Акустика щелчков и эхо
Так как почти все предметы заметно отражают звук, то наших ушей редко достигают звуки, не изукрашенные эхо. Почему же мы так редко замечаем самые эхо? Дело в том, что они очень редко слышны отдельно, т. е. очень редко доходят до нас после прекращения исходных звуков. Обычно эхо и исходные звуки перемешаны, и большей частью мы не умеем различать эти два класса звуковых волн. Описанные в предыдущей главе простые опыты с портативным радиоприемником или магнитофоном показали, что в помещениях имеются эхо, которые меняют звучание тональных звуков или шумов. Громкость звука возрастает за счет сильных отражений от стен и за счет образования стоячих волн при звучании чистых тонов. Здесь важно подчеркнуть, что потребовались специальные опыты для того, чтобы мы смогли убедиться сами в действительном наличии эхо в составе самых знакомых звуков. Эхо ускользают от нашего внимания в такой полной степени главным образом потому, что в обычных местах восприятия звука длительность большинства звуков относительно велика по сравнению со временем их пробега до отражающего предмета и обратно. Даже на берегу горного озера, распевая песни у костра на привале, мы вряд ли заметим эхо, потому что оно окажется замаскированным последующими звуками песни. Только когда песня внезапно оборвется, эхо, приходящее от холмов, дойдет до нашего сознания. Наша неспособность различать эхо в обычных условиях и объясняется в значительной мере тем, что оно маскируется длительным звучанием исходного звука.
Однако все звуки рано или поздно замирают и наступают паузы или короткие интервалы тишины. Почему же мы и тогда не слышим эхо? Предположим, что мы попытаемся исследовать физическую сторону этого вопроса при помощи чувствительного микрофона, преобразующего энергию звуковых волн в энергию электрических напряжений. Предположим далее, что мы подключим этот микрофон к катодно-лучевому осциллоскопу, почти мгновенно воспроизводящему на своем экране график звуковой волны. Катодно-лучевой осциллоскоп — это предшественник вашего телевизора. Внутри телевизионной трубки создается световое пятно; одна электрическая цепь все снова и снова передвигает его равномерно по горизонтали слева направо; другая цепь смещает пятно вертикально вверх и вниз. В нашем примере вертикальное смещение пятна управляется напряжением, которое снимается с микрофона и затем усиливается. Благодаря одновременному движению в вертикальном и горизонтальном направлениях световое пятно буквально вычерчивает на экране осциллоскопа график зависимости звукового давления от времени.
При помощи такого осциллоскопа мы можем следить за поведением звуковых волн в самый момент произнесения звуков. Если мы внезапно перестанем говорить, то может показаться, что световое пятно прекратит движение в тот же момент. Однако, если осциллоскоп установлен в большом помещении, то, пристально следя за поведением пятна, мы увидим, что в течение короткого промежутка времени пятно еще чертит все сжимающуюся кривую звуковых волн, продолжающих бегать мимо микрофона от стены к стене. Так как скорость звука в воздухе достигает 344 м/сек, так как при каждом отражении звуковой волны от стен и пола возвращается менее 100% звуковой энергии и так как энергия звуковых волн постепенно истощается за счет трения в воздухе, то это послезвучание эхо длится лишь долю секунды. Однако это послезвучание существует, и мы можем наблюдать его на экране осциллоскопа, несмотря на то, что наш слух как будто его не воспринимает.
Пользуясь приборами, мы можем более точно, чем просто следя глазами, судить о том, как быстро убывает уровень звука и как долго звук продолжает оставаться доступным нашему наблюдению. Самым простым способом является фотографирование движения пятна на экране осциллоскопа при помощи фотокамеры, в которой пленка движется с постоянной скоростью. При движении вверх и вниз светового пятна, отображающего воздействие звуковых волн на микрофон, на движущейся фотопленке вычертится график зависимости звукового давления (вертикальная ось) от времени (горизонтальная ось). Полученное графическое изображение картины звуковых волн ясно показывает, что эхо продолжает приходить к микрофону еще в течение значительной доли секунды по прекращении звуков, пришедших непосредственно от рта говорящего. Подобные фотографии показывают также, что слово, произнесенное нами в комнате, сопровождается более сильными эхо, чем это же слово, произнесенное на открытом воздухе. На рис. 6 приведен соответственный пример, но даже в этом случае, когда произнесенное слово было коротким, эхо начало смешиваться с исходными звуковыми волнами задолго до конца слова.
