4 года назад
Нету коментариев

Волновое движение удобно представлять себе в простей­шей непрерывной форме: как звук одной-единственной час­тоты, создающий, например, 2000 звуковых волн или цик­лов в секунду; либо как свет чистого спектрального цвета, например, линия D натриевого пламени, частота которой равна 5,1*1013 периодов в секунду (51 000 000 000 000 гц). Для большинства целей подобные волны могут быть доста­точно точно представлены в виде графика, на котором пере­менная величина, характеризующая волновое движение, отложена на одной оси, а время — на другой оси. Для звука одной-единственной частоты или для чистого спектрального цвета графики дают плавно изгибающиеся кривые, так на­зываемые синусоиды.

Синусоидальная кривая получится, например, если по­строить временную зависимость вертикального смещения стрелки часов. Привяжем нить к концу часовой стрелки стенных часов обычного школьного типа, а к другому концу нити подвесим легкий грузик (рис. 2). В 9 часов, а также в 3 часа груз будет находиться на полпути между самым высоким и самым низким своим положением, и мы можем провести на стене под часами горизонтальную среднюю ли­нию на этом уровне. Предположим, далее, что и в другие моменты времени мы измеряем, насколько груз находится выше (или ниже) этой средней линии; наибольшее расстоя­ние до средней линии будем называть амплитудой колебания и обозначим через а. В полдень расстояние будет равно +а, а в 6 часов оно будет равно —аЧерез каждые шесть часов отклонение обращается в нуль, а около полудня и около шести часов кривая замедляет свое нарастание или убывание и движение меняет свое направление. Если бы мы подвязали груз не кчасовой, а к минутной стрелке часов, то за один оборот часовой стрелки груз совершил бы 12 отклонений вверх и вниз от средней линии.

Графическое изображение колебаний маятника или грузика на стрелке часов

Графическое изображение колебаний маятника или грузика на стрелке часов

Эта же кривая изображает синусоидальную функцию, изучаемую в геометрии и тригонометрии. Однако в этом удоб­ном представлении волны нет возможности учета ее взаимо­действия с материальными телами. Поэтому для выяснения свойств звука как передатчика сведений нам придется пред­ставлять себе волну несколько по-иному или по крайней мере придется несколько дополнить упрощенное представление о непрерывной синусоидальной волне. Это увеличит интерес всего вопроса о волновом движении сравнительно с тем, что приходится узнавать в школьном курсе физики.

Что же такое звуковые волны и в чем их отличие от дру­гих видов волнового движения? Когда звук распространяет­ся в какой-нибудь среде, например в воздухе, давление в среде ритмически изменяется, то возрастая, то убывая в каж­дой данной точке в темпе, который мы называем частотой звука (рис. 3). Эти изменения давления могут, конечно, и не быть регулярными. Однако даже в тех случаях, когда они настолько нерегулярны, что нельзя говорить об одной частоте звука, изменения давления все же остаются знако­переменными, и атмосферное давление колеблется, то пре­вышая, то не доходя до своего среднего значения, называе­мого давлением в одну атмосферу и измеряемого при помощи барометра (на уровне моря атмосфера оказывает такое же давление, как и столб ртути высотой 76см). Далее, области слегка повышенного и слегка пониженного давления рас­пространяются в воздухе, так что зона повышенного дав­ления, которая в данный момент прошла через данную точ­ку, будет в следующий момент обнаружена уже на некото­ром расстоянии от нее. Эти изменения давления воздуха го­раздо меньше, чем обычно себе представляют. Например, громкий крик вызывает изменение давления воз­духа всего на 0,00001— 0,0001 атмосферы, а самый слабый звук, воспринимаемый челове­ком с нормальным слу­хом, соответствует изме­нениям давления на 2*10-10 (2/10 000 000 000) атмосферы.

