Вот какие возможности скрываются в самом обыкновенном эхо! Один из героев Марка Твена коллекционировал различные места, отличавшиеся диковинными отражениями звуков. Но какую замечательную коллекцию составили бы приборы, использующие это всем известное явление, если бы их собрать все вместе!
Архитектурная акустика
Архитектурная акустика занимается изучением законов распространения звука в помещениях.
Это очень сложная и интересная наука.
Сколько различных историй и легенд о таинственных голосах, о зловещем шепоте рассказывается повсюду!
В статье «Звук», которую написал сэр Джон Гершель для Британской энциклопедии, рассказан такой интересный случай.
В одном из соборов на острове Сицилия шепот исповедующихся в грехах верующих был хорошо слышен в противоположной стороне храма.
Случайно это место было обнаружено одним из верующих, который не только сам подслушивал тайну исповеди, но и приглашал развлекаться своих друзей. Это развлечение, однако, неожиданно прекратилось. Но произошло это не потому, что исповедь стала плохо слышимой. Злые языки говорят, что однажды герой этого рассказа вместе со своими друзьями подслушал кое-что о самом себе, и ему стало совсем не до смеха.
На одном из южных островов Азии имеется колодец глубиной 70 метров и шириной 4 метра. Стенки его выложены гладкой плиткой. Если бросить в колодец даже иголку, то слышно, как она ударяется о воду.
А шепот, разносящийся на десятки метров!..
Вот, например, в Крыму, на побережье Черного моря, в Никитском ботаническом саду, на одной из аллей, есть такое место, где еле произнесенный шепот хорошо слышен в долине виноградника, спускающегося к морю. Но зато там совершенно не слышен громкий голос говорящих в долине. Все эти особенности поведения звука можно объяснить, если внимательно проследить за его распространением.
Архитектурная акустика занимается вопросами распространения, поглощения и изоляции звука в зданиях.
В чем заключается различие распространения звука в закрытом помещении от распространения в свободной атмосфере?
В закрытом помещении звук источника отражается от стен, потолка, пола, наполняя собой все помещение. Звук, идущий от источника, называют прямым — он раньше всех отраженных приходит к слушателю.
Отраженные звуки, если они приходят к слушателю на шесть сотых секунды позже основного, воспринимаются им как эхо.
Эхо следует одно за другим, постепенно замирая. Поэтому ухо после прямого звука слышит постепенно замирающий гул.
Такое послезвучание называют реверберацией.
Благодаря реверберации помещения обладают гулкостью.
Время реверберации должно находиться в строгих пределах. Если оно велико — это влечет за собой потерю четкости и разборчивости речи. При малом времени реверберации в помещении так же тяжело говорить и петь, как на открытом воздухе, ибо в этом случае запаздывающие звуки незначительно усиливают прямой звук.
Эти две причины обусловливают некоторое среднее время реверберации, при котором наличие отражений не создает помех в четкости и разборчивости, а, с другой стороны, делает звук приятным.
Для помещений средних размеров такое время не должно быть меньше 0,6 секунды, но и не больше чем 1,3 секунды.
Примером помещения с хорошими акустическими свойствами является Колонный зал Дома союзов в Москве. Построил его архитектор М. Ф. Казаков в 1784 году.
Попытаемся теперь уяснить, как же происходит отражение звука.
Прежде всего следует заметить, что процесс отражения зависит от формы отражающей поверхности, которая разделяет две среды, — скажем, от формы стены.
Если она гладкая, то размеры имеющихся на ней шероховатостей меньше, чем расстояние между двумя слоями, в которых происходит сжатие или разрежение (это расстояние называют длиной звуковой волны). В этом случае происходит зеркальное отражение.
Но если шероховатости сравнимы с длиной звуковой волны, падающей на поверхность раздела, то звуковая волна рассеивается во все стороны. В этом случае говорят, что отражение диффузное.
Закон зеркального отражения звука весьма прост: угол падения звуковой волны равен углу отражения.
