Рис. 3.3 / Задача 3.19. а) Наблюдатели не слышали шума битвы из-за искривления траектории звуковой волны при падении температуры воздуха с высотой. б) Искривление траектории звуковой волны под действием ветра.

В некоторых сражениях Гражданской войны командующий оказывался с наветренной по отношению к месту сражения стороны, а скорость ветра в месте сражения значительно возрастала с высотой. Говорят, что командующий находился в акустической тени. Но еще более странные ситуации возникали, когда из-за температурного эффекта звуковая волна направлялась вверх, а потом под влиянием ветра отклонялась вниз, так что у земли она оказывалась далеко от места битвы. И тогда солдаты, находящиеся далеко от этого места, слышали шум битвы, а те, которые были совсем близко, ничего не слышали.

Во время холодной войны США наблюдали за движением подводных лодок СССР, прослушивая их через сеть подводных акустических антенн, которые могли записывать шумы работающих гребных винтов подлодок. Любопытно, что антенны при этом были установлены в средних широтах, а подлодки плавали на расстояниях в 1000 км от них — в полярных широтах. Как можно было услышать шум гребного винта на таких расстояниях?

ОТВЕТ • Некоторые звуки, излучаемые, например, работающими гребными винтами, фактически попадают в трубу — подводный звуковой канал, который соединяет полярные и средние широты. Канал проходит на глубине, где скорость звука в воде наименьшая. Скорость звука сложным образом зависит и от глубины, и от температуры воды. Если мы будем измерять ее при погружении, то заметим, что сначала доминирует температурный эффект и по мере падения температуры скорость уменьшается. Но при дальнейшем увеличении глубины начинает перевешивать влияние усиления гидростатического давления и скорость возрастает.

Таким образом, в каком-то диапазоне глубин скорость звука минимальна. Если звук запустить на этой глубине, он попадет в «канал» и распространится по нему примерно так, как свет по оптоволокну. Если звук направится, например, вверх, за верхнюю границу канала, где скорость звука больше, его траектория из-за изменения скорости искривится и он направится обратно в канал (рефракция звуковой волны). А если звук пойдет вниз и выйдет за нижнюю границу канала в область больших скоростей, изменение скорости на границе опять искривит траекторию и направит ее вверх — обратно в канал. Шум от советских подлодок, плававших в полярных широтах, попадал в акустический канал и доходил по нему до средних широт.

Если лидер группы поддержки (чирлидер) выкрикнет что-то в большой шумной толпе на стадионе, никто в толпе не услышит его. Но если он скомандует через мегафон (рупор), его легко услышат все. Как рупор преобразует звук?

Почему вертикальный размер отверстия сирены часто делается больше горизонтального? Не значит ли это, что большая часть звука уйдет вверх?

ОТВЕТ • Если звук испускается из отверстия, сравнимого по размеру с длиной волны звука, звуковые волны дифрагируют, то есть огибают края отверстия, и пространственный угол, в котором распространяются звуковые волны, увеличивается. Чем меньше отверстие, тем больше дифракция. Когда чирлидер выкрикивает команду в толпе, дифракционное расширение звука, исходящего изо рта, велико, то есть его крик распространяется и влево, и вправо, и вверх, и вниз, следовательно, существенно уменьшается интенсивность звука (громкость) в каждом данном направлении. Но когда чирлидер выкрикивает команду через мегафон, имеющий форму конуса с большим выходным отверстием, звук испускается из значительно большего отверстия, и расплывание направлений (дифракция) значительно меньше. Поэтому звук идет в первую очередь вперед, и его максимальная интенсивность оказывается значительно больше. Так что мегафон используется для того, чтобы понизить дифракцию.

Предупреждающий об опасности звук корабельной сирены должен распространяться в как можно большем интервале углов в горизонтальной плоскости, чтобы каждый, кто приближается к кораблю по любому направлению, мог услышать предупреждение. Для этого нужно горизонтальное расплывание сделать как можно большим, а вертикальное — меньшим, поэтому отверстие сирены делается большим по высоте и маленьким по ширине.

Проделайте такой опыт: на открытом месте (где мало что отражает звук) попросите приятеля, стоящего к вам лицом на некотором удалении, говорить негромко и монотонно (не меняя громкости) и в это же время поворачиваться вокруг своей оси до положения, когда он будет стоять спиной к вам. Скорее всего, вы будете слышать все, что он говорит, практически при любом его повороте. А теперь попросите его проделать то же самое, но уже произнося слова шепотом, сохраняя постоянным уровень громкости. Почему при повороте от вас шепот становится неслышимым гораздо быстрее, чем обычный голос?

ОТВЕТ • Есть два объяснения. Вот простейшее: как мы выяснили в предыдущей задаче, когда звук проходит через отверстие, размер которого сравним с длиной звуковой волны, он дифрагирует (расширяется угол, в котором распространяются волны). Дифракция тем меньше, чем короче длина волны. Шепот содержит более короткие длины волн (высокие частоты), чем обычный голос. Таким образом, шепот распространяется в более узком диапазоне углов, и для того, чтобы вы услышали, как кто-то говорит шепотом, он должен стоять к вам лицом.

Расчеты распространения звука, впервые проделанные лордом Рэлеем в 1896 году, очень сложные. Рэлей предположил, что маленький источник звука расположен на поверхности сферы, и обнаружил, что звуковые волны огибают сферу, причем волнам с меньшей длиной труднее изогнуться, чем волнам с большей длиной. Поэтому шепот, состоящий из волн с более короткой длиной волны, не так хорошо огибает голову, как звук обычного голоса.

Такой же эффект проявляется на театральном представлении под открытым небом, где нет специальных поверхностей, которые бы отражали голоса исполнителей. Мужские голоса хорошо слышны, даже если актеры стоят к вам спиной, а актрисы, чтобы их было слышно, должны стоять к вам лицом, хотя они и говорят так же громко, но на более высоких частотах.

Если вы встанете на железнодорожном переезде, когда поезд будет проноситься мимо и при этом гудеть, вам покажется, что частота гудка меняется. Почему? Будет ли она меняться от высокой частоты к низкой или наоборот?

ОТВЕТ • Движение источника звука относительно наблюдателя (в данном случае — слушателя, а им можете быть как вы, так и любой другой детектор звука) меняет частоту звука. Этот эффект называется эффектом Доплера. Главная причина этого сдвига частоты в том, что звук — это волна. Если источник звука неподвижен относительно вас, области высокого давления в звуковой волне проносятся мимо вашего уха с постоянной скоростью (частотой) — той, с которой они производятся источником. Так что вы слышите ту же самую частоту звука, которую производит источник, и никакого сдвига нет. Если, напротив, источник движется на вас, он излучает волну, которая направляется на вас, скорость пролета областей высокого давления мимо вас теперь больше, чем их скорость относительно источника, и вы слышите более высокую частоту. Если же источник звука движется от вас, эффект обратный: вы слышите звук более низкой частоты, чем та, на которой он испущен источником. Так что движение источника на вас сдвигает частоту вверх, а от вас — вниз, и величина сдвига зависит от скорости источника. Если источник звука движется под углом к линии, соединяющей источник и вас, эффект (величина сдвига) меньше, а если этот угол прямой, сдвига вообще нет.