Физические явления изучаются не только для того, чтобы понять их сущность, но и для того, чтобы научиться ими управлять, чтобы с их помощью бороться со стихиями природы. Так действовал человек всегда со времен возникновения человеческого общества.
Одно из первых явлений природы, которое человек наблюдал, которое стремился понять,— это эхо. Очевидно, еще в раннем, каменном веке человек научился пользоваться этим явлением для ориентировки в горной местности.
Отражение звука от препятствий во многом похоже на полет мяча, брошенного на землю или на стену. Угол его падения равен углу отражения. В горном ущелье мы слышим многократное эхо. Это значит, что к нам приходят звуки, отраженные от нескольких скал. Если в горах крикнуть и отметить время до прихода эха, то легко определить расстояние до места, от которого звук был отражен. Для этого достаточно умножить скорость звука на засеченное время и это произведение разделить на два, так как за это время звук прошел «туда» и «обратно».
В 1887—1889 гг. звук впервые был применен для определения глубины моря. Источником звука был колокол, звучавший под водой. Результаты опытов не были утешительными: звук, отражаясь от дна, давал очень слабое эхо, еле слышное в общем шуме моря.
Колокол использовали для предупреждения кораблей во время тумана. Он звонил под водой в центре опасной при тумане бухты. Корабли, направляющиеся в гавань, опускали по бортам слуховые трубы, похожие на уши. Но звучание колокола оказалось и для этого слишком слабым.
Значительно сильнее звук дает сирена — вращающийся диск с отверстиями, через которые продувают струю воздуха. Колокол заменили сиреной.
К измерению глубины моря с помощью эха вернулись несколько лет спустя. В 1912 г. был сконструирован специальный прибор — эхолот. У одного из бортов корабля взрывали в воде пороховой патрон, звук взрыва после его отражения от дна принимался на другом борту. Эхолотом можно было измерять глубины до 150 м. Эхолотом был заменен менее совершенный прибор — лот (канат с грузом на конце и метками длины).
Колебания с частотой менее 16 гц не воспринимаются нашим слухом — это инфразвук. Не слышны также колебания с частотой более 20 000 гц — это ультразвук. Когда были созданы высокочувствительные приемники звуков
для самых различных частот, обнаружилось, что инфра- и ультразвуки распространены в природе так же широко, как и звуки слышимые. Выяснилось, что их излучают и воспринимают живые существа на суше, в воздухе и в воде и используют их для своих «переговоров». Собаки, например, воспринимают ультразвуки с частотой до 40 кгц. Этим пользуются дрессировщики, чтобы подавать собаке команду, неслышимую людьми. Установленные в море приемники ультразвука обнаруживают его при появлении «плавающих островов» планктона. Оказалось, что крохотные веслоногие рачки в этом планктоне создают ультразвуковые волны, потирая лапку о лапку. В море были обнаружены и слышимые звуки: их издают некоторые рыбы (см. в т. 4 ст. «Звуки моря»). Издает звуки и само море. Их называют «голосом моря». Частота таких звуков меньше 16 гц. Порывистый ветер где-то далеко зарождает шторм, приводит в движение поверхность воды. Сжатие и разрежение морской волны передаются в пространство над водой и порождают инфразвуковые волны.
Инфразвуковое излучение ощущают различные жители моря: медузы, ракообразные существа, морские блохи и гоморусы. Прибрежные животные, услышав «голос моря», прячутся в морской глубине или в водорослях. Еще раньше узнают о приближении шторма морские животные, находящиеся вдали от берега, потому что звук вообще распространяется в воде в 5 раз быстрее, чем в воздухе,— со скоростью 1460 м/сек.
Инфразвук мы не слышим, но можем его ощущать. Иногда в троллейбусе компрессор воздушного тормоза начинает работать ненормально, и пассажиры, хотя и не слышат звук, ощущают боль в ушах.
