5 лет назад
Нету коментариев

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.