Звуковые колебания

Мы уже сообщили читателю много сведений о колебаниях. Как колеблется маятник, шарик на пружинке, каковы закономерности колебания струны – этим вопросам была посвящена пятая глава книги. Мы не говорили о том, что происходит в воздухе или другой среде, когда находящееся в ней тело совершает колебания. Не вызывает сомнения, что среда не может остаться равнодушной к колебаниям. Колеблющийся предмет толкает воздух, смещает частицы воздуха из тех положений, в которых они находились ранее. Понятно также, что дело не может ограничиться влиянием лишь на близлежащий слой воздуха. Тело сожмет ближайший слой, этот слой давит на следующий – и так слой за слоем, частица за частицей приводится в движение весь окружающий воздух. Мы говорим, что воздух пришел в колебательное состояние или что в воздухе происходят звуковые колебания.

Мы называем колебания среды звуковыми, но это не значит, что все звуковые колебания мы слышим. Физика пользуется понятием звуковых колебаний в более широком смысле. Какие звуковые колебания мы слышим – об этом будет рассказано ниже.

Речь идет о воздухе лишь потому, что звук чаще всего передается через воздух. Но, разумеется, нет никаких особых свойств у воздуха, чтобы за ним оказалось монопольное право совершать звуковые колебания. Звуковые колебания возникают в любой среде, способной сжиматься, а так как несжимающихся тел в природе нет, то, значит, частицы любого материала могут оказаться в этих условиях. Учение о таких колебаниях обычно называют акустикой.

При звуковых колебаниях каждая частица воздуха в среднем остается на месте – она совершает лишь колебания около положения равновесия. В самом простейшем случае частица воздуха может совершать гармоническое колебание, которое, как мы помним, происходит по закону синуса. Такое колебание характеризуется максимальным смещением от положения равновесия – амплитудой и периодом колебания, т.е. временем, затрачиваемым на совершение полного колебания.

Для описания свойств звуковых колебаний чаще пользуются понятием частоты колебания, нежели периодом. Частота ν = 1/T есть величина, обратная периоду.

Единица частоты – обратная секунда (с−1). Если частота колебания равна 100 с−1, то это значит, что за одну секунду частица воздуха совершит 100 полных колебаний. Вместо того, чтобы говорить: «100 обратных секунд», можно сказать «100 герц» (Гц) или «100 циклов». Так как в физике весьма часто приходится иметь дело с частотами, которые во много раз больше герца, то имеют широкое применение единицы килогерц (килоцикл) и мегагерц (мегацикл); 1 кГц = 103 Гц, 1 МГц = 106 Гц.

При прохождении равновесного положения скорость колеблющейся частицы максимальна. Напротив, в положениях крайних смещений скорость частицы, естественно, равняется нулю. Мы уже говорили, что если смещение частицы подчиняется закону гармонического колебания, то и изменение скорости колебания следует тому же закону. Если обозначить амплитуду смещения через s0, а скорости через v0, то s0 = 2π(s0/T) или v0 = 2πν·s0. Громкий разговор приводит частицы воздуха в колебание с амплитудой смещения всего лишь в несколько миллионных долей сантиметра. Амплитудное значение скорости будет величиной порядка 0,02 см/с.

Другая важная физическая величина, колеблющаяся вместе со смещением и скоростью частицы, – это избыточное давление, называемое также звуковым. Звуковое колебание воздуха состоит в периодическом чередовании сжатия и разрежения в каждой точке среды. Давление воздуха в любом месте то больше, то меньше давления, которое было при отсутствии звука. Этот избыток (или недостаток) давления и называется звуковым. Звуковое давление составляет совсем небольшую долю нормального давления воздуха. Для нашего примера – громкий разговор – амплитуда звукового давления будет равна примерно миллионной доле атмосферы. Звуковое давление прямо пропорционально скорости колебания частицы, причем отношение этих физических величин зависит только от свойств среды. Например, звуковому давлению в воздухе в 1 дин/см2, соответствует скорость колебания 0,025 см/с.

Струна, колеблющаяся по закону синуса, приводит и частицы воздуха в гармоническое колебание. Шумы и сложные музыкальные звуки приводят к значительно более сложной картине. На рис. 114 показана запись звуковых колебаний, а именно звукового давления в зависимости от времени. Эта кривая мало похожа на синусоиду. Оказывается, однако, что любое сколь угодно сложное колебание может быть представлено как результат наложения одной на другую большого числа синусоид с разными амплитудами и частотами. Эти простые колебания, как говорят, составляют спектр сложного колебания. Для простого примера такое сложение колебаний показано на рис. 115.

 

Скорость звука

Не надо бояться грома после того, как сверкнула молния. Вы, наверное, слыхали об этом. А почему? Дело в том, что свет распространяется несравненно быстрее, чем звук, – практически мгновенно. Гром и молния происходят в один и тот же момент, но молнию мы видим в момент ее возникновения, а звук грома доходит до нас со скоростью примерно один километр за три секунды (скорость звука в воздухе составляет 330 м/с). Значит, когда слышен гром, опасность удара молнии уже миновала.

Зная скорость распространения звука, обычно можно определить, как далеко проходит гроза. Если от момента вспышки молнии до раската грома прошло 12 секунд, значит, гроза от нас за 4 километра.

Скорость звука в газах примерно равна средней скорости движения молекул газа. Она также не зависит от плотности газа и пропорциональна корню квадратному из абсолютной температуры. Жидкости проводят звук быстрее, чем газы. В воде звук распространяется со скоростью 1450 м/с, т.е. в 4,5 раза быстрее, чем в воздухе. Еще больше скорость звука в твердых телах, например, в железе – около 6000 м/с.

Когда звук переходит из одной среды в другую, меняется скорость его распространения. Но одновременно происходит и другое интересное явление – частичное отражение звука от границы между двумя средами. Какая доля звука отразится – это зависит главным образом от соотношения плотностей. В случае падения звука из воздуха на твердые или жидкие поверхности или, наоборот, из плотных сред в воздух звук отражается почти полностью. Когда звук попадает в воду из воздуха или, наоборот, из воды в воздух, то во вторую среду проходит всего лишь 1/1000 доля звука. Если обе среды плотные, то отношение между проходящим и отраженным звуком может быть и невелико. Например, из воды в сталь или из стали в воду пройдет 13 %, а отразится 87 % звука.

Явление отражения звука широко применяется в навигации. На нем основано устройство прибора для измерения глубины – эхолота (рис. 116). У одного борта корабля под водой помещают источник звука. Отрывистый звук создает звуковые лучи, которые проберутся сквозь водяную толщу ко дну моря или реки, отразятся от дна, и часть звука вернется на корабль, где ее улавливают чувствительные приборы. Точные часы укажут, сколько времени понадобилось звуку на это путешествие. Скорость звука в воде известна, и простым вычислением можно получить точные сведения о глубине.

Направляя звук не вниз, а вперед или в стороны, можно при его помощи определить, нет ли около корабля опасных подводных скал или глубоко погруженных в воду айсбергов.

 

Звуковая волна

Если бы звук распространялся мгновенно, то все частицы воздуха колебались бы, как одна. Но звук распространяется не мгновенно, и объемы воздуха, лежащие на линии распространения, приходят в движение по очереди, как бы подхватываются волной, идущей от источника. Так же точно щепка лежит спокойно на воде до тех пор, пока круговые водяные волны от брошенного камешка не подхватят ее и не приведут в колебание.

Остановим наше внимание на одной колеблющейся частице и сравним ее поведение с движением других частиц, лежащих на той же линии распространения звука. Соседняя частица придет в колебание немного позже, следующая – еще позже. Запаздывание будет нарастать, пока, наконец, мы не встретимся с частицей, отставшей на целый период и поэтому колеблющейся в такт с исходной. Так отставший на целый круг неудачный бегун может пройти линию финиша одновременно с лидером. На каком же расстоянии встретим мы точку, колеблющуюся в такт с исходной? Нетрудно сообразить, что это расстояние λ равно произведению скорости распространения звука с на период колебания Т. Расстояние λ называется длиной волны,

λ = сТ.

Через промежутки λ мы будем встречать колеблющиеся в такт точки. Точки, находящиеся на расстоянии λ/2, будут совершать движение одна по отношению к другой, как предмет, колеблющийся перпендикулярно, к зеркалу, по отношению к своему изображению.

Если изобразить смещение (или скорость, или звуковое давление) всех точек, лежащих на линии распространения гармонического звука, то получится опять синусоида.

Не следует путать графики волнового движения и колебаний. Рис. 117 и 118 очень похожи, но на первом по горизонтальной оси отложено расстояние, а на втором – время. Один рисунок представляет собой временную развертку колебания, а другой – мгновенную «фотографию» волны. Из сопоставления этих рисунков видно, что длина волны может быть названа также ее пространственным периодом: роль Т во времени играет в пространстве величина λ.

