Мы представляли себе атомы, частицы, колебания и волны, которых никогда не видит глаз, не слышит ухо и которые можно различить только при помощи воображения. Джон Тиндаль
причина, вследствие которой он слабеет… Он теряет часть своей энергии, и мы говорим в этом случае о «поглощении (абсорбции) звука», о «поглощающих звук веществах»… Уильям Генри Брэгг
В оптике и акустике эти опыты рассматриваются как доказательства волновой природы света и звука… Генрих Герц
Рассмотрим простейший пример – распространение звука в одномерном пространстве. Для вывода нам сначала необходимо понять, что же в действительности происходит. Ричард Фейнман
Когда звук распространяется по воздуху, по воде и в твердом теле, то… он рассеивается. Но есть и другая
А так ли хорошо знакомо вам
?
распространение звука
Немало физиков, занимающихся акустикой, обращали внимание на схожесть некоторых звуковых явлений с оптическими. Верно и обратное: изучение света побуждало искать аналогии с распространением звуковых колебаний. С тем же столкнулись и мы, решив посвятить новый выпуск «Калейдоскопа» волновым процессам, – обнаружили множество точек пересечения акустики и оптики. Пришлось делить тему пополам, и если мы сегодня сосредоточимся на звуке, то в следующий раз обязательно обратимся к электромагнитным волнам, прежде всего – световым. Отметим сразу, что и тут и там во всем разнообразии волновых явлений в первую очередь нас будут интересовать ситуации, связанные с рассеянием и поглощением. Нельзя сказать, что им уделено достаточно внимания в курсе элементарной физики, в то время как в жизни мы встречаемся с ними повседневно. Если говорить о звуковых волнах, то они – один из главнейших источников информации об окружающем нас мире. Разговорная речь, музыка, звуки живой природы, обмен сообщениями по телефону, аудиотехника – мы живем в акустически насыщенной атмосфере. Неизмеримо возросла и плотность вредных звуков – раздражающих, а порой и просто опасных для здоровья шумов. Как донести одни из них до нас с возможно меньшими потерями и искажениями, а другие (если не удается избавиться от них) хотя бы ослабить? Как поставить нам на службу неслышимые звуки? В поисках ответов последуем совету Фейнмана и начнем с относительно простых акустических примеров.
Вопросы и задачи 1. Почему закрытые окна гораздо заметнее защищают от дорожных шумов помещения на верхних этажах здания, чем на нижних? 2. Известно, что дерево проводит звук лучше, чем воздух. Отчего же разговор, происходящий в соседней комнате, заглушается, когда деревянная дверь в эту комнату закрыта? 3. Почему звук получается более громким, если стучать не в стену, а в дверь? 4. Куда девается энергия звуковых колебаний, когда звук «замирает»? 5. Зачем суфлерскую будку обивают войлоком? 6. При выступлении оркестра в большом зале музыка звучит по-разному в зависимости от того, заполнен зал людьми или пуст. Чем это объяснить? 7. Наши предки могли расслышать далекий топот копыт, припав ухом к земле. Почему же этот звук не был слышен в воздухе? 8. Отчего в туман гудки, например электричек или теплоходов, слышны на большем расстоянии, чем в ясную погоду? 9. Колеблющийся в руке камертон звучит тихо, а если поставить его ножку на стол, громкость звучания возрастает. Почему? 10. Дольше ли будет звучать «громкий» камертон из предыдущей задачи по сравнению с «тихим»? 11. Как объяснить тот факт, что на большом расстоянии голос может быть и слышен, но слов при этом разобрать нельзя? 12. Участникам антарктических экспедиций, когда они прорывали туннели в снегу, приходилось кричать, чтобы быть услышанными даже на расстоянии в пять метров. Однако слышимость заметно возрастала, когда стенки туннеля утрамбовывали. С чем это связано? 13. Почему в комнате обычных размеров не бывает эха? 14. Отчего эхо от высокого звука, например крика, обычно громче и отчетливее, чем от низкого? 15. Случайно залетая в окно, летучая мышь иногда садится людям на голову. Почему? 16. В модели изображенной на рисунке «галереи шепотов» звуковые волны от свистка заставляли
мерцать пламя свечи, установленной у противоположной стены. Но мерцание прекращалось, если сбоку от пламени и свистка вблизи стены помещали узкий экран. Как же этот экран преграждал путь звуку? 17. Отчего иногда звуковой «луч» локатора, направленный на подводную лодку с небольшого расстояния, тем не менее не достигает ее?
