Wie viele Informationen über das Ausmaß eines Wasserfalls lassen sich aus seinem Klang gewinnen?

Bitte beachten Sie, dass das Folgende alles Vermutungen ist. Ich mache es nur freiwillig, weil nach mehreren Tagen keine anderen Antworten vorliegen, die Frage cool ist und wahrscheinlich keine Personen / Referenzen vorhanden sind, die explizit Erfahrung mit diesem speziellen Thema haben.

Grundlegendes Bild

Als allgemeine Beziehung kann man sicher die Schalllautstärke mit der Gesamtenergie korrelieren, die dissipiert wird - aber das erzeugte Geräusch wird ein (praktisch) vernachlässigbarer Bruchteil dieser Gesamtenergie sein (im Allgemeinen karies sehr wenig Energie ¹ ).

Ich denke, es ist sicher anzunehmen, dass der Wasserfall in nullter Ordnung weißes Rauschen erzeugt , aber das muss offensichtlich geändert werden, um genauer zu sein (dh wahrscheinlich rosa / braun in erster Ordnung ). Auch bei der Betrachtung des Übergangs von einem kleinen/graduellen Gefälle zu einem tatsächlichen Wasserfall kann ich mich davon überzeugen, dass neben der Wassermenge durchaus auch eine Abhängigkeit von der Fallhöhe besteht ² .

Wie würde sich die Höhe auf das Spektrum auswirken?

Im Allgemeinen weisen Leistungsspektren Hoch- und Niederenergie-Leistungsgesetz-(ähnliche) Abschaltungen auf, und ich würde in diesem Fall dasselbe erwarten. Wenn Sie im Niederfrequenzbereich mit einer gleichmäßigen Strömung vor dem Wasserfall beginnen, gibt es nichts, was größere Störungen als die physische Größe des Wasserfalls selbst hervorrufen könnte. Ich würde also einen Niedrigenergie-Cutoff bei einer Wellenlänge erwarten, die mit der Wasserfallhöhe vergleichbar ist . Mit anderen Worten, je höher der Wasserfall, desto leiser das Grollen .

Es muss auch eine hohe Energieabschaltung geben, schon aus keinem anderen Grund, um eine UV-Katastrophe / -Divergenz zu vermeiden . Aber physikalisch, was würde es verursachen? Vermutlich stammen die Störungen im kleinsten Maßstab (höchste Frequenz) von der Strömungsturbulenz ³ und würden somit hauptsächlich durch die Viskosität und die Dissipation des Fluids ⁴ bestimmt . Im Allgemeinen fällt ein solches Spektrum wie die Wellenzahl (Frequenz) zur Potenz von -5/3 ab. Beachten Sie jedoch, dass sich diese hochfrequente Grenzfrequenz nicht von Wasserfall zu Wasserfall zu ändern scheint .

Insgesamt schlage ich Folgendes vor (sprich: Vermutung):

• Exponentielle Niederfrequenz- oder Potenzgesetz-Grenzfrequenz bei Wellenlängen, die mit der Höhe des Wasserfalls vergleichbar sind.
• Hochfrequenz-Power-Law-Cutoff aus einem Kolmogorov-Turbulenzspektrum bei einer Wellenlänge, die mit der viskosen Längenskala vergleichbar ist.
• Diese Regime wären durch ein Leistungsgesetz mit rosa/braunem Rauschen verbunden.
• Die Amplitude des Schalls ist direkt proportional zu einem Produkt aus Durchflussrate und Wasserfallhöhe (ich würde vermuten, dass der frühere Begriff dominieren würde).

ZB: Das folgende Leistungsspektrum (Leistung vs. Frequenz - beides in willkürlichen Einheiten).

Die Antwort

Ich bin sicher, dass Informationen aus dem Ton gewonnen werden können. Insbesondere Schätzungen seiner Höhe/Größe, Durchflussrate und Entfernung ⁵ . Ich bin mir auch sicher, dass dies in der Praxis ziemlich schwierig wäre, und für die meisten Zwecke wäre das bloße Zuhören und Schätzen wahrscheinlich genauso genau wie jede quantitative Analyse;)

Zusätzliche Überlegung?

Ich nehme an, seine möglichen Wassertropfen könnten zusätzliche Geräusche in Größenordnungen erzeugen, die mit ihrer eigenen Größe vergleichbar sind. Das wäre ziemlich cool, aber ich habe keine Ahnung, wie ich einschätzen/schätzen soll, ob das wichtig ist oder nicht. Wahrscheinlich würden sie nur bei Wellenlängen, die mit ihrer Größe vergleichbar sind, zum Schall beitragen (und sind daher durch die maximale / minimale Wassertropfengröße ⁶ ... eingeschränkt).