На рисунке звуковой волны смещения частицы отложены по вертикали, а направлением распространения волны, вдоль которого отсчитывается расстояние, является горизонталь. Это может навести на неверную мысль, что частицы смещаются перпендикулярно к направлению распространения волны. В действительности частицы воздуха всегда колеблются вдоль направления распространения звука. Такая волна называется продольной.

 

Слышимый звук

Какие же звуковые колебания воспринимаются человеком на слух? Оказывается, ухо способно воспринимать лишь колебания, лежащие примерно в интервале от 20 до 20 000 Гц. Звуки с большой частотой мы называем высокими, с малой частотой – низкими.

Какие же длины волн соответствуют предельным слышимым частотам? Так как скорость звука примерно равна 300 м/с, то по формуле λ = сТ = с/ν находим, что длины слышимых звуковых волн лежат в пределах от 15 м для самых низких тонов до 3 см для самых высоких.

Каким же образом мы «слышим» эти колебания?

Работа нашего органа слуха до сих пор не выяснена до конца. Дело в том, что во внутреннем ухе (в улитке – канале длиной несколько сантиметров, заполненном жидкостью) имеется несколько тысяч чувствительных нервов, способных воспринимать звуковые колебания, передающиеся в улитку из воздуха через барабанную перепонку. В зависимости от частоты тока сильнее всего колеблется та или иная часть улитки. Хотя чувствительные нервы расположены вдоль улитки так часто, что возбуждается сразу большое их число, человек (и животные) способен – особенно в детстве – различать изменения частоты на ничтожные ее доли (тысячные доли). Каким образом это происходит, до сих пор точно не известно. Ясно только, что важнейшую роль здесь играет анализ в мозгу раздражений, приходящих от множества отдельных нервов. Придумать механическую модель, которая – при той же конструкции – столь же хорошо различала бы частоту звука, как и ухо человека, пока еще не удалось.

Иные люди обладают абсолютным слухом: вы возьмете на рояле сложный аккорд, а слушатель скажет, какие клавиши вы ударили. Значит, его ухо способно разлагать сложный звук на его гармонические составляющие.

 

Музыка

Отличие музыкального звука от шума уже иллюстрировалось кривыми звукового давления. Простой музыкальный тон создается периодическим колебанием определенной частоты. Сложные звуки представляют собой сочетания чистых тонов.

Оркестр музыкантов воспроизводит почти все слышимые частоты. Диапазон рояля охватывает тона с частотами примерно от 25 до 4000 Гц.

Не все комбинации звуков доставляют удовольствие слушающему. Оказывается, приятное ощущение создают такие звуки, частоты колебаний которых находятся в простых отношениях. Если звуковые частоты находятся в отношении 2 : 1, то говорят об октаве, если 5 : 4 – о большой терции, отношение 4 : 3 дает кварту, а 3 : 2 – квинту. Ощущение благозвучности теряется, если частоты звуковых колебаний нельзя представить такими простыми отношениями. Тогда музыканты говорят о диссонансе. Ухо хорошо ощущает сочетания различных тонов. Поэтому люди даже с посредственным слухом чувствительны к диссонансам.

При помощи бесклавишных инструментов – типа скрипки – музыкант может взять любой тон и дать звучание любому сочетанию тонов.

В таком инструменте, как рояль, дело обстоит иначе. Струны рояля настроены на определенные частоты, удар о клавиши не может изменить тональности звука. Клавиатура рояля включает семь полных октав. Нижнее «до» дает тон с частотой 32,64 Гц, а верхнее – с частотой 32,64 × 27 ≈ 4178 Гц. Проблема состоит в том, как разделить октавы, т.е. какие промежуточные тона следует ввести, чтобы удовлетворить двум условиям. Во-первых, частоты должны находиться в наивозможно простых отношениях. Во-вторых, надо разделить октаву на равные интервалы (отношения между частотами), так как только в этом случае можно играть одну и ту же мелодию, начиная с любой ноты октавы (та же мелодия в другом тоне). Строго говоря, эти два требования противоречивы. Приближенно они осуществляются при использовании так называемого темперированного строя.

Посмотрим, что получится, если разделить октаву на 12 равных интервалов. Каждый из этих интервалов будет равен 21/12 = 1,059. Это значит, что отношение двух соседних тонов будет равно этому числу. Выпишем теперь следующие цифры:

К полному своему удовлетворению музыкант замечает, что арифметика решает его задачу: октава разделена на строго равные интервалы, и в то же время отношения многих гонов весьма близки к отношениям простых чисел. Мы находим здесь и квинту (7), и кварту (5), и большую терцию (4), так как приблизительно 1,498 ≈ 3/2; 1,260 ≈ 5/4, а 1,335 ≈ 4/3. Превосходно обстоит дело и в других случаях, где разница не превосходит 1 %: 1,414 ≈ 7/5; 1,122 ≈ 9,8; 1,587 ≈ 8/5; 1,682 ≈ 5/3; 1,888 ≈ 17/9, и только первый интервал 1,059 ≈ 18/17 дает явный диссонанс.

Небольшие отклонения от чистого строя (т.е. такого, в котором отношения частот в точности равны отношению целых чисел) для слуха мало заметны, и темперированный строй рояля получил распространение.

 

Тембр звука

Вы видели, как настраивают гитару – струну натягивают на колки. Если длина струны и степень натяжения подобраны, то струна будет издавать, если ее тронуть, вполне определенный тон.

Если, однако, вы послушаете звук струны, трогая ее в различных местах – посередине, на одной четверти от места крепления, в любом другом месте, то услышите не вполне одинаковые звуки. Тон будет один и тот же, а окраска звука, или, как говорят музыканты, тембр звука, будет различным. В чем же здесь дело и что придает звуку одной и той же тональности разную окраску?

Дело заключается в том, что одна и та же струна может колебаться не одним, а очень многими способами. Несколько типов возможных колебаний струны показано на рис. 119. Колебание с наименьшей частотой (ее также называют основной частотой) показано на левой схеме. Крайние точки закреплены, средняя точка совершает колебания с наибольшей амплитудой. Для того чтобы читатель ясно представил себе колебание всей струны, как целого, на рисунке изображено несколько последовательных ее положений. Есть и такое положение, когда вся струна вытянута в прямую – все точки струны одновременно проходят положение равновесия. На средней схеме показано колебание, которое происходит примерно с удвоенной частотой. Теперь, кроме крайних закрепленных точек, в покое находится и средняя точка струны. Такую покоящуюся точку называют узлом колебания. Максимальной амплитудой колебания обладают точки, находящиеся на расстояниях 1/4 от концов струны. Про эти точки говорят, что здесь лежат пучности колебания. Для ясности изображено несколько положений струны. И в этом случае, как и во всех других, все точки струны одновременно проходят через нуль.

Можно уже не комментировать правый рисунок, где показано колебание с примерно утроенной частотой – два узла и три пучности характерны для этого колебания.

В зависимости от возбуждения струна может колебаться и с большими частотами. Все эти частоты, как говорят, относятся к собственным колебаниям струны.

Собственные колебания струны, кроме основного, дают звуки, которые называются обертонами. Звук струны складывается из звуков основного тона и обертонов. Трогая струну в различных точках, мы создаем различные спектры колебания. Так, щипок в середине приведет к тому, что основной тон будет очень силен. Щипок на расстоянии 1/4 приведет к существенному звучанию обертона с удвоенной частотой. В произвольном случае спектр колебания будет содержать много обертонов разной силы. Эти обертоны и создают окраску (тембр) звука. Теперь нам становится понятным и разное звучание одного и того же тона, пропетого разными голосами или взятого на рояле или на скрипке. Все это – звуки одного тона, но разного состава обертонов. Это и придает звукам специфическую окраску. Сравните, например, две кривые на рис. 120,а и б. Это запись звука одного и того же тона, извлеченного из кларнета и рояля. Мы видим, что оба звука не представляют собой простых синусоидальных колебаний. Основная частота колебаний в обоих случаях одинакова – это и создает одинаковость тона. Но рисунки кривых разные. Они-то и показывают, что такое тембр.

Способность уха отличить ноту «до» рояля от той же ноты кларнета также основывается на разложении звука на гармонические составляющие, т.е. на основной тон и обертоны.

Кларнет принадлежит к большому классу духовых инструментов. Какие же колебания создают в этих случаях звуки определенной тональности и различных тембров? Это колебания воздушных столбов.

Музыкант, играющий на духовом инструменте, действует своим дыханием не как певец, а как гитарист рукой. Музыкант лишь приводит в колебание воздушный столб трубы. Что же касается тональности и тембра, то они устанавливаются музыкантом варьированием длины воздушного столба. В зависимости от длины воздушного столба воздух, находящийся в трубе, как и струна, приходит в колебания с определенными частотами.

