Специализированная школа-интернат

Исторический очерк. Первый период

Исторический очерк акустики — одна из самых древних областей знания, зародившаяся из потребности дать объяснение явлениям слуха и речи и в особенности музыкальным звукам и инструментам. Ещё древнегреческий математик и философ Пифагор (VI в. до н. э.) обнаружил связь между высотой тона и длиной струны или трубы; Аристотель (IV в. до н. э.) понимал, что звучащее тело вызывает сжатия и разрежения воздуха, и объяснял эхо отражением звука от препятствий.

Период средневековья мало что дал развитию акустики; её прогресс становится заметным, начиная с эпохи Возрождения. Итальянский учёный Леонардо да Винчи (XV—XVI вв.) исследовал отражение звука, сформулировал принцип независимости распространения звуковых волн от разных источников.

Историю развития акустики, как физической науки, можно разбить на три периода. Первый период — от начала XVII в. до начала XVIII в. — характеризуется исследованиями системы музыкальных тонов, их источников (струны, трубы), скорости распространения звука. Г. Галилей обнаружил, что звучащее тело испытывает колебания и что высота звука зависит от частоты этих колебаний, а интенсивность звука — от их амплитуды. Французский учёный М. Мерсенн, следуя Галилею, уже мог определить число колебаний звучащей струны; он впервые измерил скорость звука в воздухе. Р. Гук (Англия) устанавливает на опыте пропорциональность между деформацией тела и связанным с ней напряжением — основной закон теории упругости и акустики, а Х. Гюйгенс (Голландия) — важный принцип волнового движения, названный его именем.

Средневековая гравюра и древнегреческая вазопись с изображением музыкальных интсрументов

Второй период

Второй период охватывает два века — от создания основ механики И. Ньютоном (конец XVII в.) и до начала XX в. В этот период акустика развивается как раздел механики. Создаётся общая теория механических колебаний, излучения и распространения звуковых (упругих) волн в среде, разрабатываются методы измерения характеристик звука (звукового давления в среде, импульса, энергии и потока энергии звуковых волн, скорости распространения звука). Диапазон звуковых волн расширяется и охватывает как область инфразвука (до 16 гц), так и ультразвука (свыше 20 кгц). Выясняется физическая сущность тембра звука (его «окраски»).

С работ Ньютона начинается расцвет классической физики. Механика, гидродинамика и теория упругости, теория волн, акустика и оптика развиваются в тесной связи друг с другом. Члены Петербургской Академии наук Л. Эйлер и Д. Бернулли и французские учёные Ж. Д'Аламбер и Ж. Лагранж разрабатывают теорию колебаний струн, стержней и пластинок, объясняют происхождение обертонов. Немецкий учёный Э. Хладни (конец XVIII — начало XIX вв.) экспериментально исследует формы звуковых колебаний, совершаемых различными звучащими телами — мембранами, пластинами, колоколами. Т. Юнг (Англия) и О. Френель (Франция) развивают представления Гюйгенса о распространении волн, создают теорию интерференции и дифракции волн. Х. Доплер (Австрия) устанавливает закон изменения частоты волны при движении источника звука относительно наблюдателя. Огромное значение не только для акустики, но и для физики в целом имело создание методов разложения сложного колебательного процесса на простые составляющие — анализа колебаний — и синтеза сложных колебаний из простых. Математический метод разложения периодически повторяющихся процессов на простые гармонические составляющие был найден французским учёным Ж. Фурье. Экспериментально анализ звука — разложение его в спектр гармонических колебаний с помощью набора резонаторов — и синтез сложного звука из простых составляющих осуществил немецкий учёный Г. Гельмгольц. Подбором камертонов с резонаторами Гельмгольцу удалось искусственно воспроизвести различные гласные. Он исследовал состав музыкальных звуков, объяснил тембр звука характерным для него набором добавочных тонов (гармоник). На основе своей теории резонаторов Гельмгольц дал первую физическую теорию уха как слухового аппарата. Его исследования заложили основу физиологической акустики и музыкальной акустики. Весь этот этап развития акустики подытожен английским физиком Рэлеем (Дж. Стретт) в его классическом труде «Теория звука».

