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.

Предисловие

В моей жизни сложилась довольно занимательная профессиональная траектория, в которой я сначала стал акустиком. Работа со звуком на всех частотах, слышимых и неслышимых, увлекательна и многогранна. Но ворчливость и непоседливость снова занесли меня из акустики в школу, теперь в качестве учителя «физики, математики и информатики». Это был конец 1985 года — самое начало внедрения нового для школы курса информатики, и меня брали под нее. Но сначала были уроки физики, как ни странно.

Пока я любил физику в качестве ученика, я думал, что массовая к ней нелюбовь — заслуга неправильных учителей физики. Когда сам оказался за учительским столом, пришел к выводу, что либо я тоже неправильный учитель физики, либо что-то не так в школьном курсе. На мой вкус, из явно «не так» там ничтожно мало про звук. Много лет спустя вдруг захотелось эту несправедливость исправить — изложить что-то интересное и разное про звук, причем в доступной школьнику форме.

Звук — это самое органичное, что есть в нашей среде, среде упругих контактов. Звука нет в космосе — там неупругая среда. Свет есть, тепло и радиосвязь есть — раздолье всем электромагнитным излучениям. В упругой среде им мешают потери. Зато на Земле, где нас упруго обнимает воздух и вода, звук есть везде, хотя слышим мы ушами довольно узкий диапазон звуковых частот.

Ребенок еще в утробе матери слышит многое, именно благодаря упругой среде, где звук — главный способ общения. С крика ребенка начинается его самостоятельная жизнь на Земле, причем именно этот крик — главный признак нормальности его появления на свет, хотя вокруг полно всяких разных и умных приборов.

Часто мы сталкиваемся с ситуацией, когда люди жаждут тишины, стремятся спрятаться от напряженных делами звуков. Но правда ли это, или насколько это правда? Чего человек, жаждущий «тишины», на самом деле хочет? Он устал и хочет, чтобы окружающие звуки не требовали деловой реакции от него.

Лес и его звуки — идеальная среда для отдыха, которая дает расслабление и разрядку. Конечно, пока на человека слишком опасно никто не рычит, не шипит, не жужжит и не пищит. Лес полезен мозгу и в глазах, и в ушах. Глаз устает от техногенно ритмичных пейзажей города — отдыхает на аритмичных контурах лесов и полей (в дальней перспективе) или кустов, травы, деревьев, когда вблизи. Ухо устает от монотонного шума, несущего техногенные ритмы и риски при их сбоях — отдыхает даже на суррогатах в виде записей звуков природы: прибоя, дождя, пения птиц…

Один из вариантов пытки — тишиной: человека запирают в безэховую камеру или в глубокий подвал, где нет никаких звуков. Совсем! Что в этом страшного? А то, что человек сначала слышит свои органы, а вскоре многих начинают мучить звуковые галлюцинации. Были случаи сумасшествия от тишины.

Акустика как название науки восходит к древнегреческому слову ἀκούω — слышу. А учитывая вышесказанное, слух является почти синонимом жизни. И именно поэтому глухота человека — не столько болезнь, сколько трагедия. Даже абсолютно глухие люди что-то ловят в нашем упругом мире. Чем выше частота звука, тем менее вероятно они его могут воспринять. И как им воспринять строки Михаила Кочетова, учитывая, что шипящие звуки более высокочастотные? Сами посудите:

«Шипит на крыше дождь, как будто

Картошка на дешёвом сале.»

Популярная «Цыганочка» вся пронизана звуковыми образами:

Две гитары, зазвенев,

Жалобно заныли…

С детства памятный напев,

Старый друг мой — ты ли?

Как тебя мне не узнать?

На тебе лежит печать

Буйного похмелья,

Горького веселья!

Это ты, загул лихой,

Ты — слиянье грусти злой

С сладострастьем баядерки —

Ты, мотив венгерки!

Квинты резко дребезжат,

Сыплют дробью звуки…

Звуки ноют и визжат,

Словно стоны муки.

Что за горе? Плюнь, да пей!

Ты завей его, завей

Веревочкой горе!

Топи тоску в море!

Вот проходка по баскам

С удалью небрежной,

А за нею — звон и гам

Буйный и мятежный.

Перебор… и квинта вновь

Ноет-завывает;

Приливает к сердцу кровь,

Голова пылает.

А в учебнике физики звук упоминают мельком в теме «Волны». Конечно, волны, не поспоришь. Но в стольких видах и настолько интересно, многогранно, что за «мельком» обидно. Попробуем компенсировать это «мельком». Причем, я абсолютно уверен, что потом будет масса замечаний, что я незаслуженно забыл упомянуть одно, другое, третье… И это будет абсолютная правда, подтверждающая многогранность темы.

Как учил нас Брон — главное надо понять «на пальцах», потом уже можно и формулы нагромоздить. Я так и построил этот текст. Одна формула все же будет, чтобы осмысленно соотносить описываемые явления с окружающей геометрией пространства.

Про иллюстрации

Художник я никакой, а сбор прав на использование существующих в Интернете иллюстраций непрост. В связи с этим в тексте будут ссылки на источники с иллюстрациями. Зато там часто не просто иллюстрации, а тексты на близкие темы. Я оставил для лучшего представления лишь редкие схемы и одну фотографию, сделанную лично, поэтому коллеги и собственные дети стращают провалом в среде современных детей, привыкших к изобилию медиа. Посмотрим. Включайте воображение.

Стартовое напутствие

Лучше читать вместе с кем-то, с кем приятно обсудить или поспорить. Важные понятия выделены в тексте жирным шрифтом. Беглый обзор полезных для понимания понятий и явлений вынесен в конец в виде приложения. Сами решайте, стоит его смотреть или нет, когда смотреть и как — в учебнике это все тоже есть.