 

Движущийся оркестр

Вы отдыхаете под деревом на обочине шоссе, а мимо проезжает грузовик с играющим оркестром. Или обратный случай – вы проезжаете те деревни, где в разгаре сельский праздник. Несколько музыкальных фраз проносятся мимо уха слушателя в обоих этих случаях. Не меняется ли звук, когда мы его слышим «на ходу»?

Займемся сначала музыкальными впечатлениями шофера, приближающегося к оркестру. Если автомашина движется навстречу звуковой волне, то число сгущений воздуха, доходящих за единицу времени до уха шофера, будет, конечно, больше, чем если бы машина стояла на месте.

Дело обстоит совершенно так же, как если бы навстречу водителю двигалась не звуковая волна, а цепочка бегущих спортсменов. Чтобы аналогия была полной, надо предположить, что бегуны сохраняют между собой одинаковую дистанцию (это длина волны) и бегут с неизменной скоростью.

Конечно, число бегунов, пробегающих в секунду мимо движущейся навстречу автомашины, будет больше, если автомашина движется. Относительная скорость машины и бегунов равна c + u. Во сколько раз возросла относительная скорость, во столько же раз возрастет и число спортсменов, пробегающих в единицу времени мимо автомашины.

Таким образом, отношение частоты νдв, измеряемой движущимся наблюдателем, к частоте ν, измеряемой покоящимся наблюдателем, равно отношению скоростей:

или в другой форме

Как показывает полученная формула, при сближении автомашины и оркестра частота звука повышается. Если машина идет со скоростью 70 км/ч, то частота звука повысится на 6 %.

Если машина удаляется от оркестра, то знак скорости u надо изменить на обратный. Частота звука будет при таком относительном движении понижаться. Таким образом, когда машина проносится мимо оркестра, то частота звука изменится на 2 × 6 = 12 %. Частота 100 Гц будет восприниматься как частота в 106 или 94 Гц, а ведь это – изменение частоты примерно на полтона. Даже не очень тренированный слушатель музыки ощутит это изменение.

Если u = −с, т.е. слушатель убегает от источника звука со скоростью звука, то νдв = 0, попросту говоря, звук не будет слышаться. Если скорость убегания превысит скорость звука, то слышимость появится и частота звука будет нарастать по мере возрастания скорости убегания. В формуле появится знак минус. Он не имеет непосредственного значения, так как частота – величина положительная. Однако само явление приобретает при появлении знака минус в некотором роде обратный характер. При убегании со скоростью, большей скорости звука, слушатель все время догоняет звук, сначала тот, который отправился в путешествие, скажем, секунду тому назад, потом тот, который ушел две секунды тому назад, далее уха путешественника достигнет звук, отправившийся в пространство три, четыре и т.д. секунд тому назад. Таким образом, все звуки будут прослушиваться в обратном порядке.

Вернемся к общей формуле для изменения частоты. Можно ли воспользоваться той же самой формулой для случая движущегося оркестра? Несомненно можно, но только надо правильно ею воспользоваться.

В формуле, которую мы вывели для случая движущегося наблюдателя, фигурируют две частоты – частота звука в среде, которая, естественно, совпадет с частотой звука, воспринимаемого покоящимся слушателем или излучаемого неподвижным инструментом, и частота звука νдв, равная числу колебаний в секунду, передаваемых движущимся телом воздуху или приходящих к движущемуся телу от воздуха.

Таким образом, если в первом примере излучаемая и воспринимаемая частоты являются соответственно частотой среды ν и частотой в движении νдв, то во втором примере, наоборот, воспринимаемая частота есть ν, а излучаемая νдв.

Для движущегося наблюдателя νнабл = νист(1 + u/c).

Для движущегося источника звука νнабл = (νист/(1 + u/c)).

Надо при этом иметь в виду, что положительная скорость в первом случае соответствует сближению, а во втором – отдалению источника от наблюдателя.

Нетрудно видеть, что обе формулы дают похожий ход изменения смещения частоты со скоростью. Если, например, u/c = 0,2, то при движении наблюдателя навстречу источнику частота повышается на 20 %, а при движении источника навстречу наблюдателю частота повысится на 25 %.

Мы молчаливо предполагали до сих пор, что оркестр и слушатель движутся вдоль линии, совпадающей с направлением распространения звука. Что изменится, если слушатель движется не навстречу, а проезжает мимо играющего оркестра? Ясно, что значение имеет лишь составляющая скорости автомашины вдоль линии распространения звука. Движение наблюдателя вдоль фронта звуковой волны, т.е. перпендикулярно к направлению распространения звука, роли не играет.

Те же соображения относятся и к движению оркестра. Применяя формулы, в этом случае следует иметь в виду, что скорость движения, входящая в формулу, должна быть взята не в момент восприятия, а в момент излучения звуковой волны.

Если в движении по отношению к воздуху находятся как наблюдатель, так и источник звука, то формулы объединяются. Частота воспринимаемого звука оказывается равной

где u – скорость наблюдателя, а v – скорость источника звука.

Изменение частоты звука при движении наблюдателя или источника звука называется эффектом Доплера.

 

Энергия звука

Все частицы воздуха, окружающего звучащее тело, находятся в состоянии колебания. Как мы выяснили в главе V, колеблющаяся по закону синуса материальная точка обладает определенной и неизменной полной энергией.

Когда колеблющаяся точка проходит положение равновесия, скорость ее максимальна. Так как смещение точки в это мгновение равняется нулю, то вся энергия сводится к кинетической:

Следовательно, как это мы выяснили еще , полная энергия пропорциональна квадрату амплитудного значения скорости колебания.

Это верно и для частиц воздуха, колеблющихся в звуковой волне. Однако частица воздуха – это нечто неопределенное. Поэтому энергию звука относят к единице объема. Эту величину можно назвать плотностью звуковой энергии.

Так как масса единицы объема есть плотность ρ, то плотность звуковой энергии

Мы говорили выше еще об одной важной физической величине, совершающей колебания по закону синуса с той же частотой, что и скорость. Это – звуковое или избыточное давление. Так как эти величины пропорциональны, то можно сказать, что плотность энергии пропорциональна квадрату амплитудного значения звукового давления.

Мы приводили выше значения амплитуд звукового колебания для громкого разговора. Амплитуда скорости равнялась 0,02 см/с. 1 см3 воздуха весит около 0,001 г. Таким образом, плотность энергии равняется

Пусть колеблется источник звука. Он излучает звуковую энергию в окружающий воздух. Энергия как бы «течет» от звучащего тела. Через каждую площадку, расположенную перпендикулярно к линии распространения звука, за секунду протекает определенное количество энергии. Эта величина называется потоком энергии, прошедшим через площадку. Если, кроме того, взята площадка в 1 см2, то протекшее количество энергии называют интенсивностью звуковой волны.

Нетрудно видеть, что интенсивность звука I равна произведению плотности энергии w на скорость звука с. Представим цилиндрик высотой 1 см и площадью основания 1 см2, образующие которого параллельны направлению распространения звука. Содержащаяся внутри такого цилиндра энергия w будет полностью покидать его через время 1/с. Таким образом, через единицу площади за единицу времени пройдет энергия w/(1/c), т.е. wc. Энергия как бы сама движется со скоростью звука.

При громком разговоре интенсивность звука вблизи собеседников будет примерно равна (мы воспользуемся числом, полученным выше) 2·10−7·3·104 = 0,006 эрг/(см2·с).

 

Ослабление звука с расстоянием

От звучащего инструмента звуковая волна распространяется, конечно, во все стороны.

Проведем мысленно около источника звука две сферы разных радиусов. Разумеется, энергия звука, проходящая через первую сферу, пройдет и через вторую шаровую поверхность. Если обозначить интенсивность звука через I, то энергию волны, проходящей через сферу, можно записать так: I·4πr2, так как 4πr2 – это площадь поверхности сферы радиуса r. Если энергия не потерялась по пути от первой сферы ко второй, то I1·4πr12 = I2·4πr22. Значит, интенсивности I2 и I2 волны на расстояниях r1 и r2 от источника звука относятся друг к другу обратно пропорционально квадратам расстояний. Так как интенсивность звука пропорциональна плотности энергии, то интенсивность, как и плотность энергии, пропорциональна квадрату амплитуды колебания. Отсюда следует, что амплитуды волны на расстояниях r1 и r2 от источника звука относятся друг к другу обратно пропорционально расстоянию. Интенсивность звука убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника, а амплитуда обратно пропорциональна расстоянию в первой степени. На самом же деле звук убывает несколько быстрее, так как часть энергии поглощается по пути. Это происходит из-за того, что при колебании частиц среды некоторая часть энергии будет затрачена на преодоление вязкого трения. Однако эти потери относительно невелики, и главная причина того, что на далеком расстоянии мы слышим хуже, чем на близком, – это закон обратных квадратов.