На рубеже XIX и XX вв. важные работы по акустике были выполнены русским физиком Н. А. Умовым, который ввёл понятие плотности потока энергии для упругих волн. Американский учёный У. Сэбин заложил основы архитектурной акустики. Русский физик П. Н. Лебедев (вместе с Н. П. Неклепаевым) выделил из резкого звука электрической искры ультразвуковые волны с частотами до нескольких сот кгц и исследовал их поглощение в воздухе.

К началу XX в. интерес к акустике ослабевает; акустику считают теоретически и экспериментально завершенной областью науки, в которой остались нерешенными лишь задачи частного характера.

портрет сэра Исаака Ньютона и лорд Джон Ульям «Рэлей» Стретт за работой

Третий период

Третий, современный период в истории акустики, начинающийся в XX-х гг. XX в., связан, прежде всего, с развитием электроакустики и созданием радиотехники и радиовещания. Перед встал новый круг проблем — преобразование звуковых сигналов в электромагнитные и обратно, их усиление и неискажённое воспроизведение. В то же время радиотехника и электроакустика открыли невиданные ранее возможности развития акустики Электроакустика появилась ещё в последней четверти XIX в. В 1876 был изобретён телефон (Белл, США), в 1877 — фонограф (Эдисон, США). В 1901 была разработана магнитная запись звука, примененная затем в магнитофоне и звуковом кино. В начале XX в. электромеханические преобразователи звука были применены в громкоговорителях, а в XX-х гг. стали основой всей современной акустической аппаратуры.

Электронная лампа дала возможность усиления чрезвычайно слабых акустических сигналов, преобразованных в электрические. Были разработаны методы радиоакустических измерений, анализа и воспроизведения звука. Эти новые возможности революционизировали акустику, превратив её из считавшейся завершенной области механики в самостоятельный раздел современной физики и техники.

Развитие акустики в первой половине XX в. получило мощный импульс в связи с запросами военной техники. Задача определения положения и скорости самолёта (звуковая локация в воздухе), подводной лодки (гидролокация), определение места, времени и характера взрыва, глушение шумов самолёта — все эти проблемы требовали более глубокого изучения механизма образования и поглощения звука, распространения звуковых (в частности, ультразвуковых) волн в сложных условиях. Проблемы генерации звука стали предметом обширных исследований и в связи с развитием общей теории колебаний, охватывающей воедино механические, электрические и электромеханические колебательные процессы. В 20-х и 30-х гг. много работ было посвящено теории автоколебаний — самоподдерживающихся колебаний системы, связанной с постоянным источником энергии; большой вклад в разработку этой теории внесла советская школа физиков, возглавлявшаяся Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Падалеки. Особый интерес вызвал вопрос о распространении звуковых волн большой интенсивности (например, взрывных волн); работы русских физиков А. А. Эйхенвальда и Н. Н. Андреева в этой области внесли значительный вклад в нелинейную акустику, предметом исследования которой являются мощные звуковые поля. М. Лайтхилл (Англия, 1952) дал общую теорию аэродинамической генерации звука, изучающую возникновение звука в движущейся среде за счёт неустойчивости потока газа. Н. Н. Андреев и И. Г. Русаков (1934), Д. И. Блохинцев (1947) разработали основы акустики движущихся сред.

Первые успехи в гидроакустике были достигнуты французским физиком П. Ланжевеном (1916), применившим ультразвуковые волны для измерения глубины моря и обнаружения подводных лодок. Явление сверхдальнего распространения звука взрыва в море в подводных звуковых каналах было открыто независимо американскими учёными (М. Ивингом и Д. Ворцелем, 1944) и советскими учёными (Л. М. Бреховских, Л. Д. Розенбергом, 1946). Проблемам звукопоглощения и звукорассеяния, которые приобрели особую актуальность в связи с развитием архитектурной и строительной акустики, были посвящены исследования С. Н. Ржевкина, Г. Д. Малюжинца и В. В. Фурдуева. Большое внимание было уделено изучению акустических шумов и методам их устранения.

Изучение влияния структуры среды на распространение звука в свою очередь создало возможность применения звуковых волн для зондирования среды, в частности атмосферы; это привело к развитию атмосферной акустики.

