Kvant. Распространение звука
А так ли хорошо знакомо вам распространение звука? // Квант. — 2008. — № 3. — С. 32-33.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
Мы представляли себе атомы, частицы, колебания и волны, которых никогда не видит
глаз, не слышит ухо и которые можно различить только при помощи воображения.
Джон Тиндаль
В оптике и акустике эти опыты рассматриваются как доказательства волновой природы света и звука...
Генрих Герц
Когда звук распространяется по воздуху, по воде и в твердом теле, то... он рассеивается.
Но есть и другая причина, вследствие которой он слабеет... Он теряет часть своей энергии,
и мы говорим в этом случае о «поглощении (абсорбции) звука», о «поглощающих звук веществах»...
Уильям Генри Брэгг
Рассмотрим простейший пример — распространение звука в одномерном пространстве.
Для вывода нам сначала необходимо понять, что же в действительности происходит.
Ричард Фейнман
Немало физиков, занимающихся акустикой, обращали внимание на схожесть некоторых звуковых явлений с оптическими. Верно и обратное: изучение света побуждало искать аналогии с распространением звуковых колебаний С тем же столкнулись и мы, решив посвятить новый выпуск «Калейдоскопа» волновым процессам, — обнаружили множество точек пересечения акустики и оптики. Пришлось делить тему пополам, и если мы сегодня сосредоточимся на звуке, то в следующий раз обязательно обратимся к электромагнитным волнам, прежде всего — световым.
Отметим сразу, что и тут и там во всем разнообразии волновых явлений в первую очередь нас будут интересовать ситуации, связанные с рассеянием и поглощением. Нельзя сказать, что им уделено достаточно внимания в курсе элементарной физики, в то время как в жизни мы встречаемся с ними повседневно.
Если говорить о звуковых волнах, то они — один из главнейших источников информации об окружающем нас мире. Разговорная речь, музыка, звуки живой природы, обмен сообщениями по телефону, аудиотехника — мы живем в акустически насыщенной атмосфере. Неизмеримо возросла и плотность вредных звуков — раздражающих, а порой и просто опасных для здоровья шумов.
Как донести одни из них до нас с возможно меньшими потерями и искажениями, а другие (если не удается избавиться от них) хотя бы ослабить? Как поставить нам на службу неслышимые звуки? В поисках ответов последуем совету Фейнмана и начнем с относительно простых акустических примеров.
Вопросы и задачи
- Почему закрытые окна гораздо заметнее защищают от дорожных шумов помещения на верхних этажах здания, чем на нижних?
- Известно, что дерево проводит звук лучше, чем воздух. Отчего же разговор, происходящий в соседней комнате, заглушается, когда деревянная дверь в эту комнату закрыта?
- Почему звук получается более громким, если стучать не в стену, а в дверь?
- Куда девается энергия звуковых колебаний, когда звук «замирает»?
- Зачем суфлерскую будку обивают войлоком?
- При выступлении оркестра в большом зале музыка звучит по-разному в зависимости от того, заполнен зал людьми или пуст. Чем это объяснить?
- Наши предки могли расслышать далекий топот копыт, припав ухом к земле. Почему же этот звук не был слышен в воздухе?
- Отчего в туман гудки, например электричек или теплоходов, слышны на большем расстоянии, чем в ясную погоду?
- Колеблющийся в руке камертон звучит тихо, а если поставить его ножку на стол, громкость звучания возрастает. Почему?
- Дольше ли будет звучать «громкий» камертон из предыдущей задачи по сравнению с «тихим»?
- Как объяснить тот факт, что на большом расстоянии голос может быть и слышен, но слов при этом разобрать нельзя?
- Участникам антарктических экспедиций, когда они прорывали туннели в снегу, приходилось кричать, чтобы быть услышанными даже на расстоянии в пять метров. Однако слышимость заметно возрастала, когда стенки туннеля утрамбовывали. С чем это связано?
- Почему в комнате обычных размеров не бывает эха?
