3.3. Свист и свистки

Каким образом человек издает свист, иными словами, как производится свистящий звук? Как при кипении свистит чайник со свистком? Люди изобрели множество разных свистков, в число наиболее известных входят английский полицейский свисток, американский полицейский свисток и многочисленные музыкальные инструменты, издающие звуки так же, как при свисте.

ОТВЕТ • Свист включает в себя три фазы: 1) поток воздуха встречает на своем пути препятствие и разбивается на вихри; 2) вихри вызывают периодические изменения давления воздуха, и это способствует распространению звуковой волны, которую мы и слышим, причем либо сами вихри, либо перепады давления в звуковой волне соединены обратной связью с набегающим на препятствие потоком воздуха; 3) если поток воздуха нестабилен (то и дело меняет направление или скорость), эта обратная связь еще больше усиливает нестабильность потока, а значит, увеличивается и количество возникающих на препятствии вихрей. Как только процесс образования вихрей и процесс обратной связи переходят в установившийся режим, мы слышим устойчивый звук, то есть свист.

Если вы свистнете, вытянув губы трубочкой, раздастся так называемый звук сопла — вихри формируются, когда воздух с силой проталкивается через узкое отверстие, образованное губами. Их возникновению способствует то, что скорость потока в центре отверстия выше, чем по периметру — у губ. Часть звуковых волн, образованных вихрями, возвращается в рот (в вокальный тракт). Частота этого возвратившегося звука зависит от скорости, с которой вихри вылетают наружу через губы. В вокальном тракте на некоторых частотах, называемых формантами, звук может попасть в резонанс с собственными частотами тракта. Это означает, что волны будут усиливать друг друга, а не гасить. Если резонанс возникает на какой-то частоте — это и есть та частота, которую мы услышим.

Можно поменять резонансную частоту и, следовательно, частоту свиста, изменив форму вокального тракта — обычно, двигая язык вперед или назад. Повысить частоту свиста можно и сильнее выдувая воздух, тогда и частота возвращенного звука станет выше, то есть ближе к более высокой резонансной частоте.

Кипящий чайник со свистком издает так называемый звук отверстия. Свистящая деталь чайника состоит из цилиндра, в каждом основании которого проделаны отверстия. Когда внутри чайника закипает вода, то есть ускоряется образование пара, воздух и водяной пар выходят через нижнее отверстие и образуют воздушный поток, который обдувает края второго, верхнего, отверстия, в результате в цилиндре образуются вихри. Перепады давления, возникающие при прохождении струи пара через второе отверстие, генерируют звуковую волну. Звуковые волны, вышедшие из цилиндра наружу и достигшие наших ушей, — это и есть свист чайника. Внутри цилиндра звуковые волны идут внутрь к первому отверстию и образуют обратную связь с поступающим внутрь цилиндра потоком. Обратная связь поддерживает турбулентность входящего потока и образование вихрей на втором отверстии.

Полицейский свисток производит так называемый краевой звук (краевой тон). Струя воздуха направляется на край отверстия, при этом поток разбивается на вихри, те срываются с края отверстия и порождают звуковые волны. Частота звука определяется резонансными частотами полости полицейского свистка подобно тому, как частота свиста через вытянутые трубочкой губы определяется собственными частотами полости рта. Но американский полицейский свисток устроен сложнее: в его внутренней полости скачет маленький шарик, он меняет ее конфигурацию (и, следовательно, резонансную частоту). Иногда он на мгновение затыкает отверстие, через которое полицейский выдувает воздух, и тогда поток воздуха прерывается. В результате свисток издает трели — и частота, и громкость свиста то нарастают, то спадают.

Подобным же образом издает звук флейта. Флейтист вдувает в нее воздух, и поток проносится через отверстие, огибая его край. Образовавшиеся вихри создают звук внутри камеры флейты, главным образом на резонансных частотах камеры. Часть энергии этих резонансных волн перекачивается обратно и идет на образование новых вихрей, так что вихри продолжают образовываться, резонанс — поддерживаться, и звук, который мы слышим, не прекращается.

Одно из самых любопытных устройств, издающих свист, — перуанская свистящая бутылка — керамическая бутылка для воды, которая изготавливалась перуанскими индейцами до прихода испанских завоевателей в 1532 году. В коллекциях сохранилось всего несколько экземпляров, однако ныне подобные устройства изготавливаются массово — в качестве сувениров. Бутылка состоит из двух камер, трубки, выходящей из одной из них, а также свистка. В одной из камер находится вода, и, если наклонить устройство, вода переливается в другую камеру, вытесненный воздух проходит через свисток и мы слышим свист. При этом вихри входят в резонанс с собственными колебаниями малой воздушной камеры.

Самые громкие свисты издают сирены, предупреждающие об опасности. Они до сих пор используются на некоторых автомобилях экстренных служб, их можно увидеть и в городе, на крышах домов. В современных полицейских автомобилях предупреждающий звуковой сигнал обычно создается с помощью электронных устройств, а вот на некоторых пожарных машинах до сих пор устанавливаются механические сирены, поскольку они издают очень громкие и пугающие звуки. Во время Второй мировой войны для предупреждения населения о воздушных налетах и во время холодной войны при проведении учений применялись специально сконструированные для этого мощные сирены. (Если вы встанете рядом с такой сиреной, громкость звука может превысить болевой порог.) Хотя существует множество разных видов сирен, большинство из них издают звук отверстия, продувая сжатый воздух сквозь две цилиндрические соосные сетки, одна из которых вращается вокруг общей оси. Сирена издает звук, когда отверстия на двух сетках совпадают. Частота звука, издаваемого сиреной, зависит от скорости вращения сетки.