В последние два десятилетия чрезвычайно большое значение приобрели исследования ультразвука, особенно высоких частот и больших интенсивностей, ставшего средством изучения структуры и свойств вещества. Ещё в 20-гг. советский учёный С. Я. Соколов применил ультразвук для дефектоскопии металлов. В Германии Х. О. Кнезер (1933) обнаружил явление сильного поглощения и дисперсии ультразвука в многоатомных газах. Позднее дисперсия и аномальное поглощение ультразвука были обнаружены также и в жидкостях. Общая теория этих явлений, т. н. релаксационная теория, была дана Л. И. Мандельштамом и М. А. Леонтовичем (1937). Ультразвуковые колебания высокой частоты вызывают также перестройку структуры жидкостей, диссоциацию молекул и многие другие эффекты. На стыке акустики и оптики Мандельштам (1918, 1926) и Л. Бриллюэн (Франция, 1922) создали теорию рассеяния света на ультразвуковых волнах в жидкостях и твёрдых телах (см. Мандельштама — Бриллюэна явление). Это явление оказалось важным для изучения молекулярной структуры вещества.

Круг вопросов, связанных с влиянием молекулярной структуры вещества на распространение ультразвука, называют молекулярной акустикой, которая изучает поглощение и дисперсию ультразвука, в многоатомных газах, жидкостях и твёрдых телах. Ультразвук оказался не только средством исследования, но и мощным орудием воздействия на вещество.

Важное значение приобрели исследования гиперзвука (частоты 1 Ггц и выше). Интенсивно исследуются взаимодействия гиперзвуковых волн с электронами в металлах и полупроводниках.

Глубокие преобразования произошли и в старых разделах А. В середине 20 в. начинается быстрое развитие психофизиологической акустики, вызванное необходимостью разработки методов неискажённой передачи и воспроизведения множества звуковых сигналов — речи и музыки — по ограниченному числу каналов связи. Эти вопросы А. входят в круг проблем общей теории информации и связи. Исследовались механизмы образования различных звуков речи, характер их звукового спектра, основные показатели качества речи, воспринимаемой на слух. Созданы приборы видимой речи, дающие видимые изображения различных звуков (см. также Звукового поля визуализация). Разрабатываются методы кодирования речи (сжатой передачи её основных элементов) и её расшифровки (синтеза), развернулись исследования механизмов слухового восприятия, ощущения громкости, определения направления прихода звука (венгерский учёный Д. Бекеши). В этой области акустики сомкнулась с физиологией органов чувств и биофизикой.

Таким образом, современная акустика по своему содержанию и значению далеко перешагнула те границы, в которых она развивалась до XX в.

Выдающийся акустик XX-го века - Поль Ланжевен и Александр Белл тестирует свое изобретение – телефон

Звуковые волны

При вибрации звучащее тело отклоняется от своего положения равновесия попеременно в противоположные стороны. При каждом отклонении оно сжимает одной своей стороной прилегающий к нему воздух, а другой стороной разрежает. С одной его стороны давление воздуха становится чуть больше атмосферного, и настолько же оно уменьшается на противоположной стороне. Разница между давлением в слое сжатия или разрежения и обычным атмосферным давлением называется акустическим или звуковым давлением.

Чередующиеся сжатия и разрежения, созданные вибрирующим телом — источником,— передаются в воздухе благодаря его упругости от слоя к слою, т. е. распространяются от места их возникновения во все стороны. Созданные вибрирующим телом сжатия и разрежения воздуха повторяются, постепенно затухая, в каждой точке пространства, куда достигнет волна.

Физики-акустики умеют измерять свойства звуковой волны. Наибольшее значение в этих измерениях имеет определение величины акустического давления и его частоты, т. е. количества колебаний в одну секунду. Единица этого измерения— герц — названа по имени немецкого ученого Генриха Герца. Герц — частота, при которой в одну секунду происходит одно колебание. Обозначается она гц.

Орган слуха у человека воспринимает упругие волны с частотами от 16 колебаний в секунду до 20 000, т. е. с частотами от 16 до 20 000 гц (20 кгц) Волны с частотами меньше 16 гц называют инфразвуком, с частотами больше 20 кгц — ультразвуком.

Чтобы иметь более полное представление о звуковой волне, нужно, кроме частоты, знать и ее длину — расстояние между ближайшими слоями сжатия (или разрежения) — и скорость ее распространения. Все эти величины: частота v, длина l и скорость v — взаимозависимы. Если измерить две из них, можно найти и третью. Их зависимость друг от друга можно выразить в простой формуле:

Так как период колебаний, т. е. время, за которое проходит одно колебание, определяется

через частоту T = 1 / v, то связь этих величин

l =vT.