 

Громко и тихо

Органы чувств человека во многих отношениях совершеннее самых лучших приборов. Это справедливо и для слуха. Мы способны воспринимать в виде звука волны с интенсивностью от 10−9 эрг/(см2·с) до 104 этих единиц интенсивности. Таким образом, сильнейший звук отличается от слабейшего в десять триллионов раз.

Что же представляет собой тишайший звук, который человек способен воспринять? Чуть слышный шорох создает на барабанной перепонке давление, равное 2·10−4 дин/см2, т.е. примерно двум десятимиллионным долям грамма. Лучшие микровесы не обладают такой чувствительностью, как ухо человека.

Если звук несет энергию больше 104 эрг/(см2·с), то человек уже не слышит звука, но испытывает болевое ощущение. Давление на барабанную перепонку достигает при этом 0,2 Г/см2. Ухо болезненно воспринимает именно волну давлений, т.е. быстро чередующиеся толчки сжатий и разрежений. Если же на указанную величину 0,2 Г возрастает постоянное давление воздуха, то ухо этого, разумеется, «не заметит». Нормальное атмосферное давление, равное примерно 1 кГ/см2, увеличится больше чем на 0,2 Г уже тогда, когда вы спуститесь со второго этажа на улицу.

Энергия волны, несущей сильный звук, в огромное число раз больше энергии волны, приносящей нам шепот и шорохи. Поэтому оценивать громкость звука величиной энергии практически очень неудобно. Представьте себе, что сотруднику, изыскивающему средства для борьбы с уличным шумом, надо сделать доклад на сессии Городского Совета и рассказать, насколько уменьшится шум, если заменить трамвайное движение троллейбусным или автобусным, если запретить подачу автоводителями сигналов на улице и т.д. Чтобы картина была наглядной, надо прибегнуть к плакатам. Как это принято при построении различного рода диаграмм, можно нарисовать на плакате столбики, высоты которых будут изображать степень шума. Но если определять громкость звука величиной энергии, то возникает непреодолимая трудность: тишина и шум отличаются друг от друга столь значительно, что изобразить их на одной диаграмме в одном масштабе гораздо труднее, чем нарисовать на одном плакате слона и муху в натуральную величину.

В подобных случаях в физике прибегают к так называемому логарифмическому масштабу.

Если какая-либо величина возрастает в 10, 100, 1000 и т.д. раз, то ее логарифм увеличивается на 1, на 2, на 3 и т.д. Значит, пользуясь не энергией звуковой волны, а логарифмами этой величины, всегда можно «уместить» на одном плакате шум авиационного мотора и жужжание комара.

Шкалу громкости создают следующим путем. Условно выбирают некоторый нулевой уровень громкости, равный 10−9 эрг/(см2·с). Звуков такой силы не слышит человек даже с самым изощренным слухом. Далее определяют, во сколько раз энергия интересующего нас звука E больше величины этого начального уровня E0, т.е. находят отношение E/E0.

Десятичный логарифм этого отношения и принят за меру громкости звука. Единица громкости носит название бел; впрочем обычно пользуются десятой долей, называвмой децибелом (дБ). Громкость в децибелах = 10 lg(E/E0).

О том, что такое децибел, можно судить по следующей таблице, указывающей величины громкости различных звуков на расстоянии в несколько метров от источника звука:

Таблица логарифмов позволит нам ясно представить децибел. Так, увеличение силы звука на 1 дБ соответствует возрастанию интенсивности звука в 100,1 = 1,26 раза, т.е. на 26 %. Увеличение интенсивности звука в два раза соответствует изменению громкости на 3 дБ, в пять раз – на 7 дБ, в десять раз – на 10 дБ.

Если расстояние от источника звука увеличится в два раза, то интенсивность звука упадет в четыре раза и сила звука упадет на 6 дБ. Предположим, мы находились на расстоянии метра от звучащей струны и отошли на расстояние в 10 м. Интенсивность волны, добирающейся до уха, упадет в 100 раз, а сила звука уменьшится на 20 дБ.

Ранее мы говорили об ограниченности диапазона слышимых частот. Дополнив эти сведения нашими знаниями о чувствительности уха к тихому и громкому звуку, можно изобразить ее диаграммой слышимости, типичной для нормального человека (рис. 121). По горизонтальной оси этого графика отложена частота звука, по вертикальной оси – энергия звука. На рисунке показаны порог слышимости и порог болевого ощущения. Область слуха лежит внутри области слышимости.

 

Неслышимые звуки

Частота звука в 20 000 Гц является пределом, выше которого человеческое ухо не воспринимает механические колебания среды. Различными способами можно создать колебания более высокой частоты, человек их не услышит, но приборы смогут записать. Впрочем, не только приборы фиксируют такие колебания. Многие животные – летучие мыши, пчелы, киты и дельфины (как видно, дело не в размерах живого существа) – способны воспринимать механические колебания с частотой вплоть до 100 000 Гц.

Сейчас удается получать колебания с частотой вплоть до миллиарда герц. Такие колебания, хотя они и неслышимы, называют ультразвуковыми, чтобы подтвердить их родственность звуку.

Ультразвуки наибольших частот получают при помощи кварцевых пластинок. Такие пластины вырезаются из монокристаллов кварца. Они обладают следующим интересным свойством: если к такой пластине приложить электрическое напряжение, она сожмется или растянется. Если же к пластине приложить переменное электрическое напряжение, то она будет попеременно сжиматься и расширяться, т.е. начнет колебаться.

Таким способом удается создавать мощные потоки ультразвука с интенсивностью несколько тысяч джоулей на 1 см2 в секунду. С этой цифрой интересно сравнить интенсивность слышимого звука. В непосредственной близости от стреляющего орудия она достигает всего лишь 0,005 Дж на 1 см2 в секунду.

Энергия ультразвука столь велика, что ее можно осязать. Если вы опустите руку в жидкость, совершающую ультразвуковые колебания, то почувствуете резкую боль.

Ультразвук способен совершать с веществом интересные превращения, поэтому он находит широкое применение в самых различных областях. Одно из таких превращений – дробление вещества. Если кусочек свинца или меди поместить в жидкость и подвергнуть его действию ультразвука, то металл крошится и образует тончайшую взвесь (или, как говорят, суспензию). Размельчение происходит в тех случаях, когда размеры частицы больше длины волны.

Если частицы вещества малы, то влияние ультразвука будет обратным. Действуя ультразвуком в помещении, заполненном дымом, можно быстро полностью очистить воздух. Оказывается, под действием ультразвука частицы дыма слипаются (это явление называется коагуляцией), становятся в десятки и сотни раз тяжелее и оседают на пол.

Особенно интересно воздействие ультразвука на биологические объекты. Многие клетки, особенно нитеобразной формы, разрушаются под действием ультразвука. Бактерии погибают или претерпевают существенные изменения. Ультразвуком можно стерилизовать молоко.

Интересная область применения ультразвука – поиски трещин и других дефектов в металлических отливках огромной толщины (вплоть до десятка метров). Если на пути ультразвукового луча встретится трещина или раковина, то лучи не пройдут через нее, а отразятся в обратном направлении. Это отражение улавливают прибором и по времени, затраченному ультразвуком на путешествие до дефекта и обратно, определяют глубину залегания дефекта.

Интересно используют ультразвук летучие мыши. Для того чтобы летучая мышь могла существовать в полной темноте, природа снабдила ее эхолокатором исключительного совершенства. Он работает на ультразвуковых частотах. При полете летучая мышь испускает неслышные человеческим ухом сигналы с частотой 25 000–50 000 циклов в секунду. Каждый сигнал длится примерно 10–15 тысячных долей секунды. Ультразвуковой сигнал, посланный мышью в определенном по отношению к ее телу направлении, попадает на препятствие, отражается от него и возвращается. Слуховые органы летучей мыши тоже необыкновенно развиты – летучая мышь способна услышать отраженный сигнал, даже если он будет в две тысячи раз слабее первичного сигнала. Более того, летучая мышь способна различить свой отраженный сигнал среди постороннего шума, хотя бы этот шум в тысячи раз превосходил по силе эхо посланного ею сигнала. По времени, которое проходит с момента подачи сигнала до его возвращения, мышь определяет (разумеется, инстинктивно), как далеко находится препятствие.