Микроопыт Поделитесь сухариками со своим товарищем и начните вместе с ним их грызть. Не кажется ли вам, что вы производите гораздо больше шума, чем находящийся рядом сосед? Почему?
Любопытно, что… …давно известные в медицине способы диагностики – выстукивание и прослушивание – нашли применение в акустической дефектоскопии, позволяющей по рассеянию и поглощению посланного в исследуемую среду звукового сигнала определить наличие в ней неоднородностей. …разгадка описанного в задаче 16 эффекта «галереи шепотов» была найдена в 1904 году знаменитым лордом Рэлеем во время его наблюдений и экспериментов в Лондонском соборе святого Павла. Почти через сто лет подобная разновидность волн стала предметом исследования и применения в оптике, например – для частотной стабилизации лазеров или преобразования частоты светового луча. …инфразвуковые волны очень слабо затухают в атмосфере, океане и земной коре. Так, мощное низкочастотное возмущение, вызванное извержением в 1883 году индонезийского вулкана Кракатау, обежало земной шар дважды. …с удалением от эпицентра ядерного взрыва ударная волна превращается в акустическую, причем короткие волны затухают быстрее, чем длинные, и на больших расстояниях сохраняются лишь колебания низких частот. Фиксация таких – инфразвуковых – волн была предложена в середине 50-х годов прошлого века академиком И.К.Кикоиным как метод обнаружения ядерных взрывов, который впоследствии успешно применялся для регистрации испытаний, проводимых США в Тихом океане. …изобретению Беллом телефона предшествовало основательное изучение им акустики и многолетняя работа в бостонской школе для глухонемых, которым предназначались также сконструированные им усилители звука и приборы для обучения пониманию речи. …особенность свежевыпавшего снега поглощать в основном высокие частоты была замечена английс- ким физиком Тиндалем, совмещавшим акустические и оптические исследования. А Рэлей, искавший общее во всех колебательных процессах, сумел объяснить повышение тона эха в сосновом лесу лучшим рассеянием и отражением тонкой хвоей коротких звуковых волн, чем длинных, – как при рассеянии света в атмосфере. …в одном из помещений консерватории в австралийском городе Аделаиде было невозможно слушать игру на рояле – так пронзительно и резко резонировал зал. Из этого положения нашли выход, свесив с потолка несколько полуметровых в ширину полос саржи – хлопчатобумажной ткани с особой отделкой поверхности, позволяющей хорошо поглощать звук. …звуковые колебания частотой 200–400 герц при достаточно больших уровнях их интенсивности могут очень сильно замаскировать почти все вышележащие частоты. Например, мелодии органа и контрабаса отчетливо слышны в оркестре, хотя их относительная громкость не превышает такие высокозвучащие инструменты, как скрипка и виолончель. …если «озвучивать» сиренами трубопроводы для транспортировки сыпучих грузов – муки, угольной пыли, измельченной руды, то их пропускная способность возрастает. Такие устройства используются в портах для выгрузки порошкообразных материалов из трюмов грузовых судов. Единственный их недостаток – пронзительный вой. …колебания звуковой частоты могут использоваться для сушки разнообразных материалов при сравнительно низких температурах, в том числе за счет местного их нагрева при поглощении акустических волн. …ультразвук способен «смешать» ртуть или масло с водой, измельчить в порошок твердые вещества при изготовлении лекарств, продолбить квадратное отверстие в металле, резать и сверлить стекло и кварц, соединить «непаяющиеся» материалы и много чего еще удивительного, но вот создать ультразвуковое оружие, увы, нельзя. Особенности распространения и поглощения ультразвука приводят к такому сильному его затуханию, что даже на расстояние всего в несколько десятков метров он передает энергию, достаточную для работы лишь… лампочки от карманного фонарика.
Что читать в «Кванте» о распространении звука
(публикации последних лет) 1. «Калейдоскоп «Кванта» – 2003, №1, с.32; 2. «Звук в пене» – 2004, №4, с.12; 3. «Речь с позиции физики и математики» – 2006, №6, с.2; 4. «Как океаны говорят друг с другом: подводная акустика» – 2006, Приложение №6, с.123; 5. «Логарифмические шкалы» – 2007, №2, с.6; 6. «Взрыв» – 2007, №6, с.5; 7. «Ударные волны и детонация» – 2008, №1, с.4; 8. «Физика ядерного взрыва» – 2008, №2, с.7.
Материал подготовил А.Леонович