Финские физики разобрались в кажущейся тишине криков против ветра

Финские физики ответили на вопрос о том, откуда берется убеждение о неэффективности крика против ветра. Они выяснили, что, вопреки распространенному мнению, звук, выходящий изо рта человека навстречу ветру, не теряет интенсивности. Вместо этого эффекты турбулентности создают зону пониженного давления вокруг ушей, из-за чего кричащему кажется, что он кричит тише. Для проверки своих расчетов ученые катались на фургоне по взлетной полосе аэропорта с динамиками и микрофонами на крыше. Исследование опубликовано в Scientific Reports, также его пересказывает сайт Университета Аалто.

Принято считать, что кричать навстречу ветру малоэффективно, поскольку в этом случае кричащего слышно хуже. В английском языке это убеждение закрепилось в виде соответствующей идиомы, означающей бесплодные попытки передать свои мысли другим людям, непонимающим их.

С точки зрения физики у этого утверждения мало оснований. Если скорость звука в воздухе у поверхности земли превышает 300 метров в секунду, то типичные скорости ветров существенно меньше, а потому не способны оказать существенное влияние на акустический путь. Вместо этого физики объясняют это явление с помощью градиента ветровых скоростей, искажающего волновой фронт и перенаправляющего звук вверх. И все же этот эффект значим только на расстояниях более ста метров и потому до сих пор непонятно, за счет чего возникают сложности с криком против ветра.

Получить ответ на этот вопрос смогла группа финских физиков под руководством Вилле Пулкки (Ville Pulkki) из Университета Аалто. Он оказался довольно неожиданным. Ученые выяснили, что потоки воздуха на самом деле практически не влияю на громкость звука. Вместо этого меняется восприятие звуковых волн испустившим их человеком из-за анатомической разницы между положением рта и ушей.

Причиной этого стал эффект конвекционного усиления или затухания звука. Он возникает в том случае, если в некоторой области возникают турбулентные потоки, которые увеличивают или уменьшают давление воздуха. Чтобы проверить, какова роль этого явления в задаче о крике против ветра, авторы моделировали голову человека с помощью бесконечного цилиндра.

Численные и аналитические вычисления показали, что, если источник звука (то есть рот) будет расположен с наветренной стороны цилинда, то на его боках (то есть ушах) интенсивность звука уменьшиться. Эффект оказался более выраженным для низких частот. Кроме того, крик по ветру возымел противоположный эффект: кричащий слышал себя громче.

Чтобы проверить свои вычисления на практике, физики провели эксперимент на открытой местности. Они водрузили на крышу фургона экспериментальное оборудование, состоящее из цилиндра диаметром 20 сантиметров, снабженного динамиками, нескольких микрофонов, анемометров и камеры. Авторы добились разрешения на использование участка взлетно-посадочной полосы аэропорта Хельсинки — Малми, движение по которой с нужной скоростью помогало имитировать ветер.

Результаты эксперимента и обоих типов вычислений в целом продемонстрировали согласие. Выше четырех килогерц измерение давало нестабильные значения. Небольшие расхождения возникли при малой скорости движения машины. Авторы связали это с ростом влияния естественного ветра, которое было сложнее исключить.

Ранее мы рассказывали, как американец запатентовал дезориентирующие звуковое устройство, работающее по принципу отсроченной акустической обратной связи. Также мы писали про браслет с ультразвуковыми излучателями, которые мешают микрофонам умных колонок или смартфонов распознавать речь.