В глубокой древности звуки мелодий записывали буквами, в средние века — особыми значками, невмами, которые приблизительно указывали повышение и понижение тонов. Для более точного определения высоты тона к невмам стали приписывать цветные черточки. Невмами записывали только вокальные мелодии, но эта запись лишь приблизительно указывала певцу последовательность повышений и понижений тона. В XI в. итальянец Гвидо д'Ареццо изобрел более точную систему записи звуков на четырех линейках. Он же дал названия для большинства современных нот. Только в XIV в. появилась запись нот на пяти линейках — нотоносцах. Кроме пяти основных линеек, применяют 5 добавочных вверху и 5 внизу. Ноты записываются на линейках и между ними. Что означают линейки, указывает ключ, который находится слева на основных линейках. Для фортепьянной музыки характерны два ключа— скрипичный и басовый. Для записи хоровой и оркестровой музыки существуют и другие ключи: до, соль, фа.Основные линейки в нотной записи разбиты на равные части, так называемые такты. Они определяют длительность звучания. Размерность музыкального произведения и его тональность указаны рядом с ключом. Нотами обозначают только основной звук. Обертоны, определяющие тембр, окраску звука, зависят от музыкального инструмента.
Мы с удовольствием слушаем песню, игру пианиста или скрипача, духовой оркестр, играющий в отдалении. Все эти звуки мы называем музыкой. Но редко встречаются люди, которым приятны визг, скрежет, грохот. В науке музыкальным называется тот звук, в котором изменение акустического давления, воспринимаемое ухом, упорядочено и, кроме того, повторяется регулярно, через равные промежутки времени. Звук перестает быть музыкальным, и его называют шумом, если звуковое давление изменяется в нем беспорядочно.
В каждом музыкальном звуке есть тон и тембр. Понятие звуковой тон ввел в акустику Галилео Галилей. Тон звука определяется частотой, с которой изменяется давление в звуковой волне. Небольшая частота колебаний соответствует низкому тону, большая частота колебаний — высокому тону.
Если бы вибрирующие тела создавали при звучании в каждый момент только один тон, мы не смогли бы отличать голос одного человека от голоса другого, а все музыкальные инструменты звучали бы для нас одинаково. Всякое вибрирующее тело создает одновременно звуки нескольких тонов и при этом различной силы. Самый низкий из них называют основным тоном; более высокие тона, сопровождающие основной, — обертонами. В совместном звучании основной тон и обертоны создают тембр звука. Каждому музыкальному инструменту, каждому человеческому голосу присущ свой тембр, своя «окраска» звука. Один тембр отличается от другого числом и силой обертонов. Чем больше их в звучании основного тона, тем приятнее тембр звука.
Ухо человека способно анализировать звук, т. е. разбираться в совокупности тонов и обертонов, и это позволяет ему отличать один тембр от другого.
Если высокие обертоны преобладают в человеческом голосе над низкими, говорят, что в голосе «слышится звучание металла».
Пока самолет летит медленнее звука, все происходит по формуле Доплера: он догоняет свой звук, частоты соответственно изменяются. Как только самолет достиг скорости звука, он начинает двигаться вместе со звуком. Но вот он увеличивает скорость, обгоняет звук. Все звуковые колебания воздуха должны оставаться сзади самолета, в конусе, угол которого тем меньше, чем скорость самолета больше скорости звука.
Но так происходило бы, если бы самолет возбуждал только слабые возмущения в воздушной
среде, такие, как звук. Но самолет — источник очень сильных возмущений. При полете со сверхзвуковой скоростью воздух перед летящим телом уплотняется, и в этом слое воздуха резко возрастают и давление и температура. Этот слой даже удается сфотографировать, настолько в нем отличны и плотность и коэффициент преломления от обычного воздуха. Скорость звука в таком слое тоже меняется, она становится больше скорости самолета. Возникает так называемая ударная волна, она намного обгоняет самолет. Распространяясь, ударная волна затихает, и ее скорость сравнивается с обычной звуковой; следовательно, она уже отстает от самолета.
