3.63. Галерея шепотов в соборе Святого Павла

Под куполом собора Святого Павла в Лондоне расположена галерея, с которой посетители могут разглядеть внутреннее убранство собора и увидеть издалека детали первого яруса. Галерея имеет форму окружности с радиусом около 32 м. Если вы с приятелем встанете лицом к лицу у противоположных сторон галереи и он захочет что-то сказать вам, чтобы вы услышали его слова, ему придется громко крикнуть. Но если он повернется лицом к стене и скажет это шепотом, вы прекрасно его услышите при условии, что вы тоже повернетесь лицом к стене. В действительности вы хорошо расслышите его и в любой другой точке галереи, если будете стоять лицом к стене. Другими словами, вы не обязательно должны находиться на противоположной стороне галереи, так что это не эффект фокусировки, как было в предыдущей задаче. Как слова долетают до вас, почему приятель должен приблизиться к стене и повернуться к ней лицом, если хочет быть вами услышанным? Почему слова более разборчивы, если их произносят шепотом?

ОТВЕТ • Когда ваш приятель произносит слова, он создает звуковые волны, и некоторые из них как бы «зацепляются» за стену, отражаясь опять и опять по мере удаления от вашего приятеля. Другие волны могут пару раз отразиться, а потом «затеряться» в сложном рельефе купола. Волны, которые зацепляются за стену, называются поверхностными волнами, или волнами Рэлея.

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.