выражается формулой

Когда над вашим ухом зудит комар, вы слышите звуки очень высокого тона. Их частота превышает 10 000 колебаний в секунду, длина же звуковой волны равна приблизительно 3,3 см.

В мычании быка нет звуков с частотой, большей 30 гц. Наименьшая длина волны такого звука равна примерно 10 м. Остальные звуковые волны в мычании быка длиннее 10 м.

Как измерили скорость звука

Мысль измерить скорость звука впервые пришла английскому философу Фрэнсису Бэкону. По его совету этим занялся французский ученый Марен Марсенн. В 1630 г. он провел наблюдение над выстрелом из мушкета. Расстояние между наблюдателем и мушкетом было поделено на время, прошедшее между вспышкой от выстрела и долетевшим до наблюдателя звуком. Марсенн нашел, что скорость звука равна 230 туазам в секунду, что соответствует 448 м/сек.

Спустя полвека английский ученый Исаак Ньютон вычислил скорость звука теоретически, исходя из упругих свойств воздуха и зависимости объема газа от давления, зависимости, выраженной законом Бойля—Мариотта. Эта скорость оказалась немногим более половины скорости, полученной в опыте Марсенна. Когда теория противоречит опыту, следует искать, где же ошибка. Ее начали искать и в теоретических рассуждениях Ньютона, и в опыте Марсенна.

В 1738 г. французская Академия наук повторила измерение скорости звука. Опыт был поставлен на холме Монмартр, близ Парижа. Было установлено, что скорость звука равна 171 туазу в секунду, что соответствует 337 м/сек. Несовпадение с опытом Марсенна объяснили тем, что его измерение времени было несовершенным. Однако и результат повторного опыта не соответствовал теоретической формуле Ньютона.

В 1808 г. французский ученый Пуассон выяснил, что закономерность, обнаруженная Бойлем и Мариоттом (именно она была положена в основу расчетов Ньютона), неприменима для описания, как распространяется звук в воздухе. Этот закон справедлив лишь в том случае, когда объем газа изменяется медленно — так, что сжимаемый газ отдает среде, которая его окружает, возникающее в нем тепло; или, наоборот, так, что медленно расширяющийся газ успевает нагреваться от окружающей среды. Следовательно, постоянство температуры воздуха (основное условие закона Бойля—Мариотта) может быть сохранено лишь в изотермических условиях, т. е. при свободном теплообмене между сжимаемым газом и окружающей этот газ средой.

Именно этих условий и нет в звуковой волне. Теплопроводность воздуха мала, а расстояние между слоями сжатия и разрежения велико. Избыток тепла из слоя сжатия не успевает перейти в слой разрежения. Давление и объем изменяются в соседних слоях без теплообмена и, следовательно, при изменяющейся температуре. Физические процессы, происходящие без теплообмена с окружающей средой, называются адиабатическими. В адиабатическом процессе сжимаемый газ нагревается (вспомните, как нагревается велосипедный насос, если очень быстро накачивать шину), а расширяющийся — охлаждается.

Различие между расширениями газа в изотермических и адиабатических условиях позволило французскому ученому Лапласу объяснить, почему скорость звука, вычисленная по формуле Ньютона, не совпадает с результатом опыта: колебания звукового давления в воздухе происходят в адиабатических, а не в изотермических условиях.

В 1822 г. близ Парижа вновь были поставлены опыты. В них участвовали ученые: Гей-Люссак, Араго, Гумбольдт и др. Результаты опыта совпали с теоретическими вычислениями Лапласа и подтвердили, что скорость звука возрастает с повышением температуры. В сухом воздухе при 0°Ц она равна 331,5 м/сек, а при 20°Ц — 344 м/сек.

При одной и той же температуре скорость звука больше в том газе, у которого меньше молекулярный вес. При 0°Ц. скорость звука:

в водороде — 1284 м/сек.

в гелии — 965 м/сек.

в азоте — 334 м/сек.

в кислороде— 316 м/сек.

В воде, упругость которой больше, чем у воздуха, звук распространяется

я при 20°Ц. со скоростью 1484 м/сек. Упругость твердых тел больше, чем

жидкости. В алюминии, железе, стали скорость звука равна примерно 5000 м/сек.

