Жанр: Наука
Удивительный мир звуков
...ять цвет в зависимости от температуры пленки или пластинки, на
которую они нанесены.
Слой холестерина на такой пленке напоминает слой затвердевшей
фотоэмульсии.
Тонкий слой воды, налитый на поверхность соединенной с вибратором
металлической пластины, также позволяет визуализировать ее колебания. |
Осыпавшаяся при колебаниях металлической стенки или пластины фундамента
меловая паста указывает места наиболее интенсивной вибрации, на которые
следует устанавливать антивибрационные устройства. |
Если коснуться его пальцем" то вокруг места касания возникнут
концентрические разноцветные круги. Каждому цвету при этом соответствует
определенная температура. Картина похожа на цвета побежалости на зачищенной
поверхности остывающего металла.
При звуковых колебаниях происходят изменения температуры частей
колеблющегося тела, тем большие, чем больше амплитуда колебаний. Эти
изменения определяют цвет нанесенной на тело жидкокристаллической пленки, и
можно видеть цветную картину распределения колебаний на поверхности тела.
В более сложном устройстве для измерения амплитуды звуковых волн (в том
числе поверхностных волн Рэлея) в прозрачных пластинах жидкокристаллический
слой помещается между двумя подобными пластинами, установленными между
скрещенными поляроидами. При отсутствии звука в пластинах света на экране за
вторым поляроидом нет, во время колебаний пластин он появляется. Получены
формулы для определения интенсивности колебаний пластин по величине
прошедшего через поляроиды света.
Появление лазеров дало возможность разработать весьма совершенные
установки для визуализации звуковых полей и вибрации. На рисунке приведена
полученная И. А. Алдошиной картина колебаний конического диффузора
динамического громкоговори-
Картина колебаний диффузора громкоговорителя, снятая с помощью лазерной
визуализационной установки.
теля на частоте 500 герц. Как видно, она достаточно сложна. Анализ
подобных картин позволяет разработать звуковоспроизводящие устройства,
работающие с минимальными искажениями.
Голография занимает сейчас умы многих исследователей. Основным
достоинством ее является возможность получения трехмерных изображений. О
сложности проблем в этой области можно судить по материалам книги
"Акустическая голография", выпущенной издательством "Судостроение" в 1975
году и суммирующей результаты трех ежегодных международных симпозиумов по
акустической голографии. Хотя перспективы применения ее велики в самых
разнообразных областях (подводное звуковидение, визуализация предметов в
мутных средах, что особенно важно при аварийно-спасательных и водолазных
работах), но предстоит еще большая работа по повышению качества изображений.
Сцептроника. Это недавно возникшее направление визуализации и
частотного анализа колебаний связано с волоконной оптикой. Пучок из
громадного количества тончайших стеклянных волокон возбуждается с торца
исследуемыми колебаниями и одновременно подсвечивается ярким источником
света. Каждое из волокон имеет свою частоту свободных колебаний, и, если в
спектре исследуемого сигнала имеется составляющая этой частоты, конец
волокна приходит в интенсивные колебания, что отражается яркой чертой на
экране. Возможна очень плотная упаковка волокон (до нескольких тысяч на один
квадратный сантиметр), что сулит создание очень малых по размеру, но
широкодиапазонных анализаторов — визуализаторов.
Поскольку возможна визуализация звука тем или иным методом, то,
естественно, возможна и "фонизания" света. Световые (или тепловые) сигналы
воспринимаются сканирующим устройством и подаются на специальный
измерительный магнитофон, обладающий очень широкими частотными и
амплитудными характеристиками. При воспроизведении записи через репродуктор
отчетливо обнаруживаются на слух места поверхности, наиболее сильно
освещенные или нагретые.
¶"ПЕРЕКРЕСТНЫЕ"§
КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ
ЭФФЕКТЫ.
КВАНТОВАЯ АКУСТИКА
"Перекрестными" эффектами Л. Л. Мясников образно, назвал эффекты,
возникающие при взаимодействии полей или потоков разной природы, например
звукового и магнитного, светового и звукового и т. п.
