Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Почему вертикальный размер отверстия сирены часто делается больше горизонтального? Не значит ли это, что б о льшая часть звука уйдет вверх?

ОТВЕТ •Если звук испускается из отверстия, сравнимого по размеру с длиной волны звука, звуковые волны дифрагируют , то есть огибают края отверстия, и пространственный угол, в котором распространяются звуковые волны, увеличивается. Чем меньше отверстие, тем больше дифракция. Когда чирлидер выкрикивает команду в толпе, дифракционное расширение звука, исходящего изо рта, велико, то есть его крик распространяется и влево, и вправо, и вверх, и вниз, следовательно, существенно уменьшается интенсивность звука (громкость) в каждом данном направлении. Но когда чирлидер выкрикивает команду через мегафон, имеющий форму конуса с большим выходным отверстием, звук испускается из значительно большего отверстия, и расплывание направлений (дифракция) значительно меньше. Поэтому звук идет в первую очередь вперед, и его максимальная интенсивность оказывается значительно больше. Так что мегафон используется для того, чтобы понизить дифракцию.

Предупреждающий об опасности звук корабельной сирены должен распространяться в как можно большем интервале углов в горизонтальной плоскости, чтобы каждый, кто приближается к кораблю по любому направлению, мог услышать предупреждение. Для этого нужно горизонтальное расплывание сделать как можно б о льшим, а вертикальное — меньшим, поэтому отверстие сирены делается большим по высоте и маленьким по ширине.

Проделайте такой опыт: на открытом месте (где мало что отражает звук) попросите приятеля, стоящего к вам лицом на некотором удалении, говорить негромко и монотонно (не меняя громкости) и в это же время поворачиваться вокруг своей оси до положения, когда он будет стоять спиной к вам. Скорее всего, вы будете слышать все, что он говорит, практически при любом его повороте. А теперь попросите его проделать то же самое, но уже произнося слова шепотом, сохраняя постоянным уровень громкости. Почему при повороте от вас шепот становится неслышимым гораздо быстрее, чем обычный голос?

ОТВЕТ •Есть два объяснения. Вот простейшее: как мы выяснили в предыдущей задаче, когда звук проходит через отверстие, размер которого сравним с длиной звуковой волны, он дифрагирует (расширяется угол, в котором распространяются волны). Дифракция тем меньше, чем короче длина волны. Шепот содержит более короткие длины волн (высокие частоты), чем обычный голос. Таким образом, шепот распространяется в более узком диапазоне углов, и для того, чтобы вы услышали, как кто-то говорит шепотом, он должен стоять к вам лицом.

Расчеты распространения звука, впервые проделанные лордом Рэлеем в 1896 году, очень сложные. Рэлей предположил, что маленький источник звука расположен на поверхности сферы, и обнаружил, что звуковые волны огибают сферу, причем волнам с меньшей длиной труднее изогнуться, чем волнам с большей длиной. Поэтому шепот, состоящий из волн с более короткой длиной волны, не так хорошо огибает голову, как звук обычного голоса.

Такой же эффект проявляется на театральном представлении под открытым небом, где нет специальных поверхностей, которые бы отражали голоса исполнителей. Мужские голоса хорошо слышны, даже если актеры стоят к вам спиной, а актрисы, чтобы их было слышно, должны стоять к вам лицом, хотя они и говорят так же громко, но на более высоких частотах.

Если вы встанете на железнодорожном переезде, когда поезд будет проноситься мимо и при этом гудеть, вам покажется, что частота гудка меняется. Почему? Будет ли она меняться от высокой частоты к низкой или наоборот?

ОТВЕТ •Движение источника звука относительно наблюдателя (в данном случае — слушателя, а им можете быть как вы, так и любой другой детектор звука) меняет частоту звука. Этот эффект называется эффектом Доплера . Главная причина этого сдвига частоты в том, что звук — это волна. Если источник звука неподвижен относительно вас, области высокого давления в звуковой волне проносятся мимо вашего уха с постоянной скоростью (частотой) — той, с которой они производятся источником. Так что вы слышите ту же самую частоту звука, которую производит источник, и никакого сдвига нет. Если, напротив, источник движется на вас, он излучает волну, которая направляется на вас, скорость пролета областей высокого давления мимо вас теперь больше, чем их скорость относительно источника, и вы слышите более высокую частоту. Если же источник звука движется от вас, эффект обратный: вы слышите звук более низкой частоты, чем та, на которой он испущен источником. Так что движение источника на вас сдвигает частоту вверх, а от вас — вниз, и величина сдвига зависит от скорости источника. Если источник звука движется под углом к линии, соединяющей источник и вас, эффект (величина сдвига) меньше, а если этот угол прямой, сдвига вообще нет.

Если вы поместите детектор звука между железнодорожными рельсами, вы сможете замерить доплеровский сдвиг гудка поезда. Частота гудка будет сдвинута на определенную величину вверх в течение всего времени движения поезда к детектору (пока поезд не окажется почти прямо над ним), а затем она сдвинется вниз на определенную величину, и пока поезд будет удаляться от детектора, гудок будет все время звучать на этой частоте.

Если же вы поместите детектор на некотором безопасном расстоянии, скажем, 20 м от железнодорожного пути, измерения покажут другое значение, и вот почему. Когда поезд приближается к детектору, его скорость относительно детектора будет постепенно уменьшаться, поэтому будет уменьшаться и доплеровский сдвиг. В результате б о льшую часть пути при приближении поезда к детектору он будет гудеть на той же высокой частоте, которую регистрировал детектор, установленный на путях. Но когда он подъедет ближе, начнет сказываться то, что детектор расположен на расстоянии от рельсов, и частота будет резко падать, пока движение поезда не станет перпендикулярным направлению на детектор, и тогда частота прекратит меняться. А потом частота вновь начнет резко уменьшаться, пока не достигнет определенной низкой частоты, которая останется постоянной все время, пока будет слышен гудок.

Однако на наблюдения влияет и ваша психофизиология. Представьте себе, что вы детектор и стоите близко к железнодорожным путям, так что геометрический эффект не влияет. Вы должны слышать звук постоянной высокой частоты, когда поезд движется на вас, и звук постоянной низкой частоты, когда он движется от вас. Но, как ни удивительно, этого не происходит. Вместо этого вы слышите постепенное увеличение частоты при приближении поезда и постепенное уменьшение частоты при его удалении от вас. Такое восприятие частоты часто объясняют психоакустическим эффектом восприятия высоты тона (питч) . В этой ситуации тон, который воспринимается мозгом, зависит от громкости звука. Поскольку, когда поезд приближается к вам, гудок постепенно становится громче, вам кажется, что частота звука повышается, но это ошибка. А когда поезд удаляется, звук постепенно становится тише, а вы ошибочно считаете, что частота понижается.