Страница:
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 109 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 1014 раз больше, чем на пороге слышимости. Таким образом, диапазон воспринимаемых человеком интенсивностей звука равен 1014 J0-J0.
Число делений линейной шкалы интенсивностей звука п будет, следовательно, равно
n=(1014J0-J0)/(1,25J0-J0)=4 1014.
Если деления линейной шкалы взять равными 1 миллиметру, то протяженность (в километрах) линейной шкалы воспринимаемых ухом интенсивностей звука составит n/106 = 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 неистовствующий акустический океан? Еще каких-нибудь 60--70 децибел, и амплитуда звукового давления достигнет статического, атмосферного давления. Прекратится ли рост интенсивности звука? Отнюдь. Один из полупериодов звуковой волны (полупериод разрежения) будет урезаться, но другой -полупериод сжатия -- может быть сколь-угодно большим. Такие сверхмощные нелинейные звуки создаются, например, с помощью сильнейших сирен или в системах звуковых концентраторов. Можно сказать, что границы звукового океана здесь бесконечны...
Левая, "восточная" оконечность острова слышимости. Здесь удивительным образом сходятся пороги слышимости и болевого ощущения. Проникнуть на эту оконечность исследователям оказалось не так-то просто. Дальше начинается пока еще таинственное царство инфразвука, о котором мы поговорим впоследствии.
А здесь сколько долгот (то бишь частот звуковых колебаний) до границ океана? Область слышимости начинается с частот 16--20 герц. До нуля герц, до статики, как будто недалеко. Однако здесь проявляется интересное различие географической и акустической карт. Географические долготы откладываются только в линейном масштабе, акустические же долготы, как и широты, -- в логарифмическом (о причинах этого мы говорили в предыдущей главе). Но нуль логарифмической шкалы лежит в минус бесконечности, и в этом смысле акустический океан в царстве инфразвука также беспределен.
Может быть, более ясно положение на правой оконечности острова, в царстве уже не инфра-, а ультразвука, то есть на частотах более 16--20 килогерц? Здесь человеком достигнуты частоты колебаний не только мега-, но и гигагерц; неизвестно, на каких частотах инерция молекул или иные факторы положат предел возбуждению звуковых колебаний.
Постоянна ли площадь острова слышимости? Увы, для каждого человека этот остров, как шагреневая кожа, имеет тенденцию "съеживаться" к пожилым годам. Уменьшается он больше всего со стороны высоких частот, -- океан неслышимости затапливает его правую часть.
У многих животных и насекомых острова слышимости простираются до более высоких частот. Так, собака может воспринимать не слышимые человеком звуки с частотами 20 и 30 килогерц, летучая мышь, оса, комар -- 50 и 60 килогерц.
А крупные животные? Не так-то просто для них всех определить границы слышимости. Вспоминается история, случившаяся лет двадцать назад. Промысловики заметили, что киты обнаруживают китобойные суда по подводному шуму двигателей и стараются уйти от них. Бюро, проектирующие китобойные суда, запросило один из научно-исследовательских институтов о чувствительности слуховых органов китов. Что оставалось делать исследователям? Они ответили: "Если вам удастся поймать живого кита, привезите его к нам для того, чтобы мы могли в гидроакустическом бассейне определить его чувствительность к подводным шумам".
Не стоит жалеть, впрочем, что эта просьба не была удовлетворена промысловиками: и без того истребление китов приняло поистине чудовищные размеры.
ЗРЕНИЕ ИЛИ СЛУХ (И РЕЧЬ)?
Я всегда считал, что литература существует, по меньшей мере, столько же для уха, сколько для глаза.
Н. Винер. Я -- математик
Что предпочесть в каждом конкретном случае, какой из органов чувств более информативен? Многим этот вопрос покажется праздным или даже схоластическим, но специалисты по инженерной психологии не снимают его с повестки дня.
"Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать"-- гласит народная мудрость, и это, казалось бы, дает исчерпывающий ответ. Обратимся, однако, к данным научных исследований. Американский ученый Дж. Милн провел обстоятельные опыты, целью которых было сравнение информативности слуха и зрения при восприятии простых сигналов. В одном из опытов испытуемым предлагалось различать по частоте звуковые тона в диапазоне от 100 до 8000 герц. Когда воспроизводили два-три тона, -испытуемые не ошибались. При пяти и более тонах количество ошибок резко возрастало. Был сделан вывод, что при звучаний нескольких тонов испытуемые могут принять и передать не более 2--2,5 бита * информации. Примерно такой же результат был зафиксирован при восприятии нескольких тонов одинаковой частоты, но переменного звукового уровня (в пределах от 15 до 110 децибел) .
* Бит -- стандартная двоичная единица информации -- дает указание о том, сколько взаимоисключающих выборок надо сделать, чтобы получить правильный ответ (1оg22=1 бит; 1оg210 = = 3,32 бита).
Результаты опытов со зрительным восприятием немногим отличались от результатов экспериментов со слухом. Когда раздражители, которым подвергались испытуемые, различались по размеру, люди могли пропустить 2,8 бита информации, если же раздражители различались по яркости, то пропускная способность человека не превышала 2,3 бита.
Таким образом, при восприятии элементарных сигналов пропускная способность органов зрения и -слуха примерно одинакова. Однако способность к нюансировке, к восприятию сложных сигналов у глаза значительно больше, чем у уха. Известна также значительно большая пропускная способность зрительного нерва в сравнении со слуховым, большая площадь участка коры головного мозга, обслуживающего зрение, по сравнению с площадью участка, обслуживающего слух, и т. п.
Но как может человек передать, описать ощущение, впечатление от какого-либо воспринятого глазом образа? Глаза сами по себе могут передавать некоторые достаточно сложные движения души, однако для простейшего сообщения о том, что воспринятый его глазом цвет является, скажем, синим, у человека нет парного глазу органа -- передатчика электромагнитных сигналов. Приходится прибегать к излучателю звуковых сигналов -- органу речи (или к движению пишущей руки).
"Может быть, эхо умеет передразнивать и зрение, как оно умеет передразнивать голос?" -- вопрошает Карлик в сказке О. Уайльда "День рождения инфанты". Увы, нет, прелесть естественного эха в земных условиях доступна только уху; только звук с его относительно малой скоростью распространения дает достаточно длительную реверберацию.
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 1014 раз больше, чем на пороге слышимости. Таким образом, диапазон воспринимаемых человеком интенсивностей звука равен 1014 J0-J0.
Число делений линейной шкалы интенсивностей звука п будет, следовательно, равно
n=(1014J0-J0)/(1,25J0-J0)=4 1014.
Если деления линейной шкалы взять равными 1 миллиметру, то протяженность (в километрах) линейной шкалы воспринимаемых ухом интенсивностей звука составит n/106 = 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 неистовствующий акустический океан? Еще каких-нибудь 60--70 децибел, и амплитуда звукового давления достигнет статического, атмосферного давления. Прекратится ли рост интенсивности звука? Отнюдь. Один из полупериодов звуковой волны (полупериод разрежения) будет урезаться, но другой -полупериод сжатия -- может быть сколь-угодно большим. Такие сверхмощные нелинейные звуки создаются, например, с помощью сильнейших сирен или в системах звуковых концентраторов. Можно сказать, что границы звукового океана здесь бесконечны...
Левая, "восточная" оконечность острова слышимости. Здесь удивительным образом сходятся пороги слышимости и болевого ощущения. Проникнуть на эту оконечность исследователям оказалось не так-то просто. Дальше начинается пока еще таинственное царство инфразвука, о котором мы поговорим впоследствии.
А здесь сколько долгот (то бишь частот звуковых колебаний) до границ океана? Область слышимости начинается с частот 16--20 герц. До нуля герц, до статики, как будто недалеко. Однако здесь проявляется интересное различие географической и акустической карт. Географические долготы откладываются только в линейном масштабе, акустические же долготы, как и широты, -- в логарифмическом (о причинах этого мы говорили в предыдущей главе). Но нуль логарифмической шкалы лежит в минус бесконечности, и в этом смысле акустический океан в царстве инфразвука также беспределен.
Может быть, более ясно положение на правой оконечности острова, в царстве уже не инфра-, а ультразвука, то есть на частотах более 16--20 килогерц? Здесь человеком достигнуты частоты колебаний не только мега-, но и гигагерц; неизвестно, на каких частотах инерция молекул или иные факторы положат предел возбуждению звуковых колебаний.
