Звук и слух

Когда звуковая волна проходит близко от земли, то благодаря трению она очень сильно ослабевает и вскоре делается неслышимой. Ровная поверхность плотного снега или спокойной воды создаёт меньшее трение, чем земля, покрытая травой, кустами или строениями. Вот почему всплески вёсел, например, далеко слышны над водой.

Многие убеждены, что против ветра звук всегда слышен на меньшем расстоянии, чем по ветру. Покажем, что и это не всегда так. Обратимся к тому же рисунку 12. Пусть один человек встанет слева от источника звука, но на возвышенности (в месте, обозначенном цифрой 2), а другой будет стоять на таком же расстоянии справа на земле (место у цифры 3). К стоящему слева волны доходят по верхним слоям воздуха, где звук ослабевает незначительно, хотя и идёт навстречу ветру. А человек с правой стороны услышит более слабый звук, так как трение о поверхность земли сильно заглушает его.

Скорость ветра сама по себе слишком мала в сравнении со скоростью звука, чтобы существенно влиять на дальность распространения звуковой волны. В самом деле, 20–25 метров в секунду — это сильный ветер, а скорость звука — около 340 метров в секунду. Таким образом, даже против самого сильного ветра звук будет распространяться почти с такой же скоростью, как и в безветренную погоду.

Есть ещё одна причина неравномерного распространения звука в воздухе. Это — различная температура отдельных его слоёв. В середине жаркого солнечного дня земля сильно нагревается и нагревает ближайшие к ней слои воздуха. Верхние слои оказываются более холодными. А вы уже знаете, что в тёплом воздухе звук распространяется быстрее, чем в холодном. Неодинаково нагретые слои воздуха, подобно ветру, изменяют направление звука. Днём звуковая волна изгибается вверх, потому что скорость звука в нижних более нагретых слоях больше, чем в верхних слоях. Вечером, когда земля, а с ней и близлежащие слои воздуха, быстро остывают, верхние слои становятся теплее нижних, скорость звука в них больше, и линия распространения звуковых волн изгибается вниз. Поэтому по вечерам на ровном месте бывает лучше слышно.

Наблюдая за облаками, часто можно заметить, как на разных высотах они движутся не только с различной скоростью, но иногда и в разных направлениях. Значит, ветер на различной высоте от земли может иметь неодинаковые скорость и направление. Форма звуковой волны в таких слоях будет также изменяться от слоя к слою. Пусть, например, звук идёт против ветра. В этом случае линия распространения звука должна изогнуться и направиться вверх. Но если на её пути встретится слой медленно движущегося воздуха, она вновь изменит своё направление и может снова вернуться на землю. Вот тогда-то на пространстве от места, где волна поднимается в высоту, до места, в котором она возвращается на землю, и возникает «зона молчания» (рис. 13).

Рис. 13. «Зона молчания»

Нетрудно догадаться, что и генерал, и штаб корпуса, и очевидцы сражения из франко-прусской войны все находились в таких беззвучных зонах. Многие из читателей, вероятно, припомнят то же самое из своего опыта, полученного в период Великой Отечественной войны 1941–1945 гг., и могут дать теперь правильное объяснение этому на первый взгляд непонятному явлению.

3. Когда шепчут стены

Если вам приходилось когда-нибудь идти по длинному тёмному коридору, то вы, вероятно, обращали внимание на одно очень любопытное обстоятельство. Приближаясь к концу коридора или к его повороту, вы как бы чувствуете уже на расстоянии стену, преграждающую ваш путь. Кто же предупреждает вас о приближении к преграде? Оказывается, эти предупреждения делает ваш собственный слух. Вспомните, обычно в таких случаях вы стараетесь что-нибудь говорить, покашливать или, шагая, стучать ногами. Прислушиваясь к изменению этих звуков и не вдумываясь в причину явления, вы оцениваете расстояние, отделяющее вас от преграды.

Как это происходит?