Wasser, besonders in einem Nebel/Spray, kann Schall sehr effektiv dämpfen ( was früher für das Space-Shuttle verwendet wurde ). Ich würde davon ausgehen, dass dies einen erheblichen Einfluss auf den resultierenden Klang für Höhen / Durchflussmengen haben würde, bei denen ein Nebel / Spray erzeugt wird.

Die akustischen Eigenschaften der Landschaft könnten ebenfalls wichtig sein, d. h. ob die Landschaft offen ist (wobei der Wasserfallabfall wie eine Stufenfunktion ist) oder geschlossen (wie der Abfall am Ende eines U-förmigen Tals, etc).

Schließlich könnten die zusätzlich beteiligten Oberflächen wichtig sein: z. B. Felsen, die Oberfläche des Wasserfallabfalls, Sand in der Nähe des Wasserfallbodens usw. usw.

Endnoten

1: Überlegen Sie, wie viel Klang ein 60-Watt-Verstärker erzeugt, und gehen Sie von einem Wirkungsgrad von vielleicht 10 % aus (wahrscheinlich optimistisch). Das ist laut und hat im Vergleich zu einem Wasserfall mit vergleichbarer Lautstärke eine geringe Leistung. Die überwiegende Mehrheit der Wasserfallenergie wird als Hitze, Turbulenz und Massenbewegung enden.

2: Ich würde auch vermuten, dass die Höhe/Volumen-Mischung nach einem gewissen Sättigungspunkt (dh 1000 m ³ /min bei 20 m Höhe ist ungefähr dasselbe wie 500 m ³ /min bei 40 m Höhe) ... aber lassen wir das vorerst außer Acht.

3: Turbulenz neigt dazu, Energie von großen auf kleine Skalen zu übertragen.
Siehe: http://en.wikipedia.org/wiki/Turbulence

4: Das Herausfinden der tatsächlichen Beziehung für die kleinste Größenskala von Turbulenzen geht sowohl über meinen Kopf als auch, denke ich, außerhalb des Maßstabs dieser „Antwort“. Aber es beinhaltet Dinge wie das Kolmogorov-Spektrum und die damit verbundene Längenskala .

5: Die Entfernung könnte Schätzungen sein, die auf einer Kombination des Spektrums und des Lautstärkepegels basieren – um die Entartung zwischen Klanglautstärke und Entfernung zu entwirren.

6: Vielleicht wird die minimale Tröpfchengröße dadurch bestimmt, dass sie sich ballistisch verhält (anstatt einen Nebel zu bilden)?

ausgezeichnete Diskussion, ich erforsche derzeit kleine Wasserfälle in Großbritannien. In meiner bisherigen Forschung mit 1/3 Oktaven habe ich festgestellt, dass die Spektren von verschieden geformten Wasserfällen ähnlich sind (und eine Kombination aus Pink und Weiß). Besonderheiten, Felsen, Krümmung, Fallhöhe scheinen einen erheblichen Einfluss zu haben, ebenso wie Breite und Neigungswinkel, mit dem das Wasser auf die nachgelagerte Oberfläche / das Tauchbecken trifft (da nicht alle große Tauchbecken haben). Ich habe die Signalaufzeichnungen und könnte hinein Effekt-Nachbearbeitung in viel kleinere Frequenzbänder.

Darüber hinaus zeigen die Größeneffektergebnisse, dass verschiedene Parameter, die an den Feldstandorten gemessen wurden, unterschiedliche große Größeneffekte zu verschiedenen Frequenzen in einer nichtlinearen Formion und in einigen Fällen stochastisch beitragen.

Es gibt ein Buch namens The Acoustic Bubble von T. Leighton, das für diejenigen, die sich dafür interessieren, einige verrückte Mathematik hinzufügen kann. Ich bin der Meinung, dass Blasen einen signifikanten Einfluss auf die aufgezeichneten Spektren haben, vom Blasenplatzen bis zur Schallabsorption in bestimmten Frequenzen.

Obwohl ich nicht den Ehrgeiz habe, die Frage vollständig zu beantworten (ich bin kein Experte für Akustik oder Strömungsmechanik), werde ich versuchen, meine Sicht der Dinge mit allen zu teilen. Hoffentlich wird sich jemand durchsetzen und von dort aus etwas erreichen können.

Sie schlagen vor, drei Hauptparameter – Höhe, Volumenstrom und Abstand – durch Analyse der Schallaufzeichnung zu bestimmen. Zunächst einmal werden Sie einige ernsthafte Schwierigkeiten haben, die Entfernung zu finden. Obwohl die Schallintensität in einem perfekten Szenario dem Gesetz des umgekehrten Quadrats mit der Entfernung folgen sollte, wird sie in der Praxis stark vom Gelände beeinflusst. Erwägen Sie, hinter einem großen Felsen oder in direkter Sichtlinie zum Wasserfall versteckt zu stehen, wobei beide Entfernungen gleich sind. Im ersten Fall wird der Ton definitiv merklich schwächer. Der Klang wird sich wahrscheinlich auch unterscheiden, wenn Sie in einem Marktal oder auf einer offenen Ebene stehen.