Область перекрестных эффектов поистине безгранична, в настоящее время
изучены лишь некоторые "разнопольные" взаимодействия. Вот, например, как
взаимодействует ультразвук с металлом, находящимся в магнитном поле.
Вследствие звуковых колебаний материала в магнитном поле в материале
создаются вихревые токи, которые в свою очередь вызывают появление
вторичного электромагнитного поля. По амплитуде этого поля можно, между
прочим, судить об интенсивности ультразвука в металле. Эффект обратим:
поверхностная радиоволна, направляемая вдоль металлического стержня с
постоянным магнитным полем (а при некоторых условиях и без него), создает в
стержне ультразвуковые колебания.
Магнитоакустический эффект весьма чувствителен к структурному состоянию
металлов и сплавов, степень проявления эффекта зависит от рода и количества
даже весьма малых примесей или добавок в материале. Пользуясь этим методом,
можно создать материалы с максимальным или, наоборот, минимальным
коэффициентом механических потерь на ультразвуковых частотах.
Предсказанные теоретически С. А. Альтшуллером и исследованные
экспериментально У. X. Копвиллемом и другими акустический электронный и
ядерный магнитные резонансы обнаружены в настоящее время во множестве
кристаллов, содержащих парамагнитные примеси. Эти опыты дают интереснейшие
сведения и представления не только о характере магнитоакустических
резонансов внутри вещества, но и о динамических свойствах кристаллов на
гиперзвуковых частотах 10
9 герц и более.
Звуковые колебания могут менять картину взаимодействия атомных пучков с
пьезоэлектрическим материалом. Так, в опытах Л. Л. Мясникова и его
сотрудников при облучении кварцевой пластинки атомными пучками калия,
рубидия, цезия и таллия наблюдались дифракционные картины пространственного
рассеяния пучков. У той же пластинки, приведенной в колебательное движение
на ультразвуковых частотах, дифракционные максимумы рассеяния атомных пучков
исчезали.
Еще в 30-е годы нашего столетия был известен акустико-оптический
эффект, являвшийся продуктом взаимодействия акустических и световых волн. В
жидкости возбуждалась система плоских ультразвуковых волн. В звуковой волне
чередуются сгущения и разрежения среды, поэтому подобная структура может
действовать как твердая дифракционная решетка. Действительно, при
направлении на структуру светового луча появлялись отчетливые дифракционные
максимумы и минимумы. Очень эффектные фотографии этих дифракционных картин
были получены Люка и Бикаром во Франции, Раманом и Натом в Индии, Соколовым
в СССР. Интенсивность наиболее сильного центрального максимума являлась ярко
выраженной функцией амплитуды ультразвуковых волн. Перед второй мировой
войной английская фирма "Скофони" разработала на этом принципе модулятор
света и применяла его в телевизионных установках с большим экраном и высокой
четкостью.
Г. А. Аскарьяном и другими в 1963 году было сообщено в печати о
генерации звука при поглощении лазерного излучения в жидкости.
Приблизительно в это же время подобное явление наблюдал Л. М. Лямшев.
Некоторые исследователи назвали это направление "разнопольных"
взаимодействий оптоакустикой.
Механизмы оптического возбуждения звука многообразны. Звук может
возникать вследствие поглощения интенсивного света в среде. Этот механизм
связан с релаксационными процессами, изучение которых является предметом
молекулярной акустики (заметим, что молекулярная акустика сама по себе
представляет обширную область, и отечественные школы И. Г. Михайлова, В. Ф.
Ноздрева и других имеют большие достижения в этой области). Кроме того, звук
может возбуждаться в результате резкого изменения агрегатного состояния
среды (испарение, ионизация) вследствие электрострикционного эффекта.
Американец Ларсон, исследовавший возбуждение звука в твердых телах при
воздействии модулированного лазерного излучения, установил, что это
излучение генерирует в среде сильный звук в направлении, перпендикулярном
направлению распространения луча лазера.
Различными авторами исследовались случаи излучения звука при
воздействии на вещество мощных тепловых полей, импульсного электрического
напряжения и т. д.