Несмотря на такое различие в фотографической картине, в обоих случаях слово звучит почти одинаково. Снова — тот же поразительный факт: требуются специальные доказательства для убеждения нас в том, что наборы звуковых волн в обоих случаях — не одни и те же. Мы без всякого труда узнаём, что это за слово и кто его произнес; звучание в квартире почти не отличается от звучания на улице. Почему же не отличается? Другой простой опыт с магнитофоном объяснит здесь многое.
Поставим микрофон в комнате (или, еще лучше, в большом коридоре или классной комнате с твердыми стенами) и запишем короткий резкий звук. Проиграв полученную запись, услышим довольно верное воспроизведение звука. Предположим, что запись содержит несколько повторений коротких слов, оканчивающихся на твердые согласные, например: «рот», «бок», «суд» или «бег». Можно было бы также записать резкие щелчки, издаваемые большими ножницами или щипцами. Можно также воспользоваться хорошим предлогом и пострелять из пугача. Но во всяком случае нужно, чтобы на записи были интервалы тишины в несколько секунд между двумя последовательными звуками.
Когда такая запись сделана, проиграйте ее в обратном направлении. Иначе говоря, перемените катушки местами так, чтобы при проигрывании записи задний конец ленты шел впереди. Теперь лента должна сматываться с той катушки, на которую она раньше наматывалась, и, наоборот, наматываться на ту, с которой раньше сматывалась. В некоторых магнитофонах при этом придется перевернуть катушки вверх ногами, чтобы к записывающей головке была обращена одна и та же сторона ленты; в этих моделях при записи намагничивается лишь одна половина ленты и при обратном проигрывании она не пройдет под воспроизводящей головкой. В этом случае необходимо перевернуть ленту так, чтобы к головке была обращена ее блестящая сторона, а не матовая. Уровень звука при этом понизится, но это можно возместить регулятором громкости, и опыт удастся, хотя и не так хорошо, как с лентой, намагниченной по всей ширине.
При проигрывании записи в обратном направлении эхо, которые раньше следовали за исходным словом или щелчком, будут, разумеется, ему предшествовать. Поскольку они раньше почти не были заметны, естественно ожидать, что и теперь они явятся лишь слабым вступлением к перевернутому исходному звуку. Но в действительности оказывается, что слышимая громкость эхо оказывается поразительным образом возросшей. Резко звучавший щелчок (или его воспроизведение при нормальном проигрывании) теперь превратился в постепенно нарастающий свист, завершающийся щелчком. Самый щелчок звучит более или менее одинаково при проигрывании в обоих направлениях, но перевернутые эхо стали гораздо более заметны. Настолько более заметны, что когда вы их слушаете, то трудно поверить, чтобы здесь не было какой-нибудь каверзы со стороны магнитофона, и что это ууууууШК! действительно есть тот же самый звук, что и исходный резкий щелчок.
При таком проигрывании записи в обратном направлении обнаруживается истинная интенсивность эхо различных звуков. Для речи или музыки, которые при обратном проигрывании всегда звучат неестественно, интенсивность эхо труднее оценить. Щелчки или звуки пистолетных выстрелов так коротки, что состоят лишь из нескольких неправильных звуковых колебаний, звучащих почти одинаково при проигрывании в обоих направлениях. Это можно проверить, повторив запись на открытом воздухе в тихом месте, далеко от больших зданий. Здесь щелчки будут сопровождаться лишь слабыми эхо от земли и от небольших объектов, как кусты и деревья. При обратном проигрывании получится звучание, более близкое к исходным щелчкам, чем на записи, сделанной в помещении. Короче говоря, этот опыт показывает, до какой степени наше чувство слуха подавляет восприятие эхо. Мы ясно слышали бы эти звуковые волны, если бы они звучали раздельно, и совершенно их не замечаем, когда они составляют часть эхо, пришедшего через несколько десятьых долей секунды после исходного звука. Этим в значительной мере объясняется, почему произнесенное слово или другой звук звучат почти одинаково как в комнате с сильными отражениями от стен, так и на открытом воздухе, где эхо либо очень слабое, либо совсем отсутствует. Разница, конечно, есть, и если внимательно прислушаться, то можно заметить, что в закрытой комнате голос звучит не только громче, но и полнее по тембру. Всем хорошо знаком гулкий звук шагов в помещении без мебели и без драпировок. Все это связано с присутствием или отсутствием сильных эхо.
