Отражение звука

Рябь на поверхности водяного резервуара поворачивают обратно, когда она ударяется о стенку резервуара; если мы скажем, что, например, до удара она распространялась влево, то после контакта она продолжает распространяться вправо, подобно тому как отражается бильярдный шар, ударившись о борт стола. То, что произошло, называется «отражением» (reflected) жидкостной волны (от латинских слов, означающих «согнуться назад»).

Звуковые волны также могут отражаться. Например, они могут отразиться от стены горы. Если, стоя в долине, мы прокричим какое-то слово, то в первый раз мы услышим его практически мгновенно, по мере того как оно оставляет наши губы, поскольку воздух тут же передаст от губ до уха. Второй раз мы услышим его через несколько секунд, когда звуковая волна достигнет горы, отразится и пересечет долину второй раз. Это явление называется «эхо». При определенном расположении стен гор можно услышать эхо еще не один раз.

Подобное эхо можно услышать в туннелях, в больших пустых комнатах и в любых других местах, где поверхности состоят из твердого материала, который скорее отражает звук, чем поглощает его. В эллипсоидальных комнатах звук, произнесенный в одном фокусе эллипса, распространяется во всех направлениях; однако, отражаясь от различных частей стен и потолка, он снова концентрируется в другом фокусе эллипса. Двое людей, стоящие в фокусах, могут разговаривать шепотом, несмотря на то что они разделены большим расстоянием. Такие «шептальные галереи» всегда поражают тех, кто прежде никогда с ними не сталкивался.

В комнатах умеренного размера отрезок времени, за который звуковая волна распространяется до стены, отражается к противоположной стене, снова отражается по направлению к первой стене и так далее, является настолько коротким, что четко различимое эхо услышать невозможно. Вместо этого последовательность очень коротких эхо сливается в монотонный, глухой шум, который может сохраняться в течение довольно значительного времени после того, как первоначальный звук уже прекратился. Это явление сохранения звука называется «реверберацией». Изучение поведения звука в определенных, заданных местах, особенно в отношении того, насколько возможно возникновение такой реверберации, называется «акустикой» (от греческого слова, означающего «слушать»), сам термин «акустика» иногда применяют и к изучению звука вообще.

Реверберация может создавать большие неудобства. Например, лектор может обнаружить, что его слова невозможно разобрать из-за затухающего звука его предыдущих слов. Оркестранты могут обнаружить, что все их усилия сошли на нет из-за того, что сыгранные ноты накладываются на те, которые играются в данный момент. Реверберацию можно уменьшить, если задрапировать стены, использовать мягкий, пористый материал для потолка или даже просто присутствием в аудитории людей в зимней одежде. Когда звуковые волны проникают в маленькие промежутки в ткани или другом пористом материале, контакт перемещающихся молекул воздуха с твердыми частями материала происходит по чрезвычайно расширенной области. Трение резко увеличивается, и звуковая энергия преобразовывается в теплоту. Звуковые волны, другими словами, скорее поглощаются, чем отражаются.

Однако тут существует другая опасность — чрезмерное уменьшение реверберации. Если реверберацию приводят к слишком низкому уровню, то это создает эффект «мертвого звука». Обычно стремятся достигнуть времени реверберации, равного одной секунде или даже двум секундам, если помещение очень большое.

Звуковые волны не всегда отражаются или поглощаются (так же как и жидкостные волны), они могут огибать препятствия и продолжать двигаться вперед. Именно поэтому мы и не испытываем никаких трудностей, чтобы услышать кого-то, обращающегося к нам из-за дерева или из-за угла. Эта способность огибать препятствия не является характерной для любых видов волн.

В 1818 году французский физик Огюстен Жан Френель (1788–1827) смог показать, в рамках исследований о движении волн вообще, что от сравнительного размера длины волны и препятствия зависит — была волна отражена или нет. Когда препятствие было размером с длину волны или меньше, оно не отражало волну, волна вместо этого огибала препятствие. С другой стороны, если препятствие было значительно больше, чем длина волны, то волна отражалась от него.

Если мы рассмотрим повседневные звуки, которые нас окружают, и сопоставим их с частотами, скажем, в средней части клавиатуры фортепьяно, то они попадут в диапазон от до большой октавы до до третьей октавы, то есть в диапазон четырех октав. Диапазон частот простирается от 66/с до 1056/с. Если мы воспользуемся уравнением 12.2, то увидим, что диапазон длин волн по этим четырем октавам — от 5,2 до 0,32 метра (примерно — от 1 до 18 футов). Размер физических препятствий, которые мы обычно встречаем в жизни, попадает в пределы этого диапазона размеров, и поэтому они не отражают звук в большой степени, а звук огибает их.