Постоянна ли площадь острова слышимости? Увы, для каждого человека этот остров, как шагреневая кожа, имеет тенденцию "съеживаться" к пожилым годам. Уменьшается он больше всего со стороны высоких частот, -- океан неслышимости затапливает его правую часть.
У многих животных и насекомых острова слышимости простираются до более высоких частот. Так, собака может воспринимать не слышимые человеком звуки с частотами 20 и 30 килогерц, летучая мышь, оса, комар -- 50 и 60 килогерц.
А крупные животные? Не так-то просто для них всех определить границы слышимости. Вспоминается история, случившаяся лет двадцать назад. Промысловики заметили, что киты обнаруживают китобойные суда по подводному шуму двигателей и стараются уйти от них. Бюро, проектирующие китобойные суда, запросило один из научно-исследовательских институтов о чувствительности слуховых органов китов. Что оставалось делать исследователям? Они ответили: "Если вам удастся поймать живого кита, привезите его к нам для того, чтобы мы могли в гидроакустическом бассейне определить его чувствительность к подводным шумам".
Не стоит жалеть, впрочем, что эта просьба не была удовлетворена промысловиками: и без того истребление китов приняло поистине чудовищные размеры.
ЗРЕНИЕ ИЛИ СЛУХ (И РЕЧЬ)?
Я всегда считал, что литература существует, по меньшей мере, столько же для уха, сколько для глаза.
Н. Винер. Я -- математик
Что предпочесть в каждом конкретном случае, какой из органов чувств более информативен? Многим этот вопрос покажется праздным или даже схоластическим, но специалисты по инженерной психологии не снимают его с повестки дня.
"Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать"-- гласит народная мудрость, и это, казалось бы, дает исчерпывающий ответ. Обратимся, однако, к данным научных исследований. Американский ученый Дж. Милн провел обстоятельные опыты, целью которых было сравнение информативности слуха и зрения при восприятии простых сигналов. В одном из опытов испытуемым предлагалось различать по частоте звуковые тона в диапазоне от 100 до 8000 герц. Когда воспроизводили два-три тона, -испытуемые не ошибались. При пяти и более тонах количество ошибок резко возрастало. Был сделан вывод, что при звучаний нескольких тонов испытуемые могут принять и передать не более 2--2,5 бита * информации. Примерно такой же результат был зафиксирован при восприятии нескольких тонов одинаковой частоты, но переменного звукового уровня (в пределах от 15 до 110 децибел) .
* Бит -- стандартная двоичная единица информации -- дает указание о том, сколько взаимоисключающих выборок надо сделать, чтобы получить правильный ответ (1оg22=1 бит; 1оg210 = = 3,32 бита).
Результаты опытов со зрительным восприятием немногим отличались от результатов экспериментов со слухом. Когда раздражители, которым подвергались испытуемые, различались по размеру, люди могли пропустить 2,8 бита информации, если же раздражители различались по яркости, то пропускная способность человека не превышала 2,3 бита.
Таким образом, при восприятии элементарных сигналов пропускная способность органов зрения и -слуха примерно одинакова. Однако способность к нюансировке, к восприятию сложных сигналов у глаза значительно больше, чем у уха. Известна также значительно большая пропускная способность зрительного нерва в сравнении со слуховым, большая площадь участка коры головного мозга, обслуживающего зрение, по сравнению с площадью участка, обслуживающего слух, и т. п.
Но как может человек передать, описать ощущение, впечатление от какого-либо воспринятого глазом образа? Глаза сами по себе могут передавать некоторые достаточно сложные движения души, однако для простейшего сообщения о том, что воспринятый его глазом цвет является, скажем, синим, у человека нет парного глазу органа -- передатчика электромагнитных сигналов. Приходится прибегать к излучателю звуковых сигналов -- органу речи (или к движению пишущей руки).
"Может быть, эхо умеет передразнивать и зрение, как оно умеет передразнивать голос?" -- вопрошает Карлик в сказке О. Уайльда "День рождения инфанты". Увы, нет, прелесть естественного эха в земных условиях доступна только уху; только звук с его относительно малой скоростью распространения дает достаточно длительную реверберацию.