УДК 654.927, 654.928

В. Э. Абракитов, канд. техн. наук, доцент

Харьковская национальная академия городского хозяйства

НА КАКОЙ ЧАСТОТЕ ИЗМЕРЯЕТСЯ БАРОМЕТРИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ?

Вместо эпиграфа, цитата переписки (неизвестных автору лиц) с сайта [1]

Попытаемся ответить на такой, казалось бы, несложный вопрос, почему разные барометры показывают разную величину атмосферного давления? Попробуем ответить необычно, опираясь на понятие "звуковое давление", которое в зависимости от частоты звука для одного и того же звукового сигнала различно и определяет его амплитудно-частотную характеристику (громкость, тембровую окраску и смысловое значение).

Звуковое давление, согласно определения, - разность между избыточным давлением во фронте звуковой волны Ризб, Па, вызванным возмущением среды ее распространения, и атмосферным давлением в невозмущенной точке пространства Ратм, Па:

Р = Риэб - Ратм; Па                            (1)

Общеизвестно, что величина звукового давления на различных звуковых частотах различна, т.е. график амплитудно-частотных характеристик звука в каждом конкретном случае показывает зависимость между звуковым давлением Р, Па и частотой f, Гц.

Таким образом, звуковое давление – функция частоты f, Гц:

Р = F(f)                                             (2)

Исследуем формулу (1), исходя из (2). Получаем:

P =F(f)                                                       

Ризб = F1(f)                                         (3)

Ратм = F2(f)                                        (4)

F(f) = F1(f) + F2(f)                              (5)

Переводя эти математические выражения на обычный человеческий язык, вводя в них конкретное смысловое описание, можно сказать так: звуковое давление, как функция частоты, представляет собой результат взаимодействия двух функций: F1 и F2. Первая из них – зависимость избыточного звукового давления Ризб, Па от частоты f, Гц, что выражается (3); вторая – зависимость атмосферного давления в невозмущенной точке пространства Ратм, Па от частоты f, Гц, что выражается (4).

Чисто математически мы можем записать так, и по законам математики это будет верно. Мы разложили общую функцию, описывающую звуковое давление (2) на две её составляющие (5).

Первая из них: зависимость избыточного давления во фронте звуковой волны от частоты, - выражение (3), - не вызывает сомнений. Интерес представляет вторая: зависимость атмосферного давления от частоты, - выражение (4).

Этого не прочтёшь ни в одной книжке по физике: везде говорят про атмосферное давление, которое исчисляется в Па или мм.рт.ст., измеряется посредством барометра, - и, естественно, без учёта дополнительно к этому ещё какой-либо частоты?

В акустике и в физике считается, что зависимость звукового давления от частоты f, Гц обусловлена зависимостью избыточного давления во фронте звуковой волны Ризб, Па от частоты f, Гц при Ратм = const. Молчаливо предполагается, что избыточное давление во фронте звуковой волны Ризб распределено по частоте:

Ризб = F(f);

а атмосферное давление в невозмущенной точке пространства Ратм - нет. Таким образом, на современном уровне развития науки считается, что выражение (2) тождественно выражению (3); выражение (4) при этом просто нигде не "всплывает"?!! Её не "замечают", эту самую зависимость атмосферного давления в воздухе от частоты; её игнорируют, просто не предполагая её присутствие!

Эти неправильные, по нашему мнению, убеждения, молчаливо предполагаемые современным уровнем науки, используя наши формулы (2) и (3) можно было бы записать так:

F(f)= F1(f) + const; или F(f)= F1(f),

что представляет собой выражение (5) в его общепринятом каноническом понимании. Незамеченная исследователями составляющая (4) в нём, понятно, отсутствует.

Но тогда получается, что звуковое давление Р как разность Ризб и Ратм должно иметь такое же распределение по частоте, как и структурный звук в самом по себе источнике звуковой волны?

Несоответствие в амплитудно-частотных характеристиках (АЧХ) структурной звуковой волны на колеблющейся поверхности источника шума и АЧХ излучаемой им воздушной звуковой волны заставило нас задуматься:

А может быть, атмосферное давление в невозмущенной точке пространства Ратм также, каким-то образом, распределено по частоте?

Для ответа на этот вопрос достаточно было раскрыть справочник по физике в разделе "Распределение Максвелла". Максвелл показал, что молекулы в газе распределены по скоростям. То же можно интерпретировать следующим образом: молекулы в газе распределены по частотам, ибо каждому значению колебательной скорости V, м/с соответствует своя амплитуда Y, м (по-видимому, это и есть длина свободного пробега молекул в нашем случае?) - и своя частота f, Гц.

Получается, что таинственная функция (4), вскрытая нами в несколько необычном контексте, всего-навсего – давно известное распределение Максвелла?!!