Механизм подавления эхо составляет одну из многих тонких загадок человеческого уха и мозга, и никто не понимает, как осуществляется его действие. Подавление длится лишь малую долю секунды. Было показано, что подавление проявляется сильнее всего сразу же после окончания прямого звука; затем оно постепенно ослабевает и спустя примерно полсекунды ухо снова воспринимает в полной мере последующие звуки. Если кругом тихо, то эхо от дальнего холма, пришедшее через 4—5 секунд после прекращения исходного звука, легко услышать. Но мы не услыхали бы эхо той же силы, пришедшее через 1/10 секунды после исходного звука. При проигрывании магнитофонной записи в обратном направлении мы уводим эхо из того интервала времени, когда действует наш механизм подавления.
Пытаясь выяснить, каково звучание эхо, желательно пользоваться звуками малой продолжительности, просто потому, что тогда для них будет меньше шансов оказаться перекрытыми и полностью замаскированными исходным звуком. Звуки произносимых слогов или щелканье ножниц недостаточно коротки для получения наилучших результатов. Всякий звук короче примерно 1/10 секунды называют щелчком; при достаточном уровне энергии щелчка он звучит тем резче, чем меньше его длительность. Однако человеческий голос или какой-либо другой обычный источник звука не способны производить действительно короткие щелчки. Очень резкий щелчок дает электрическая искра, возникающая при разряде конденсатора, и почти такой же резкий щелчок получается при разряде конденсатора через громкоговоритель, если только электрическая цепь не оказывается в резонансе и не продлевает колебаний диафрагмы громкоговорителя.
Более дешевым и широко доступным источником резких щелчков является обыкновенная детская игрушка — так называемая «лягушка», или «сверчок», представляющая собой тонкую полоску рессорной стали с вмятиной посредине. Один конец полоски крепко зажат в держателе, второй свободен и на него можно нажимать в ту и другую сторону, сгибая и разгибая полоску. Когда палец сгибает полоску, вмятина скачком выгибается в обратную сторону, так что выпуклая сторона делается вогнутой, и обратно, и при этом воздуху сообщается мгновенный энергичный толчок. В результате получается очень громкий и резкий хлопок или щелчок, способный причинить болевое ощущение; а быть может, при многократном повторении, и повредить слух, если хлопок производить над самым ухом.
Различные модели такой хлопушки дают хлопки разной длительности; играют роль размеры и форма держателя. В испытанных мною маленьких хлопушках уже через 10 миллисекунд после перескакивания вмятины звук падает до 1/10 начального максимального значения. Если вспомнить, что скорость звука в воздухе равна примерно 1 футу в миллисекунду, то можно подсчитать, что хлопок, длящийся 10 миллисекунд, растягивается при распространении в воздухе почти на 10 футов. Это означает, что отражение от стены, расположенной на расстоянии 5 футов, достигнет слушателя как раз в тот момент, когда последние звуки, составлявшие хлопок, покинули хлопушку. Если бы хлопушка создавала звук длительностью в 1 миллисекунду, то перекрытие эхо с исходными звуками прекратилось бы на расстояниях до отражающей стены, превышающих всего 6 дюймов.
Интересное дело — обзавестись такой хлопушкой и наблюдать эхо! Даже обыкновенные игрушки, хлопки от которых длятся по 10 миллисекунд, многое добавляют к сведениям, полученным нами из опытов с эхо от произносимых слов. В этих опытах важно усилить до максимума слышимость эхо и в то же время понизить уровень исходного звука, непосредственно достигающего наших ушей. Часть уже упомянутого ранее эффекта подавления эхо — это весьма кратковременное понижение чувствительности нашего слуха после прихода очень громкого звука, а эти хлопушки на небольшом расстоянии издают действительно чрезвычайно громкий звук. Лучше взять хлопушку обеими руками, сложенными в виде лодочек, так, чтобы образовался рупор, обращенный отверстием вперед и заслоняющий уши. Хлопки будут еще ясно слышны, но главная часть их звуковой энергии будет направлена прямо вперед. Проигрывая в обратном направлении запись этих хлопков, можно наблюдать все описанные выше поразительные явления. Во время записи микрофон должен находиться позади сложенных рук, образующих рупор, чтобы условия для записи эхо также были более благоприятны, чем для исходного звука хлопка. Эхо таких очень коротких хлопков можно слышать непосредственно без всякого магнитофона, без обратного проигрывания.