Энергия звуковой волны

Хаотическое движение частиц вещества (в том числе и молекул воздуха) называют тепловым. Когда в воздухе распространяется звуковая волна, его частицы приобретают, кроме теплового, еще и дополнительное движение — колебательное. Энергию для такого движения дает частицам воздуха вибрирующее тело (источник звука); пока оно колеблется, энергия беспрерывно передается от него в окружающий воздух. Чем дальше пройдет звуковая волна, тем слабее она становится, тем меньше в ней энергии. То же самое происходит со звуковой волной и в любой другой упругой среде — в жидкости, в металле.

Звук распространяется равномерно во все стороны, и в каждый момент слои сжатого воздуха, возникшие от одного импульса, образуют как бы поверхность шара, в центре которого находится звучащее тело. Радиус и поверхность такого «шара» беспрерывно растут. Одно и то же количество энергии приходится на все большую и большую поверхность «шара». Поверхность шара пропорциональна квадрату радиуса, поэтому количество энергии звуковой волны, проходящей, допустим, через квадратный метр поверхности, обратно пропорционально квадрату расстояния от звучащего тела. Следовательно, на расстоянии звук становится слабее. Русский ученый Н. А. Умов ввел в науку понятие поток плотности энергии. Величиной потока энергии удобно измерять и силу (интенсивность) звука. Поток плотности энергии в звуковой волне — это количество энергии, которое проходит за секунду через единицу поверхности, перпендикулярной направлению волны. Чем больше поток плотности энергии, тем больше сила звука. Измеряется поток энергии в ваттах на квадратный метр (вт/м²).

Наше ухо

В органе слуха различают наружное, среднее и внутреннее ухо. Наружное ухо — это ушная раковина и начало слухового прохода до барабанной перепонки. За ней — область среднего уха: полость, заполненная воздухом, и три слуховые косточки. Первая из них, молоточек, одним концом сочленена с барабанной перепонкой, другим — со второй косточкой — наковальней. Наковальня соединена с третьей косточкой — стременем, которое упирается в перепонку, отделяющую среднее ухо от внутреннего. Молоточек, наковальня и стремя — это своеобразный рычажный механизм, передающий колебания барабанной перепонки во внутреннее ухо. Внутреннее ухо (лабиринт)— это полость, свернутая улиткой и наполненная жидкостью. Внутри лабиринта есть мембрана, соприкасающаяся c о слуховыми нервами.

При тишине давление воздуха с обеих сторон барабанной перепонки одинаково и она находится в состоянии покоя. Когда же в наружном ухе давление воздуха увеличивается, барабанная перепонка прогибается внутрь. При этом воздух, находящийся в среднем ухе, сжимается. Если давление воздуха в наружном ухе уменьшается, упругий воздух в среднем ухе прогибает барабанную перепонку в область наружного уха.

Любое периодическое изменение акустического давления в пределах от 16 гц до 20 кгц приводит к периодическим колебаниям барабанной перепонки. Ее колебания передаются молоточку, наковальне и стремени. Стремя передает колебания перепонке, отделяющей внутреннее ухо от среднего. В жидкости лабиринта возникают упругие волны, и они приводят в движение мембрану улитки. Мембрана соприкасается с кончиками нервных корешков, которые передают раздражение в мозг. Эти раздражения и воспринимаются мозгом как звук.

Загадка нашего слуха

Движение в виде волн встречается почти во всех областях физических явлений. Звуковые волны, как и волны в любых других физических явлениях, оказывают переменное во времени давление на предмет, стоящий на их пути.

Благодаря звуковому давлению мы и можем слышать звук. Оно ничтожно. Мы легко улавливаем чуть слышный шорох, хотя его звуковое давление на барабанную перепонку уха равно всего лишь 3•10-5 н/м ², т. е. в 3•1010 раз меньше давления атмосферного. Такое давление соответствует нагрузке примерно трем десятимиллионным грамма на 1 см². Наше ухо гораздо чувствительнее, чем самые точнейшие химические весы!

Такая чувствительность уха уже сама по себе загадочна. Физиологи рассчитали, исходя из физической упругости барабанной перепонки, на какую величину она смещается под давлением самого слабого звука, который можно еще отчетливо услышать. И получилась трудно понимаемая величина: такой слабый звук прогибает барабанную перепонку на расстояние меньше, чем... размеры атома! Науке еще не вполне ясно, как осуществляется в нашем ухе передача и восприятие столь слабых звуков.