Таким образом, стало возможным объяснить амплитудно-частотные характеристики воздушной звуковой волны, а именно распределение звукового давления по частоте в ней, как результат наложения АЧХ атмосферы на АЧХ источника звука. Не просто источник звука излучает волну с определённой АЧХ, - как это трактовалось доселе, - но на конечный результат ещё накладываются АЧХ среды распространения, т.е. атмосферы! Т.к. распределение Максвелла в традиционном виде зависит от температуры газа, получается, что амплитудно-частотные характеристики "невозмущенной" (это слово уже нельзя употреблять в прямом смысле после вышеизложенного, поэтому мы взяли его в кавычки) атмосферы также зависит от температуры.

Но самое интересное не это. Известно, что разные барометры (а особенно однотипные), установленные рядом, дают различные показания. Обычно это объяснялось как "погрешность измерений" и т.п. Мы же объясняем это именно как несовпадение резонансных частот разных барометров.

Барометр любого вида (даже ртутный, водяной и т.п., не говоря уже об анероидах), является колебательной системой. Каждый такой прибор характеризуется набором своих резонансных частот, зависящих, как известно, от массы и упругости элементов; а также, как нам кажется, для данного случая, ещё и - от площади мембраны барометра (эквивалент мембраны в жидкостном, например, ртутном барометре - поверхность жидкости, контактирующая с атмосферным воздухом). Т. к. измерительные приборы - барометры разных типов, - имеют разную массу, упругость и площадь поверхности измерительного элемента, - они имеют разные резонансные частоты; поэтому - неудивительно, что при измерении в одних и тех же условиях они дают разные показания. Это усугубляется еще и тем, что в приборах со стрелочной индикацией стрелка сама по себе является колебательной системой и характеризуется своей резонансной частотой. Ибо барометр - не что иное, как измеритель давления на четкой фиксированной (резонансной) частоте, по крайней мере, в узкой области (обычно инфразвуковых) частот. Его собственная резонансная частота тем ниже, чем больше и массивнее барометр.

Самый габаритный из известных барометров - с водяным столбом, имеющий, как известно, высоту столба порядка 10 м; он воспринимает самые инфранизкие частоты. Более высокие частоты (но, тем не менее, инфранизкие) воспринимает ртутный барометр, имеющий, как известно, высоту столба порядка 760 мм (рт. ст. )

Наши привычные анероиды, также являются приемниками инфразвуковых частот (но более высоких). Они способны реагировать даже на низкие звуковые (порядка 20 Гц) частоты.

Микрофоны - измерители перепадов давления (т.е. измерители звукового давления) - имеют сравнительно малые размеры, массу и потому используются для фиксации звуковых волн в слышимом и ультразвуковом диапазоне. Что интересно - чем выше воспринимаемая микрофоном частота звука, тем меньше должны быть его размеры ...

Микрофон, по сути - это электрический барометр. Традиционные области применения, микрофонов заставили их конструкторов сосредоточить внимание на измерении не самого абсолютного значения, а его перепадов (т.е. вышеуказанного звукового давления согласно формуле (1)). Таким образом - микрофон есть барометр, адаптированный к восприятию атмосферного давления в диапазонах частот: (как правило), слышимого звука и ультразвука.

Нами предполагается, что с повышением давления резонансная частота газа повышается. Кроме этого, указанная резонансная частота обусловлена еще и объемом сосуда, куда заключен газ. Использование однотипных манометров на сосудах разного объема, а тем более с газами разного химического состава влечет за собой неоднородность измерений по частоте.

Мы предполагаем, что давление газа - не что иное, как функция интенсивности инфразвуковой волны в нем. Согласно де Бройлю, любой предмет обладает волновыми свойствами. Если волновыми свойствами характеризуются все тела, то рассматривать ветер, как инфразвуковую волну с огромной длиной волны вполне корректно...

При изучении атмосферных явлений явно следует, что эти инфразвуковые волны благодаря своим сверхмалым частотам и сверхбольшой длине волны распространяются по несколько иным закономерностям, чем привычные нам звуковые и инфразвуковые волны.

Известно, например, что Исаак Ньютон первым вывел формулу для определения скорости инфразвука, не подозревая даже о его существовании. Собственно говоря, он выводил формулу для скорости слышимого звука в воздухе как:

С = (Р/ρ)½

где: Р - давление газа, Па; ρ -плотность газа, кг/м3

Если подставить в эту формулу реальные значения, получится скорость звука в атмосфере, приблизительно равная 290 м/с. Тем не менее экспериментальные наблюдения показали, что она равна порядка 340 м/с. Оказалось, Ньютон не учел в своей формуле безразмерный показатель адиабаты газа À (скорректированная формула для скорости звука в наше время имеет вид):

С = (À.Р/ρ)½, м/с

Дело в том, что распространение звуковой волны в воздухе - адиабатический процесс. Однако формула, выведенная Ньютоном, в своем первоначальном виде имеет смысл и в наши дни, поскольку описывает распространение инфразвука. Благодаря большой длине волны и малой частоте распространения инфразвуковой волны, в воздухе есть процесс изотермический (воздух за период изменения фазы успевает остыть).

