Нурбей Гулиа - Удивительная физика
Но слишком уменьшать реверберацию тоже не стоит, так как звуки тогда быстро гаснут и не имеют достаточной громкости и яркости. Певцы и музыканты знают, как трудно петь и играть в небольших комнатах, переполненных мягкой мебелью, драпировками, коврами.
В одном из лучших в акустическом отношении зале – в Колонном зале Дома союзов в Москве – время реверберации около 1,75 секунды, когда он наполнен публикой, и около 4 секунд – в пустом.
Немалую роль в акустике помещений играет интерференция звука, о которой мы еще поговорим.
Отражение звука мы все хорошо знаем по слову «эхо». Эхо – это возвращение отраженных звуковых волн назад к источнику звука. Иногда отражение происходит несколько раз, тогда эхо становится многократным. Есть эхо, повторяющее выстрел 40—50 раз, а громкое слово – примерно 30 раз. В России имеется много мест, где слышно эхо. Если есть равнина, окруженная лесом, значит, с большой вероятностью есть и эхо. Стоит громко крикнуть или хлопнуть в ладоши на поляне, как звук, отразившись от кромки леса, вернется назад. В горах это встречается реже, зато бывает разнообразнее. На рис. 116 показана схема возникновения эха в случаях, когда препятствие выше источника звука, а на рис. 117 – на одном уровне и даже ниже его. Штриховыми линиями показан ход падающих и отраженных звуковых волн. Видно, что во втором случае эхо гораздо вероятнее.
Рис. 116. Когда источник звука ниже препятствия, эха может не быть Рис. 117. Для «хорошего» эха, самому нужно находиться не ниже препятствияЧтобы самому найти эхо, не надо слишком приближаться к препятствию, иначе прямой и отраженный звуки просто сольются и продлят друг друга (это и называется реверберацией). Если мы находимся на расстоянии 160—170 м от препятствия, то эхо вернется через секунду. Лучше всего эхо отзывается на хлопанье в ладоши. Годятся и резко произнесенные слова, особенно высоким женским или детским голосом.
Таким образом, лес, высокий забор, гора, дом, другие преграды, отражающие эхо, являются самыми настоящими «зеркалами» для звука. Ибо они отражают звук совсем как зеркало свет. А если это зеркало вогнутое, как рефлектор, тогда как? Неужели звук, как и свет, сойдется в фокусе? Да, это так и произойдет; этим свойством звука пользовались, например, строители средневековых замков, где часто устраивали так называемые «звуковые зеркала» – вогнутые потолки или стены наподобие световых рефлекторов. В фокусах таких зеркал помещались «говорящие» статуи. «Звуковые зеркала» усиливают любые звуки, и посетителям кажется, что статуи разговаривают. Иногда в стенах устраивают полости – трубы, которые дают возможность услышать шепот в противоположном конце зала, – где звук усиливается звуковым зеркалом. На старинном рисунке (книга 1560 г. издания) показаны некоторые из этих хитростей – «звуковые зеркала», трубы, «говорящие статуи» (рис. 118).
Рис. 118. Звуковые курьезы и хитрости в древнем замкеВ Новоафонском Пантелеймоновском монастыре автор сам наблюдал, как шепот передавался к противоположной стене огромного зала с выпуклым потолком – звуковым зеркалом. Вот такие «подслушивающие» устройства были уже тогда, когда не существовало электроники.
Отражение звуковых волн используется в простейших устройствах для усиления звука – рупорах (рис. 119). Как мы знаем, рупоры есть и на духовых инструментах, были и на граммофонах (портативные граммофоны иногда назывались патефонами – от фирмы Патэ, их производившей). Отражаясь от стенок рупора, звук усиливается в направлении от узкой части рупора к широкой.
Рис. 119. Звук, отражаясь от стенок рупора, усиливаетсяВ принципе существуют и звуковые линзы, преломляющие звук. Рассуждая так, по аналогии со светом мы можем построить и звуковой микроскоп, и звуковой телескоп… Но звуковые линзы – надутые оболочки, мячи, подушки и т. д. – слишком грубы, чтобы служить приборами.
Очень интересное явление, которое свойственно всем волновым процессам, называется интерференцией. Если звуки одинаковых частот, изображенные на рис. 120 синусоидами – сплошной и штриховой, наложить друг на друга, то амплитуда суммарных колебаний может как удвоиться (рис. 120, а), так и стать равной нулю (рис. 120, б): звук исчезнет. Все зависит от того, складываются ли звуки без разности по фазе или в противофазе.