Распределение молекул воздуха вблизи источника звука

Распределение молекул воздуха вблизи источника звука

Бывало, люди задава­ли себе вопрос, сущест­вует ли звук в отсутствие слушателя. Спорили о том, шумит ли водопад в диких пустынных мес­тах, где его некому слы­шать. Такие вопросы те­ряют свое значение, если только проводить раз­личие между физическим явлением звуковых волн, как изменений давления, распространяющихся в воздухе, и субъективным ощущением восприятия звука. Для восприятия звука слушатель, конеч­но, нужен, но это может быть в равной мере и животное, а не только человек. Но, если только не считать, что в отсутствие людей свойства водопада и окружающего воздуха совершенно меняются, несомненно, что пока вода продолжает падать вниз, физичес­кие звуковые волны не перестают непрерывно возникать. Звуковые волны распространяются не только в газах, например в воздухе, но также и в жидкостях и в твердых те лах. Хотя мы будем иметь дело главным образом с распро­странением звука в воздухе, следует помнить, что звуковые волны (т. е. перемещающиеся изменения давления) могут распространяться также через океанские глубины и через самую твердую сталь. Есть, однако, одно безусловное требо­вание для возможности распространения звуковых волн: обязательно должна быть какая-нибудь среда, в которой они могли бы бежать, и они никак не могут существовать в пу­стом пространстве, в полном вакууме. В самом деле, давле­ние вызывается соударениями молекул друг с другом и с по­верхностью жидких или твердых тел, образующих границы газа. Звук может распространяться с заметной интенсивно­стью только в средах, где имеется заметное давление, т. е. в средах, в которых молекулы расположены достаточно близко друг к другу, чтобы часто сталкиваться между собой.

Следующая важная характеристика звуковых волн — это скорость их распространения. Возникшие звуковые волны перемещаются в данной среде и при данных условиях с постоянной скоростью. По мере распространения они де­лаются все слабее и слабее и в конце концов полностью за­мирают. Но пока они еще остаются заметными, их скорость не меняется. Не зависит скорость также и от частоты звука. Это означает, что в случае, когда звук содержит больше чем одну частоту (т. е. когда форма звуковых волн сложнее, чем простая синусоида), все составные части сложного звука движутся вместе и ни одна из компонент не отстает и не опе­режает остальные. Скорость звука зависит главным образом от среды, в которой распространяются звуковые волны, но имеется и слабая зависимость от температуры и некоторых других факторов. Например, скорость звука в воздухе при температуре 20°С равна 344 м/сек, а в морской воде при 0°С— 1550 м/сек. Эти расстояния довольно велики, но, конечно, много меньше, чем расстояние, пробегаемое за одну секунду светом или радиоволнами и равное 300-106 ж. Так как расстояния в сотни и тысячи метров менее наглядны, чем расстояния, сравнимые с размерами тела человека, то мы часто будем характеризовать скорость звука расстоянием, пробегаемым им за одну миллисекунду, т. е. за одну тысяч­ную секунды. Скорость 344 м/сек соответствует пути в34,4 см или примерно в 1 фут, пробегаемому за одну миллисекунду; эту цифру легко запомнить, и она удобна в случае звуков весьма малой длительности.

Важное значение имеет также длина волны звука. Длина волны — это расстояние между двумя последовательными зонами максимума или минимума давления, возникающими при распространении звуковой волны. Так как скорость звука в данной среде постоянна, то на расстоянии 344 ж, пробегаемом им в одну секунду, уложится либо большое число коротких волн, либо малое число длинных волн. Если волны короткие, то на заданном расстоянии их уло­жится большее число и за данный промежуток времени боль­шее их число достигнет заданной точки, иначе говоря, час­тота их будет выше. Соотношение между скоростью звука vего частотой f и длиной волны X можно выразить следующим простым уравнением: v=f*yТак как при заданных усло­виях скорость звука постоянна, то длина волны изменяется обратно пропорционально частоте. Длина волны звука с частотой 344 гц приближенно равна 1 ж. Частоте 1376 гц соответствует длина волны 0,25 ж, а длине волны 2 см (0,02 ж) соответствует частота 344 : 0,02=17 200 гцВысо­кие частоты часто выражают в килогерцах (тысячах перио­дов в секунду).

Звук любой частоты, длящийся одну секунду, зани­мает при распространении в воздухе участок длиной 344 м, считая от начала до конца группы звуковых волн. Щелчок длительностью 1/100 секунды занимает участок в 3,4 м, считая от его фронта до тыла. А фраза, на произнесе­ние которой требуется 10 секунд, растянулась бы на расстоя­ние 3440 м (больше двух миль) от рта, если бы голос говоря­щего был достаточно силен, чтобы быть слышным на таком расстоянии. Принимая, что атмосфера достаточно плотна для того, чтобы передавать звуковые волны вверх на высоту 30 000 м, и что ваш голос обладает достаточной громкостью, любопытно прикинуть, как долго должен тянуться звук, чтобы образовать непрерывный цуг волн вверх от вашего рта до этой высоты. Это время будет равно 30 000 : 344, т. е. около 87 секунд, или приблизительно 1,5 минуты. За это время можно прочитать вслух полстраницы печатного текста.

