Вимірювання швидкості звуку за допомогою луни

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.

Для начала можно рассмотреть простой способ прибли­женного определения скорости звука по времени прихода эхо от удаленного холма. Если расстояние до холма не из­вестно, время же пробега звука и его эхо составляет не­сколько секунд, то, измерив это время по хорошему секун­домеру (позволяющему отсчитывать десятые Доли секунды), мы найдем неизвестное расстояние, если только мы знаем скорость звука. Или, наоборот, зная расстояние, мы можем использовать измерение времени пробега для определения скорости звуковых волн. Если точность измерения времени задается секундомером и равна 0,1 секунды, то ошибка в определении расстояния будет равна пути, который звук пробежит за это время, т. е. 34 м. Но это относится к полной длине пути туда и обратно; значит, теоретически говоря, мы можем определить расстояние до холма с точно­стью до ±17 м. Другой источник ошибок — это «время реакции» наблюдателя, т. е. промежуток времени между фактическим приходом эхо и нажатием кнопки секундомера. Хотя эта ошибка составляет заметную долю секунды и уж наверное превосходит 0,1 секунды, вряд ли есть заметная разница между временем запаздывания при пуске секундо­мера после прихода исходного звука и временем запазды­вания при остановке секундомера после прихода эхо; сле­довательно, ошибки почти полностью взаимно уничтожают­ся. Еще одна ошибка появится в тех случаях, когда исход­ный звук и эхо нарастают постепенно. Может случиться, что нарастание до максимума длится полсекунды, интенсив­ность же эхо настолько мала, что мы слышим только его максимум. В этом случае мы в первый раз нажмем кнопку спустя «время реакции» после момента прихода исходного звука, а второй раз — с таким же запаздыванием, но только после того, как эхо почти достигло своего максимума. Это легко может дать ошибку порядка 0,3 секунды, если только для эксперимента не выбраны очень резкие звуки.

Аналогичный опыт можно провести при помощи хло­пушки, если нам удастся повторять хлопки достаточно бы­стро один за другим. Предположим, что вы стоите в 30 мет­рах от большого здания и направляете на него хлопушку таким образом, что слышно отчетливое эхо. Так как звук пробегает от своего источника до здания и обратно до уха 60 м, то на этот путь ему потребуется 60/344, т. е. примерно 0,17 секунды. Если давать хлопки по два раза в одну секун­ду, то, отсчитывая время от первого хлопка как от нуля, вы услышите эхо через 0,17 секунды, второй хлопок — через 0,50 секунды, второе эхо — через 0,67 секунды, и т. д. Если ускорить следование хлопков друг за другом так, чтобы вто­рой хлопок возник через 0,17 секунды после первого, то он замаскирует эхо от первого хлопка. При достаточно регу­лярном следовании хлопков слияние эхо со следующим хлопком дает новый способ определения расстояния, — если скорость звука известна.

Темп работы хлопушки можно задавать точнее, если поль­зоваться механическим устройством, например метрономом. Но при известном навыке можно добиться достаточной пра­вильности и без этого. Некоторое практическое затруднение возникает ввиду того, что звук, издаваемый хлопушкой при сгибании стальной полоски, обычно немного громче и имеет несколько другой тембр, чем при ее разгибании. Та­ким образом, последовательные щелчки различаются по уровню и тембру, и не всегда легко поддерживать ровный ритм. Но этого все же можно добиться; кроме того, незави­симо от его практической осуществимости, полезно уяснить себе этот простой метод нахождения расстояния путем опре­деления частоты повторения хлопков, дающей слияние каж­дого эхо с последующим хлопком. Хороший способ опреде­ления критической частоты повторения хлопков — счет вторым участником опыта числа хлопков за интервал вре­мени в 5 или 10 секунд, отсчитываемый по секундомеру или секундной стрелке обыкновенных часов.

Можно воспользоваться этой же хлопушкой, чтобы убе­дительно показать концентрацию эхо в определенных на­правлениях при отражении от поверхностей различных раз­меров по отношению к длине волны звука хлопка. Диапазон частот для большинства хлопушек лежит в пределах от 3 до 10 килогерц, так что длина волны самых интенсивных звуков равна нескольким сантиметрам. Для таких длин волн отражение от здания происходит почти так же, как отражение световых волн от зеркала. Когда хлопушка на­правлена прямо на стену здания, то эхо возвращается обрат­но в том же направлении; когда же издаваемый хлопушкой звук падает на стену под косым углом, то, как показано на рис. 9, эхо направится в сторону от хлопушки. Поэтому так легко обнаружить здание, просматривая  пространство при помощи хлопушки:  когда рупор направлен прямо на стену, эхо звучит громче всего.

Возвращение звука от большой плоской поверхности подчиняется закону отражения

Следующий простой опыт, требующий участия двух лиц, демонстрирует поведение этих эхо, отражающихся от стены здания. Один из участников направляет хлопушку под углом 20—30° к стене по одну сторону перпендикуляра, опущенного из хлопушки на стену, а второй слушает эхо. Находясь в точке В рядом с хлопушкой, он услышит эхо не так ясно, как в точке С, лежащей сбоку и несколько позади нее. По­ложение наибольшей громкости можно предсказать на ос­новании закона зеркального отражения света, а именно: угол отражения r (угол ЕАС) равен углу падения i (угол DAB). Результаты получатся более четкими, если слу­шатель будет стоять позади хлопушки таким образом, чтобы его уши были защищены рупором от исходных хлоп­ков. Точность наблюдений можно повысить, если установить хлопушку на треножник от фотоаппарата и медленно пово­рачивать ее под разными углами к стенке. Слушатель мо­жет либо двигаться взад и вперед, отмечая точки, в которых эхо слышно яснее всего, либо стоять неподвижно в тех или иных точках, в то время как первый экспериментатор будет медленно поворачивать хлопушку туда и обратно, направо и налево, согласно инструкциям наблюдателя. Поразитель­но, насколько точно такие опыты подтверждают правиль­ность закона о равенстве угла отражения углу падения.