Слух и логарифмы

Только привычка пользоваться своим слухом да недостаточная осведомленность мешают нам удивляться подлинному чуду — устройству нашего уха.

Наше ухо — очень точный прибор. Мы легко определяем, сравнивая два звука, какой из них громче и какой обладает большей энергией, даже если их интенсивности близки. А слышать мы можем и шелест листьев, и тиканье часов, и раскаты грома, и грохот водопада. Каждый из этих звуков воспринимается органом слуха, который оценивает его громкость.

Зависимость между энергией воспринимаемого звука и тем ощущением громкости, которое он производит, установлена опытным путем. При этом выяснилось, что изменение громкости звука при изменении потока энергии звуковой волны проще всего оценивать с помощью логарифмов.

Принято считать, что громкость звука изменится на единицу, если его энергия увеличится или уменьшится в 10 раз. Единица громкости — бел (б). Однако для практических оценок громкости звука оказалось удобнее пользоваться десятой частью этой единицы — децибелом (дБ).

Если энергия первоначального звука Е0 возрастет в 10 раз, т. е. окажется равной 10 E0 , то громкость воспринимаемого звука увеличится на 10 дБ ; энергия вырастет в 100 раз, громкость повысится на 20 дБ; в 1000 раз — на 30 дБ. Всему необъятному диапазону в изменениях энергии звука, который доступен нашему уху, т. е. изменение примерно в 10 триллионов раз, соответствует изменение в ощущении громкости всего на 13 б, или на 130 дБ. Физики условились принять за начальный уровень отсчета энергию такого слабого звука, который может услышать далеко не каждый человек даже с очень чутким слухом. Энергия такого звука равна E0 =10-12 вт/м². С помощью этой величины определяется громкость любого звука. Если его энергия равна Е, то его громкость, выраженная в децибелах, будет 10 lg E / E0 дб. Даем табличку, в которой показана громкость знакомых всем звуков на расстоянии нескольких метров и соответствующая им энергия потока:

шелест листьев — 10 дБ — 10-11 вт/м²,

тиканье часов —20 дБ —10-10 вт/м²,

мирная беседа — 40 дБ — 10-8 вт/м²,

громкий разговор — 70 дБ — 10-5 вт/м²,

шумная улица — 90 дБ — 10-3 вт/м²,

самолет на старте — 100 дБ — 10-2 вт/м².

Эта таблица полезна. Пусть она напоминает, что громкий разговор действует на наши уши с энергией в 1000 раз большей, чем мирная беседа. Берегите свои уши и нервы.

Громкость и его тон

Один и тот же звук может восприниматься одним человеком как нормальный, а другим — как громкий. Громкость звука зависит не только от чувствительности уха, но и от психического восприятия. И тем не менее каждый человек воспринимает звук, обладающий большей энергией, как более громкий.

Самый слабый звук с самой малой энергией, воспринимаемый ухом, называют порогом слышимости. Низкие и высокие тона воспринимаются на пороге слышимости по-разному. Чтобы у них была одинаковая громкость, энергия и давление звука должны быть у низких тонов больше, чем у высоких. Тембр звука определяется не только количеством высоких и низких обертонов, но и соотношением их энергий и звуковых давлений.

Очень сильные звуки создают в органах слуха ощущение боли. Звук любого тона имеет болевой порог восприятия. На цветном рисунке у страницы 112 показаны границы слышимости. Область слышимости ограничена двумя кривыми: порога слышимости и порога болевого восприятия. Естественная же область звуковых давлений, воспринимаемых ухом при звучании голоса, показана на этом рисунке штриховкой.

Дополнительная информация о звуке

Откуда пришел звук

Вас кто-то окликнул. Услышав голос, вы повернете лицо именно в ту сторону, откуда он донесся. Происходит это потому, что слуховые раздражения приходят в мозг одновременно от обоих ушей только в том случае, если источник звука находится от них на равном расстоянии. Голову мы поворачиваем всегда в ту сторону, откуда звуковое раздражение пришло в мозг хотя бы на сотую долю секунды раньше, чем раздражение, воспринятое другим ухом.

