6 років тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

Эхо, обычно следующие за каждым произносимым нами словом, изменяют тембр и силу звука, хотя мы и не вос­принимаем отражения как отдельные звуки. Это иллю­стрируется простым опытом, в котором какой-нибудь по­стоянный источник звука прослушивают в помещении и на открытом воздухе. «Источником звука» может служить про­сто разговорчивый приятель, хотя он почти наверное из­менит громкость своей речи при переходе из комнаты на открытый воздух. Лучше взять портативный радиоприем­ник, если только каркас здания не содержит большого количества металла, которое будет экранировать радио­волны. Выберем для опыта деревянный дом и, поставив при­емник снаружи на землю, установим нормальный уровень громкости речи или музыки. Если теперь перенести прием­ник в маленькую комнату, то он будет звучать гораздо гром­че. Повышение громкости вызвано увеличением полной акустической энергии за счет волн, отраженных от стен. Кроме того, изменится тембр голоса диктора, так как по­мещение по-разному влияет на различные частоты звука.

Конечно, этот опыт груб и может осложниться еще ря­дом непредвиденных обстоятельств. Наше внимание мог отвлечь случайный шум на улице, мы могли подойти ближе к громкоговорителю. Возможно, что когда приемник стоял в комнате, диктор случайно говорил громче. Для большей надежности лучше взять неизменяющийся источник звука, например свисток, пишущую машинку, будильник или дру­гой источник шума, вроде детской погремушки или ее более громкой разновидности — новогодней трещотки. По мно­гим причинам лучше всего воспользоваться магнитофоном, который легко можно переносить с места на место и выносить из помещения наружу. Тогда можно будет использовать один и тот же отрывок речи или музыки или сделать запись, в которой одна и та же последовательность звуков повторя­ется достаточно часто, чтобы ее можно было многократно прослушивать в комнате и на открытом воздухе. Если — как это и подобает! — вы еще продолжаете сохранять скепти­цизм, то у вас может возникнуть вопрос, не происходят ли в вас самом какие-нибудь изменения, когда вы переходите из комнаты наружу и обратно? Не становится ли ваш слух менее чувствительным на открытом воздухе? Как показали многочисленные опыты, в обычных условиях это не так. Кроме того, пользуясь микрофоном, подключенным к чув­ствительному вольтметру, мы можем произвести объектив­ные измерения интенсивности звука в обоих местах. Такие измерения подтверждают наше впечатление, что при одном и том же неизменном источнике непрерывного звука, напри­мер речи или музыки, уровень звука в комнате выше, чем на открытом воздухе.

Продолжим еще немного рассмотрение этого вопроса, считая, что в нашем распоряжении имеется магнитофон с магнитной лентой (быть может, вы позаимствуете его у прия­теля или в школе). Желательно иметь также удлинительный шнур, длиной около 15 м, для того чтобы можно было включать и выключать магнитофон как из комнаты, так и находясь на некотором расстоянии от здания. Какого же рода звуки будем мы сравнивать между собой в обоих слу­чаях, чтобы узнать возможно больше о том, каково звуча­ние при наличии и при отсутствии эхо и реверберации? Речь или музыка очень хороши для составления общего представления об этих эффектах. Но не существует двух отрывков, состоящих из точно тех же групп звуковых волн, и будет трудно сравнивать тембр звучания различных нот, слов и слогов одной и той же записи, прослушивая ее один раз в комнате и другой раз на открытом воздухе. Мы могли бы при помощи микрофона записать на ленту длительную ноту, издаваемую голосом или каким-нибудь музыкальным инструментом. Однако трудно сделать действительно рав­номерную запись без колебаний громкости. Наилучшее ре­шение — это сделать кольцо из магнитной ленты так, чтобы она образовала петлю, охватывающую обе катушки магнитофона, что позволит проигрывать один и тот же кусок записи сколько угодно раз подряд.

Этот опыт позволит сразу же продемонстрировать один из важных эффектов, связанных с эхо в помещении. Если медленно двигаться в обычной жилой комнате, в которой звучит поддерживаемый на постоянном уровне пронзитель­ный высокочастотный тон, то, внимательно прислушиваясь, можно услышать, что громкость тона будет то повышаться, то понижаться на правильных расстояниях. Особенно ин­тересно наблюдать этот эффект, медленно передвигаясь вблизи центра комнаты, в то время как магнитофон, поме­щенный в конце комнаты, издает тон на две-три октавы выше среднего С,. Сравнение громкости легче производить, закрыв одно ухо так, чтобы слышать звук только другим ухом. Тогда обычно удается ясно расслышать нарастание и спадание уровня звука, а при усиленном внимании — оце­нить также расстояние между смежными точками наиболь­шей громкости. Подвешенная горизонтально на уровне глаз линейка с делениями позволит легче установить, на какое расстояние нужно сместить ухо, чтобы перейти от одной точки наибольшей громкости к соседней.