Иногда в безоблачный день вы слышите будто удар грома. С удивлением ищете в небе грозовое облако, но, приглядевшись, видите вместо него серебристую точку... Это — скоростной самолет, а удар «грома» — остатки его ударной волны, давно уже превратившейся в звуковую. Если такой самолет пролетит на высоте в 20 м вдоль колонны автомобилей, идущих по шоссе, мощная ударная волна разобьет все автомашины и сбросит их остатки в кювет.
Вас кто-то окликнул. Услышав голос, вы повернете лицо именно в ту сторону, откуда он донесся. Происходит это потому, что слуховые раздражения приходят в мозг одновременно от обоих ушей только в том случае, если источник звука находится от них на равном расстоянии. Голову мы поворачиваем всегда в ту сторону, откуда звуковое раздражение пришло в мозг хотя бы на сотую долю секунды раньше, чем раздражение, воспринятое другим ухом.
Таким образом, восприятие звука обоими ушами дает возможность определить, в какой стороне от нашего лица находится источник звука. Это свойство нашего слуха называется бинауральным эффектом. Его часто используют в технике, например для стереофонического звучания в кино. При демонстрации стереофонически озвученных фильмов звуки производятся двумя или несколькими динамиками в различных точках кинозала. По такому же принципу устроены и проигрыватели для стереофонических граммофонных пластинок.
Один и тот же звук может восприниматься одним человеком как нормальный, а другим — как громкий. Громкость звука зависит не только от чувствительности уха, но и от психического восприятия. И тем не менее каждый человек воспринимает звук, обладающий большей энергией, как более громкий.
Самый слабый звук с самой малой энергией, воспринимаемый ухом, называют порогом слышимости. Низкие и высокие тона воспринимаются на пороге слышимости по-разному. Чтобы у них была одинаковая громкость, энергия и давление звука должны быть у низких тонов больше, чем у высоких. Тембр звука определяется не только количеством высоких и низких обертонов, но и соотношением их энергий и звуковых давлений.
Очень сильные звуки создают в органах слуха ощущение боли. Звук любого тона имеет болевой порог восприятия. На цветном рисунке у страницы 112 показаны границы слышимости. Область слышимости ограничена двумя кривыми: порога слышимости и порога болевого восприятия. Естественная же область звуковых давлений, воспринимаемых ухом при звучании голоса, показана на этом рисунке штриховкой.
Голосовой аппарат человека, как и любой источник звука, передает энергию в окружающую среду, но эта энергия очень мала. Представьте себе, что вы на стадионе, где одновременно говорят и кричат 100 000 человек. Если превратить поток энергии этих голосов в энергию электрическую, то ее едва хватит на лампочку маленького электрического фонарика. Мощность одновременного разговора всех людей на земном шаре едва ли больше мощности автомобиля «Москвич».
Уже давно придуманы устройства, позволяющие слышать голос на далеком расстоянии. Благодаря свойству отражаться от препятствий звуковые волны можно специальными устройствами направлять в определенную сторону, подобно лучу прожектора.
Желая окликнуть кого-либо, находящегося в отдалении, мы обычно подносим ко рту ладони и тем самым направляем поток звуковой энергии в нужную нам сторону. По этому же принципу устроен рупор. Он создает направленную звуковую волну так, что поток ее энергии
не рассеивается во все стороны, а концентрируется в одном направлении.
Греческий полководец Александр Македонский пользовался во время сражений рупором. В грохоте боя трудно было бы слышать слова команды, но, если отдавать ее через рупор, она хорошо слышна и на большом расстоянии.