Таким образом, восприятие звука обоими ушами дает возможность определить, в какой стороне от нашего лица находится источник звука. Это свойство нашего слуха называется бинауральным эффектом. Его часто используют в технике, например для стереофонического звучания в кино. При демонстрации стереофонически озвученных фильмов звуки производятся двумя или несколькими динамиками в различных точках кинозала. По такому же принципу устроены и проигрыватели для стереофонических граммофонных пластинок.

Эффект Доплера

Вы, наверное, замечали, как изменяется звук сирены электропоезда, когда тот проносится мимо платформы, на которой вы стоите. Когда поезд приближается, тон сирены высокий и тревожный; когда же поезд пронесется мимо, ее звук резко меняется: становится более низким, как бы успокаивающим. Сирена создает в воздухе одинаковое количество колебаний и при приближении поезда, и при его удалении, скажем 100 гц. Но, приближаясь к вашему уху, она как бы догоняет свой звук, а удаляясь, как бы «увозит» его с собой.

Скорость звука — 340 м/сек, скорость поезда примем для простоты расчета в 34 м/сек. Предположим, что сирена, приближаясь к вам, гудит 1 сек, за это время она возбудит 100 колебаний; если бы поезд не двигался, вы услышали бы звук с частотой в 100 гц. Но поезд приближается. Допустим, что сирена начала гудеть за 340 м до платформы. Первое из ее колебаний ваш слух уловит ровно через секунду. Но она гудит-то всего 1 сев, и за эту секунду поезд промчится 34 м. Последнее колебание произойдет в 306 м от вас, и вы его «306» услышите через =306/340 сек, т. е. через 0,9 сек. Со времени, когда вы услышали первое колебание, прошло всего 0,9 сек, так как сирена перестала гудеть, когда вы услышали ее первое колебание. Таким образом, все 100 колебаний вы восприняли за 0,9 сек, а частота услышанного вами звука стала 100/0.9 гц, т. е. 111 гц. Повторив те же рассуждения для удаляющегося поезда, мы найдем, что частота звука должна уменьшиться до 91 гц. Разница в частотах звука при приближении и при удалении поезда равна 2/9 от основной частоты — это почти два тона У музыкального ряда. Если бы скрипач взял на промчавшемся поезде ноту ре, то, пока поезд приближается, мы слышали бы ми, а когда поезд уже удаляется — до.

Изменение частоты звука вследствие эффекта Доплера можно подсчитать по формуле:

v = v0 /(1±u/w)

где u — скорость, с которой движется источник распространяющегося звука, w — скорость звука в воздухе (340 м/сек), v0 — частота источника звука, v — слышимая частота. Знак «минус» в знаменателе относится к приближающемуся источнику звука, знак «плюс» — к удаляющемуся.

А что будет, если источник звука летит на вас со скоростью звука или даже скорее, чем звук? Когда в небе проносится реактивный самолет, он обгоняет производимый им грохот. Сначала вы увидите летящий низко самолет, а затем уже, когда он скроется за горизонтом, до вас дойдет звук значительно более низкий, чем тот, который можно услышать на аэродроме при старте.

Ударная волна

Пока самолет летит медленнее звука, все происходит по формуле Доплера: он догоняет свой звук, частоты соответственно изменяются. Как только самолет достиг скорости звука, он начинает двигаться вместе со звуком. Но вот он увеличивает скорость, обгоняет звук. Все звуковые колебания воздуха должны оставаться сзади самолета, в конусе, угол которого тем меньше, чем скорость самолета больше скорости звука.

Но так происходило бы, если бы самолет возбуждал только слабые возмущения в воздушной среде, такие, как звук. Но самолет — источник очень сильных возмущений. При полете со сверхзвуковой скоростью воздух перед летящим телом уплотняется, и в этом слое воздуха резко возрастают и давление и температура. Этот слой даже удается сфотографировать, настолько в нем отличны и плотность и коэффициент преломления от обычного воздуха. Скорость звука в таком слое тоже меняется, она становится больше скорости самолета. Возникает так называемая ударная волна, она намного обгоняет самолет. Распространяясь, ударная волна затихает, и ее скорость сравнивается с обычной звуковой; следовательно, она уже отстает от самолета.