Такую зажатую в сложенных руках хлопушку интересно использовать и на открытом воздухе. Если руки с хлопушкой обращены прямо в сторону здания, расположенного на расстоянии около 50 футов, то легко можно услышать отчетливое отдельное эхо. Таким же образом можно получить отчетливые эхо от деревьев диаметром примерно в фут и от других подобных объектов. Начинающему экспериментатору лучше всего медленно прохаживаться взад и вперед, производя один-два хлопка в секунду. Несколько минут внимательного прислушивания покажут, как много можно узнать об объектах таких размеров, если только они достаточно удалены, чтобы эхо отчетливо отделялось от исходных хлопков. Опыт покажет, что легче всего распознать эхо, когда в окрестности имеется только одна большая отражающая поверхность. Несколько деревьев во дворе, окруженном большими зданиями, дадут многократные эхо, и чтобы выяснить принадлежность каждого из эхо, нужно тщательно в них разбираться.
При этом опыте у вас вскоре начнутся судороги в руках, вызванные их неестественным положением, когда они одновременно приводят в действие хлопушку и играют роль рупора. Нетрудно снабдить хлопушку небольшим рупором из картона, легкого металла или пластмассы. Идеальной формой рупора был бы, пожалуй, параболоид, но достаточно глубокий конус также дает довольно хорошие результаты. Самое главное требование, которому должен удовлетворять рупор,— это возможность сгибать в одну и в другую сторону стальную пластинку с вмятиной, не открывая заднюю стенку рупора, иначе громкие хлопки непосредственно достигали бы уха экспериментатора. Одно из подобных устройств показано на рис. 7.
Когда вы научитесь при помощи эхо обнаруживать деревья и постройки, то поупражняйтесь на легко распознаваемой цели, например такой, как большое здание. Приближайтесь к зданию, производя хлопки. Если вы не совсем уверены в том, что слышите эхо, то завяжите глаза или просто закройте их. Вы окажетесь тогда почти в том же положении, что и слепой человек, пытающийся найти дорогу при помощи эхо. Многие слепые полностью овладели этим способом и успешно им пользуются. Приближаясь к зданию с расстояния в 15—25 м, вы сначала будете отчетливо слышать раздельное эхо, однако постепенно оно сливается с исходным звуком, и наконец, вы при всем усилии не сможете различить эхо. Тогда вам нужно повернуться в другом направлении, где нет больших отражающих объектов, и сделать еще несколько хлопков. Но теперь хлопки будут звучать по-иному, и в случае сомнений это можно проверить, наводя хлопушку то в сторону здания, то в другом направлении. После того как различие будет уловлено, подойдите к зданию еще ближе, снова направляя хлопушку то прямо на здание, то в других направлениях, где нет отражающих объектов. Удивительно, насколько близко можно подойти к зданию и все еще ясно слышать разницу в звучании хлопков, когда хлопушка направлена прямо на стену и когда она направлена в сторону от нее. На очень малых расстояниях, например ближе 10 футов, звуки будут различаться только громкостью. Здесь эхо достаточно интенсивно, чтобы повысить громкость хлопка, с которым оно сливается. Вот почему так важна роль рупора, защищающего вас от прямого звука; если бы можно было изготовить идеальный рупор, так чтобы вся звуковая энергия щелчка миновала наблюдателя, то распознавание эхо стало бы безошибочным.
Здесь полезно будет отклониться несколько в сторону и заняться вопросом о длинах волн слышимых звуков и о соотношении между длиной волны и осуществимыми размерами рупора, направляющего звук хлопка вперед. Все виды волнового движения имеют общее свойство: правильное зеркальное отражение волн может быть получено только от объектов, размеры которых превышают одну длину волны. Поверхностные волны, возбуждаемые в демонстрационной кювете или в обыкновенной ванне, могут отражаться от краев ванны или от других объектов длиной в несколько сантиметров. Эти отражения подчиняются тем же законам, что и световые волны; например, угол отражения от плоской поверхности равен углу падения. Но получаются совершенно другие результаты, когда размеры отражающего объекта равны одной длине волны или меньше ее. Тогда наблюдаются вторичные волны, которые можно назвать эхо, исходящие во всех направлениях от малого объекта. Интенсивность этих отраженных волн довольно сложным образом зависит от направления; зависимость определяется формой объекта и, в особенности, соотношением между его размерами и длиной волны. Если же размеры отражающего объекта гораздо меньше одной длины волны, то его форма роли почти не играет. Ниже я опишу простые опыты с хлопушкой, из которых будет видно, что те же законы применимы и к слышимым звуковым волнам. Когда эхо разбегаются по всем направлениям от объекта, малого по сравнению с длиной волны, то часто говорят не об отраженном, а о рассеянном звуке.