Хаотическое движение частиц вещества (в том числе и молекул воздуха) называют тепловым. Когда в воздухе распространяется звуковая волна, его частицы приобретают, кроме теплового, еще и дополнительное движение — колебательное. Энергию для такого движения дает частицам воздуха вибрирующее тело (источник звука); пока оно колеблется, энергия беспрерывно передается от него в окружающий воздух. Чем дальше пройдет звуковая волна, тем слабее она становится, тем меньше в ней энергии. То же самое происходит со звуковой волной и в любой другой упругой среде — в жидкости, в металле.
Звук распространяется равномерно во все стороны, и в каждый момент слои сжатого воздуха, возникшие от одного импульса, образуют как бы поверхность шара, в центре которого находится звучащее тело. Радиус и поверхность такого «шара» беспрерывно растут. Одно и то же количество энергии приходится на все большую и большую поверхность «шара». Поверхность шара пропорциональна квадрату радиуса, поэтому количество энергии звуковой волны, проходящей, допустим, через квадратный метр поверхности, обратно пропорционально квадрату расстояния от звучащего тела. Следовательно, на расстоянии звук становится слабее. Русский ученый Н. А. Умов ввел в науку понятие поток плотности энергии. Величиной потока энергии удобно измерять и силу (интенсивность) звука. Поток плотности энергии в звуковой волне — это количество энергии, которое проходит за секунду через единицу поверхности, перпендикулярной направлению волны. Чем больше поток плотности энергии, тем больше сила звука. Измеряется поток энергии в ваттах на квадратный метр (вт/м2).
Звук распространяется от звучащего тела равномерно во все стороны, если на его пути нет никаких препятствий. Но не всякое препятствие может ограничить его распространение. От звука нельзя загородиться небольшим листом картона, как от пучка света. Звуковые волны, как и всякие волны, способны огибать препятствия, «не замечать» их, если их размеры меньше, чем длина волны. Длина слышимых в воздухе звуковых волн колеблется от 15 м до 0,015 м. Если у препятствий на их пути меньшие размеры (например, у древесных стволов в редколесье), то волны их просто огибают. Препятствие же больших размеров (стена дома, скала) отражает звуковые волны по тому же закону, что и световые: угол падения равен углу отражения. Эхо — это отражение звука от препятствий.
Своеобразно переходит звук из одной среды в другую. Явление это довольно сложное, но оно подчиняется общему правилу: звук не переходит из одной среды в другую, если их плотности резко отличны, например из воды в воздух. Достигая границы этих сред, он почти полностью отражается. Очень незначительная часть его энергии уходит на вибрацию поверхностных слоев другой среды. Погрузив голову под самую поверхность реки, вы еще услышите громкие звуки, на глубине же в 1 м уже ничего не услышите. Рыбы не слышат звук, раздающийся над поверхностью моря, но звук от тела, вибрирующего в воде, они слышат хорошо.
Через тонкие стенки звук слышен потому, что он заставляет их колебаться, и они как бы воспроизводят звук уже в другой комнате. Хорошие звукоизоляционные материалы — вата, ворсистые ковры, стены из пенобетона или пористой сухой штукатурки — как раз тем и отличаются, что в них очень много поверхностей раздела между воздухом и твердым телом. Проходя через каждую из таких поверхностей, звук многократно отражается. Но, кроме того, и сама среда, в которой звук распространяется, поглощает его. Один и тот же звук слышен лучше и дальше в чистом воздухе, чем в тумане, где его поглощают поверхности раздела между воздухом и капельками воды.
По-разному поглощаются в воздухе звуковые волны различной частоты. Сильнее — звуки высокие, меньше — низкие, такие, например, как бас. Именно поэтому пароходный гудок издает такой низкий звук (частота его не более 50 гц): низкий звук слышен на большем расстоянии.. Большой колокол в Московском Кремле, когда он еще висел на колокольне «Иван Великий», был слышен за 30 верст — он гудел тоном примерно в 30 гц (фа субоктавы). Еще меньше поглощаются инфразвуки, особенно в воде. Рыбы слышат их за десятки и сотни километров.