Это огибание, конечно, более вероятно для более низких звуков, чем для более высоких. Мы судим о направлении звука по разнице в их громкости по отношению к нашим двум ушам. Автоматически мы поворачиваем голову до тех пор, пока оба наших уха не услышат звук с равной громкостью. Наша голова достаточно крупная для того, чтобы отражать в небольшой степени пронзительный звук, приходящий к нам с одной стороны. Тогда возникает значительная разница во времени доступа для звука, приходящего к одному уху, и для другого, огибающего нашу голову по пути к другому уху. Поэтому нам не представляет никаких трудностей определить местонахождение ребенка, зашедшегося пронзительным криком. С другой стороны, звуки глубокого тона, например низкого регистра органа, легко двигаются вокруг нашей головы и одинаково интенсивны в обоих ушах. Звук кажется нам приходящим со всех сторон; это добавляет органу возвышенности и величественности.

Полный диапазон фортепьяно охватывает 7,5 октавы. Самая низкая нота в этом диапазоне обладает частотой 27,5/с и длиной волны 12,5 метра. Мы можем слышать даже еще более низкие звуки, однако обычно пределом слышимости является 15/с звук с длиной волны 22 метра. Самая высокая нота фортепьяно обладает частотой 4224/с и длиной волны 0,081 метра, или 8,1 сантиметра. Ухо взрослого человека способно слышать звуки с частотой вплоть до 15 000/с (длина волны равна 2,2 сантиметра), а ребенок может иногда слышать частоты высотой до 20 000/с (длина волны равна 1,7 сантиметра). Такие чрезвычайно пронзительные звуки очень хорошо отражаются объектами, которые слишком малы для того, чтобы отражать звуки в среднем звуковом диапазоне. Высокий по тону скрип сверчка может быть так хорошо отражен различными объектами, что почти невозможно точно определить, откуда доносится первоначальный звук.

Несомненно, различные объекты могут вибрировать с частотой меньше чем 15/с и больше чем 20 000/с; когда это случается, то получаемые в результате звуковые волны нам не слышны. Те звуковые волны, которые находятся ниже порога нашего слухового восприятия, называются «инфразвуковыми волнами» (infrasonic — от латинских слов, означающих «ниже звука»), в то время как те волны, которые являются слишком высокими для того, чтобы мы их услышали, называются «ультразвуковыми волнами» (ultrasonic — от латинских слов, означающих «выше звука»). В повседневной жизни более приняты упрощенные названия: «инфразвук» и «ультразвук».

Инфразвуковые волны играют сравнительно незначительную роль в повседневной жизни, кроме случаев, когда они становятся достаточно энергичными, чтобы нанести физические повреждения, например при землетрясениях. Ультразвуковые же волны воздействуют на нас более часто и различными способами. Во-первых, они неслышимы не для всех форм жизни; многие животные могут и слышать их, и воспроизводить. «Беззвучные» свистки, на которые реагируют собаки, производят волны ультразвуковой частоты, которые мы не слышим, но которые прекрасно слышат собаки. Поющая канарейка воспроизводит ультразвуковые волны, которые, несомненно, очень украсили бы ее песни, если бы мы могли их услышать. Писк мыши содержит ультразвук, который мы не слышим, зато его слышит кот, что весьма увеличивает эффективность его охоты.

Ультразвуковые волны, длины волн которых даже короче, чем таковые самых пронзительных звуков, которые мы можем услышать, весьма эффективно отражаются даже достаточно маленькими объектами. Летучие мыши пользуются преимуществами этого факта. При полете они испускают непрерывный писк, который представляет собой ряд ультразвуковых импульсов с частотами от 40 000 до 80 000/с, то есть с длиной волны от 8 до 4 миллиметров. Даже тонкий прутик или мелкое насекомое будут иметь тенденцию отражать звуки столь короткой длины волны; летучая мышь, чей писк имеет чрезвычайно короткую продолжительность, ловит слабое отраженное от предметов эхо. Таким образом, летучая мышь летит на слух и может точно и эффективно продолжать полет, даже в условиях полной слепоты. Процесс, посредством которого летучая мышь ориентируется в пространстве, называется «эхолокацией».

Люди научились использовать этот эффект, испуская при помощи специального прибора пучки ультразвуковых волн под водой. Они отражаются от различных морских объектов: дна моря, выступов на нем, камней, лежащих на морском дне, или плывущих косяков рыбы или субмарин. Такой прибор называется «гидролокатором» или «сонаром». SONAR (Sound Navigation And Ranging) — это аббревиатура, расшифровывающаяся как «звуковая навигация и размерность» (в данном случае слово «размерность» означает определение геометрических размеров тел, но, зная геометрические размеры и скорость распространения звука в воде, мы всегда можем определить и расстояние до объекта).