Мы отклонились в сторону для того, чтобы выяснить, как влияет длина волны на способность рупора направлять звук прямо вперед. Рупор — это специальное акустическое зеркало; его форма должна обеспечивать такое отражение звуковых волн, возбуждаемых внутри него, чтобы они усиливали друг друга и выходили из отверстия рупора в виде параллельных волновых фронтов, бегущих в одном направлении. Если звук создается в одной точке, то концентрация всех волн в одном направлении лучше всего достигается при параболической форме рупора. Для такого рупора все продольные осевые разрезы суть параболы, в фокусе которых расположен источник звука. Согласно одному из геометрических свойств параболы, всякий луч, исходящий из фокуса, встречается с поверхностью параболического рупора под таким углом, что после отражения (под углом, равным углу падения) он идет параллельно оси параболы.
Рис. 8 может помочь разобраться в этой несколько сложной, на первый взгляд, картине. Собственно говоря, здесь нет ничего нового, так как примерно по тому же принципу устроены прожекторы, ручные фонарики и автомобильные фары. Однако в ходе рассуждений мы исходили из важного предположения о том, что звуковые волны, создаваемые в фокусе параболического рупора, будут действительно отражаться от его поверхности под углом, равным углу падения. Это справедливо только для длин волн, малых по сравнению с размерами отражающей поверхности. Если длина волны гораздо больше размеров рупора, то он будет оказывать очень слабое направляющее действие на звуковые волны. Это значит, что для получения желаемого действия размеры рупора должны в несколько раз превышать длину волны. Какой отсюда можно сделать вывод о частотах звука хлопушки, предназначенной для создания эхо?
Предположим, что мы решили использовать 256 звуковых волн в секунду. При скорости звука в воздухе 344 м/сек длина волны такого звука равна 344/256, т. е. около 1,3 м. Требуемые размеры рупора должны в несколько раз превышать длину волны. Следовательно, если бы даже он был изготовлен из самого легкого материала, он оказался бы слишком громоздким. Ясно, что необходимо выбирать более короткие волны, т. е. более высокие частоты. Но выше порога слышимости, т. е. выше частот 15 000—20 000 гц, идти нельзя. Хорошим компромиссом явится частота где-то в интервале от 5000 до 10 000 гц. Длина волны звука с частотой 10 000 гц равна 344/10 000, т. е. около 3 см. Изготовить рупор диаметром в несколько сантиметров нетрудно, и если бы мы руководствовались только этим соображением, то следовало бы выбирать самые высокие из хорошо слышимых частот и, соответственно, самые короткие волны. Летучие мыши пользуются частотами до 130 000 гц, что соответствует длине волны около 2,5 мм, и их крошечные рты и уши очень эффективно концентрируют такие короткие звуковые волны. Хлопушки издают звуки, содержащие ряд частот или длин волн в каждом хлопке. Но для получения идеального хлопка, содержащего практически лишь одну частоту и в то же время достаточно короткого, чтобы можно было четко отделять эхо от исходного звука, необходимо иметь более сложные источники звука. Уже одно только требование четкой раздельности звучания эхо ограничивает выбор частоты звука. Для установления определенной частоты необходимо, чтобы за время своего существования звук содержал несколько волн, и если звук длится только одну миллисекунду, то при частоте 10 000 гц он будет содержать всего десять волн, а при частоте 5000 гц — пять волн.
В этих простых опытах с хлопушкой предлагалось действовать так, как если бы вы были лишены зрения, и выяснить, что удастся узнать об окружающих вас крупных предметах, пользуясь только эхо. Ниже я расскажу более подробно о том, как слепые поступают в действительности, каких успехов они достигли и что мешает им использовать эхолокацию для распознавания всех крупных препятствий, угрожающих безопасности их передвижения. Но прежде чем обратиться к непосредственному применению эхолокации к неотложной задаче, стоящей перед множеством людей, лишенных зрения, полезно будет рассмотреть некоторые физические свойства эхо, определяющие их интенсивность и слышимость. Здесь мы снова будем широко пользоваться как настоящими эхо, возбуждаемыми хлопушками, так и «эхо», наблюдаемыми в водяной ванне, столь удобной для анализа волнового движения в лабораторных условиях.