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.

График звукового давления для очень короткого слова в отсутствие эхо и в присутствии эхо

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.

Прибор для изучения эхо

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?

Фокусировка звука

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.

• ← Эхо слышимых звуков в воздухе
• Измерение скорости звука при помощи эхо →