По мере повышения частоты, то есть уменьшения длины волны
ультраакустических колебаний звуковые волны начинают "замечать" дискретную
структуру твердых тел — кристаллическую ионную решетку. Здесь становятся
плодотворными корпускулярные представления. Согласно современной физике,
любая волна ведет себя при определенных условиях как частица, и наоборот:
любая частица ведет себя при определенных условиях как волна. Один из
классиков физики Уильям Брэгг иронически заметил по этому поводу, что каждый
физик вынужден считать свет состоящим по понедельникам, средам и пятницам из
частиц, а остальные дни недели — из волн. А вот что пишет по этому поводу в
своей замечательной научно-популярной книге "Глаз и солнце" академик С. И.
Вавилов*: "Материя, т.е. вещество и свет, одновременно обладает свойствами
волн и частиц, но в целом это не волны и не частицы, и не смесь того и
другого (курсив С. И. Вавилова — И. К.). Наши механические понятия не в
состоянии полностью охватить реальность, для этого не хватает наглядных
образов".
С тех пор последовало много работ, подтверждаю щих эквивалентность
волновой и квантовой механики.
* С. И. Вавилов. Глаз и солнце. Изд. 9-е. М, "Наука", 1976, с. 42.
И хотя отдельные противоречия остаются, квантовая механика позволила
сделать выдающиеся открытия.
Звуковой волне соответствует частица, которая была названа фононом --
квантом звука. Разумеется, полной аналогии здесь нет. Частицы света --
фотоны-- элементарны, то есть не состоят из других частиц. Они единообразны,
как единообразны электромагнитные поля, они устойчивы. Параметры фононов не
имеют той устойчивости, которая свойственна параметрам элементарных частиц.
В процессе распространения звука изменяется характер упругих колебаний,
волна из поперечной может переходить в продольную, поверхностную и т. п. Эти
процессы надо рассматривать как превращения фононов в другие виды, то есть
следует предположить многообразие фононов.
Несмотря на отсутствие данных о параметрах фононов для различных видов
упругих колебаний, введение квантовых представлений в акустику уже принесло
свои плоды. Примером служит создание акустического мазера, подобного
электромагнитному мазеру или лазеру.
Схема и принцип действия фонон-электронного усилителя высокочастотного
звука.
1 — пьезополупроводник, 2 — источник звука; 3 — источник света; 4--
источник постоянного электрического напряжения.
По мере движения звуковой волны ее амплитуда увеличивается вследствие
взаимодействия между электронами Э и фононами Ф.
Другой пример — квантовый усилитель ультразвука.
Как ни странно, но прямого усилителя звука пока не существует. Для того
чтобы усилить звук, нужно сначала превратить его в электрические колебания
(с помощью микрофона, гидрофона, виброметра), а затем, после усиления этих
колебаний в электронном усилителе, произвести обратное превращение уже
усиленных электрических сигналов в звук посредством соответствующих
электроакустических преобразователей.
Позвольте, а резонатор? — спросит читатель. В полости резонатора
звуковое давление усиливается вследствие того, что резонатор "отсасывает"
звук с довольно большой площади фронта волны и трансформирует в параметры
колебательного процесса. Но в резонаторе нет какого-либо постоянного
постороннего источника звука, усиливающего колебательный процесс подобно
тому, как это происходит в электронном усилителе благодаря наличию
постоянного электрического источника питания.
Принцип действия фонон-электронного усилителя ультразвуковых колебаний
заключается в следующем. В образце пьезоэлектрического полупроводника
(например, в кристалле сернистого кадмия) возбуждается звуковая волна
высокой частоты. Одновременно кристалл облучается светом, вследствие чего в
нем возникают свободные электроны. Эти дрейфующие электроны увлекаются
приложенным к кристаллу постоянным электрическим полем. Так как скорость
электронов больше скорости звука, то электроны как бы тянут за собой
звуковые частицы — фононы. Это создает дополнительные механические усилия,
и, следовательно, звуковая волна по мере распространения по кристаллу будет
усиливаться. Уже созданы квантовые усилители ультразвука, в которых на
расстоянии 10--15 миллиметров удается получить усиление бегущего
ультразвукового импульса в тысячи раз. При непрерывном излучении звука
концентрация энергии в относительно малом объеме полупроводника становится
настолько велика, что возникает проблема его охлаждения во избежание падения
коэффициента усиления.