 

Как звук огибает препятствия

Вы находитесь в глубине комнаты во втором этаже и разговариваете. Открыто окно. За окном ваш товарищ. Услышит ли он вас? Да, если вы будете говорить достаточно громко, но все-таки он будет слышать гораздо хуже, чем в том случае, если он влезет на лестницу и станет против окна. Звуковые волны, выходя из окна, как бы растекаются во все стороны, но как-то неохотно. Это показывает, что звуковые волны лучше всего распространяются вперед по прямым линиям, но в какой-то степени отклоняются и в стороны. Относится ли это к любым звуковым волнам? Оказывается, нет.

Существенную роль играет соотношение между длиной волны и размерами отверстия. Если длина волны велика по сравнению с этими размерами, то, выходя из отверстия, волны «растекаются» во все стороны, как будто само отверстие является источником звука. Наоборот, если длина волны гораздо меньше размеров отверстия, звук распространяется по лучам, и там, где прямая линия, проведенная от источника звука к наблюдателю, попадает в препятствие (в нашем примере – в стену), возникает «тень»: звука почти не слышно.

В нашем примере средней частоте человеческого голоса в 1000 Гц соответствует длина волны 30 см. Поэтому такие волны в метровом оконном проеме распространяются охотнее всего вперед, но заметно отклоняются и в стороны.

Изобразить огибание препятствий звуковыми волнами на рисунке очень трудно.

Гораздо проще показать, как в похожей ситуации ведут себя поверхностные волны на воде. Об этих волнах мы поговорим чуть позже. Свойства таких волн несколько своеобразны. Однако, что касается правил огибания волнами препятствий, то они одинаковы и для водяных, и для звуковых воздушных волн.

Рис. 122 и 123 изображают прохождение водяных волн разной длины через какое-либо отверстие. На рис. 122 длина волны существенно больше размера отверстия. В этом случае волна почти полностью заполняет область за экраном. На рис. 123 изображена волна очень малой длины. Теперь распространение волны происходит по лучам. В область геометрической тени волна почти не заходит.

Таким образом, оказывается, что когда длина звуковых волн значительно меньше размеров тех предметов, с которыми они сталкиваются, звук ведет себя совершенно так, как будто это не колебания воздуха, а движущийся в воздухе поток частиц. Отличие от обычных частиц заключается главным образом в том, что обычные частицы могут двигаться с произвольными скоростями, а звук всегда распространяется с одной и той же скоростью.

Волновая природа звука сказывается в том, что он все-таки всегда в какой-то степени отклоняется от прямолинейного распространения. Как мы уже говорили, это отклонение тем меньше, чем меньше длина волны, но оно всегда существует и в принципе может быть измерено. Это отклонение называется дифракцией звука. Существование дифракции могло бы служить доказательством того, что звук есть волновое движение, если бы мы не знали этого непосредственно (по способу получения звука). Изучая дифракцию, можно было бы измерить длину звуковых волн, если бы мы опять-таки не знали ее по частоте колебаний источника звука.

 

Отражение звука

В этом параграфе мы будем предполагать, что длина звуковой волны достаточно мала и, следовательно, звук распространяется по лучам. Что происходит, когда такой звуковой луч падает из воздуха на твердую поверхность? Ясно, что при этом происходит отражение звука. Но куда он отражается?

Аналогия распространения звука с движением материальных частиц показывает, что такое отражение должно происходить так же, как отражение мячика от стенки, с той только разницей, что в результате процессов трения при ударе скорость мячика уменьшится, в то время как скорость распространения звука, связанная лишь со свойствами воздушной среды, конечно, не изменится. Трение здесь скажется не в изменении скорости звука, а в том, что при отражении часть энергии звуковых волн перейдет в тепло.

Поскольку отражение звука не отличается в принципе от упругого удара, закон отражения звука можно сформулировать следующим образом: угол падения звукового луча, т.е. угол, составленный лучом и нормалью (т.е. перпендикуляром) к участку поверхности, на который он попадает, равен углу отражения, причем отраженный луч находится в плоскости, проходящей через падающий луч и нормаль к поверхности. Эта плоскость называется плоскостью падения луча.

Итак, если мы хотим узнать, куда пойдет отраженный луч, надо поступить следующим образом. В месте падения луча проведите нормаль, измерьте угол падения, постройте плоскость падения. Затем в этой плоскости отложите по другую сторону от нормали угол, равный углу падения; полученная прямая и представит собой отраженный луч (рис. 124).

Решим теперь интересную задачу. Как мы знаем, звук распространяется во все стороны от источника, и в отдаленную точку приходит лишь малая доля звуковой энергии.

Какой должна быть отражающая поверхность, для того чтобы собрать звук источника снова в одной точке? Форма отражающей поверхности должна быть такой, чтобы лучи, падающие на нее из одной точки (источника звука) под разными углами, отражались бы снова в одну точку. Что же это за поверхность? Мы уже знаем, что такое эллипс. шла речь об этой замечательной кривой, обладающей той особенностью, что расстояние от одного фокуса эллипса до какой-нибудь точки кривой плюс расстояние от другого фокуса до этой же точки одно и то же для всех точек эллипса. Представьте себе, что эллипс вращается вокруг главного диаметра. Вращающаяся кривая опишет поверхность, которая называется эллипсоидальной, или просто эллипсоидом. Форма эллипсоида напоминает яйцо.

Эллипс обладает следующей геометрической особенностью (рис. 125). Если провести угол, который опирается на одну из его точек и стороны которого проходят через фокусы эллипса, то биссектриса этого угла будет нормалью к эллипсу (т.е. перпендикуляром к касательной к эллипсу в этой точке). Значит, если звуковой луч выйдет из одного фокуса эллипсоида, то, отразившись от его поверхности, он придет в другой. Так будут вести себя все лучи, и весь звуковой поток, который вышел из одного фокуса, соберется в другом.

Это свойство кривых поверхностей такого типа знали еще в древности. В средние века, во времена инквизиции, когда контроль над мыслями каждого человека стал одной из важнейших сторон государственной деятельности, для подслушивания разговоров использовали сводчатые поверхности. Двое людей, тихим голосом поведывающие друг другу свои мысли, и не подозревали, что благодаря сводчатому потолку в другом углу кабачка дремлющий монах почти так же хорошо слышит каждое слово их беседы, как и они сами.

Эллипсоидальную поверхность построить трудно. Но небольшие участки сферической поверхности мало отличаются по форме от участков эллипсоида.

Если перед таким сферическим «зеркалом» поставить звучащий предмет, то звуковые лучи, исходящие из него, в другом поле отражения снова соберутся, – правда, не в одной точке, как в настоящем эллипсоиде, а в небольшой области пространства.

Можно проделать такой опыт даже с обыкновенной глубокой тарелкой. Если близко к такой тарелке поместить часы, тиканье которых практически неслышно ухом уже на расстоянии порядка метра, то можно довольно далеко от тарелки найти точку, в которой тиканье часов слышно с такой же громкостью, как если бы вы поднесли их к уху. Это же явление используется при сооружении суфлерской будки в театре. Расположение суфлера и форма будки лучше всего подходят для отражения звука в сторону сцены.

Отражение звука от стен помещения очень интересует строителей театров, концертных зданий, залов для собраний. Эта область строительной техники, занимающаяся проблемой наилучшей слышимости в закрытых помещениях, называется архитектурной акустикой.

 

Волны, идущие по поверхности

Подводники не знают морских бурь. В самые сильные штормы на глубине в несколько метров под уровнем моря царит штиль. Морские волны – один из примеров волнового движения, захватывающего лишь поверхность тела.

Иногда может показаться, что морские волны – это потоки движущейся массы воды. Но это не так, и убедиться в колебательном движении частичек воды совсем не трудно, если последить за тем, как качается на волнах лодка с отдыхающими гребцами. Вверх, вниз, немного вперед, немного назад, но почти никакого продвижения. Более точные наблюдения покажут, что частички воды совершают движение по окружности. Каждая частичка воды описывает траекторию, близкую к круговой. Плоскость кругов лежит в направлении распространения волн, т.е. поперек волнового фронта.

Картина морского волнения бывает очень разной – мелкая рябь, крупные волны, волны, идущие часто или редко одна за другой. Говоря языком физика, волны могут быть разной амплитуды и разной длины.

Как уже сказано выше, волнение быстро затухает с увеличением глубины. Частички воды, лежащие под водяной поверхностью, совершают колебания со все меньшей амплитудой по мере погружения. Уже на глубине половины длины волны амплитуда колебания падает в 20 раз, а на глубине длины волны почти никакого движения не остается.

До сих пор мы говорили о волнах, скорость распространения которых зависела только от свойств среды. Иное дело – поверхностные волны: колебания разной частоты распространяются с разными скоростями. Скорость распространения и период колебания связаны простой зависимостью: с = gt/(2π), где g – ускорение силы тяжести.

