¿Por qué la dirección del viento afecta significativamente la propagación del sonido?

Question

Vivo a unos 2 kilómetros de un autódromo.

Algunos días, el ruido de las pruebas es extremadamente notable. Otros días, a pesar de la misma actividad de pruebas, apenas hay ruido en absoluto.

Esto se ve mayormente afectado por la dirección del viento.

¿Cómo afecta la dirección del viento a la propagación del sonido? Dada la velocidad del sonido vs la velocidad del viento, que generalmente es solo unos pocos por ciento, ¿por qué y cómo hace tanta diferencia dramática?

Answer 1

Dado que el mecanismo está tan bien escrito en Reddit aquí, ni siquiera intentaré parafrasearlo. Aquí está:

Sí, el viento tiene un efecto en la velocidad del sonido, y este efecto tiene interesantes implicaciones para la propagación del sonido al aire libre.

Una onda acústica, como sabes, es una onda mecánica que viaja a través de un medio. El sonido con el que lidiamos más a menudo se transmite a través del medio del aire, a una velocidad de alrededor de 343 m/s.

El viento es el movimiento en masa del aire en una dirección dada.

Cuando combinas estas dos ideas, obtienes que el sonido es una onda que se mueve a través de un medio en movimiento. No sorprendentemente, eso significa que la velocidad de la onda acústica es igual a la velocidad de la onda más la velocidad del viento en esa dirección. Es decir, si el viento se mueve a 20 mph (8.9 m/s), entonces el sonido viajará aguas abajo a 351.9 m/s, aguas arriba a 334.1 m/s y transversalmente a los regulares 343 m/s. Ten en cuenta que se necesita una velocidad significativa del viento para alterar apreciablemente la velocidad del sonido en cualquier dirección dada.

Lo realmente interesante es cómo los gradientes de velocidad del viento alteran el camino que toma el sonido a través del aire. Como regla general, las ondas de sonido se doblan hacia regiones de menor velocidad del sonido (un efecto conocido como refracción que es un resultado directo de la ley de Snell). Junta esto con el hecho de que la velocidad del viento tiende a aumentar con mayor distancia desde el suelo, y descubrirás que el sonido se refracta hacia abajo cuando se mueve con el viento y hacia arriba cuando se mueve contra el viento.

El sonido tiende a emanar de fuentes en aproximadamente todas las direcciones. Algo va hacia el oyente, algo se aleja del oyente y algo se dispara hacia el cielo. Cuando consideras el efecto de la refracción, la pregunta es "¿Va más sonido al cielo o a la fuente?" Como resultado, dependerá de dónde estés con respecto al viento.

Si estoy escuchando a alguien hablar desde lejos, y hay viento, probablemente quiera estar situado a favor del viento. ¿Por qué? Porque el sonido que normalmente se eleva hacia la atmósfera se refractará hacia abajo hacia mí, centrándose en mí. Por el contrario, si estuviera situado en contra del viento, el sonido se refractaría hacia arriba y lejos de mí, lo que me haría recibir un nivel efectivo más bajo.

@Farcher mencionó la gradiente de temperatura en los comentarios, que en mi opinión tiene un efecto bastante pequeño.

Agradecimientos al usuario de Reddit therationalpi.