Многочисленные проблемы квантовой акустики регулярно обсуждаются на
специальных международных и всесоюзных симпозиумах и конференциях. В 1974
году И. А. Викторову, Ю. В. Гуляеву, В.Л.Гуревичу, В. И. Пустовойту была
присуждена Государственная премия СССР за цикл исследований по созданию
теоретических основ акустоэлектроники. Фундаментальные, полные интересных
идей работы по акустоэлектронике были выполнены безвременно скончавшимся
академиком Р. В. Хохловым с сотрудниками, а также В. А. Красильниковым и
другими советскими учеными.
"Разнопольные" эффекты и взаимодействия, электрон-фононные,
фотон-фононные, фонон-фононные процессы — манящая и увлекательная область
физической (а в недалеком будущем, несомненно, и техни-ческой^ акустики, "
ЧАСТЬ II
Не обладая слухом, мы едва ли много больше интересовались бы
колебаниями, чем без глаз — светом Рэлей
Пипин, король Италии, VIII век "Что такое уши?" Флакк Альбин, наставник
короля "Собиратели звуков" ¶ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ И БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКУСТИКА§
¶МИЛЛИОНЫ УКЛАДЫВАЮТСЯ В ДЕСЯТКИ§
... Слуховой орган превращается в руках Гельмгольца в тонкий физический
инструмент... И М Сеченов
Для начала — две колонки равенств, по-видимому, не совсем обычных:
30+ 30= 33
70+ 70= 73
100+100=103 |
30 + 20 р 30
70 + 60 р 70
100 + 90 р 100 |
Относящийся к этим колонкам вопрос к читателю похож на вопросы из
психологических практикумов, публикуемых на страницах журналов: что означают
эти равенства и каковы закономерности, характерные для каждой из колонок?
Не будем далее интриговать читателя или отсылать его, как это иногда
делается, к ответам, написанным в перевернутом виде, либо помещенным где-то
через десятки страниц. Скажем сразу, что равенства отображают некоторые
зависимости условной алгебры децибелов — логарифмических единиц, принятых
для расчета и измерения уровней звука или вибрации. В названии "децибел"
увековечено имя изобретателя телефона Грэхема Белла. Один децибел
соответствует едва заметному на слух приросту громкости звука.
Но почему децибелы сродни логарифмическому исчислению? В первую очередь
потому, что они отражают мудрую особенность слухового (и не только
слухового) восприятия живых существ: прирост ощущения пропорционален
логарифму раздражения. Человечество не случайно приняло "на вооружение" в
науке и технике логарифмические масштабы: зачастую упрощается графическое
изображение колебательных процессов, об этом еще будет сказано в дальнейшем.
Однако не пора ли вернуться к цифровым колонкам, с которых мы начали
разговор? Левая колонка равенств отображает (повторяем, условно) результаты
суммирования эффекта действия двух одинаковых источников шума или вибрации,
колебательная мощность которых выражена в децибелах. Как видим, вне
зависимости от величины колебательного уровня каждого из одинаковых
источников, суммарный звуковой уровень двух источников всегда на 3 децибела
превышает уровень любого из отдельно взятых источников.
А вторая колонка? Она относится к сложению эффектов двух источников с
заметно различающимися колебательными мощностями. Видно, что если уровень
более слабого источника на 10 (или более) децибел отличается от уровня более
мощного источника, то суммарный уровень практически равен уровню отдельно
взятого более мощного источника.
Своеобразие децибельного исчисления неоспоримо, в чем убеждает и беседа
в кабинете главного инженера крупного машиностроительного предприятия,
свидетелем и невольным участником которой автору довелось быть. Работники
акустической лаборатории завода доложили, что им удалось по требованию
заказчика снизить шум одной из выпускаемых машин со 100 до 70 децибел. Они
ожидали одобрения, но главный инженер, до этого момента не имевший, видимо,
времени или желания ознакомиться детально с акустикой, сухо заметил:
— Рано радуетесь. Подумаешь, снизили шум на 30%. Надо до нуля доводить
энергию звука.