Вот пример совсем иных обстоятельств, когда легко наблюдается простой тип эхолокации. Если, проезжая в автомобиле, открыть окно, то будет слышен целый ряд звуков: шумы мотора, шин, воздуха, проносящегося мимо окон. Когда машина проезжает рядом с высокой каменной стеной, или через туннель, или близко от какой бы то ни было поверхности больших размеров, то тембр всех этих звуков изменяется. Цепочку бетонных столбов железнодо­рожной ограды, каменные столбы, поддерживающие желез­ную решетку, и даже ряд столбов деревянного забора можно обнаружить по быстрому следованию ряда свистящих зву­ков, слышных при движении автомашины мимо них. Проез­жая по знакомой дороге, попробуйте прислушаться, закрыв глаза; вы будете удивлены, как много мест вы узнаете на слух. Если вы обнаружили ряд ясно «слышимых» столбов ограды, сравните вызванный ими звуковой эффект с тем, который вы слышите, когда проезжаете по туннелю. Когда вы едете вдоль ограды, то слышны в основном звуки высо­кой частоты, возвращающиеся как эхо от сравнительно ма­лых поверхностей. В туннеле же большая поверхность стен отразит почти весь набор звуков, издаваемых автомашиной. Если вы будете тщательно следить за этими звуками, в то время как машина движется примерно с постоянной скоро­стью, то увидите, что можно научиться различать на слух многие типы препятствий, в том числе и стоящие авто­машины, по эхо от них, добавляющимся к примерно постоян­ным звукам вашей собственной машины.

Летучие мыши и люди пользуются эхо для обнаружения меньших и труднее уловимых объектов, чем стены зданий, и как только мы обращаемся к малым предметам, становятся важными некоторые интересные свойства отраженных волн. Приобретя некоторый навык работы с хлопушкой, интересно испробовать ее на деревьях, телефонных столбах и других объектах, которые легко найти на открытом воздухе вдали от других отражающих предметов. При навыке и внимании можно научиться обнаруживать деревья диаметром в 6 дюй­мов с расстояния в несколько футов, а когда вы этого добь­етесь, вы снова можете попросить кого-нибудь направить хлопушку на дерево, в то время как вы — слушающий на­блюдатель — будете переходить с места на место, разыскивая положение, где эхо звучит гром­че всего. В этом случае обычно можно обнаружить, что эхо бу­дет слышно в значительно боль­шем диапазоне углов, чем гром­кое эхо от здания. Это объясня­ется тем, что диаметр дерева лишь немного превышает одну длину волны, и поэтому, как по­казано на рис. 10, эхо распро­страняется во много большем диапазоне направлений. По той же причине, по которой рупор с размерами меньше одной длины волны не может сконцентриро­вать звук, эхо от малых объек­тов рассеивается во все стороны. Если вам удастся услышать эхо от деревьев или столбов диа­метром в одну или две длины волны, то вы обнаружите, что они почти одинаково громки под самыми разными углами. Но, конечно, ни под каким углом не получится такое громкое эхо, как от больших объектов, напри­мер от здания. Та же законо­мерность справедлива и для световых волн и для поверхно­стных волн на воде; выполнив опыты в водяной ванне, вы увидите, что длинные объекты дают зеркальное отражение поверхностных волн а предметы с размерами порядка одной длины волны рассеивают их во все стороны.

Исходный звук и эхо

Различие между зеркальным отражением и рассеянием волн можно изучать в демонстрационной водяной ванне или даже в ванне для купанья, хотя в ней поверхностные волны видны не так ясно. Подобно тому как эхо от коротких звуков слышны лучше, чем от длинных, эхо для поверхностных волн легче наблюдать, возбуждая короткие цуги (импуль­сы). Вероятно именно поэтому водяные жуки так часто пре­рывают свои плавательные движения — для образования интервалов затишья, во время которых легче ощутить вол­ны, отраженные от предметов, находящихся на поверхности воды в некотором отдалении. Если легким ударом о воду возбудить короткий цуг поверхностных волн, то нетрудно увидеть их отражение от края демонстрационной ванны или даже ванны для купанья. Если опустить в воду предмет с размерами порядка одной длины волны (например, корот­кий кусок деревянной палки или деревянную пробку) так, чтобы его ось была перпендикулярна к поверхности воды, то, присмотревшись внимательно, можно увидеть слабые волны, рассеиваемые почти по всем направлениям от этого источника поверхностных эхо. Само собой разумеется, что всякие другие мешающие волны должны отсутствовать, но коль скоро это явление удалось наблюдать, интересно пере­ходить от одного размера цилиндрического объекта к дру­гому, начиная от наименьших размеров, при которых эхо еще удается заметить, и кончая большими объектами, на много превышающими по размерам длину волны.

Эти опыты убедительно демонстрируют существенное различие между остро направленным зеркальным отраже­нием и всесторонним рассеянием от малых источников эхо. Ниже мы увидим, какоеважное значение приобретут эти два главных типа отражений, когда мы перейдем от рассмот­рения физической стороны эхо к практическому использо­ванию эхо человеком, а также летучими мышами и другими животными, выработавшими столь тонкие и точные методы эхолокации для  повседневного применения.

• ← Акустика клацань та луна
• Мова луни →