- Отчего эхо от высокого звука, например крика, обычно громче и отчетливее, чем от низкого?
- Случайно залетая в окно, летучая мышь иногда садится людям на голову. Почему?
- В модели изображенной на рисунке «галереи шепотов» звуковые волны от свистка заставляли мерцать пламя свечи, установленной у противоположной стены. Но мерцание прекращалось, если сбоку от пламени и свистка вблизи стены помещали узкий экран. Как же этот экран преграждал путь звуку?
-
- Отчего иногда звуковой «луч» локатора, направленный на подводную лодку с небольшого расстояния, тем не менее не достигает ее?
Микроопыт
Поделитесь сухариками со своим товарищем и начните вместе с ним их грызть. Не кажется ли вам, что вы производите гораздо больше шума, чем находящийся рядом сосед? Почему?
Любопытно, что…
...давно известные в медицине способы диагностики — выстукивание и прослушивание — нашли применение в акустической дефектоскопии, позволяющей по рассеянию и поглощению посланного в исследуемую среду звукового сигнала определить наличие в ней неоднородностей.
...разгадка описанного в задаче 16 эффекта «галереи шепотов» была найдена в 1904 году знаменитым лордом Рэлеем во время его наблюдений и экспериментов в Лондонском соборе святого Павла. Почти через сто лет подобная разновидность волн стала предметом исследования и применения в оптике, например — для частотной стабилизации лазеров или преобразования частоты светового луча.
...инфразвуковые волны очень слабо затухают в атмосфере, океане и земной коре. Так, мощное низкочастотное возмущение, вызванное извержением в 1883 году индонезийского вулкана Кракатау, обежало земной шар дважды.
...с удалением от эпицентра ядерного взрыва ударная волна превращается в акустическую, причем короткие волны затухают быстрее, чем длинные, и на больших расстояниях сохраняются лишь колебания низких частот. Фиксация таких — инфразвуковых — волн была предложена в середине 50-х годов прошлого века академиком И.К.Кикоиным как метод обнаружения ядерных взрывов, который впоследствии успешно применялся для регистрации испытаний, проводимых США в Тихом океане.
...изобретению Беллом телефона предшествовало основательное изучение им акустики и многолетняя работа в бостонской школе для глухонемых, которым предназначались также сконструированные им усилители звука и приборы для обучения пониманию речи.
...особенность свежевыпавшего снега поглощать в основном высокие частоты была замечена английским физиком Тиндалем, совмещавшим акустические и оптические исследования. А Рэлей, искавший общее во всех колебательных процессах, сумел объяснить повышение тона эха в сосновом лесу лучшим рассеянием и отражением тонкой хвоей коротких звуковых волн, чем длинных, — как при рассеянии света в атмосфере.
...в одном из помещений консерватории в австралийском городе Аделаиде было невозможно слушать игру на рояле — так пронзительно и резко резонировал зал. Из этого положения нашли выход, свесив с потолка несколько полуметровых в ширину полос саржи — хлопчатобумажной ткани с особой отделкой поверхности, позволяющей хорошо поглощать звук.
...звуковые колебания частотой 200-400 герц при достаточно больших уровнях их интенсивности могут очень сильно замаскировать почти все вышележащие частоты. Например, мелодии органа и контрабаса отчетливо слышны в оркестре, хотя их относительная громкость не превышает такие высокозвучащие инструменты, как скрипка и виолончель.
...если «озвучивать» сиренами трубопроводы для транспортировки сыпучих грузов — муки, угольной пыли, измельченной руды, то их пропускная способность возрастает. Такие устройства используются в портах для выгрузки порошкообразных материалов из трюмов грузовых судов. Единственный их недостаток — пронзительный вой.
...колебания звуковой частоты могут использоваться для сушки разнообразных материалов при сравнительно низких температурах, в том числе за счет местного их нагрева при поглощении акустических волн.