Иногда в безоблачный день вы слышите, будто удар грома. С удивлением ищете в небе грозовое облако, но, приглядевшись, видите вместо него серебристую точку... Это — скоростной самолет, а удар «грома» — остатки его ударной волны, давно уже превратившейся в звуковую. Если такой самолет пролетит на высоте в 20 м вдоль колонны автомобилей, идущих по шоссе, мощная ударная волна разобьет все автомашины и сбросит их остатки в кювет.

Резонаторы

Чтобы раскачать качели, надо их подталкивать в такт с их движением. Если толкать, как попало — не в такт, — сильно раскачать не удастся. То же самое происходит с любыми колебаниями, например со звуковыми волнами, с волнами на воде.

Неподалеку друг от друга поставлены два камертона, настроенные на одну и ту же частоту колебания. Если один из камертонов заставить звучать, его звуковая волна раскачает и другой камертон. Это явление называется резонансом. Прекратив звучание первого камертона, вы можете услышать, что второй некоторое время продолжает звучать. Но камертон, настроенный на другую волну, не отзовется на звучание первого, не будет резонировать.

Резонанс широко используется в акустике. Дека рояля, корпус скрипки, раструб валторны, радиорупор — все это резонаторы. Звук одной только скрипичной струны не слышен будет в концертном зале, его во много раз усиливает резонатор — корпус скрипки. Как резонатор действует и сам концертный зал.

Звучащее тело преобразует не всю полученную им энергию в энергию звука. Резонатор увеличивает коэффициент такого преобразования. Корпус скрипки собирает слабые звуки и раскачивает ими основной звук, как качели. Кроме того, резонаторы музыкальных инструментов придают звуку своеобразный тембр, окраску, мягкость звучания своими обертонами.

Но форма наилучшего резонатора остается до сих пор загадкой для науки. Почему в одном зале слышны все звуки, издаваемые скрипкой, а в другом, с такой же кубатурой, некоторые звуковые оттенки пропадают? Почему, слегка изменив форму у корпуса скрипки, можно намного усилить ее звук? Почему скрипки, изготовленные в XVII — XVIII столетиях итальянскими мастерами Амати, Страдивари и Гварнери, сейчас еще пока невозможно превзойти? Все это предстоит разгадать ученым.

Звук на службе человека

Физические явления изучаются не только для того, чтобы понять их сущность, но и для того, чтобы научиться ими управлять, чтобы с их помощью бороться со стихиями природы. Так действовал человек всегда со времен возникновения человеческого общества.

Одно из первых явлений природы, которое человек наблюдал, которое стремился понять,— это эхо. Очевидно, еще в раннем, каменном веке человек научился пользоваться этим явлением для ориентировки в горной местности.

Отражение звука от препятствий во многом похоже на полет мяча, брошенного на землю или на стену. Угол его падения равен углу отражения. В горном ущелье мы слышим многократное эхо. Это значит, что к нам приходят звуки, отраженные от нескольких скал. Если в горах крикнуть и отметить время до прихода эха, то легко определить расстояние до места, от которого звук был отражен. Для этого достаточно умножить скорость звука на засеченное время и это произведение разделить на два, так как за это время звук прошел «туда» и «обратно».

В 1887—1889 гг. звук впервые был применен для определения глубины моря. Источником звука был колокол, звучавший под водой. Результаты опытов не были утешительными: звук, отражаясь от дна, давал очень слабое эхо, еле слышное в общем шуме моря.

Колокол использовали для предупреждения кораблей во время тумана. Он звонил под водой в центре опасной при тумане бухты. Корабли, направляющиеся в гавань, опускали по бортам слуховые трубы, похожие на уши. Но звучание колокола оказалось и для этого слишком слабым.

Значительно сильнее звук дает сирена — вращающийся диск с отверстиями, через которые продувают струю воздуха. Колокол заменили сиреной.

К измерению глубины моря с помощью эха вернулись несколько лет спустя. В 1912 г. был сконструирован специальный прибор — эхолот. У одного из бортов корабля взрывали в воде пороховой патрон, звук взрыва после его отражения от дна принимался на другом борту. Эхолотом можно было измерять глубины до 150 м. Эхолотом был заменен менее совершенный прибор — лот (канат с грузом на конце и метками длины).

Вскоре произошло событие, расширившее применение эхолота. В Атлантическом океане в сильный туман корабль-гигант «Титаник