Акустика на пальцах

Михаил Кушнир, 2023

Цель книги– компенсировать неоправданно ограниченное отражение акустики в школьном курсе физики. Мир на Земле упруг и поэтому богато озвучен, он весь пронизан упругими волнами, поэтому воспринимаем мы их не только ушами, как это не покажется кому-то странным. Стиль изложения научно-популярный с минимумом формул и расчетов: только одна простая формула, которая позволяет лучше представлять волновые проявления в увязке с окружающей нас геометрией пространства. Поэтому книга доступна любому школьнику, которого интересует, как устроен мир. Возможно, книгу сочтут полезной учителя физики, которые любят выходить за рамки учебника. С акустикой связано много видов профессиональной деятельности, поэтому описание самых разных акустических проявлений и вариантов работы с ними можно рассматривать под углом зрения профессиональной ориентации.

Акустика на природе

Ударим сверхзвуком

Ударная волна — отличительная особенность упругих волн. Она возникает тогда, когда скорость движения частиц в фронте волны превышает скорость звука. Отличительная, потому что волна света распространяется на предельно возможной скорости, свет обогнать невозможно в рамках физики Эйнштейна. А звук можно.

Самый очевидный пример ударной волны в воздухе — гром от молнии. Молния — это электрический пробой воздуха. В месте пробоя образуется область плазмы (ионизированного воздуха) с зоной повышенного давления, которое разбегается во все стороны существенно быстрее скорости звука в виде ударной волны.

Кажется очевидной связь: удар источника порождает ударную волну. От слова «удар». Молния ударила — породила ударную волну, которую мы называем «гром». Менее очевидный пример — ударная волна от сверхзвукового движения. Многим известен хлопок от самолета. Некоторые заявляют «самолет прошел звуковой барьер». Звучит важно и эффектно, но неправда.

Пока звук распространяется от традиционного источника, это происходит во все стороны. При движении источника звука наблюдается эффект Доплера: изменение частоты звука в приемнике, если приемник ловит звук навстречу источнику или вдогон:

— приемник, на который движется источник, воспринимает частоту звука выше исходной;

— приемник, от которого движется источник, воспринимает частоту ниже.

Отслеживая изменение частоты звука, можно определить скорость движения.

Предложение читателю: понаблюдать за звуком, когда скоростной поезд или самолет пролетают мимо нас (как они слышны на приближении, и как при удалении?)

Если же скорость движения источника звука становится выше скорости звука, то в заднюю полусферу звук идет с нормальной скоростью звука для такой среды, а в переднюю полусферу звук не излучается — не успевает за движением источника. Источник просто гонит перед собой область повышенного давления, оставляя сзади область пониженного давления.

В воздухе, конечно, эту область повышенного давления не видно, но она похожа на волну, которую образует нос корабля на воде. Для корабля эта волна выглядит как треугольник в плоскости поверхности воды, а в воздухе это конус вокруг самолета. Пропорции этого конуса зависят от скорости самолета: фронт ударной волны расходится в боковые стороны от самолета со скоростью звука. Если скорость самолета равна скорости звука (1 Мах), угол основания конуса будет 45 градусов. Чем дальше вбок от источника уходит фронт волны, тем меньше перепад давления между передней зоной повышенного давления и задней зоной пониженного. Ударная волна быстро затухает. Аналогию мы видим по носовой волне корабля⁵.

Когда фронт волны (участок этого расходящегося конуса) пролетит мимо нас, мы услышим хлопок: сначала нас ударит область повышенного давления и сразу же перепонка отскочит назад областью пониженного. Чем выше летит сверхзвуковой самолет, тем дальше он пролетит мимо нас, пока мы услышим хлопок, и тем тише он будет для нас. И только после хлопка мы будем слышать звук от его двигателей. Так что, никакой звуковой барьер он не проходил — он просто летел, пока до нас не дошла ударная волна повышенного давления, которую гонят перед собой его крылья.

Кстати, иногда этот конус ударной волны виден, если воздух влажный: в ближней зоне у самолета, где образуется ударная волна, может сформироваться конденсат⁶.

Менее приятные эффекты с ударными волнами в воздухе известны при взрывных работах, военных обстрелах. Эти эффекты похожи в логике появления на молнию, но они часто рядом (поэтому воздействие сильное), зато более ожидаемы. Надо беречь барабанные перепонки, чтобы их не повредило перепадом давления. Для этого рекомендуют открывать рот. Это облегчает уравнивание давления с внешней и внутренней сторон перепонки. Но каналы до внутреннего уха узкие и довольно длинные, поэтому резкие перепады могут не успеть выравнять давление через рот. Лучше закрывать уши, защищая их от бросков давления ударной волны.

Ударные волны в воздухе неприятны, но часто терпимы. Зато в воде это чревато для жизни. Тело человека состоит преимущественно из воды, поэтому все звуковые волны в воде прекрасно проходят через него почти беспрепятственно, с минимумом отражений. Для эхолокации отражения от тела хорошо заметны, но удар по внутренним органам такое отражение не обезопасит. Водолаз⁷ в гидрокостюме с воздушной прослойкой защищен намного лучше. Воздух несопоставимо легче сжимается, что спасает при ударной волне. Но и ему в воде не поздоровится, потому что вода — плотная среда. Вода почти несжимаема, поэтому удар передаст без смягчения, а тонкая прослойка воздуха под гидрокостюмом — слабая защита.

Зато и двигаться в воде со сверхзвуковой скоростью практически невозможно, поэтому в воде ударные волны, действительно, от ударов, взрывов, сейсмических толчков. Один из наиболее известных видов последствия ударной волны в воде — это цунами. Правда, это не продольная волна, а поверхностная, и скорость ее не выше скорости звука. Поскольку вода практически несжимаема, порождаемое ударом давление преобразуется в мощный импульс поверхностной волны, которая разбегается от места удара. И не любое землетрясение породит цунами. Сдвиговые толчки породят только обычный звук, хотя и сильный.

