Гэвин Претор-Пинни - Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас

Как сказал поэт Оливер Уэнделл Холмс-старший:

Произнесенное слово, и вообще любой звук, является слышимой акустической волной. Я подчеркиваю: «слышимой», потому что большинство акустических волн, как это ни парадоксально, не слышны.

Вообще «акустической» можно назвать абсолютно любую волну, которая через что-то проходит, — неважно, твердое это «что-то», жидкое или газообразное — благодаря тому, что это самое «что-то» сжимается и расширяется. Акустические волны отличаются от волн на поверхности воды довольно сильно. Когда приближается гребень акустической волны, вещество, через которое волна проходит, сжимается — возникает область повышенного давления, или плотности. Когда приближается подошва акустической волны, вещество, через которое волна проходит, наоборот, расширяется — возникает область пониженного давления или разрежения, то есть вещество становится не таким плотным, как до этого. Другими словами, среда не поднимается и опускается, как это происходит во время распространения волн через морскую воду, а лишь смещается взад-вперед. Поэтому акустические волны принадлежат к типу продольных волн. Физические движения среды напоминают волнообразные мышечные движения дождевого червя, который вытягивается и сжимается, медленно продвигаясь в почве.

Так в чем же разница между акустическими волнами, которые мы слышим, и акустическими волнами, которые мы не слышим? Дело в том, что слышим мы эти волны только тогда, когда наших ушей достигает целый ряд акустических волн. Иными словами, волна должна быть периодической. Единичное колебание атмосферного давления — одинокий гребень продольной волны — как звук не воспринимается. [17] Если перепады атмосферного давления происходят особенно резко, мы слышим их как щелчок, звук искрового разряда. Если изменения в атмосферном давлении особенно сильные, скорее всего, мы почувствуем их как хлопок. Но есть еще одно необходимое условие, которое должно быть соблюдено, чтобы акустическую волну было слышно — волна должна колебаться с определенной частотой. Проходящая через воздух в наших ушах волна давления должна заставить барабанные перепонки колебаться с частотой от 20 до 20 000 колебаний в секунду — только тогда звук можно услышать. Колебания медленные, низкочастотные воспринимаются нами как низкие звуки; колебания быстрые, высокочастотные — как высокие. За пределами этого диапазона можете говорить хоть до посинения, только вас никто не услышит.

Нам доступна лишь малая часть всех акустических волн — большую часть последовательностей из сжатий и разрежений наше ухо не воспринимает. Близки к человеческому слуховому порогу низкие инфразвуковые частоты, на которых общаются слоны, находясь далеко друг от друга, а также высокие ультразвуковые частоты, которые используют летучие мыши и дельфины при ориентировании с помощью эхолокации. Эти акустические волны, хотя и вызывают колебания наших барабанных перепонок, ничего для нас не значат.

Например, вы машете рукой кому-то на прощание; хотя ваша рука при этом ни единого звука не издает, акустические волны она порождает. Движения руки вызывают сжатие и разрежение воздуха. Эти локальные перепады атмосферного давления распространяются вовне как акустические волны. Звуковыми мы их не называем — ведь взмахи нам не слышны. Сей факт сыграл роковую роль в судьбе одного бедняги из стихотворения поэтессы Стиви Смит: тонущий посреди прибойных волн безуспешно пытается привлечь к себе внимание загорающих на пляже:

Вы можете подумать: взмахи рукой не слышны, потому что не так уж сильно меняют атмосферное давление, чтобы барабанные перепонки колебания уловили. Но наши барабанные перепонки — штука довольно чувствительная. И если в наружный слуховой канал попадают вызванные перепадами атмосферного давления колебания с определенной частотой, мы слышим их как звук. Даже если перепады эти — вверх-вниз — составляют не больше 0,01%. На самом деле причина «немоты» руки, которой вы машете — вовсе не в объемах сжимающегося и разрежающегося воздуха, а в скорости распространения перепадов давления. Их не слышно только лишь потому, что вы недостаточно быстро машете.

Взять, к примеру, широкие взмахи руки из стороны в сторону и едва заметные взмахи пчелиных крылышек. Жужжание пчелы, подлетающей к вашей компании на пикнике, вы слышите отчетливо — пчела машет крылышками с частотой около 180 раз в секунду. То есть с частотой 180 герц; эта величина названа по имени жившего в девятнадцатом веке немецкого физика Генриха Герца, который впервые доказал существование радиоволн. Итак, пчела возвращается в улей, чтобы поведать о точном местонахождении моего пирога с заварным кремом — ползая среди своих товарок, она принимается вилять брюшком. Ее движения при этом еще менее заметны, чем взмахи крылышек, к тому же частота их повышается до 500 герц. {38} 38 Hrncir, Michael, et ah, “Thoracic vibrations in stingless bees (Melipona seminigra): resonances of the thorax influence vibrations associated with flight but not those associated with sound production “, Journal of Experimental Biology 211: 678-85(2008). Однако возникающие в результате этих невероятно малых колебаний давления акустические волны слышны довольно четко — они находятся в пределах того самого частотного диапазона (от 20 до 20 000 герц), что доступен нашему слуху. Взмахи крылышек и виляния брюшком вызывают колебания атмосферного давления постоянной частоты — мы даже слышим их, как музыкальные ноты. Чем выше периодичность последовательностей из гребней высокого давления, достигающих нашего уха, тем отчетливей мы различаем в них музыку. Пасечник с абсолютным слухом слышит в более громком жужжании виляющей брюшком пчелы ноту «си». На фортепиано это нота «си» первой октавы.