Когда звуковая волна достигает поверхности раздела, происходит не только отражение, но и преломление звука — проникновение колебаний через поверхность раздела во вторую среду. При этом звук изменяет направление распространения. Поэтому и говорят, что звук преломляется.
Интенсивность звука, отраженного поверхностью раздела и преломленного, то есть прошедшего через нее, зависит от граничащих сред.
Особый интерес представляет тот случай, когда интенсивность отраженного звука равна интенсивности падающего. Это полное отражение. Явление полного отражения можно наблюдать только в том случае, если звук попадает в среду, где скорость его распространения больше. Существование полного отражения приводит к весьма интересному явлению, которое иногда наблюдается в море.
Звук попадает в подводную ловушку — «мышеловку», из которой он не имеет возможности выбраться ни вниз, ко дну моря, ни вверх, к свободной поверхности.
И все это происходит из-за полного отражения на верхней и нижней поверхности слоя воды, простирающегося на сотни километров.
Явление это называется сверхдальним распространением звука.
Сверхдальнее распространение происходит благодаря тому, что скорость звука в воде различна на разных глубинах. А в толще моря существует слой, у которого скорость звука постоянна, но она меньше, чем в слоях, расположенных выше и ниже его.
Из такого слоя звук выбраться не может, так как, доходя до верхней его части, он должен переходить в слои, где скорость его должна быть больше, а это значит, что существует возможность полного отражения при падении под некоторым большим углом. После полного отражения от верхней части слоя звук достигает его нижней части и тоже отражается. Так он все дальше и дальше удаляется от источника, испытывая многократно полное отражение, и не выходит из слоя до тех пор, пока его интенсивность из-за поглощения не уменьшится настолько, что он становится неслышимым. Но это произойдет на расстоянии сотен километров от источника, если, разумеется, по дороге слой по каким-либо причинам не разрушится.
В Тихом и Атлантическом океанах наблюдали сверхдальнее распространение на расстояниях более тысячи километров.
Наличие таких слоев весьма благоприятно для подводной сигнализации и затрудняет обнаружение подводных лодок.
Но вернемся к архитектурной акустике, задача которой сводится к подбору наилучшего времени реверберации. Это достигают выбором материала для облицовки и украшения стен, а также соотношением длины, ширины и высоты помещения. Но, кроме этого, особенно важным является поглощение звука в помещении.
Поглощением называют ослабление интенсивности звуковой волны, уменьшение ее энергии.
В стенах квартир и учреждений имеются специальные материалы, увеличивающие поглощение.
Весьма остроумным приемом воспользовались для увеличения поглощения русские ученые. Внутри стен устроили полости с маленькими отверстиями. Столб воздуха внутри такой полости обладает собственной частотой колебаний.
Если на стену, в которой имеются такие полости, падает звуковая волна, частота колебаний которой совпадает с собственной частотой столба воздуха в полости, то появляется резонанс.
Энергия падающей волны расходуется на поддержание этих колебаний, и благодаря этому отражение от стенки ничтожно,
Такое устройство называют резонансным звукопоглотителем. Впервые разработал его профессор МГУ С. Н. Ржевкин.
Законы отражения звука делают возможным вести изыскания в недрах земли полезных ископаемых, нефти и газа.
Для этого посылают звук в глубину земных недр, и там, где он встречает границу раздела сред, то есть, где залегают пласты ископаемых, происходит отражение. Отраженный сигнал улавливают и подсчитывают глубины залегания полезных ископаемых.
ПУТЕШЕСТВИЕ ЗВУКОВ
Азбука звуков
В глубокой древности был широко распространен однострунный музыкальный инструмент — монохорд.
Трудно судить, как велико было искусство игры на монохорде древних, но то, что на одной струне можно с блеском исполнить сложную музыку, продемонстрировал гениальный итальянский скрипач Николо Паганини.
Однажды он выступал на концерте, и у него во время игры последовательно оборвались три струны. Но Паганини не прекратил игры и блестяще продолжал концерт на одной единственной струне, оставшейся на его скрипке. Очевидцы с восторгом описывают его игру.