Звуковые каналы для рыбаков и полуночных влюбленных

На природе мы чаще всего находимся в ситуации открытого пространства, т.е. звук или уходит от нас безвозвратно, или приходит прямиком от источника. Если вокруг есть препятствия, это другая ситуация в отношении звуковых закономерностей, например путешествия в горы или в пещеры. Акустика пещер принципиально не отличается от акустики помещений, поэтому пещеры обсуждать не будем, хотя там много интересного происходит. А в горах самый известный эффект — эхо. Чем дальше отражающее звук препятствие, тем сильнее задержка эха.

Попробуем оценить соотношение расстояний и времени отклика. Разрыв между собственным криком и эхом в 1 секунду уже хорошо заметен. Звук должен пролететь до препятствия и обратно. Считая скорость звука примерно 330 м/с, получаем дистанцию 150–170 метров. В ущелье эхо может быть множественным, потому что звук может отражаться от разных стенок и выступающих скал ущелья, пока не затухнет. Чем более скалистые стены ущелья, тем меньше затуханий. Чем более заросшие травой, деревьями и кустарниками, тем сильнее затухание и слабее эхо. Песок тоже неплохо поглощает звук, хотя и хуже растений.

Другой известный прием оценки расстояний по звуку — как далеко идет гроза. Вспышка молнии доходит до нас почти мгновенно. Если считать секунды до прихода раскатов грома, то можно оценить расстояние. Первый отзвук через 3 секунды задержки — примерно 1 км.

В горах звук может стать спусковым механизмом для опасных событий, происходящих из состояний неустойчивого равновесия — сход лавины или камнепад.

Это более-менее известные акустические эффекты. Есть менее понятные, но тоже известные.

Например, известно, что вечером и ночью лучше слышно дальние звуки. И не только потому, что меньше маскирующих шумов от работы, голосов людей и животных. Дело в том, что температурный режим воздуха без солнечного прогрева меняется. Хороший внешний признак — туман поднимается от земли. Вдоль земли образуется слой воздуха, волновое сопротивление которого отличается от более высоких слоев. В результате, на стыке слоев возникают эффекты отражения звука. Вдоль земли получается акустический канал, поэтому часть звука, которая раньше уходила вверх, остается в этом слое, а суммарная мощность звука в слое получается выше, он дольше затухает, дальше слышно. Аналогичные эффекты наблюдаются зимой в безветренную погоду, поскольку воздух у поверхности земли более влажный от снега, льда.

Еще более заметно распространение звука вечером-ночью вдоль реки. Вода лучше аккумулирует тепло, над ней образуется пар, поэтому волновое сопротивление воздуха над рекой отличается не только от слоя выше, но и от слоя над сушей. Звук получается ограничен лентой реки. Он, конечно, расходится во все стороны, но отраженные части его от слоев с другим волновым сопротивлением остаются в этом канале.

Поговорим с рыбами

Раз уж заговорили о воде и эффектах отражения/преломления звука, можно вспомнить о рыбалке и о разговорах рыбаков. Волновые сопротивления воды и воздуха отличаются очень сильно, поэтому звук очень плохо проходит через границу раздела в обе стороны. Можете на себе проверить, насколько плохо слышно, когда вы нырнули под воду. Разговор совсем не слышен, только если очень громко кричат.

Можно попробовать провести эксперимент со стаканом или с кастрюлей — аналогично бытовой схеме прослушки соседней комнаты через стакан. Один ныряет, а другой опускает стакан/кастрюлю в воду, чтобы не залило через край, и говорит внутрь емкости. Звук заставляет вибрировать стенки емкости, а эта вибрация передает сигнал в воду. С разборчивостью будут сложности, но сравнить будет любопытно.

Закономерности восприятия звука через кости черепа работают и под водой. Звук в воде лучше передается на череп, чем в воздухе. Насколько хорошо звук под водой идет на барабанную перепонку, зависит от наполнения ушей водой: если там остались пузырьки воздуха, то они могут существенно перекрыть звук по воде.

Предлагаю читателю подумать, можно ли общаться звуками под водой водолазам, когда они в скафандрах? Если да, то как это могло бы быть устроено? Если нет, почему?

Шипеть, лаять, пищать или топать?

Обсуждая звук на природе, интересно посмотреть на животных. Что и как слышат они? Как и чем они «разговаривают»?

У кого есть легкие, те генерируют звуки примерно так же, как человек. Некоторые животные щелкают клювом виртуозно. Гремучая змея дрожит «трещоткой» на хвосте. Насекомые звучат крылышками. Могут ли они друг друга слышать, или это побочный эффект, неведомый им, но заметный для нас? Я не знаю — это повод любопытным поизучать и выяснить для себя.

Конец ознакомительного фрагмента.

Примечания

5

Волна от носа корабля наглядна на кадре из статьи МК https://www.mk.ru/politics/2022/06/11/tass-port-ochakova-nikolaevskoy-oblasti-ostalsya-bez-ukrainskikh-voennykh-korabley.html

6

Статья про ударные волны с фотографией конуса ударной волны из конденсата от F/A-18F Super Hornet на авиасалоне 2008 года https://naked-science.ru/article/nakedscience/sverhzvukovye-mify-tumannogo-konusa

7

Статья про погружения, вплоть до сверхглубоких (700м), с иллюстрациями https://pikabu.ru/story/sverkhglubokie_pogruzheniya_mozhet_li_chelovek_zhit_na_glubine_700_m_5934226