Дальше - больше: мы попытались представить полную картину волнового движения в атмосфере - с учетом того факта, что флуктуации скорости молекул согласно распределению Максвелла есть флуктуации частот их колебаний.

Все пространство Земли, включая атмосферу, геосферу и др. буквально пронизано упругими колебаниями различной частоты и интенсивности. В частности атмосферный воздух - является средой, где распространяются упругие колебания, который способен (при имеющейся в нем концентрации атомов и др. частиц) передавать разночастотные упругие колебания. Он особенно подвержен колебаниям с частотами 10-1, 10-2, 10-3 и т.д. Гц. Колебания в атмосфере - это не только звук, который мы слышим, но и низкочастотные инфразвуковые колебания, выражающиеся в движении воздушных масс и выпадений осадков.

Нами была предложена гипотеза, согласно которой, в атмосферном воздухе распространяются, инфразвуковые колебания, имеющие вид атмосферных явлений (т.е. ветер, например, не что иное, как инфразвуковая волна).

В связи с вышеуказанными свойствами приборов для измерения давления - должны быть учтены соответствующие параметры, - такие, как соотношение площади мембраны с частотой, соотношение массы с частотой и т.д.: (в этом случае барометр является регистратором значения интенсивности инфразвуковой волны на фиксированной частоте). В связи с этим предполагается провести исследования атмосферы на предмет выявления области частот, где наблюдается максимум интенсивности и конструктивно учитывать в измерителях давления частоту, соответствующую объему пространства, в котором осуществляют измерение. Этот объем при исследовании имеет большую величину, но, тем не менее, поддается исчислению. Еще более интересно исследовать малые объемы газа в сосудах. Манометр, стоящий на кислородном баллоне с объемом в 30 л не должен быть таким же, как манометр на баллоне с углекислым газом с объемом в 50 л. Нами предполагается, что резонансная частота газа зависит от его химического состава и степени сжатия.

Итак, инфразвук распространяется с меньшей скоростью, чем слышимый звук - это известный научный факт (мы пытались исследовать диапазон скоростей распространения волн при переходе от слышимого диапазона частот к инфразвуковому). Но сравнительно неплохо исследован инфразвуковой диапазон с частотами 3 Гц и выше; ветер же в ламинарном течении имеет частоты порядка 10-1 Гц и ниже. Таким образом, продолжая график зависимости скорости распространения упругой волны от частоты в сторону инфранизких частот, - приходим к диапазону обычно наблюдаемых скоростей ветра на соответствующих частотах.

В целом волновая картина метеорологических явлений в атмосфере - вопрос очень сложный, многопроблемный и требующий дальнейших исследований.

Резюме: Выявлено неизвестное ранее свойство атмосферы – распределение атмосферного давления по частоте, аппроксимирующееся распределением Максвелла, (либо ещё какими-то иными, неизвестными нам зависимостями). В связи с этим согласно волновой теории физики такое атмосферное явление, как ветер, например, следует рассматривать не иначе, как инфразвуковую волну, с присущими всякому волновому движению так называемыми волновыми характеристиками.

Особенности волнового характера атмосферных явлений должны быть учтены в конструкциях измерительных приборов – например, барометров: каждый из которых представляет собой измеритель атмосферного давления на присущей ему собственной резонансной частоте. Вследствие разницы конструктивного исполнения барометров разных типов все они имеют различные собственные резонансные частоты, поэтому их показания, сделанные в один и тот же момент времени в одной и той же точке измерений, могут иногда очень сильно различаться между собой.

Литература:

1. http://meteocenter.net/meteoclub/index.php?action=vthread&forum=7&topic= 210&page=0 МЕТЕОКЛУБ : независимое сообщество любителей метеорологии.

2. http://abrakitov.narod.ru/Monograph/1-4.htm  Абракитов В.Э. На какой частоте измеряется барометрическое давление? (Публ. в Интернет (данной статьи)).

3. Абракітов В.Е. На шляху до наукових відкриттів: Монографія. Х.: Оберіг, 2007.

4. http://abrakitov.narod.ru/average-monograph.htm В. Э. Абракитов. На пути к научным открытиям. Реферат монографии В. Е. Абракiтова "На шляху до наукових вiдкриттiв". (Открытая, общедоступная публ. в Интернет работы [3]).

5. http://discovery.h11.ru Сайт научных открытий и изобретений.