Вполне естественно появление в этой формуле ускорения силы тяжести g, – ведь именно сила тяжести делает поверхность воды плоской. Согласно этой формуле при частоте колебания в 1 Гц волны бегут со скоростью около 1,5 м/с. Эта формула верна для волн в открытом море; вблизи берега и вообще на малых глубинах эта простая зависимость осложняется.

Так как λ = cT, то c = sqrt(gλ/(2π)). Значит, при возникновении сильного волнения в каком-либо районе моря до отдаленных мест добираются сначала самые длинные волны, у которых наибольшая скорость распространения.

 

Как передают звук твердые тела

Существует немаловажное различие между передачей звука через жидкие тела и газы, с одной стороны, и через твердые предметы – с другой. Различие это состоит в том, что в твердых телах наряду с продольными волнами могут возникнуть и поперечные.

Термин этот говорит сам за себя – поперечная волна обладает той особенностью, что частицы, участвующие в волновом процессе, совершают колебания не в направлении распространения волны, а в поперечном направлении – перпендикулярно к направлению распространения.

Звуковая волна в газах и жидкостях – это волна чередующихся сжатий и разрежений. Такая волна может быть только продольной – поперечные колебания частиц не могут вызвать местных изменений объема, т.е. не могут привести к сжатиям и разрежениям. Поперечная волна в жидкости и газе невозможна, так как эти среды сопротивляются сжатию и растяжению, но не сдвигу. Твердое тело сопротивляется не только изменению своего объема, но и изменению формы, поэтому наряду с продольными волнами в твердом теле могут возникнуть и поперечные.

При распространении поперечной волны в твердой среде образуется волна сдвига – частицы тела сдвигаются волной попеременно в разные стороны от линии ее распространения. Продольные же волны в твердой среде сопровождаются сжатиями и разрежениями, как и волны в жидкостях и газах.

Поперечная и продольная волны передают звук одинаково хорошо, но не одинаково быстро. Продольные волны распространяются всегда быстрее поперечных.

Вот характерные цифры. В стали скорость поперечных волн – около 3000 м/с, а продольных – 6000 м/с. Меньшую скорость распространения имеет звук в мягком свинце – 700 м/с для поперечных волн и 2200 м/с для продольных.

Особенно велико отношение между скоростью продольных и поперечных волн в резине. Резина очень слабо сопротивляется изменению формы, но совсем нелегко изменяет свой объем. Поперечные волны распространяются в резине со скоростью всего 30 м/с – в 10 раз меньшей, чем скорость звука в воздухе.

Кроме этих двух типов волн по твердому телу распространяются также поверхностные волны. Однако они совершенно не похожи на морские волны, для которых силой, возвращающей отклоненные частички, является сила тяжести. Волны на поверхности твердого тела поддерживаются упругими силами, связывающими частицы твердого тела. Естественно поэтому, что скорость поверхностных волн зависит от упругих свойств. Примерно скорость поверхностных волн составляет 0,9 скорости распространения поперечных волн. Так же как и в жидкости, траектории колеблющихся частичек лежат в плоскости, поперечной к волновому фронту. Точки движутся по замкнутым кривым, похожим на эллипсы. По мере отдаления от поверхности вид эллипса меняется, амплитуда колебания становится меньше, волна затухает.

 

Вестники землетрясения

Земля хорошо передает звук. Почти в каждом романе из времен средневековья вы найдете сцену погони за скачущим на коне героем. «Всадник вдруг остановил коня, спешился и приложил ухо к земле: “За нами погоня, нужно спешить!”». Действительно, удары копыт лошади о землю передаются на расстояние более километра. Земля, как и всякое упругое тело, служит проводником звуковых волн.

Звуковые волны, распространяющиеся через землю, приносят нам сведения о землетрясениях и знакомят с процессами, происходящими в земной толще. Звуковые волны, возникающие при землетрясении, называются сейсмическими. Наличие сейсмической волны, ее амплитуда, скорость, длина, частота колебания – все это может быть определено специальными очень чуткими приборами – сейсмографами.

Сейсмографы – сложные приборы. Но принцип их действия понять легко. Основная часть сейсмографа – это тяжелый груз, подвешенный на пружине. При вертикальном смещении почвы точка подвеса пружины с грузом сместится так, как показано на рис. 126. Вследствие большой инерции груз вначале остается на месте. К грузу прикреплено перо, а с подставкой жестко скреплена бумага. Когда подставка сместится, перо прочертит на бумаге вертикальную линию. Чтобы записать сейсмическую волну, надо протягивать бумагу.

Кроме таких сейсмографов, записывающих вертикальные смещения почвы, употребляются и горизонтальные сейсмографы. Принцип действия горизонтального сейсмографа показан на рис. 127. Главной частью прибора является почти вертикальный стержень. Эксцентричный груз превращает этот стержень в маятник, способный поворачиваться около оси стержня. Если почва спокойна, то груз маятника покоится в самом низком положении. Толчок в горизонтальном направлении вызывает смещение оси маятника, между тем как тяжелый груз по инерции вначале остается на месте. Поворот маятника регистрируется самопишущим устройством.

Если установить один вертикальный и два горизонтальных сейсмографа, колеблющихся во взаимно перпендикулярных плоскостях, то можно записать величину и направление любого смещения.

Со словом «землетрясение» связывают обычно представление о разрушающихся домах, деревьях, проваливающихся в образовавшиеся расселины, гибнущих людях. Такие большие землетрясения бывают редко, а термин «землетрясение» исследователи-сейсмологи применяют ко всем подземным происшествиям, способным привести в движение перо сейсмографа, записывающего колебания земной коры. Такие землетрясения, кроме сейсмографов, никто и не замечает. За год их происходит на земном шаре около ста тысяч. Оказывается, «подземное царство» живет весьма деятельно!

От очага землетрясения сейсмическая волна распространяется во все стороны и будет принята многими сейсмографами, установленными в разных городах и странах. О каждом подземном толчке сведения будут доставлены трижды, так как все три типа волн, о которых только что шла речь, отправятся в путешествие от места землетрясения. Первой к наблюдателю придет продольная волна, за ней – поперечная и последней прибудет поверхностная волна.

В то же время поверхностные волны наиболее существенны для сейсмолога, так как (по легко понятной причине) они наиболее интенсивны.

мы говорили, что интенсивность звуковой волны убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника звука. Но это не относится к поверхностным волнам. Построим около источника звука не два шара, а две окружности. Энергия волны, проходящей через окружность, пропорциональна I·2πr, где I – интенсивность. Следовательно, при отсутствии потерь энергии интенсивность поверхностной волны падает как 1/r, а не как 1/r2. Поэтому к наблюдателю эти волны приходят существенно менее ослабленными, чем продольные и поперечные пространственные волны.

Исследования сейсмических волн не только устанавливают очаг землетрясений, но позволяют вести большую интересную работу по изучению строения Земли. Сигналы, приходящие из глубин Земли, позволяют судить и о ее строении. Дело в том, что скорость сейсмических волн на разных глубинах различна. Вблизи земной поверхности продольные волны имеют скорость порядка 5,5 км/с, поперечные – 3,3 км/с. В то же время в центре Земли скорость распространения сейсмических волн достигает 11–12 км/с.

Зная, какие особенности строения могут повлиять на скорость распространения волн, исследователи делают вывод о строении ядра Земли. Установлено, например, что поперечные волны не проникают в глубь земного ядра. Отсюда делают заключение, что ядро Земли жидкое, так как через жидкие тела поперечные волны не проходят.

 

Ударная волна

Со словом «волна» в житейской практике связано представление о периодическом процессе, наглядным примером которого является волнение на море. Покачаться на «волнах» – излюбленное развлечение купальщиков.

В физике пользуются словом «волна» в более широком смысле и говорят о распространении волны и в том случае, когда местное повышение или понижение давления вызвано однократным ударом, взрывом или засосом воздуха.

Очень своеобразно выглядит воздушная волна, создаваемая взрывом. (Мы уже говорили, что воздушную волну можно сфотографировать, поэтому слово «выглядит» вполне подходит к волне давления.)

На рис. 128 изображен мгновенный профиль такой взрывной волны – кривая изображает распределение давления вдоль какого-либо направления распространения волны. Профиль волны составляется постепенным подъемом, завершающимся отвесным спуском. Направление движения волны показано на схеме слева направо. Участки воздуха, расположенные правее фронта, в рассматриваемое мгновение покоятся – до них волна еще доберется.

Основная особенность описываемой взрывной или, как ее называют, ударной волны – это резкий скачок давления на «фронте»; точки, находящиеся в покое, захватываются максимумом давления практически мгновенно: частица воздуха только что находилась при атмосферном давлении, а в следующее мгновение давление в этом месте максимально. Затем по мере дальнейшего продвижения ударной волны давление в точке, на которой мы остановили внимание, будет постепенно падать в соответствии с профилем левого пологого склона горки.

