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

Пожалуй, хорошо, что наши барабанные перепонки обладают такой чувствительностью: ведь суммарная мощность от звуковых волн, порождаемых играющим в полную силу оркестром, равна мощности, потребляемой одной-единственной лампочкой накаливания в 100 Вт {39} 39 Данная цифра взята у Michael Moravcsik из его работы Musical Sounds: An Introduction to the Physics of Music (New York: Paragon House, 1987). . Кстати, стоит помнить, что путь от оркестровой ямы до нашего кресла в зале проделывает не сам воздух — воздух, в общем и целом, остается там, где и был. До нас же доходит энергия в виде локальных колебаний воздуха. Получается, мы слышим вовсе не истинный «ветер» Моцарта.

Устройство нашего слухового аппарата тоже довольно замысловато, ведь звуковые волны от каждого музыкального инструмента проплывают через весь концертный зал и достигают нас, уже слившись в одно целое. Иначе невозможно, потому как все волны распространяются через одну и ту же воздушную среду, которая в каждый момент времени в каждой точке пространства способна сжаться или расшириться единожды. Поэтому волны объединяются в одну цепь колебаний, сложную последовательность из сжатий и разрежений, которая воздействует на наши барабанные перепонки — перепонки начинают колебаться в соответствии с ними. Наш мозг способен распутать эту хаотическую последовательность колебании — мы расшифровываем микроскопические движения тонюсенькой, всего около 6 мм в поперечнике и около 0,05 мм толщиной, пленки кожи настолько точно, что слышим даже кашель второй скрипки в середине второй части произведения. Разве это не истинное чудо?

Итак, мы не видим звук как волну. Однако его «волнообразность» от этого меньше не становится. Наоборот, звуковые колебания ведут себя в точности как классические волны. В частности, ловко демонстрируют три способа изменения волнового направления: отражение, рефракцию и дифракцию.

Последние два, рефракция и дифракция, уж больно смахивают на абракадабру, придуманную сухарями-физиками — вполне возможно, так оно и есть. Но не стоит впадать в тоску раньше времени. Благодаря проявлениям свойств этих вездесущих волн мы постигаем мир. Разобравшись в их свойствах, вы овладеете всеми тонкостями наблюдения за волнами.

Мои домашние уже успели проникнуться к отражению, рефракции и дифракции известной долей уважения; отныне они называют эти явления не иначе как «Законы волны».

Начнем с отражения. Первый закон волны прост:

Ну да, на открытие века не тянет. Однако выяснилось следующее: отскакивают волны в манере, гораздо более замысловатой, нежели мяч на площадке для игры в сквош, — вам такое и не снилось.

Кстати, именно тот факт, что звук отскакивает от стен, порождая эхо, впервые побудил мыслителей древности задуматься: а ведь звук вполне может иметь нечто общее с волнами на воде. Например, в конце I в. до н.э. римский архитектор Марк Витрувий Поллион (более известный как просто Витрувий), размышляя о необходимости учитывать при проектировании театров отражение звука, предположил, что «голос же есть текучая струя воздуха», и она «соприкасаясь со слухом, ощущается им. Голос двигается по бесконечно расширяющимся окружностям, подобно тем бесчисленным кругам волн, какие возникают на спокойной воде, если бросить в нее камень…» {40} 40 Витрувий. Десять книг об архитектуре. Книга пятая: Театр, выбор места для него и его акустика, глава третья, раздел шестой. КомКнига, М.,2011.

Поскольку рябь отражается от стенок ванны, повторяя при этом свой путь в обратном направлении, вполне логично предположить, что и звук отражается от стен театра, поскольку также является волной. Конечно, описание Витрувием звука как «текучей струи воздуха» было неверным в той же степени, в какой было неверно и представление о том, что во время исполнения произведения Моцарта до нас доносится истинное звучание музыки композитора. Когда на вас сердито прикрикнут через всю комнату, до вас доносится заряд гнева, но никак не порыв ветра. Звуковые волны именно что проходят через воздух, они не вызывают его смещения как такового. Тем не менее, сравнение Витрувием звуковых волн с морскими возникло не на пустом месте. Поскольку звуки остаются для нас невидимыми, мы судим об их волновой сущности не по внешнему виду, а исходя из их поведения.

Живший в XVII в. в Германии иезуитский монах и ученый-энциклопедист Атанасиус Кирхер интересовался таким природным феноменом, как эхо. Кирхер владел десятками языков, включая китайский и коптский, его многотомное наследие включает трактаты по геологии, оптике, астрономии и акустике. Он по праву мог бы считаться святым покровителем профсоюзных деятелей — это он изобрел мегафон.

В своем труде Phonurgia Nova, опубликованном в 1673 году, Кирхер описал эксперимент, в котором человек, стоя напротив ряда примыкающих к стене перегородок, произносит слово. Кирхер снабдил описание рисунком: выступающие из стены под прямым углом перегородки отстоят от человека на разном расстоянии. По мере того как звук отражался от каждой последующей перегородки, эхо возвращалось все с большим и большим запаздыванием. Выкрикивая итальянское слово clamore, означающее «крик», Кирхер обнаружил, что с каждым возвращающимся эхом оно все более укорачивается: -amore, -ore, -re. Дело в том, что каждое последующее эхо, запаздывая чуть сильнее предшествующего, возвращается в укороченном виде и накладывается на слово, в то время как его произносят до конца. По чистой случайности каждая часть слова clamore имеет в итальянском и самостоятельное значение: «любовь», «время», «король».

О значении такой словесной игры можно только догадываться, но я уверен, что загадывание слов, эхо которых обладает самостоятельным значением, снискало бы популярность в качестве салонной игры. Правда, при условии, что салон представляет собой пещеру необъятных размеров.

В пещере любая произнесенная вами фраза будет отскакивать от стен, возвращаясь обратно; однако лишь при достаточной величине помещения вы заметите отголоски эха. В небольшой пещере звук будет накладываться на произносимое вами слово полностью, и никакого эха вы не услышите. Почти одновременное отражение звука в замкнутом пространстве известно как реверберация, оно является частью описываемой нами акустики пространства. Основываясь на характере обусловленного отражениями звука, мы и строим догадки об окружающем нас пространстве.