Удивительный мир звука - И Клюкин

Вот какие метаморфозы звуковой волны возможны на границах разнородных сред.

КОГДА РЕЗОНАТОР УСИЛИВАЕТ

И КОГДА ОСЛАБЛЯЕТ ЗВУК

Резонанс -- резкое возрастание амплитуд... колебаний, наступающее при приближении частоты... внешнего воздействия к частоте одного из нормальных колебаний, свойственных данной колебательной системе.

Физический словарь

Некто смотрел из укрытия, как два льва вцепились в тело друг друга. На момент он отвернулся и когда вновь взглянул на место боя, то увидел, что противники исчезли: они съели друг друга. На земле виднелись лишь оставшиеся от них хвосты...

Из современной сказки

Кому не известно, что такое резонанс? "Резонанс -- это когда сильно мотает",-- сказал один студент, не подозревая, впрочем, что излагает житейским языком определение физического словаря. Интеллигент с большим читательским стажем уже приведет пример вредных последствий резонанса: "Знаете, почему разрушился Египетский мост в Петербурге? Потому, что воинская часть, проходившая по нему, не сменила команды "в ногу". Произошла усиленная вибрация, и вот..."

Мы, в свою очередь, приведем еще один, менее известный пример последствий резонанса. 2 марта 1905 года утром в день предстоявшего заседания II Государственной думы обвалился потолок в главном зале Таврического дворца. Причина -- работа небольшого электровентилятора на чердаке, включенного для проветривания зала перед заседанием Думы,

Александр Грин, которого знают как автора романтических и приключенческих повествований, был не чужд и жанру сатиры. Через несколько дней после описанного события в одной из столичных газет появилась его "Элегия", написанная в манере стихотворения Лермонтова "Когда волнуется желтеющая нива". Сатира Грина начиналась так:

Когда волнуется краснеющая Дума

И потолок трещит при звуке ветерка...

Концовка тоже созвучна лермонтовским строкам:

...Тогда смиряется души моей тревога;

И затаив мечты о воле и земле,

И истребив морщины на челе,

Сквозь потолок я вижу бога! ...

Это едва ли не единственная стихотворная ода резонансу, хотя и порожденная главным образом политическими причинами.

Но почему же все-таки мост не обрушивается и потолок не трещит в отсутствие резонанса? В простейшей упругоинерционной системе выше или ниже частоты резонанса сопротивления колебательному движению упругого или соответственно инерционного элемента достаточно велики. Лишь на частоте резонанса эти взаимно противодействующие сопротивления таинственным для непосвященного образом "съедают" друг друга (совсем как сказочные львы в эпиграфе), и остается лишь "хвостик" -- сопротивление трения, которое всегда меньше сопротивления упругости и массы. Амплитуда колебаний системы увеличивается во много раз, что и может привести к печальным последствиям.

О явлениях резонанса в механических системах уже говорилось выше. Перейдем к устройству, в котором осуществляется резонанс акустических элементов. Это простейший резонатор Гельмгольца -- сосуд, подобный колбе. Воздушная пробка в горле сосуда является акустическим элементом массы, внутренняя полость резонатора -- элементом упругости. При резонансе увеличиваются колебания воздушной пробки, в такт этому возрастает колебательное давление во внутренней полости резонатора по сравнению с давлением в свободном поле. Звуковую энергию для усиленных колебаний резонатор отбирает из окружающего его звукового поля.

Если к полости резонатора подвести трубку, другой конец которой приложить к уху, то можно убедиться в усиливающем действии резонатора. Такое устройство применялось для помощи людям с ослабленным слухом. Наборы резонаторов использовались в первых анализаторах звуковых спектров. Каждый из резонаторов был настроен на свою частоту и выделял в сложном звуковом спектре соответствующую спектральную составляющую.

Пещера с узким наружным входом тоже служит резонатором. Он усиливает звуки особенно низких частот; туристы и спелеологи знают, как сильно отдаются удары грома в подобных пещерах.

Впрочем, для осуществления резонанса совсем не обязательно иметь узкий и длинный вход. Резонатором может служить любая достаточно глубокая ниша, пусть даже одинакового поперечного сечения. Дальняя, примыкающая к жесткой стенке часть ее служит упругостью, а объем, граничащий с наружным пространством, -- массой. Переход от массы к упругости здесь более плавный, чем в колбообразном сосуде.

Любая бутылка, не заполненная жидкостью,-- тоже резонатор; убедиться в этом нетрудно. Один современный английский акустик, в частности, рассмотрел ее резонансные свойства в монографин "Акустика винной бутылки". Несмотря на игривое название, это -- серьезная научная работа, возможно, не столь значительная, как творение великого Кеплера "Стереометрия винных бочек", но уже не уступающая исследованию почти нашего современника Ч. Бойса "Мыльные пузыри", которое считается классическим.