На рис. 128 изображено распределение давления вдоль какой-либо линии распространения волны. Волна распространяется в пространстве, и фронтом является поверхность.

Фронт ударной волны несет с собой скачок не только давления, но также и плотности и температуры.

Кроме изменения давления и температуры ударная волна несет с собой и движение. И в звуковой волне воздух приходит в движение вдоль линии распространения волны, но там это явление мало заметно. В ударной волне воздух увлекается столь сильно, что «увлечение» становится слишком мягким словом. Ударная волна создает сильнейший ветер, ураган… Для движения в мощных ударных волнах, пожалуй, и вообще не подберешь подходящего слова.

Скачок свойств, о котором мы говорим, исключительно резок – переход от полного покоя к максимальной скорости движения происходит на отрезке пути, равном нескольким длинам свободного пробега газовой молекулы. Для воздуха это субмикроскопическая величина порядка стотысячных долей сантиметра. Время скачка измеряется десятимиллиардными (10−10) долями секунды. Такое поистине мгновенное изменение состояния давления, плотности, температуры, скорости движения и есть признак ударной волны.

В зависимости от силы взрыва скачок давления, который несет с собой ударная волна, или, другими словами, высота фронта, может быть весьма различной: в момент прихода ударной волны может возрасти давление от нескольких процентов до десятков раз.

Значения скачков всех величин на фронте ударной волны связаны одно с другим. Зная величину скачка давления, можно рассчитать также и величину скачка плотности, температуры и скорости движения. Высота фронта определяет также и скорость распространения ударной волны. Скорость слабых ударных волн не отличается от скорости распространения обычной звуковой волны. По мере роста высоты фронта растет и скорость распространения ударной волны.

Приведем цифровые данные для «скромной» ударной волны, увеличивающей давление в полтора раза. Оказывается, что такое возрастание давления влечет за собой увеличение плотности воздуха на 30 % и повышение температуры на 35°. Скорость фронта такой ударной волны около 400 м/с. Уже при относительно небольшом скачке давления в 1,5 раза ударная волна будет увлекать с собой воздух со скоростью около 100 м/с, т.е. 360 км/ч. Такой скорости ветра не даст ни один ураган.

Однако возможны взрывы, способные создать несравненно более сильные ударные волны. Если волна несет с собой десятикратное возрастание давления, то на фронте волны происходит скачкообразное увеличение плотности в четыре раза и возрастание температуры на 500°. Скорость ветра достигает при этом 725 м/с. Скорость распространения такой ударной волны равна уже 1 км/с.

Ударные волны, порождаемые сильными взрывами, распространяются на десятки километров. Скачок свойств, который несет с собой ударная волна, действует как резкий удар на препятствия, встречающиеся на пути волны. Слабые ударные волны вышибают оконные стекла, разрушают стены домов, вырывают с корнем деревья. Разрушительное действие минометов во многом основано на действии ударных волн.

Разрушительное действие ударных волн резко зависит от многих обстоятельств и в особенности от длительности действия волны. Чтобы все же дать некоторое представление о связи разрушительного действия волны с основным ее параметром – повышением давления, укажем, что ударная волна с фронтом высотой всего лишь 2 % способна вышибать стекла, а волна, несущая увеличение давления вдвое, ломает толстые стены.

 

Движение со сверхзвуковой скоростью

Ударные волны, как мы только что говорили, распространяются со сверхзвуковыми скоростями. Оказывается, что движение твердых тел в воздухе со сверхзвуковой скоростью также приводит к образованию ударных волн. Поэтому для современной авиации ударные волны имеют очень большое значение.

Движение со скоростями, существенно превышающими 330 м/с, т.е. 1200 км/ч, с недавних пор стало реальностью в авиации. Движение самолетов и самолетов-снарядов, рассекающих воздушное пространство со скоростями, перевалившими через звуковой барьер – так называется рубеж в 1200 км/ч, – весьма резко отличается от движений, лежащих по другую сторону звукового барьера. Это различие заключается в том, что перед летящим со сверхзвуковой скоростью телом образуется ударная волна.

Схема ударной волны, создаваемой снарядом закругленной формы, показана на рис. 129. Фронт волны – это кривая поверхность, проходящая несколько впереди движущегося тела. По мере удаления от линии движения фронт отстает от снаряда и удаляется.

Несколько иначе выглядит картина ударной волны у заостренного тела, имеющего хорошо знакомую каждому форму снаряда. Рис. 130 показывает, что ударная волна «села на нос» снаряда; фронт волны приобрел конусообразную форму.

Снаряд, летящий со сверхзвуковой скоростью, можно сфотографировать. Резкое различие плотностей воздуха вокруг снаряда отчетливо обрисовывает фронт ударной волны, порождаемой им. Чем быстрее движется снаряд, тем острее конус.

Ударная волна является основным источником сопротивления, испытываемым телом, движущимся со сверхзвуковой скоростью. А при скоростях движения, которые меньше скорости звука, сопротивление создается, как мы говорили, в основном возникновением турбулентного движения. Поэтому наиболее выгодные формы тела для движений этих двух типов различны. Что выгодно для быстрых движений, то невыгодно для более медленных, и наоборот.

Тело, заостренное впереди, способствует турбулентности и, значит, увеличивает сопротивление движению с дозвуковыми скоростями. Напротив, заостренная форма снаряда уменьшает сопротивление ударной волны.

Тупое впереди тело уменьшает турбулентность и потому более выгодно при дозвуковых скоростях, чем заостренное. При переходе через звуковой барьер эта форма становится менее выгодной, так как основным источником сопротивления становится ударная волна. По этой причине снаряды орудий заострены спереди – ведь они движутся со сверхзвуковыми скоростями.

Ликвидировать ударную волну и вместе с ней основной источник сопротивления тела, рассекающего воздух со сверхзвуковой скоростью, к сожалению, невозможно. Задача конструкторов снарядов и самолетов состоит в том, чтобы ослабить сопротивление, создаваемое ударной волной.

Для снарядов и корпуса самолета уменьшение сопротивления достигается заострением формы. А какую идею можно предложить для крыльев? Сверхскоростные самолеты приобрели за последнее десятилетие новые очертания: крылья прижались к корпусу, самолет приобрел стреловидную форму. Сделано это именно для того, чтобы бороться с сопротивлением ударных волн (рис. 131).

Вместо того чтобы обсуждать движение самолета, рассекающего воздух, можно говорить о потоке воздуха, набегающем на самолет. Это ведь одно и то же.

На рис. 131 изображен самолет, крыло которого стоит косо к потоку. Векторную скорость воздуха у крыла можно разложить на два вектора, направив один из них вдоль, а другой поперек крыла. Вдоль длины крыла воздух скользит свободно, и это продольное скользящее движение не может явиться существенным источником сопротивления. Основное сопротивление крыло будет испытывать от движения воздуха поперек крыла. Но ведь поперечная составляющая скорости, с которой воздух движется навстречу крылу, может быть существенно меньше лобовой скорости. Может случиться даже, что при движении самолета со сверхзвуковой скоростью поперечная скорость воздуха по отношению к его крыльям будет ниже звукового барьера. Это уменьшение поперечной скорости приведет к ослаблению ударных волн и уменьшению сопротивления. Вот почему сверхскоростным самолетам и придают стреловидную форму.

Впрочем, перед конструкторами самолетов стоит нелегкая задача – найти компромисс между формами, удобными для сверхзвуковых и для обычных скоростей. Такой компромисс необходим по простой причине – самолет взлетает и садится при относительно небольших скоростях.

В настоящее время имеются реактивные самолеты, летающие со скоростью многих тысяч километров в час, и конструкторы продолжают свою работу, чтобы завоевать еще более высокие скорости. Новые трудности встают на этом пути. Преодолев звуковой барьер, инженеры встретились с тепловым барьером.

Быстро движущийся самолет или снаряд сжимают находящийся перед ними воздух. Сжатие приводит к повышению температуры. Воздух, рассекаемый движущимся телом, нагревается, а значит, нагреваются и стенки самолета.

Повышение температуры оказывается пропорциональным квадрату скорости воздуха. Чем больше скорость, тем больше нагревается воздух. К моменту достижения звукового барьера температура воздуха перед самолетом повышается всего на 60°. Это еще не имеет большого практического значения. Но при скорости движения самолета, в два раза превышающей скорость звука, воздух нагревается уже на 240°, а при достижении утроенной скорости звука воздух получает температуру порядка 820 °C и т.д. Нетрудно понять, что этот нагрев ведет к значительным технологическим осложнениям.

