Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

В 1904 году лорд Рэлей продемонстрировал этот эффект зацепления: он изогнул длинную металлическую полоску и сделал из нее полукруг — модель стены собора. С одного конца этой «стены» он поместил манок — свистульку для птиц, а с другой — горящую свечу. Пламя свечи служило индикатором: оно заметно колебалось, когда звуковая волна «обдувала» его. Если свисток свистел, пламя на противоположном конце полукруга начинало дрожать. Однако когда Рэлей к «стене» в промежуточной точке приставил узенький экран, звук свистка уже не мог заставить пламя колебаться, а значит, он распространялся не по прямой от свистка к свече, а шел вдоль полукруглой стены, испытывая по дороге множество отражений. Фактически вдоль стены формировался очень узкий канал, в котором и распространялся звук. Когда к стене ставился вплотную экран, он перекрывал канал и блокировал распространение волн вдоль стены. Если объяснять этот эффект простыми словами, то можно сказать, что волны цепляются за стену, поскольку подвергаются постоянным отражениям, которые направляют их от одной точки стены к другой. В действительности траектория распространения звуковой волны гораздо более сложная. Интересно, что при некоторых условиях эти плоские волны могут распространяться не только вдоль изогнутой, но и вдоль плоской поверхности, где уже не может быть множественных отражений, и ситуация еще сложнее.

Способность звука прижиматься к изогнутой поверхности и распространяться вдоль нее зависит от длины волны: более короткие волны проявляют эту способность в большей мере, поскольку точки, в которых происходят последовательные отражения, располагаются ближе друг к другу. А значит, звук лучше распространяется по галерее под куполом собора Святого Павла, если он состоит из звуковых волн с более короткой длиной волны. Такие длины волн соответствуют высоким частотам, а высокочастотных гармоник больше именно в шепоте.

Обычное эхо — это просто отражение звуковых волн назад к источнику звука. Возможно, вы слышали эхо в холлах или каких-то других помещениях с твердыми стенами, хорошо отражающими звук. Некоторые места прославились тем, что в них можно услышать многократное эхо, когда звук возвращается к источнику звука, отразившись от разных поверхностей или же отразившись несколько раз от двух поверхностей. Угол, образованный тремя перпендикулярными друг другу плоскостями, например двумя стенами и потолком, может образовать ретрорефлектор , который отражает звук от двух или трех поверхностей обратно к источнику звука.

Появление эха в некоторых сооружениях очень трудно объяснить. Например, хлопок в ладоши под кирпичным арочным мостом, перекинутым над рекой, может возбудить многократное эхо, которое, по-видимому, нельзя объяснить только простыми отражениями звуковых волн. Чтобы многократное эхо звучало как музыкальный тон, отражения должны следовать одно за другим очень быстро.

Если вы обнаружите где-нибудь в лесу эхо, заметьте следующее: высокочастотный звук, например женский крик, дает хорошее эхо, а вот низкочастотный, например низкий мужской голос, может вообще не давать эха. Если вы пропоете какую-нибудь ноту (или просто хлопнете в ладоши), эхо будет звучать на октаву выше, то есть его частота будет вдвое больше частоты звука, издаваемого вами. Почему при отражении от ряда деревьев возникает такое странное эхо?

ОТВЕТ •Способность звука отражаться от каких-либо объектов, например деревьев, зависит от длины волны звука. Когда длины звуковых волн больше размеров одиночного объекта, от ряда деревьев лучше всего отражаются звуковые волны с меньшей длиной волны, чем волны с большей длиной волны. Поэтому, например, если посылать волны разной длины, от стены деревьев будут лучше отражаться волны с меньшими длинами. Поскольку меньшие длины волн соответствуют б о льшим частотам, это означает, что в эхе, которое вы слышите, в отличие от звука, который вы издаете, будет больше звуковых волн с большими частотами, чем с низкими частотами. Это также означает, что низкочастотный звук будет давать плохое эхо или не давать его вовсе, а вот высокочастотный звук даст отличное эхо.

Если вы возьмете музыкальную ноту, в звуке будет содержаться по крайней мере две компоненты: низкочастотная (или, как говорят, фундаментальная ) и компонента с удвоенной частотой (как говорят, вторая гармоника ). Поскольку частота второй гармоники выше, она намного лучше отразится стеной деревьев, чем фундаментальная. Поэтому, несмотря на то что в пропетой вами ноте доминирует фундаментальная частота, в эхе, которое вы услышите, может преобладать вторая гармоника. И эхо в основном будет слышно на удвоенной частоте по отношению к исходному звуку.

Почему при хлопке в ладоши вблизи длинного пролета лестницы или длинного забора из штакетника эхо, вместо того чтобы ответить единичным хлопком, растягивается во времени? Почему частота эха уменьшается со временем? Один из самых впечатляющих примеров этого, как его называют, музыкального (или чирпированного ) эха — это эхо, которое можно услышать, хлопнув в ладоши перед лестничным маршем пирамиды Кукулкана, находящейся среди других руин сооружений индейцев майя в Чечен-Ице в Мексике. Этот крутой лестничный марш состоит из 92 каменных ступеней, на которые так охотно взбираются туристы.

ОТВЕТ •При отражении от лестничного марша к вам придет множество сигналов эха, с небольшими сдвигами по времени. Изменение частоты в эхе возникает не из-за того, что в исходном звуке (например, в хлопке в ладоши) содержатся волны с разными частотами, а потому что волны идут к разным ступенькам под разными углами. Посмотрим на ступени пирамиды сбоку и предположим, что для нижних ступеней траектории приходящего и отраженного звука параллельны земле (рис. 3.6). Вы слышите первый отраженный сигнал от нижней ступени (ближайшей к вам), второй импульс придет от следующей ступени, затем через некоторое время придет третий импульс и так далее. Каждый следующий возвращенный импульс приходит с некоторой задержкой по отношению к предыдущему, поскольку его путь до этой ступеньки и обратный путь от нее к вам — длиннее. Вы не ощущаете эти импульсы по отдельности, а воспринимаете лишь частоту, с которой они приходят. Например, если время между импульсами равно 0,002 секунды, вы слышите звук с частотой примерно 500 Гц.

Рис. 3.6 / Задача 3.65.Отражения звука от ступеней лестницы.