...ультразвук способен «смешать» ртуть или масло с водой, измельчить в порошок твердые вещества при изготовлении лекарств, продолбить квадратное отверстие в металле, резать и сверлить стекло и кварц, соединить «непаяющиеся» материалы и много чего еще удивительного, но вот создать ультразвуковое оружие, увы, нельзя. Особенности распространения и поглощения ультразвука приводят к такому сильному его затуханию, что даже на расстояние всего в несколько десятков метров он передает энергию, достаточную для работы лишь... лампочки от карманного фонарика.
Что читать в «Кванте» о распространении звука
- «Калейдоскоп «Кванта» — 2003, № 1, с. 32;
- «Звук в пене» — 2004, № 4, с. 12;
- «Речь с позиции физики и математики» — 2006, № 6, с. 2;
- «Как океаны говорят друг с другом: подводная акустика» — 2006, Приложение № 6, с. 123;
- «Логарифмические шкалы» — 2007, № 2, с. 6;
- «Взрыв» — 2007, № 6, с. 5;
- «Ударные волны и детонация» — 2008, № 1, с. 4;
- «Физика ядерного взрыва» — 2008, № 2, с. 7.
Ответы
- Чем больше угол падения звуковых волн, тем меньшая их часть проникает сквозь стекло.
- Дерево проводит звук быстрее, чем воздух, поэтому существует предельный угол падения звуковых лучей, при превышении которого звук вообще не проникнет в дерево,
- При одной и той же силе удара дверь деформируется сильнее, чем стена, поэтому амплитуда ее колебаний больше, а звук громче.
- Энергия звуковых колебании переходит в энергию теплового движения молекул воздуха и окружающих предметов.
- Войлок, хорошо поглощающий звук, препятствует его распространению в зрительный зал.
- Одежда и человеческое тело поглощают звуковые волны в большей степени, чем свободные кресла и пол. Кроме того, публика в зале создает как бы «неровную» поверхность, рассеивающую звук по всем направлениям. Все это вместе влияет па восприятие музыки в заполненной и в пустой аудитории.
- Ответ связан не с тем, что звук в земле распространяется быстрее, а с тем, что в земле он рассеивается и поглощается в меньшей степени, чем в воздухе.
- В туманную погоду воздух более однороден — не происходит рассеяния звука на так называемых акустических облаках, создаваемых конвекционными потоками.
- Ножка камертона возбуждает в крышке стола вынужденные колебании, излучение звуковых волн происходит с большей площади, что приводит к увеличению громкости.
- Нет. Поскольку возрастает мощность излучаемого камертоном звука, он быстрее израсходует свою энергии) и затихнет.
- Разборчивость речи связана с наличием в звуке высоких частот. Однако коэффициенты поглощении звука в воздухе для этих частот больше, чем для низких, поэтому колебания высоких частот ослабляются в большей мере, чем колебания низких.
- Рыхлый снег, изобилующий воздушными полостями, — прекрасный звукопоглощающий материал. По мере уплотнения снега поглощение звуки в нем ослабевает, а отражение — усиливается.
- Чтобы эхо было отчетливым, отраженный звук должен приходить с определенной временной задержкой, что трудно достичь в небольших помещениях.
- Высокочастотные звуки лучше отражаются от препятствий и при возвращении имеют большую интенсивность.
- Волосы поглощают излучаемый летучей мышью ультразвук, и она, не воспринимая отраженных волн, не чувствует преграды и натыкается на голову человека.
- Непрерывно отражаясь от стены, звуковые волны распространяются вдоль нее в узком поясе, как в волноводе. Интенсивность звука при этом, как оказалось, убывает с расстоянием значительно медленнее, чем в открытом пространстве.
- Звуковая волна отклоняется вниз из-за понижения с глубиной температуры воды, с чем связано уменьшение скорости звука и, соответственно, увеличение коэффициента его преломления.
Микроопыт
Звук, идущий к нам от грызущего соседа по воздуху, рассеивается значительно сильнее, чем звук, распространяющийся к вашему уху непосредственно по черепным костям.
Материал подготовил А.Леонович