Как луч света отражается от зеркала, так и звуковая волна отражается от больших поверхностей, стоящих на её пути. Для того чтобы звук дошёл до стены и, отражённый, возвратился к нам, потребуется некоторое время. Когда отражающая поверхность далеко, время для прохождения звука также сравнительно велико; когда же эта поверхность близка, звук возвращается скорее. Прислушиваясь к этим отражённым звукам, мы и оцениваем расстояние, отделяющее нас от стены или иной преграды. Особенно сильно это чувство развито у слепых. Очень часто слепые люди, впервые приходя в помещение, после нескольких произнесённых фраз довольно точно определяют его размеры на слух.

Мы различаем отдельные короткие звуки в том случае, когда один звук следует за другим не чаще, чем через ¹/₁₅ долю секунды. Если число отдельных звуков больше 15 в секунду, то они нам покажутся одним непрерывным звуком. Отбивая на барабане дробь, так, чтобы один удар за другим следовал чаще чем через ¹/₁₅ долю секунды, мы не будем слышать отдельных ударов, — они сольются в единый звук. Когда отражённая звуковая волна возвращается к нам быстрее чем через ¹/₁₅ долю секунды, то она сольётся с прямой волной от источника, изменяя силу его звука. Подмечая это изменение, мы и оцениваем расстояние до стены.

На каком расстоянии должна находиться стена, чтобы прямой и отражённый звуки сливались в один? Это легко подсчитать. За одну секунду звук проходит 340 метров. За ¹/₁₅ долю секунды он пройдёт 340 : 15 = 23 метра. Так как звук делает два конца — до стены и обратно, то стена должна быть не дальше 23 : 2 = 11,5 метра.

Прежде чем звуковая волна совершенно затухнет, она в небольшом помещении сотни раз отразится от стен, потолка и пола. В этом случае последний отражённый звук достигнет нашего уха спустя несколько секунд. В продолжение всего этого времени будет ощущаться постепенно уменьшающийся гул. Этим и объясняется гулкость пустых помещений. Нередко люди делают ложное заключение о силе своего голоса, пробуя петь или декламировать в такого рода комнатах. Сравните впечатление от собственного голоса, когда вы поёте в пустой комнате и затем в комнате, заставленной мебелью, устланной коврами, задрапированной шторами, — и вы убедитесь в этом.

Отражение звуковых волн обязательно принимается в расчёт при постройке общественных зданий. Так, например, в зрительных залах театров, во избежание нежелательных отражённых звуков, стены и потолки не делают сплошными и гладкими; их обивают звукопоглощающим материалом, развешивают шторы, занавесы, устанавливают мягкую мебель, устраивают всевозможные ниши и балконы. Звук сильно поглощается такими предметами и не отражается. Зал, предназначенный для большого оркестра, обычно мало пригоден для собраний. Речь в таких залах становится или мало разборчивой, или неестественно глухой. Напрасно в этих случаях некоторые ораторы стараются кричать, желая быть всеми услышанными. Это ни к чему не приводит. С повышением силы голоса возрастает и сила мешающих отражённых звуков.

Явление отражения звуков в некоторых помещениях приводит к интересным результатам. Вот два примера.

Если говорить шёпотом у внутренней стены собора св. Павла в Лондоне, то этот шёпот можно слышать в любом месте, даже на противоположном конце этого огромного здания; при этом необходимо только стать достаточно близко к стене. Создаётся впечатление, будто шепчут сами стены.

Другой пример. Около одного из итальянских городов есть грот; его называют «Ухо Дионисия» (рис. 14).

< image l:href="#"/>

Рис. 14. Схема распространения звука в гроте «Ухо Дионисия»

Благодаря особой форме свода этого грота в нём есть два удивительных места; они отмечены на рисунке цифрами 1 и 2. Всё, что вы говорите, находясь в месте 1 так отчётливо слышно в месте 2, что можно подумать, будто говорят именно здесь. В промежуточных местах, лежащих значительно ближе к месту 1, совершенно ничего не слышно. Разгадка этого странного на первый взгляд явления в том, что звуки, идущие из места 1, отражаются от свода так, что вновь все собираются в месте 2.