Произведя наблюдения колебаний уровня громкости тона, воспроизводимого магнитофоном в закрытой комнате, повторите этот опыт на открытом воздухе. Вы услышите здесь, что не только тон звучит слабее, но и что колебания его уровня почти исчезли. Громкость будет монотонно убы­вать по мере удаления от громкоговорителя. Подобный про­стой опыт показывает, что в комнате происходит взаимодей­ствие волн, отраженных от стен, с волнами, приходящими непосредственно от магнитофона, и что в одних местах имеет­ся усиливающая интерференция, дающая максимальные уровни громкости звука, а в других — ослабляющая интер­ференция, создающая зоны относительной тишины.

Можно обнаружить далее, что в случае практически чи­стого тона (одна определенная частота) расстояние между двумя соседними максимумами громкости равно половине длины волны. Для этих опытов удобно выбрать тон С3 с час­тотой 1024 гцна две октавы выше среднего C1 так как длина волны этого тона близка к 30 смЕсли выбрать значительно более низкий тон, например, тон с частотой 100гцто длина волны будет равна y=v/f=344/100=3,4 м, т. е. будет равна размерам комнаты или больше их. Для значительно более высокого тона, например, тона с частотой 10 кгцдлина волны будет равнаy=344/10 000=0,034 м или 3,4 см и соседние максимумы или минимумы так близки, что их трудно будет обнаружить. Ноты, издаваемые музыкаль­ными инструментами, содержат столько частот, или гармо­ник, дающих каждая свои максимумы и минимумы, распо­ложенные на интервалах, отвечающих своей длине волны, что будет трудно разобрать, где громкие и где тихие места для каждой частоты в отдельности. Поэтому чем чище тон, тем более наглядно проявляется этот эффект. Для таких опытов флейта подходит больше, чем фортепиано или скрип­ка, так как она дает более чистые тоны.

Эта картина максимумов и минимумов получила назва­ние стоячих волн. В точках наибольшей громкости волны, отраженные от стен, прибавляются к звуковым волнам, приходящим непосредственно от громкоговорителя. Если в данную точку приходят волны, отраженные от различных участков стены, то эти отдельные эхо, вероятнее всего, при­дут в различные моменты времени, и вызванное ими усиле­ние звука будет меньше, чем если бы они все пришли одно­временно. В некоторых помещениях неправильной формы стоячие волны могут быть слабо выражены, однако боль­шинство комнат имеет достаточно правильную форму и до­статочно хорошо отражающие стены, чтобы по крайней мере в центре комнаты можно было обнаружить стоячие волны. Если вы имеете возможность произвести опыты с водяной ванной, применяемой для демонстрации различных волно­вых движений при помощи поверхностных волн, то увидите, что для получения ясно выраженных стоячих волн частота колебаний объекта, создающего эти волны, должна быть очень тщательно подобрана. В противном случае на поверх­ности воды получается беспорядочная картина отдельных волн, бегающих одна за другой вперед и назад без всякого порядка. Если форма ванны отличается от простой, напри­мер прямоугольной, формы, то картина стоячих волн либо получается очень сложной, либо наблюдается лишь в от­дельных зонах, в которых волны отраженные усиливают волны, приходящие непосредственно от источника.

Предположим, что мы хотим получить в комнате стоячие волны для звука, содержащего не одну, а несколько различ­ных частот. Речь и музыка подошли бы для опыта, но в них отдельные частотные компоненты меняются слишком бы­стро, и это усложняет картину. Однако, хотя обычно мы не замечаем стоячих волн при слушании речи или музыки, в очень больших помещениях возможны так называемые «мертвые зоны», где в результате интерференции между прямыми и отраженными звуковыми волнами слушать за­труднительно и неприятно. Недаром целая наука — архи­тектурная акустика — занимается вопросами уменьшения до минимума подобных «мертвых зон» и стремится обеспе­чить такое распределение отражений от стен зала, чтобы речь и музыка доносились до всех мест в зале возможно более точно.

