Особенности распространения звуковых сигналов в связи с условиями среды

Акустическая тень и типы звуковых помех

Рассматривая распространение звуковых волн, особо следует остановиться еще на одном явлении, заключающемся в том, что оказавшиеся на пути ультразвуковых сигналов предметы создают так называемую акустическую тень. В силу того, что длина волны ультразвуковых колебаний, особенно высокочастотного диапазона, очень мала, ультразвук подобно свету, отражаясь и переотражаясь, дает звуковые тени даже от сравнительно небольших предметов. Кроме того, благодаря многократному наложению отраженных от различных предметов волн ультразвуковой сигнал приходит к приемнику в значительно измененном виде. При этом более всего меняются его амплитудно-временные и частотные характеристики.

Образование акустических теней в определенных условиях можно обнаружить при распространении и низкочастотных колебаний. Это совершенно особое явление деформации канала связи отмечается в открытой местности и на опушке леса. Деформация канала связи есть не что иное, как искривление хода звуковых волн и появление областей акустических теней в определенных точках пространства. Это явление широко распространено в природе и проявляется вследствие различий температур и скоростей движения воздуха в зоне распространения звука.

Так, при уменьшении температуры воздуха с высотой или увеличении скорости ветра происходит отклонение звуковых волн вверх, отчего вблизи земной поверхности образуются так называемые зоны молчания, размеры которых растут по мере удаления от источника звука.

Возникновение акустической тени, или области молчания, летом  вблизи опушки леса и в пустыне
9. Возникновение "акустической тени", или "области молчания", летом вблизи опушки леса и в пустыне. Вследствие неоднородности среды, в которой распространяется звук, он меняет свое первоначальное направление и минует иногда довольно обширные участки пространства.

В природе распространение сигнала от источника сообщения к приемнику всегда сопряжено с влиянием разнообразных помех. Под помехой принято понимать любое стороннее возмущение, действующее в канале связи и препятствующее правильному приему сигнала. Помеха может исказить значение любой физической характеристики сигнала, в результате чего может быть принята ложная информация. В теории информации рассматриваются как регулярные, так и случайные помехи. Имея в виду канал передачи именно звуковых сигналов, в качестве примера регулярной помехи можно упомянуть молекулярный шум внутреннего уха. Случайными помехами являются разнообразные возмущения, которые в зависимости от случая принимают те или иные значения. Они создают наибольшие трудности для приема сигнала.

Среди случайных помех различают помехи аддитивные и мультипликативные. Те и другие как бы прибавляются к сигналу, и поступающая на вход приемника информация представляет собой сумму сигнала и помех.

К аддитивным помехам относятся помехи, существующие независимо от сигнала. Это различные шумы окружающего пространства: вызванный ветром шум листвы, деревьев и травы, звуки, являющиеся следствием движения песка и воды, а также звуки, обусловленные турбулентными завихрениями потока воздуха у входа в ухо. К аддитивным помехам относятся и звуки биологического происхождения, источником которых являются другие виды животных. Но для ряда млекопитающих основную часть естественного фонового шума составляют голоса их сородичей. Такие фоновые шумы характерны, например, для гаремов ластоногих или для стад северных оленей. В отличие от шумов, создаваемых другими видами животных, фоновый шум стада соответствует тому же диапазону частот, что и сигналы, издаваемые какой-то конкретной особью из стада. В тех случаях, когда издаваемый особью сигнал по уровню звукового давления оказывается близким к уровню фонового шума, надежность его восприятия обеспечивается механизмами помехозащищенности, которые реализуются в центральных отделах головного мозга.

Принципиально иными являются мультипликативные помехи. Они порождаются различного рода флуктуациями, то есть случайными отклонениями величин тех или иных физических параметров (плотности, температуры, влажности воздуха) от их средних значений. Эти флуктуации приводят к случайным изменениям параметров принимаемых сигналов и могут быть обнаружены только при сравнении с самими сигналами. Если сигнала нет, то изменения параметров останутся незамеченными в канале связи. Так может флуктуировать направление распространения звукового сигнала вследствие случайных изменений влажности, температуры и других свойств среды. Под влиянием этих же факторов может меняться и степень затухания сигнала. Распространению звуковых сигналов в природных условиях всегда сопутствуют многочисленные отражения звуковых волн - от поверхности земли, травяного покрова, зарослей кустарников и крон деревьев. Эти отражения, ухудшая качество сигнала, приводят к понижению его разборчивости для принимающего сигнал. В открытых ландшафтах, где обычны сильные ветры, звуковые сигналы подвергаются дроблению на отдельные элементы. Это явление вызвано тем, что при ветре скоростью более четырех метров в секунду развивается значительная турбулентность воздушного потока, в результате чего плотность воздушной среды оказывается неоднородной и быстро меняющейся. При распространении звука в такой среде происходит пульсация его энергии, причем частота и амплитуда пульсации увеличиваются с увеличением скорости ветра.

Остановимся несколько подробнее на характеристике мест обитания животных как канала связи, по которому осуществляется их звуковая коммуникация.