Überspringen wir also die Distanz. Angenommen, wir haben eine schöne Stelle in der Nähe mehrerer Wasserfälle, die alle ähnlich sind und sich in ähnlichen Bedingungen befinden. Uns interessiert jetzt nur noch die Höhe und Strömung des Wasserfalls. Ich stimme Ihnen zu, dass die Schallenergie durch die Gravitationsenergie des fallenden Wassers gegeben wird – aber für eine gewisse Reibung, mögliche Änderung der kinetischen Energie des Wassers und Verluste aufgrund von Turbulenzen der Strömung. Nun, das erste, worüber ich mir nicht sicher bin, ist, wie werden diese Verluste durch die Höhe oder den Durchfluss des Wasserfalls beeinflusst? Ändern sich die Verluste linear mit diesen Parametern oder ist der Zusammenhang komplexer? Und gibt es weitere Faktoren, die eine Rolle spielen können?

Die zweite wichtige Frage ist, wie wird das Geräusch des Wasserfalls durch seine Höhe und Strömung beeinflusst? Hat einer von ihnen einen stärkeren Einfluss auf das Spektrum als der andere? Oder macht einen Wasserfall mit einer Höhe$h$und fließen$Q$haben den gleichen Klang wie ein Wasserfall mit Höhe$2h$und fließen$Q/2$? In meiner Unwissenheit ist es auch möglich, dass das Spektrum überhaupt nicht beeinflusst wird und sie gleich klingen, nur mit unterschiedlicher Intensität.

Meines (mangelnden) Wissens können diese Fragen nicht durch einige einfache theoretische Vorhersagen beantwortet werden, und der einzige mögliche Weg, eine Lösung zu finden, besteht darin, das Geräusch mehrerer Wasserfälle direkt zu messen und zu vergleichen. Aber wie gesagt, ich bin kein Experte auf diesem Gebiet und könnte genauso gut falsch liegen.

Was schließlich die praktische Umsetzung betrifft, wird es sehr schwierig sein, den Schall verschiedener Wasserfälle unter den gleichen Bedingungen zu messen. Der Klang wird stark durch Reflexionen (wenn Sie überall Steine ​​haben, ist die Reflexion stärker als mitten im Wald) oder andere Geräuschquellen (wie z. B. der Wasserfluss unter oder über dem Wasserfall) beeinflusst. Aber man kann diese vielleicht in der Nachbearbeitung eliminieren, wenn man die Bedingungen kennt, unter denen die Aufnahme gemacht wurde.

Bevor ich schließe, erinnere ich noch einmal daran, dass ich kein Experte auf dem Gebiet der Akustik oder Felddynamik bin und es möglich ist, dass meine Argumentation falsch ist. Aber ich glaube, dass dieser Beitrag eine Diskussion anstoßen kann, die zu einem schlüssigen Ergebnis führen wird.

Bearbeiten: Wie BrianWa in den Kommentaren darauf hingewiesen hat, wirkt sich die Höhe des Wasserfalls auf die Geschwindigkeit der herabfallenden Tröpfchen aus, und dies wirkt sich sicherlich auf das Klangspektrum aus. Ich glaube aber, dass diese Veränderung nur bis zu einer solchen Höhe beobachtbar sein wird, dass der Luftwiderstand beim Fallen die Schwerkraft kompensiert und der Tropfen die Geschwindigkeit nicht mehr erhöht. Alle Wasserfälle oberhalb dieser Schwelle werden daher wahrscheinlich das gleiche (oder sehr ähnliche) Klangspektrum haben.

Ich würde spekulieren, dass das Wasser an der Oberfläche bis zu einem gewissen Punkt umso schneller nach unten gedrückt wird, wenn der Wasserfall auf die Oberfläche trifft, je höher der Fall ist. Es kann also einen Doppler-Effekt innerhalb der Blase geben, der den Unterwasserschall bei höheren Stürzen stärker komprimiert.

Ob dies den Klang während der Berstzeit ausreichend beeinflusst, ist fraglich. Ich würde vermuten, dass eine schneller vorrückende Wand der Oberseite der Blase einige höherfrequente Geräusche erzeugt. Aber das menschliche Ohr kann verschiedene Frequenzen, die zu nahe beieinander liegen, nicht unterscheiden (Maskierung in der Psychoakustik).

Daher müsste eine Spektralanalyse durchgeführt werden. Analytisch würde ich spekulieren, dass die Masse für höhere Wasserfälle über das gesamte Spektrum von niedrigeren zu höheren Frequenzen verschoben wird (bis zu einer gewissen Grenze aufgrund der Endgeschwindigkeit).