Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Эту разницу можно усилить при помощи различных методов отбора некоторых обертонов и их последующего усиления. Давайте посмотрим, как это делается.

Один источник звуковых колебаний может заставить другой вибрировать совместно с ним, издавая ту же самую звуковую волну, что и первый, и воспроизводить тот же самый звук. Если вибрирующий камертон посадить на основание ручкой вниз, то его звук внезапно становится громче, потому что теперь вместе с ним вибрирует все основание.

Такие «вынужденные колебания» не являются даже результатом прямого физического контакта между твердыми телами. Вполне достаточно косвенного контакта сквозь воздух. Данная вибрация создает пульсацию воздуха в виде продольных волн; эти волны, в свою очередь, заставляют совместно вибрировать барабанную перепонку. Барабанная перепонка будет двигаться внутрь, когда на нее воздействует область сжатия, и наружу, когда на нее воздействует область разрежения; она способна отклоняться на большие расстояния от положения равновесия, по мере того как области становятся более сжатыми или более разреженными. Таким образом, через такие принудительные колебания, при которых барабанная перепонка точно дублирует первоначальную вибрацию, благодаря сложному механизму восприятия звуков человеком (который мы не будем описывать здесь), мы способны судить о высоте тона, громкости и даже тембре звука.

Однако существуют случаи, когда некоторая определенная частота может быть «вызвана» на втором объекте еще более легко. Представьте себе, например, что вы раскачиваете качели с ребенком. Ребенок на качелях представляет собой разновидность маятника и имеет собственный период колебаний. Если вы начинаете последовательно, через произвольные интервалы времени подталкивать его, то иногда вы будете создавать встречное движение, «притормаживая» его, поскольку ваше движение и движение качелей будут направлены противоположно. Продолжая далее, вы обратите внимание на тот факт, что такие толчки расходуют большое количество вашей энергии. Однако если вы так рассчитали свои толчки, что прикладываете их в тот момент, когда качели начинают двигаться от вас, то есть они действуют вместе с собственными колебаниями качелей, то таким образом добавляете приращение к их скорости, все более увеличивая ее с каждым колебанием и с каждым ритмичным толчком. Потратив гораздо меньшее количество энергии, вы получите значительно более быстрое и расширенное колебание. (Когда рота солдат пересекает мост, звучит команда: «Сбить шаг!» Иначе если все солдаты идут в ногу, то может быть как в случае, когда сильный стук шагов роты совпал с собственным периодом колебаний моста, мост начал раскачиваться все больше и больше и в конечном итоге разрушился.)

Аналогичная ситуация существует и для звуковых волн. Звуковая волна определенного тона каждой своей областью сжатия и разрежения будет подталкивать другой объект. Если ритм «толчков и натяжений» не будет соответствовать периоду собственных колебаний объекта назначения, то вынужденные колебания могут быть получены только за счет затрат значительного количества энергии, используемой для того, чтобы преодолеть эти собственные колебания. Однако если частота звуковых колебаний соответствует периоду собственных колебаний объекта назначения, то последний начинает вибрировать все больше и больше. Это явление называется «резонансом» (от латинских слов, означающих «зазвучать снова»).

Любая данная звуковая волна произведет гораздо большее количество колебаний в объекте резонирования, чем в любом другом; фактически только объект резонирования может начать издавать звуковые волны достаточно громкие, чтобы быть слышимыми. Предположим, например, что вы поднимаете крышку пианино, открываете струны и нажимаете ногой на педаль громкости, чтобы дать возможность этим струнам свободно вибрировать. Теперь спойте короткую, громкую ноту. Только те из струн, которые вибрируют в частоте этой ноты, будут резонировать, и когда вы прекратите петь, то услышите, что пианино тихо отзывается той же самой нотой.

Звук музыкальных инструментов зависит от резонанса материалов, из которых они сделаны, их структура усиливает и добавляет богатую окраску к извлекаемым из инструмента звукам. Фортепьяно имеет специальный «резонансный щит», называемый «декой», находящийся под струнами и способный резонировать с различными нотами. Если бы деки не существовало, то звуки, которые издавали бы струны фортепьяно при игре на нем, были бы гораздо тише.

Естественно, эффективность звуковой отдачи резонирующих частей каждого инструмента является весьма различной для различных нот (однако резонирующие части инструментов делаются такими по форме и устроению, чтобы максимально совместить собственный период колебаний резонирующих частей музыкального инструмента со звуками, издаваемыми этим инструментом). Дерево, из которого делают скрипки, резонирует от нот, которые издает этот инструмент, но оно может еще более эффективно резонировать от некоторых обертонов. Не существует двух скрипок, которые имели бы точно ту же форму, совершенно ту же структуру древесины или были бы покрыты точно таким же лаком. Как результат, от инструмента к инструменту имеются тонкие различия в резонансе. Великий итальянский скрипичный мастер Антонио Страдивари (1644–1737) изготавливал скрипки, которые до сих пор приводят в отчаяние мастеров, пытающихся подражать его работам или копировать их, поскольку до сих пор не представилось возможным создать инструмент, который дублировал бы богатство их тона.

Сами звуки, которые мы издаем, производят резонансы в воздухе, заполняющем пустоты в горле, рту и в носовых полостях. Собственные колебания воздуха зависят от формы и размера полостей, а так как ни у каких двух индивидуумов эти полости не являются в точности теми же самыми по форме и размеру, то соответственно различаются и человеческие голоса; в то же время наше ухо обладает огромной избирательной способностью, позволяющей нам, например, распознать голос друга, кричащего нам из большой толпы.

Рябь на поверхности водяного резервуара поворачивают обратно, когда она ударяется о стенку резервуара; если мы скажем, что, например, до удара она распространялась влево, то после контакта она продолжает распространяться вправо, подобно тому как отражается бильярдный шар, ударившись о борт стола. То, что произошло, называется «отражением» (reflected) жидкостной волны (от латинских слов, означающих «согнуться назад»).

Звуковые волны также могут отражаться. Например, они могут отразиться от стены горы. Если, стоя в долине, мы прокричим какое-то слово, то в первый раз мы услышим его практически мгновенно, по мере того как оно оставляет наши губы, поскольку воздух тут же передаст от губ до уха. Второй раз мы услышим его через несколько секунд, когда звуковая волна достигнет горы, отразится и пересечет долину второй раз. Это явление называется «эхо». При определенном расположении стен гор можно услышать эхо еще не один раз.