Он оглянулся на гостя, ища поддержки. Пришлось несколько охладить его:
— Снижение звукового уровня на тридцать децибел соответствует
уменьшению звуковой энергии не на тридцать, а на 99,9%. А если, наоборот,
увеличить уровень шума с 70 до 100 децибел, то это будет соответствовать
увеличению звуковой энергии в 1000 раз, то есть круглым счетом на 100000%.
Все это — особенности логарифмического масштаба, характерного для
физиологической акустики.
— А еже какие особенности или преимущества у логарифмической шкалы
звуковых энергий? — спросил главный инженер.
— Она позволяет большой диапазон значений энергий и интенсивностей
звука уместить в маленьком графике.
---- А если бы воспользовались линейной шкалой, какой длины она была
бы?
— Смотря какой диапазон энергий нас интересует. Может, шкала
протянется отсюда до Невского, а может, для этого графика не хватило бы
упомянутого Гоголем колдовского стола длиной от Конотопа до Батурина.
— Вот как? А тут, я вижу, мои деятели и частоту отложили в
логарифмическом масштабе. Это почему?
— Потому, что равным ощущениям приращения высоты тона соответствует
увеличение частоты не на какое-то количество герц, а в какое-то число раз.
Например, для увеличения высоты тона в сто герц вдвое требуется повысить его
до двухсот герц, т. е. на сто герц, а для увеличения вдвое высоты тона в
тысячу герц потребуется увеличить его частоту уже на тысячу герц. А это и
есть логарифмический закон.
— И для частот линейная шкала тоже протянется
так далеко?
— Нет, тут она будет заметно короче. Если ограничиться диапазоном
слышимых частот и откладывать по шкале каждый герц через миллиметр, то длина
линейной частотной шкалы уж никак не превысит двадцати метров.
— Тоже многовато, — усмехнулся главный инженер.-- Да, акустика --
серьезная вещь, — продолжал он задумчиво.
Я ожидал, что он закончит свое резюме словами вроде — "Надо будет это
учесть в дальнейшем". Но он вдруг повернулся к своим сотрудникам и сказал
твердо:
— Вы это учтите!
Один из них, не растерявшись, заметил как-то между прочим:
— Мы это давно учли...
— Вас понял. И для начала сам учту это, полагаю, в желаемом вами
смысле. Думаю, что против увеличения каждому квартальной премии на тридцать
рублей — по рублю за децибел возражать никто не будет? Уж рубли-то в
логарифмическом масштабе, как звуковую энергию, извините, не могу исчислять.
А вот для выражения благодарности гостю за интересную беседу логарифмический
масштаб подойдет. Выйдя после беседы на улицу, автор подумал о том, что
неплохо было бы точно рассчитать длину линейной шкалы слышимого диапазона
сил звуков. Почему-то никто не удосуживался сделать это. Конечно, здесь все
сильно зависит от того, какой масштаб принять за основу. Один децибел, т. е.
едва уловимая на слух величина громкости, соответствует приросту звуковой
энергии примерно на 25% ее исходной величины. Логично за единицу линейной
шкалы принять разность энергий (точнее, интенсивностей ее, т. е. потоков
энергии в единицу времени на единицу площади), соответствующую одному
децибелу на пороге слышимости. Эта разность будет равна
1,25J0 — J0.
где J0--пороговая интенсивность звука.
На другом, "верхнем" пороге — пороге болевого ощущения — при
стандартной частоте 1000 герц интенсивность звука примерно в 10
14раз больше, чем на пороге слышимости. Таким образом, диапазон воспринимаемых
человеком интенсивностей звука равен 10
14 J0-J0.
Число делений линейной шкалы интенсивностей звука п будет,
следовательно, равно
n=(10
14J0-J0)/(1,25J0-J0)=4 10
14.
Если деления линейной шкалы взять равными 1 миллиметру, то
протяженность (в километрах) линейной шкалы воспринимаемых ухом
интенсивностей звука составит n/10
6 = 400 миллионов километров,
то есть заметно больше, чем расстояние от Земли до Солнца.