Рис. 120. Сложение звуков одинаковых частот: а – в одной фазе; б – в противофазеКак-то не верится, что если сложить звуки двух ревущих авиадвигателей, то можем получить абсолютную тишину. Что ж, проверим. Только для этого нам не придется идти на аэродром и просить там пилотов запустить двигатели у самолетов. Возьмем две телефонные трубки и запитаем их током от одного источника частотой около 1 000 Гц. Трубки будут гудеть одинаковым тоном, которой должен быть достаточным по громкости. Расположим эти трубки на расстоянии 1,5 м друг от друга. Станем на расстоянии 5 – 6 м от трубок, зажмем одно ухо пальцем и, медленно перемещая голову, обнаружим в пространстве зоны, где трубки ревут с удвоенной громкостью и где они почти замолкают. Расстояние между этими зонами около 1 м. Своими перемещениями уха мы нашли как такую точку, где звуки были в одной фазе и сложились по громкости, так и такую, где они оказались в противофазе и исчезли. Конечно, для реального «аннулирования» рева двигателей наши действия должны быть посложнее.
И еще один интересный эффект, связанный со звуком, как впрочем и со светом как явлением волновым.
Не надо, наверное, обладать музыкальным слухом, чтобы заметить, как изменяется тон, высота звука, гудка локомотива, когда встречный поезд проносится мимо вас. Пока оба поезда сближаются, тон был намного выше, чем после встречи, когда поезда начали удаляться друг от друга. Отчего же это происходит?
Гудок встречного локомотива издает все время один и тот же звук вполне определенной частоты. Но ухо воспринимает различное число колебаний в секунду, в зависимости от того, двигаетесь ли вы навстречу гудку или удаляетесь от него. Двигаясь навстречу, вы за секунду улавливаете больше колебаний, так как источник звука сам движется вам навстречу. Звук кажется вам выше.
И все происходит наоборот, если вы удаляетесь от источника звука – тогда звук кажется вам ниже по тону. Такой эффект кажущегося изменения частоты называется эффектом Доплера, по имени австрийского физика К. Доплера (1803—1853).
Известно, что изменение частоты у световых волн приводит к изменению цвета – чем выше частота, тем ближе к фиолетовому и дальше от красного будет цвет. Стало быть, при движении навстречу источнику света красный цвет изменится на желтый, а возможно, на зеленый, синий и фиолетовый.
Этого вопроса мы еще коснемся, когда будем говорить о свете и цвете. Просто автор, забегая вперед, упомянул об эффекте Доплера касательно света для того, чтобы рассказать об анекдотичном случае, происшедшем с уже известным нам Робертом Вудом.
Однажды полицейский остановил автомобиль Вуда за езду на красный свет светофора. Вуд же, пытаясь оправдаться, рассказал полицейскому, что при движении навстречу источнику красного цвета из-за эффекта Доплера этот цвет вполне мог показаться ему зеленым. Но полицейский все-таки оштрафовал Вуда, не за езду на красный свет, а… за превышение дозволенной скорости. Еще бы – для того, чтобы принять красный свет за зеленый, Вуд на своем автомобиле должен был мчаться навстречу светофору с фантастической скоростью в 135 млн км/ч!
Но шутка-шуткой, а ведь именно эффект Доплера позволил ученым на основании наблюдаемого «красного смещения» сделать вывод о расширении Вселенной и о том, что когда-то она была сжата «в точку».
О чем спорили Исаак Ньютон с Христианом Гюйгенсом?
А заспорили они о том, что же такое свет? Древние ученые очень уж мистически его представляли себе. Считалось, что из глаз человека, животных и других существ выходят особые тонкие щупальца и при ощупывании ими предметов глаз их видит. Ну до этого только ученые и могли додуматься! Во-первых, как быть с «ощупыванием» далеких и горячих предметов? Как этим щупальцам дотянуться, например, до Солнца? Да и сгорят они там, из чего бы ни были сделаны.
Или если покажут что-нибудь интересненькое, то каждый свои щупальца туда и потянет. Перепутаются они там, да и мест для ощупывания на этом «интересненьком» не хватит, если смотрит на это много народа.
Более правдоподобную гипотезу о природе света выдвинул 2 500 лет назад греческий математик Пифагор (тот, чьи «штаны во все стороны равны»). Он считал, что каждый предмет постоянно испускает во все стороны потоки мелких частиц, которые, попадая в глаза, вызывают ощущения либо света, либо очертаний предметов.
Но по-настоящему научный спор возник в XVII в. между так называемой корпускулярной и волновой теориями природы света. Первая связана с именем Исаака Ньютона, а вторая – Христиана Гюйгенса.
