"Звук и слух" - читать интересную книгу автора (Суслов Б. Н.)

IV. Звук в пространстве

1. Скорость звука

На фоне клубов чёрного дыма показывается струйка белого пара. Спустя некоторое время слышен свисток. Это машинист подаёт сигнал о приближении поезда.

Ночную тьму пронизывает огненная вспышка, через несколько секунд доносится звук выстрела артиллерийского орудия.

Понаблюдайте за работой плотника издали. Вы легко заметите, что когда плотник поднимает топор для следующего удара по дереву, звук слышен только от первого удара.

Всё это убеждает нас в том, что свет и звук распространяются с различной скоростью. Свет обгоняет звук, и поэтому мы сначала видим, а потом слышим. Скорость света — самая большая скорость в природе: она равна 300 миллионам метров в одну секунду. Скорость же звука в воздухе составляет всего около 340 метров в секунду, т. е. в 900 тысяч раз меньше.

Интересно отметить, что скорость пули при вылете из ствола винтовки почти в три раза больше скорости звука. Когда пуля летит по прямой линии, то есть по такому же пути, как и звук, она обгоняет звук выстрела. В этом случае звук не может служить предостережением. Другое дело при стрельбе из гаубиц или миномётов. Здесь снаряд летит по кривой (с большим углом возвышения); путь его к цели тем самым удлиняется, и звук выстрела может опередить снаряд.

За движением звуковой волны можно проследить даже взглядом! Представьте себе, что идёт длинная колонна людей с оркестром впереди. Все шагают в такт музыке. Но если посмотреть со стороны, то нетрудно заметить, что последние ряды идут не в ногу с первыми. Это происходит потому, что звук оркестра до задних рядов доходит позже.

Но скорость звука — величина непостоянная. Даже в одном и том же веществе она не всегда одинакова. Так, в воздухе при двадцатиградусном морозе звук проходит 318 метров за секунду, а при 20 градусах тепла — 342,5 метра. В различных твёрдых телах и жидкостях звук также распространяется с различными скоростями.

Скорость звука в воде впервые была измерена в 1827 году. С борта одной лодки на верёвке в воду был спущен колокол (рис. 10). Вторая лодка находилась на расстоянии 13 847 метров от первой (рис. 11). В тот момент, когда на первой лодке молоток ударял в колокол, на ней одновременно производилась и вспышка пороха. На второй лодке человек наблюдал момент вспышки и отмечал момент прихода звука от колокола. Таким путём было вычислено время пробега звуковой волной рас- стояния между лодками по воде. Оказалось, что скорость звука в воде в четыре раза больше, чем в воздухе. За одну секунду звук в воде проходит 1435 метров.

Рис. 10. Измерение скорости звука в воде. Человек, сидящий в этой лодке, передаёт звук

Рис. 11. Измерение скорости звука в воде. Здесь человек воспринимает звук

В большинстве твёрдых тел скорость звука ещё больше. Например, в дереве она достигает 4800 метров, в стали — 5000 метров, в стекле — 5600 метров в секунду.

Звуки, различные по высоте, распространяются в одном и том же веществе с одинаковой скоростью. Если бы это было не так, то нельзя было бы слушать музыку издалека. Одни звуки обгоняли бы другие и вместо стройной мелодии вдали от оркестра слышался бы просто шум.

Некоторые племена, например, племена экваториальной Африки, ещё и поныне непосредственно используют звук как средство связи. Для этой цели чаще всего употребляются специальные барабаны. Услышанные в одном месте, условные звуковые сигналы тотчас же передаются дальше. Таким путём очень скоро всё племя оповещается о каком-либо событии.

Этот способ требует, однако, много времени. Подсчитаем, например, с какой быстротой может быть передан звуковой сигнал из Москвы в Ленинград. Расстояние между этими городами 640 километров. Будем считать, что звук в воздухе за одну секунду проходит 340 метров.

Если бы мы могли крикнуть так громко, чтобы звук из Москвы долетел до Ленинграда, нас услышали бы через 31 минуту. Но звук быстро ослабевает с расстоянием и вскоре становится неслышимым. Чтобы передать звук на такое большое расстояние, его надо по мере затухания воспроизводить в пути с новой силой. Для этого пришлось бы на определённом расстоянии друг от друга расставить людей. Каждый из них, услышав сигнал соседа, стоящего ближе к Москве, должен тут же передать его соседу в сторону Ленинграда. Ясно, что на такую передачу будет затрачено значительно больше получаса.

После того как изобрели телефон, телеграф и радио, такой способ передачи звука на большие расстояния потерял смысл.

Современные способы связи основаны на том, что звук передаётся на большие расстояния при помощи электрического тока по проводам (телефон), либо при помощи электромагнитных колебаний, распространяющихся в пространстве, практически, мгновенно (радио).

Когда человек говорит в микрофон, включённый в электрическую цепь, звуковые волны вызывают электрические колебания. Эти колебания со скоростью света идут по проводам или по воздуху. Станция приёма полученные сигналы снова переводит в звуки. При этом звуковые волны проходят очень короткий путь: от говорящего человека до микрофона и от телефонной трубки или репродуктора до уха слушающего. Всё остальное расстояние звук как бы «переносится» электромагнитными колебаниями. Благодаря такому способу передачи звуки переносятся моментально на тысячи километров.

Представьте себе двух человек, один из которых слушает концерт в зале Московской консерватории, а другой — дома, по радио, находясь где-нибудь на Дальнем Востоке. Кто из них раньше будет слышать музыку?

Если первый находится в 15–20 метрах от оркестра, то к нему по воздуху звуки дойдут приблизительно за 0,05 секунды.

Эти же звуки, переданные через микрофон на радиостанцию и затем в пространство при помощи радиоволн, помчатся со скоростью 300 тысяч километров в одну секунду и за 0,05 доли секунды они окажутся где-нибудь в Тихом океане или Америке. Нашего же слушателя они достигнут примерно за половину указанного времени. И получается так, что слушающий по радио на расстоянии 7–8 тысяч километров слышит звуки музыки на 0,02-0,03 доли секунды раньше, чем человек, находящийся в концертном зале!