Взаимодействие звуковых волн с нами самими и с окру­жающими нас предметами не так очевидно, как взаимодей­ствие световых волн. Действительно, почти каждый твердый предмет, на который с одной стороны падает свет, отбрасы­вает тень. Однако, если этот же самый предмет, отбрасыва­ющий световую тень, поместить между источником звука и нашим ухом, то мы услышим звуки обычного характера почти без изменений. Звук легко огибает углы, и поэтому труднее преградить ему путь в дом, или в комнату, или к научной аппаратуре (рис. 4). Хотя стены и другие преграды и ослабляют громкость звуков, мы все же редко говорим о степени заграждения или о степени передачи или отражения звука. До того необычен для нас этот вопрос, что у нас нет общепринятых слов, аналогичных терминам «прозрачный» или «непрозрачный», которые выражали бы факт легкого проникновения звуковых волн сквозь данное вещество или невозможность проникновения. Нет у нас также акустиче­ских эквивалентов понятий «блестящий» или «матовый» для описания поверхностей, отражающих звук главным образом в одном направлении или примерно одинаково во всех на­правлениях.

Звук не образует резких теней, но огибает углы и отражается от твердых объектов

Звук не образует резких теней, но огибает углы и отражается от твердых объектов

Отраженные звуковые волны получили название эхо или реверберации. Они оказывают значительное влияние на то, что именно мы слышим. Мы видели, что некоторые живот­ные,  например летучие мыши и   дельфины,    пользуются эхо для ориентировки. Человек, лишенный зрения, также использует звук для своей ориентировки; какую роль при этом играют отраженные звуковые волны,— будет подроб­нее рассмотрено в конце книги. Прежде чем идти дальше, уместно уточнить значения некоторых слов, полезных для описания способности звуковых волн переносить инфор­мацию.

Эхо обычно означает четкое изолированное отражение звука от поверхности, расположенной на значительном расстоянии. Реверберация образуется многократными отра­жениями звука от близко расположенных поверхностей, когда отраженные волны перекрываются и смешиваются с исходными звуковыми волнами. В более общем смысле эхо означает звуковую волну, направление которой суще­ственно изменилось в результате падения на некоторое тело. Когда отраженные волны распространяются в том же про­странстве, что и волны, вышедшие позже из того же источ­ника звука’, то они взаимодействуют, и прежний уровень давления воздуха либо повышается, либо понижается. Если наличие эхо вызвало повышение давления в данной точке в данный момент времени, то говорят обусиливающей интер­ференции или взаимном усилении. Если звуковое давление понизилось по сравнению с тем, каким оно было бы в отсут­ствие отраженных волн, то говорят об ослабляющей интер­ференции или взаимном гашении волн. Эти термины имеют для звуковых волн точно тот же смысл, что и для света.

Существенно понять связь между скоростью звука, с од­ной стороны, и различием между реверберацией и эхо, с другой. В воздухе, обусловливающем большую часть наших слуховых восприятий, звук длительностью в 1 секунду за­нимает в воздухе участок 344 мтак что для слушателя, находящегося около источника звука, эхо начнется после окончания исходного звука только в том случае, если звук отразился от объекта, расположенного дальше, чем на по­ловину этого расстояния (172 м). За одну секунду можно произнести несколько слогов, например: «сто тысяч сто», а при некотором усилии можно повторять короткий слог, например «ди», пять раз в секунду. Если произнести один короткий слог, длящийся 0,2 секунды, то его эхо можно будет услышать раздельно от исходного звука при расстоя­нии до отражающей поверхности, превышающем 34 м (172*0,2). Не часто случается услыхать эхо, ясно отде­ленное по времени от исходного звука. Это объясняется отчасти тем, что нам редко приходится иметь дело с единичными звуками такой малой длительности (0,2 секун­ды) или с расстояниями до отражающих поверхностей, пре­вышающими 34 м, а частично тем, что наш слух признает два звука за раздельные только тогда, когда между ними есть некоторая доля секунды тишины. Даже когда два звука настолько близки по времени, что воспринимаются как один, их комбинация обычно звучит по-иному, чем каждый из них в отдельности. Два щелчка, следующие один за другим слишком близко, чтобы их можно было воспринять как двой­ной щелчок, звучат глуше, чем каждый в отдельности. Если же сблизить их по времени еще больше, то два щелчка будут звучать  просто как один  более громкий щелчок.

comments powered by HyperComments