несмотря на это
различие, на примере таких волн можно проиллюстрировать многие свойства
звуковых волн, обсуждавшиеся в этой главе.