Итак, резонатор усиливает звук, это совершенно ясно, не правда ли? Однако, как бы это странно ни звучало для некоторых, резонатор прежде всего... поглощает, то есть ослабляет звук. Противоречие здесь кажущееся. Все дело в том, о каком параметре колебательного процесса вести речь. Да, в полости резонатора усиливается в той или иной степени звуковое давление. Но при этом в нем всегда поглощается определенная звуковая энергия. В какой-то мере в этом смысле резонатор можно сравнить с электрическим трансформатором. Во вторичной обмотке повышающего трансформатора увеличивается электрическое напряжение по сравнению с напряжением в первичной обмотке. Но в то же время трансформатор, к сожалению, поглощает часть электрической энергии вследствие нагрева обмоток, вихревых токов в сердечнике и т. п.

Электрики стараются, насколько возможно, уменьшить эти потери. То же делали и акустики, создавая резонаторы с очень высокой добротностью для выделения отдельных составляющих в спектре анализируемого звука. Но вот кому-то пришла в голову идея увеличить поглощение в акустическом резонаторе с целью ослабления звука вблизи резонатора. Так родилось новое направление в теории и технике звукопоглощения -- резонансное звукопоглощение.

Целый ряд ученых в разных странах отдал ему дань: в СССР -- С. Н. Ржевкин, М. С. Анцыферов, В. С. Нестеров и другие, в США -- У. Мак Нэйр, в Англии -- Е. Пэрис, в Дании -- Ф. Ингерслев. Резонансное звукопоглощение осуществляется в более или менее узкой области относительно низких частот. Можно расширить ее, применив набор резонаторов, настроенных на различную частоту. Но если потребуется ослаблять звук на более высоких частотах, придется применить поглотители другого рода, о которых еще будет сказано ниже.

Как же практически осуществлять устройство резонансного поглощения для ослабления звука в помещениях? Неужели вмазывать в стены колбо- или бутылкообразные сосуды? Нет, современная строительная практика нашла более удобные конструкции. На некотором расстоянии от стены или потолка помещения устанавливается более или менее толстый перфорированный лист. Отверстия в листе играют роль горлышек резонаторов Гельмгольца, а пространство между листом и стенкой -- роль полостей.

Теперь возникает следующий вопрос: где разместить дополнительный звукопоглощающий элемент, увеличивающий потери в резонаторе? В районе горлышка резонатора колебательная скорость частиц среды наибольшая и, следовательно, наибольшими будут потери на трение. Здесь и помещают слой волокнистого материала или толстой ткани, который с успехом выполняет функцию поглотителя звука.

Такими или подобными системами резонансного поглощения можно оборудовать стены или потолки помещений. Вместо перфорированных панелей иногда устанавливают наборы вертикальных реек с зазором относительно друг друга. Получается так называемый щелевой резонансный поглотитель, которому можно придать очень красивый вид, соответствующий современным архитектурным тенденциям.

Известно, что для хорошего восприятия музыки и речи зал должен иметь ту или иную степень гулкости; акустики в этом случае говорят о "времени реверберации помещения". Время реверберации можно менять, устанавливая дополнительные звукопоглотители, в том числе резонансные.

Сам зал, собственно, это тоже резонатор. Но, в отличие от резонирующих сосудов, у него много собственных частот. Чаще требуется, как только что сказано, заглушать колебания на этих частотах, но иногда зал сам по себе оказывается заглушенным в той или иной области частот; для более полного звучания музыки, вокальной речи требуется выделить эти области частот. Встает вопрос о "поддерживаемом" резонансе зала. Такой поддерживаемый с помощью электроакустической аппаратуры резонанс осуществлен, например, в зале Ройял Фестиваль Холл в Лондоне.

Колбообразные сосуды, различные ниши и впадины, даже, наконец, целые помещения, -- все это как-то еще сообразуется с представлением о резонансных системах. Но есть резонаторы и там, где трудно это предположить. Что бы вы сказали о пузырьке воздуха или газа в жидкости, например, в стакане с нарзаном? Немецкий акустик Э. Мейер, первый лауреат золотой медали имени великого физика Рэлея, открыл это еще в 30--40-е годы. Упругим элементом в резонирующем пузырьке служит объем газа, а инерционным -- масса воды, участвующая в колебаниях внешней поверхности пузырька. Принимая в 1971 году от Английского акустического общества медаль имени Рэлея, Мейер в ответной речи сообщил, что звукопоглощающие пузырьки в жидкости, делающие "глухим" звеневший до этого хрустальный бокал с шипучим шампанским, подсказали ему идею подводного звукопоглотителя из слоя пластмассы с внутренними воздушными полостями. Он не преминул отметить, что подобный гидроакустический звукопоглотитель, названный им "Альберихом", использовался на гитлеровских подводных лодках для защиты от обнаружения их гидролокаторами союзников.