книги из ГПНТБ / Кок У.Е. Видимый звук

Р п с. 87. Картппа бпеппй.

Широкополосный анализ записи, предетаплешіоіі на рис. 8G, обнаружи­ вает биения, возникающие в результате сложения двух сигналов. Наиболее сильные биения наблюдаются в центре полосы.

задержанным во временп. На рис. 86 представлен узкопо­ лосный частотный анализ такого комбинированного сигнала с одной очень сильной частотной компонентой. В начале и в конце сигнала ничего необычного не наблюдается. Но там, где происходит уменьшение частоты, частоты основ­ ного и задержанного во времени сигналов в данный момент изменяются на разные величины, в результате чего час­ тотная линия расщепляется и появляются две линии.

Р и с. 88. Спектрограмма звука дизельного двигателя.

Звук состоит пз большого количества гармоник.

На рис. 87 показан широкополосный анализ записи, представленной па рнс. 8 6 . Полоса пропускания фильтра была столь широкой, что расщепление линии видно в те­ чение всего времени записи. Однако из-за биений, частота которых изменяется, увеличиваясь к центру, линии «рас­ плываются» и превращаются в полосу, слегка наклонен­ ную вниз. Центральная точка этой полосы соответствует тому моменту, когда самолет находится точно над наблю­ дателем.

На рис. 88 записан звук дизельного двигателя. Во вре­ мя записи число оборотов двигателя сначала медленно увеличивали, а потом так же медленно уменьшали. При увеличении числа оборотов двигателя частоты основной и высших гармоник возрастают. Максимальное разделение гармоник происходит при наибольшей скорости вращения.

Звуки видеотелефона

Для того чтобы, разговаривая по телефону, видеть собе­ седника, необходимо модифицировать передающее и при­ емное устройства. В одном из экспериментальных вариан­ тов видеотелефонной связи объем информации о внешнем облике собеседников уменьшали, опуская несущественные детали (черты лица), «оставшуюся» информацию переда­ вали только в течение каждых 2 с. Это позволило весь сиг­ нал изображения передавать по обычной телефонной ли­ нии, Но за простоту конструкции приходилось платить ка­ чеством изображения.

Частота сигналов изображения, посланных по звуково­ му каналу, находится в области радиочастот. Принимая такие сигналы на другом конце линии связи, мы воспри­ няли бы их как обычный звук. Чтобы увидеть такие зву­ ки, необходимы устройства, которые применяются в теле­ видении. Прежде всего пришедший сигнал нужно записать в течение 2 с на магнитную ленту барабана, затем не­ сколько раз один и тот же сигнал снять с магнитной ленты (барабан делает 30 об/с) и подать на электронно-лучевую трубку. Как все это происходит, показано на рис. 89. Та­ ким образом, человек, находящийся на другом конце ли­ нии связи, будет видеть одно и то же изображение своего собеседника в течение 2 с, повторенное 60 раз '. В то же1

1 Изображение будет неподвижным, поскольку разрешающая способность человеческого глаза равна 0,1 с — Прим, перее.

100

самое время на втором барабане с магнитной лентой будет записываться следующий пришедший сигнал, который по­ том можно будет увидеть в последующие 2 с. На рис. 90 показан внешний вид видеотелефона. Изображение, полу­ ченное на экране электронно-лучевой трубки, помещено слева.

Другой способ получения видимого изображения осно­ ван на принципе, применяемом в звуковом спектрографе Поттера. В течение тех 2 с, когда изображение передается в виде звуковых сигналов, стальная игла (либо вращаю­ щаяся спиральная проволока) несколько раз пробегает вверх — вниз по бумаге прямоугольной формы. Эта элек­ трочувствительная бумаі-а, аналогичная той. которая при­ меняется в звуковом спектрографе, под действием сильных электрических сигналов становится черной, под действием слабых сигналов — серой и остается белой, если сигналы

101

Р п с. 90. Разговор по видеотелефону, устройство которого представлено на рис. 89.

Вставка слова показывает ограниченное разрешение изображения.

Рпс. 91. Асимметричная картина пзлучеппя звуковых волн громкоговорителем.

Асимметрия излучения указывает на неисправность громкоговорителя.

Послесловие

Предложенная вниманию советского читателя книга «Видимый звук» является третьей научно-популярной кни­ гой Уинстона Е. Кока, изданной в Советском Союзе. Как и в двух предыдущих книгах «Звуковые и световые вол­ ны» (изд-во «Мир», 1966) и «Лазеры и голография. Вве­ дение в когерентную оптпку» (изд-во «Мир», 1971), автор излагает в ней вопросы, относящиеся к старейшим разде­ лам физики — акустике и оптике.

Казалось бы, что нового и интересного можно расска­ зать о предмете, история изучения которого исчисляется не одним тысячелетием? Однако для современного разви­ тия науки, и в частности физики, характерно, что наряду с созданием и бурным развитием ее новых направлений (например, физики плазмы) стремительный толчок полу­ чают и старые, традиционные области. К существующим в настоящее время «горячим точкам» физики (определяе­ мым по количеству публикаций п практических использо­ ваний этого направления) относятся и некоторые разделы акустики и оптпкп.

Круг проблем, рассматриваемых сегодня акустикой, весьма существенно отличается от того, что являлось пред­ метом исследований 30—40 лет назад. Наряду с такими традиционными проблемами, как музыкальная акустика, речь в ее акустическом аспекте, электроакустика, строи­ тельная и архитектурная акустика, в исследованиях проч­ ное место заняли и совершенно новые проблемы: распозна­ вание звуковых образов, акустическая голография, акусто­ оптика, нелинейная акустика, квантовая акустика, молеку­ лярная и прикладная ультраакустика, акустика океана, геоакустика, аэротермоакустика, акустика эхолоцирующих животных, воздействие шумов и вибраций на человека,

104

медицинская акустика и т. и. То же самое наблюдается и в оптике. Уже давно научные конференции посвящаются только отдельным ее разделам, так как специалисты в одних областях этой частп физики оказываются незнако­ мыми с узкими вопросами, относящимися к другим ее раз­ делам.

