Звук и слух

Из времён франко-прусской войны в литературе описан такой случай. Накануне было холодно и стоял густой туман; воздух был полон звуками войны. А в этот день было ясно и тепло. Стояла мёртвая тишина, люди думали, что начались переговоры о мире и поэтому военные действия прекратились. Каково же было их изумление, когда они узнали, что весь этот день с самого утра происходила интенсивная артиллерийская перестрелка, которая не была им слышна! Подобных примеров можно привести много.

Вы знаете, что в опасных для плавания судов местах — на мысах, мелях, подводных камнях — часто выставляются предупреждающие световые или звуковые маяки. Тёмной ночью яркий свет виден за десятки километров. Но в туман, пургу или сильный дождь это расстояние сильно уменьшается. Тогда большую услугу оказывают звуковые сигналы — сирены, гудки, колокольный звон или стрельба из орудий. Однако и эти сигналы также не всегда надёжны: в отдельных местах около таких маяков звук пропадает.

Мы привыкли думать, что если на пути звука нет видимых преград, то он слышен повсюду, начиная от источника и кончая расстоянием, где звуковая волна ослабевает настолько, что перестаёт действовать на ухо. Но это не всегда верно. Почему же в каких-то местах своего пути звук исчезает и образуются «зоны молчания»?

Оказывается, воздух не везде однороден для звука. Известно, что воздух постоянно находится в движении. Скорость его движения в различных слоях не одинакова. В слоях, близких к земле, воздух соприкасается с её поверхностью, зданиями, лесами и поэтому скорость его здесь меньше, чем вверху. Благодаря этому и звуковая волна идёт не одинаково быстро вверху и внизу. Если движение воздуха, т. е. ветер — попутчик звуку, то в верхних слоях воздуха ветер будет сильнее подгонять звуковую волну, чем в нижних. При встречном ветре звук вверху распространяется медленнее, чем внизу. Такое различие в скоростях сказывается на форме звуковой волны. В результате искажения волны звук распространяется не прямолинейно. При попутном ветре линия распространения звуковой волны изгибается вниз, при встречном — вверх.

На рисунке 12 изображены пути и форма звуковых волн. Ветер дует слева. В любом месте поверхности земли, справа от завода, звук гудка слышен. Если же стать слева, в месте, обозначенном цифрой 1, то звуковая волна пройдёт над головой и звука слышно не будет.

Рис. 12. Распространение звука заводского гудка по ветру и против ветра. Пунктирные линии показывают форму расходящейся звуковой волны при отсутствии ветра; сплошные линии — форму звуковой волны при ветре, дующем слева направо

Часто этим свойством звука пользуются охотники при выслеживании добычи. Они стараются приближаться к ней против ветра. Тогда шорох шагов не вспугивает животное, звуковая волна поднимается от поверхности земли вверх и проходит над его головой. Вспомните, как из-под самых ног вылетают иногда птицы, когда мы проходим по лесу. Подойти к птице, сидящей на дереве, или к крупному зверю значительно труднее, — поднимающаяся вверх волна уносит на значительное расстояние даже очень слабые звуки нашего приближения.

Когда звуковая волна проходит близко от земли, то благодаря трению она очень сильно ослабевает и вскоре делается неслышимой. Ровная поверхность плотного снега или спокойной воды создаёт меньшее трение, чем земля, покрытая травой, кустами или строениями. Вот почему всплески вёсел, например, далеко слышны над водой.

Многие убеждены, что против ветра звук всегда слышен на меньшем расстоянии, чем по ветру. Покажем, что и это не всегда так. Обратимся к тому же рисунку 12. Пусть один человек встанет слева от источника звука, но на возвышенности (в месте, обозначенном цифрой 2), а другой будет стоять на таком же расстоянии справа на земле (место у цифры 3). К стоящему слева волны доходят по верхним слоям воздуха, где звук ослабевает незначительно, хотя и идёт навстречу ветру. А человек с правой стороны услышит более слабый звук, так как трение о поверхность земли сильно заглушает его.

Скорость ветра сама по себе слишком мала в сравнении со скоростью звука, чтобы существенно влиять на дальность распространения звуковой волны. В самом деле, 20–25 метров в секунду — это сильный ветер, а скорость звука — около 340 метров в секунду. Таким образом, даже против самого сильного ветра звук будет распространяться почти с такой же скоростью, как и в безветренную погоду.

Есть ещё одна причина неравномерного распространения звука в воздухе. Это — различная температура отдельных его слоёв. В середине жаркого солнечного дня земля сильно нагревается и нагревает ближайшие к ней слои воздуха. Верхние слои оказываются более холодными. А вы уже знаете, что в тёплом воздухе звук распространяется быстрее, чем в холодном. Неодинаково нагретые слои воздуха, подобно ветру, изменяют направление звука. Днём звуковая волна изгибается вверх, потому что скорость звука в нижних более нагретых слоях больше, чем в верхних слоях. Вечером, когда земля, а с ней и близлежащие слои воздуха, быстро остывают, верхние слои становятся теплее нижних, скорость звука в них больше, и линия распространения звуковых волн изгибается вниз. Поэтому по вечерам на ровном месте бывает лучше слышно.

Наблюдая за облаками, часто можно заметить, как на разных высотах они движутся не только с различной скоростью, но иногда и в разных направлениях. Значит, ветер на различной высоте от земли может иметь неодинаковые скорость и направление. Форма звуковой волны в таких слоях будет также изменяться от слоя к слою. Пусть, например, звук идёт против ветра. В этом случае линия распространения звука должна изогнуться и направиться вверх. Но если на её пути встретится слой медленно движущегося воздуха, она вновь изменит своё направление и может снова вернуться на землю. Вот тогда-то на пространстве от места, где волна поднимается в высоту, до места, в котором она возвращается на землю, и возникает «зона молчания» (рис. 13).

Рис. 13. «Зона молчания»

Нетрудно догадаться, что и генерал, и штаб корпуса, и очевидцы сражения из франко-прусской войны все находились в таких беззвучных зонах. Многие из читателей, вероятно, припомнят то же самое из своего опыта, полученного в период Великой Отечественной войны 1941–1945 гг., и могут дать теперь правильное объяснение этому на первый взгляд непонятному явлению.

3. Когда шепчут стены

Если вам приходилось когда-нибудь идти по длинному тёмному коридору, то вы, вероятно, обращали внимание на одно очень любопытное обстоятельство. Приближаясь к концу коридора или к его повороту, вы как бы чувствуете уже на расстоянии стену, преграждающую ваш путь. Кто же предупреждает вас о приближении к преграде? Оказывается, эти предупреждения делает ваш собственный слух. Вспомните, обычно в таких случаях вы стараетесь что-нибудь говорить, покашливать или, шагая, стучать ногами. Прислушиваясь к изменению этих звуков и не вдумываясь в причину явления, вы оцениваете расстояние, отделяющее вас от преграды.

Как это происходит?

Как луч света отражается от зеркала, так и звуковая волна отражается от больших поверхностей, стоящих на её пути. Для того чтобы звук дошёл до стены и, отражённый, возвратился к нам, потребуется некоторое время. Когда отражающая поверхность далеко, время для прохождения звука также сравнительно велико; когда же эта поверхность близка, звук возвращается скорее. Прислушиваясь к этим отражённым звукам, мы и оцениваем расстояние, отделяющее нас от стены или иной преграды. Особенно сильно это чувство развито у слепых. Очень часто слепые люди, впервые приходя в помещение, после нескольких произнесённых фраз довольно точно определяют его размеры на слух.