Эффекты, вызываемые одновременным наличием в поме­щении нескольких частот, можно продемонстрировать на простом опыте с магнитофоном. Если записать на магнито­фонную ленту громкий свист и затем проиграть эту запись, то в помещении зазвучит еще более громкий свист. Однако услышать стоячие волны, вероятно, будет очень трудно. Иногда для этого же опыта можно воспользоваться радио­приемником или проигрывателем, увеличивая усиление до тех пор, пока не послышится свистящий звук, возникающий благодаря беспорядочному движению электронов в каком-либо из элементов электронной цепи. Этот свист, подобно свисту, производимому человеком, содержит большой набор частот, примерно одинаковой громкости каждая. Для каж­дой длины волны устанавливается своя стоячая волна, но места наибольшей громкости для волн разной длины не будут совпадать друг с другом, так что в итоге суммарный уровень громкости будет примерно одинаков во всем помещении. Отчетливые стоячие волны могут получиться только тогда, когда в звуке, наполняющем помещение, есть одна или только малое число разных длин волн.

Может случиться, что в то время, как вы наблюдаете стоячие волны, в помещение кто-нибудь войдет. Часто это вызовет сдвиг положений максимумов и минимумов звука, даже если комната сравнительно велика. Это — более слож­ный тип взаимодействия, в котором на точное положение мест наибольшей интерференции влияют все объекты, по­сылающие отраженные звуковые волны в добавление к вол­нам, приходящим непосредственно от магнитофона. Это изменение картины стоячих волн можно использовать имен­но как признак того, что в комнату кто-то вошел. Обычно это можно установить более легким путем, однако в некоторых случаях изменения картины стоячих волн действительно использовались    для     обнаружения    малых    изменений положения предметов в комнате. Например, так действует один из видов сигнализации о появлении взломщиков. Пред­ставьте себе, далее, что вы расхаживаете с завязанными глазами в комнате. Наличие стоячих волн скажет вам, по крайней мере, что вы находитесь в комнате, а не на открытом воздухе, где нет ничего, что отражало бы достаточно звука для образования стоячих волн. Если стоять неподвижно, то по сдвигу картины стоячих волн вы сможете узнать о том, что в помещении появился какой-то новый предмет.

Эти примеры могут показаться пустячными, однако слепые люди приучаются обращать внимание на всевозмож­ные свойства окружающего звукового поля и этим способом узнают многое о происходящем вокруг них. Имейте также в виду, что эти примеры были выбраны из-за их простоты, и от такого упрощенного начала можно перейти к значи­тельно более трудным задачам, ответы на которые мы смо­жем дать по мере дальнейшего развития опытов. Существо дела в том, что звуковые волны используются как инстру­мент или «удлинитель органов чувств» для исследования окружающей обстановки. Грубые инструменты, применяе­мые с малым уменьем, дадут только грубые сведения. Одна­ко, как мы уже видели, даже такие мелкие зверьки, как летучие мыши, стали великими мастерами по использова­нию звуковых волн как инструмента, дающего им возмож­ность получать довольно сложные сведения об их окруже­нии. Они приобрели свое мастерство в результате длитель­ной эволюции, благодаря тому, что звук является удобным, если не единственным способом ориентировки в тех усло­виях,   в которых им приходится жить и передвигаться.

Выяснить, находитесь ли вы в комнате или на открытом воздухе, путем вслушивания в звучание пронзительного длящегося тона, записанного на магнитофоне,— это, конеч­но, громоздкий способ установления весьма наглядного об­стоятельства! Но представьте себя в положении человека, заблудившегося в кромешной тьме пещеры и не имеющего никаких источников света. Для него звуковые волны будут полезным, если не единственным средством узнать хотя бы что-нибудь о тех частях пещеры, которые лежат за преде­лами непосредственной досягаемости его вытянутых рук или ног. Летучие мыши не нащупывают дорогу: они быстро ле­тают по сложным извилистым переходам пещер, избегая столкновений с другими летучими мышами и сталактитами; как я поясню позднее, это — еще наименее трудные  из многих задач, разрешаемых летучими мышами при помощи звуковых волн.

При дальнейшем изучении нашей проблемы полезно будет от времени до времени возвращаться к простым опы­там со слышимым звуком, вроде описанных выше. Это позво­лит вам убеждаться на собственном опыте в правильности понятий и теорий, о которых вы прочтете. Для многих це­лей более удобны поверхностные волны в водяной ванне, применяемой для демонстраций в школьном преподавании, позволяющие наблюдать эти же явления зрительно. Объяс­няется это, главным образом, малой скоростью поверхност­ных волн, благодаря чему их удается наблюдать простым глазом. Кроме того, их скорость зависит от глубины воды, и, устанавливая в ванне «песчаные отмели» или «рифы», можно заставить волны преломляться. В такой ванне можно изучать также и эхо, вполне аналогичные отражениям звука, вызывающим стоячие волны, или используемым летучими мышами и человеком для ориентировки в отсутствие осве­щения.