Поразительный все-таки инструмент человеческое ухо, оно стоит того,
чтобы продолжить о нем разговор.
¶ОСТРОВОК СЛЫШИМОСТИ В ОКЕАНЕ§
НЕВОСПРИНИМАЕМЫХ ЗВУКОВ
Итак, уже изображение в линейном масштабе диапазона воспринимаемых
человеком звуковых энергий потребовало космической шкалы. В действительности
же область могущих существовать звуков еще больше. Взгляни, читатель, на
этот график — карту "акустического океана". На ней, как и положено на
морской карте, нанесена сетка широт и долгот. Акустические широты — это
уровни звукового давления, долготы — частоты звуковых колебаний.
Вот он, островок слышимости, именуемый по-научному "область слухового
восприятия человека". Для животных он может быть расположен в другом месте,
чаще всего правее ("восточнее") островка человека.
Обследуем берега, границы острова, определим, далеко ли от них могут
располагаться какие-нибудь массивы, похожие на географические материки.
Нижняя, южная граница "острова слышимости". Уже упоминалось, что человек
назвал ее "порогом слухового восприятия". Как видим, эта граница довольно
сильно искривлена. Ниже всего она опускается в области частот 1--5 килогерц,
это и есть частотная область максимальной чувствительности слуха. Хотя у
некоторых животных она может располагаться еще ниже, но, в общем, и человека
природа одарила достаточно щедро. Тишайший шепот влюбленных, легкий вздох
человека, шорох ползущего по стенке жучка — вот звуки, близкие по
интенсивности и приближающиеся к этой границе.
Остров слышимости в океане звуков.
Для любителей количественных данных укажем, что амплитуда звуковых
колебаний в воздухе на пороге слухового восприятия лишь немногим больше
атома водорода, а мощность звука, поглощаемая ухом, не превышает
микрокосмической цифры 10
-30 ватт. Эта микрокосмика хорошо
согласуется с теми по-настоящему космическими цифрами, которые упоминались в
предыдущей главе.
От границы слышимости ведется отсчет звуковых уровней вверх в
децибелах.
Но вот мы сдвинулись влево или вправо по нижней береговой линии от
средней части острова. Эта линия пошла вверх и, значит, требуются большие
звуковые давления, чтобы звуки были восприняты человеком. Неодинаковость
слухового восприятия по частоте потребовала введения еще одной единицы--
фона. На частоте 1 килогерц значения децибелов и фонов приняты одинаковыми,
а на других частотах они могут сильно отличаться друг от друга.
Прежде чем покинуть "южный берег" острова, вернемся еще раз на его
среднюю, наиболее выдвинутую в море часть. Через специальные приборы можно
различить, как вдалеке клубится что-то трудно уловимое. Это — область
тепловых шумов среды. Слава природе, что граница нашего острова слышимости
достаточно далека от этого материка хаоса, иначе у нас в ушах стоял бы
постоянный шум и гул, как у больного тяжелой формой гипертонии.
Теперь направим свои стопы к "северному берегу" острова. Для этого нам
понадобится сделать 130-- 140 шагов-фонов. И вот мы подошли к другой границе
невосприимчивости звука, именуемой порогом болевого ощущения или порогом
осязания. Само название указывает причину невосприимчивости на этом участке.
Еще в древнекитайской философии Дао-дэ говорилось: "сильные звуки не
слышны". Здесь, выше 130--140 фонов, бушуют акустические бури. Звуки
настолько сильны, что слуховой аппарат осязает их как боль и через некоторое
время попросту разрушается.
Да что хрупкое человеческое ухо? При этих звуковых уровнях даже у
металла возникает "акустическая усталость". Листы обшивки самолетов в районе
выхлопа мощного ракетного двигателя могут разрушиться, если не принять
специальных мер предосторожности.
Мореплавателям известны "ревущие сороковые" широты. Здесь, в акустике,
— это ревущие сто сороковые. Но как далеко простирается этот все более
неистовст
...Поділитися у соцмережах
