Designing Sound

Multistrike Discharges
Once it has forged a path through the air it leaves a trail of ions that make
the path more conductive, so the remaining electrical energy in a cloud tends

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Thunder
to flow through the same path many times. Up to 50 strikes through the same
path have been observed as little as 50ms apart. Just as a capacitor discharges
through a resistor the charge in the cloud decays away. In figure 40.1 you can see
that if the energy needed to overcome the insulation of air and create a spark
remains fairly constant then the time between strikes tends to increase. In fact
there is a mixture of both time and energy decay with the first strike being
the most intense and the remainder getting less energetic and less frequent,
until they reach some lower threshold point where the lightning no longer has
enough energy to break down the air and strike again.
Energy (J)
Time (s)
Energy per strike fairly constant
Time between strikes grows
Figure 40.1
Discharge of multiple strikes.
Propagation and Superposition
An observer some distance from a strike will receive different sounds from the
event at different times. If we approximate the (cloud-to-ground) bolt as a
straight line perpendicular to the earth, then it forms the opposite side of a
right triangle with the observer at the end of some adjacent distance, and the
path of propagation is the hypotenuse to some point on the bolt at some height.
Now, since we know that sound is emitted from all points on the bolt simul-
taneously, some must arrive at the observer later than others (and travel a
greater distance). Those travelling from high up the bolt are subject to more
propagation effects, since they travel further to reach us. Those from near the
ground are also subject to diffraction, refraction, and reflection. We will briefly
consider these next. In figure 40.2 you can see a representation of shockwaves
coming from a tortuous strike. Some of the waves will reinforce, creating enor-
mously loud bangs, while others will cancel out. The lines traced from points
on the strike to the observer represent different propagation times so you can
imagine how a single, simultaneous strike is stretched out in time.

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