Из приведенных цифр видно, как быстро увеличивается температура при нарастании скорости движения. При движении со скоростями порядка 10 км/с температуры становятся столь значительными, что любое тело плавится и превращается в газ. Из мирового пространства в атмосферу Земли непрерывно падают метеорные тела – камни и камешки различных размеров. Они движутся со скоростями в несколько десятков километров в секунду. На высоте 150–200 км над поверхностью Земли, когда атмосфера становится менее разреженной, эти пришельцы начинают заметно нагреваться, а на высотах порядка 130–60 км температура их возрастает настолько, что они испаряются. Невооруженным глазом мы замечаем накалившийся камешек на ночном небе. В момент, когда мы его увидели, нам кажется, что звезда упала с неба. «Падение звезды» продолжается недолго: доля секунды – и камешек испарился.

 

Горение и взрыв

Для того чтобы началось горение, надо, как известно, поднести к горючему предмету горящую спичку. Но и спичка не зажигается сама, ею надо чиркнуть о коробку. Таким образом, для того чтобы началась такая химическая реакция, необходимо предварительное нагревание.

Причина этого понятна. Химическая реакция – это перестройка молекулы. Энергичное тепловое движение атомов совершенно необходимо для того, чтобы такая перестройка могла произойти. Поэтому скорости химических реакций очень сильно зависят от температуры. Как правило, повышение температуры на 10° увеличивает скорость реакции в 2–4 раза.

Если скорость реакции увеличивается, скажем, в 3 раза при повышении температуры на 10°, то повышение температуры на 100° дает увеличение в 310 ≈ 60000 раз, на 200° – уже в 320 ≈ 4·109, а на 500° – в 350, т.е. примерно в 1024 раз.

Неудивительно, что реакция, которая идет с нормальной скоростью при температуре 500 °C, при комнатной температура не происходит вообще. Поджигание создает в начальный момент необходимую для реакции температуру. Дальше высокую температуру поддерживает уже тепло, которое выделяется при реакции.

Начальный местный подогрев должен быть достаточен для того, чтобы выделение тепла при реакции превышало теплоотдачу в окружающую холодную среду. Поэтому каждая реакция имеет свою, как говорят, температуру воспламенения. Горение начинается, только если начальная температура выше температуры воспламенения. Например, температура воспламенения дерева 610 °C, бензина – около 200 °C, белого фосфора – 50 °C.

Горение дров, угля или нефти – это химическая реакция соединения этих веществ с кислородом воздуха. Поэтому такая реакция идет с поверхности: пока не выгорит внешний слой, следующий не может принять участие в горении. Этим и объясняется относительная медленность горения.

В справедливости сказанного нетрудно убедиться на практике. Если размельчать горючее, то скорость горения можно значительно увеличить. Для этой цели во многих печных устройствах производится распыление угля в топках.

Совершенно иначе обстоит дело в том случае, когда воздушная атмосфера не нужна, а все необходимое для реакции содержится внутри вещества. Примером такого вещества является смесь водорода с кислородом (ее называют гремучим газом). Реакция идет не с поверхности, а происходит внутри вещества. В отличие от случая горения вся энергия, образующаяся при реакции, отдается почти мгновенно, вследствие этого резко повышается давление и происходит взрыв. Гремучий газ не горит, а взрывается.

Итак, взрывчатое вещество должно содержать внутри себя атомы или молекулы, нужные для реакции. Понятно, что можно приготовить взрывающиеся газовые смеси. Существуют и твердые взрывчатые вещества. Они являются взрывчатыми именно потому, что в их состав входят все атомы, необходимые для химической реакции, дающей тепло и свет.

Химическая реакция, происходящая при взрыве, – это реакция распада, расщепления молекулы на части. На рис. 132 показана для примера взрывная реакция – расщепление на части молекулы нитроглицерина. Как видно на правой части схемы, из исходной молекулы образуются молекулы углекислого газа, воды, азота. В составе продуктов реакции мы находим обычные продукты горения, но горение произошло без участия молекул кислорода воздуха – все необходимые для горения атомы содержатся внутри молекулы нитроглицерина.

Как распространяется взрыв по взрывчатому веществу, например гремучему газу? Когда поджигают взрывчатое вещество, возникает местный нагрев. Реакция происходит в нагретом объеме. Но при реакции выделяется тепло, которое путем теплопередачи переходит в соседние слои смеси. Этого тепла достаточно для того, чтобы и в соседнем слое произошла реакция. Новые количества выделившегося тепла поступят в следующие слои гремучего газа, и так со скоростью, связанной с передачей тепла, реакция распространяется по всему веществу. Скорость такой передачи – порядка 20–30 м/с. Разумеется, это очень быстро. Метровая трубка с газом взрывается за одну двадцатую долю секунды, т.е. почти мгновенно, в то время как скорость горения дров или кусков углей, происходящего с поверхности, а не в объеме, измеряется сантиметрами в минуту, т.е. в несколько тысяч раз меньше.

Тем не менее можно назвать и этот взрыв медленным, так как возможен другой взрыв, в сотни раз более быстрый, чем описанный.

Быстрый взрыв вызывается ударной волной. Если в каком-либо слое вещества резко повышается давление, то от этого места начнет распространяться ударная волна. Как мы уже знаем, ударная волна приводит к значительному скачку температуры. Придя в соседний слой, ударная волна повысит его температуру. Повышение температуры дает начало взрывной реакции, а взрыв приводит к повышению давления и поддерживает ударную волну, интенсивность которой иначе быстро падала бы по мере ее распространения. Таким образом, ударная волна вызывает взрыв, а взрыв в свою очередь поддерживает ударную волну.

Описанный нами взрыв называется детонацией. Так как детонация распространяется по веществу со скоростями ударной волны (порядка 1 км/с), то она действительно быстрее «медленного» взрыва в сотни раз.

Какие же вещества взрываются «медленно», а какие «быстро»? Так ставить вопрос нельзя: одно и то же вещество, находящееся в разных условиях, может и взрываться «медленно» и детонировать, а в некоторых случаях «медленный» взрыв переходит в детонацию.

Некоторые вещества, например йодистый азот, взрываются от прикосновения соломинки, от небольшого нагревания, от световой вспышки. Такое взрывчатое вещество, как тротил, не взрывается, если его уронить, даже если его прострелить из винтовки. Для взрыва требуется сильная ударная волна.

Существуют вещества, еще менее чувствительные к внешним воздействиям. Удобрительная смесь аммиачной селитры и сернокислого аммония не считалась взрывчатой до трагического случая, происшедшего в 1921 г. на немецком химическом заводе в Оппау. Для дробления слежавшейся смеси там был применен взрывной способ. В результате на воздух взлетели склад и весь завод. В несчастье нельзя было упрекать инженеров завода: примерно двадцать тысяч подрывов прошло нормально и лишь один раз создались условия, благоприятные для детонации.

Вещества, которые взрываются лишь под действием ударной волны, а при обычных условиях устойчиво существуют и даже не боятся огня, весьма удобны для техники взрывного дела. Такие вещества можно производить и хранить в больших количествах. Однако для приведения этих инертных взрывчатых веществ в действие нужны зачинатели или, как говорят, инициаторы взрыва. Такие инициирующие взрывные вещества совершенно необходимы как источники ударных волн.

Примером инициирующих веществ может служить азид свинца, или гремучая ртуть. Если крупинку такого вещества положить на лист жести и поджечь, то происходит взрыв, пробивающий в жести отверстие. Взрыв таких веществ в любых условиях детонационный.

Если немного азида свинца поместить на заряд вторичного взрывчатого вещества и поджечь, то взрыв инициатора дает ударную волну, достаточную для детонации вторичного взрывчатого вещества. На практике взрыв производится при помощи капсюля-детонатора (1–2 г инициирующего вещества). Капсюль может быть подожжен на расстоянии, например при помощи длинного шнура (бикфордов шнур); исходящая от капсюля ударная волна взорвет вторичное взрывчатое вещество.

В ряде случаев технике надо бороться с детонационными явлениями. В двигателе автомобильного мотора в обычных условиях происходит «медленный взрыв» смеси бензина с воздухом. Однако иногда возникает и детонация. Ударные волны в моторе как систематическое явление совершенно недопустимы, так как под их действием стенки цилиндров мотора быстро выйдут из строя.

Для борьбы с детонацией в двигателях надо либо применять специальный бензин (так называемый бензин с высоким октановым числом), либо подмешивать в бензин специальные вещества – антидетонаторы, не дающие развиваться ударной волне. Одним из распространенных антидетонаторов является тетраэтилсвинец (ТЭС). Это вещество очень ядовито, и инструкция предупреждает шоферов о необходимости осторожно обращаться с таким бензином.

Детонации нужно избегать при конструировании артиллерийского орудия, Ударные волны не должны образовываться внутри ствола при выстреле, в противном случае орудие выйдет из строя.