Я ие случайно говорю одновременно об акустике и оп­ тике. Дело в том, что настоящая книга посвящена не про­ сто звуку (акустике), но и его оптическому представлению, оптическим методам его анализа, вместе с тем она касает­ ся более тонких вопросов — связи звука и света. Какие же это вопросы?

Заметим, что У. Кок не дает определения понятию, ко­ торое он вынес в название своей книги. Понятие «види­ мый» обычно ассоциируется с предметом, информацию о котором переносит свет, либо излучаемый атомами этого предмета, либо отражаемый или пропускаемый ими.

Звук, так же как и свет, может излучаться предметом, отражаться от него, проходить сквозь предмет с различ­ ной степенью поглощения и создавать звуковые изображе­ ния предмета. Видимый звук в этом случае — это воспро­ изведенное в свете звуковое изображение предмета. Проб­ лема визуализации звукового изображения имеет чрезвы­ чайно важное практическое значение, так как звук может хорошо распространяться в тех средах, в которых свет либо совсем не распространяется, либо поглощается или рассе­ ивается настолько быстро, что не успевает донести изобра­ жение предмета до зрителя или приемника светового изо­ бражения.

Получение видимого изображения предмета путем ви­ зуализации электромагнитного излучения, более длинно­ волнового, чем видимый свет (например, радиоволны), или более коротковолнового (например, рентгеновские лучи), по тем или иным причинам часто также оказывает­ ся невозможным или непригодным. В таких случаях вы­ ручает визуализация звукового изображения.

Итак, одна сторона взаимосвязи звука и света заклю­ чается в визуализации звуковых изображений предметов, а другая — в визуализации явлений, связанных с распро­ странением звука. Визуализация распространения звука позволяет хорошо иллюстрировать и представлять в виде моделей волновые процессы, характерные и для звука, и для оптических явлений. Речь идет не только о явлениях

105

интерференции и дифракции воли, о которых говорится в настоящей книге, но и об изучении иа соответствующих моделях особенностей распространения как звуковых, так и радио- и световых воли с учетом этих явлений в иссле­ дуемых ситуациях.

Практическое применение визуализации явлений, свя­ занных с распространением звука, для изучения самого звука п его источников хорошо показано в книге. Однако зачем моделировать распространение света и изучать его на особенностях распространения звука, если свет непо­ средственно воздействует па наши органы зрения и позво­ ляет судить о некоторых его характеристиках? Дело в том,

высоких частот световых колебаний (соответственно приб­ лизительно от 7,5* ІО14 до 4 -10м Гц) как глаз, так п другие приемники света способны регистрировать лишь интенсив­ ность света, но не фиксируют мгновенную структуру вол­ нового поля. В то же время косвенным путем, с помощью явления интерференции, можно получить картину свето­ вого волнового фронта и даже восстановить его в отсутст­ вие предмета, под воздействием которого возник этот фронт. В таких случаях используют голографический метод записи и восстановления волнового фронта.

При исследовании звука мы имеем дело с частотами, намного меньшими, чем световые: от десятков до тысяч герц для слышимого звука п до единиц и десятков гигагерц в ультразвуковой области. Для таких частот имеются при­ емники, способные записать характеристики звука за ин­ тервал времени, составляющий долю периода, и, следова­ тельно, зарегистрировать в данной точке как фазу, так и амплитуду звз'ковой волны. Но наряду с непосредственной записью в акустике, как и в оптической голографии, для записи фронта звуковой волны пользуются явлением ин­ терференции. Благодаря некоторым особенностям взаимо­ действия световых и звуковых волн восстанавливать вол­ новой фронт можно не только с помощью звуковой волны, но и с помощью света. Это взаимодействие представляет собой третье направление в проблеме связи между звуком и светом. Можно сказать, что уже сформировалось новое направление, которое рассматривает механизм и особенно­ сти такого взаимодействия, — акустооптика. Практическую важность этого направления мы покажем ниже.

106

Возвращаясь же к книге, заметим, что У. Кок наиболее подробно излагает вопросы визуализации процессов рас­ пространения звука (главы II—IV) и анализа звуков с по­ мощью спектрограмм и более сложных картин, отражаю­ щих характеристики звука. Интересны главы о структуре речи (глава V) и структуре музыкальных фраз (глава VI). В известной степени продолжением этих глав служит гла­ ва VII, в которой даются иллюстрации звуков механизмов и различных морских шумов (штормовых ветров, голосов морских животных, шума винта и т. и.). Однако эта глава представляется наименее удачной: в ней несколько беспо­ рядочно собраны самые разные вопросы, относящиеся к методологии анализа и визуализации звуков и к их иллю­ страции. Такая важная проблема, как визуализация звуко­ вых изображений, лишь затронута, а проблема взаимодей­ ствия звука со светом практически не рассматривается. Однако без рассмотрения этих проблем картина визуали­ зации звуков оказывается неполной.

Остановимся коротко на этих двух проблемах.

Чтобы звуковые изображения сделать видимыми, не­ обходимо прямо или косвенно с помощью звука промодулировать световой пучок. В самом общем случае при такой модуляции волновой фронт светового пучка должен иметь распределение амплитуд и фаз, соответствующее (но, оче­ видно, не тождественное) распределению амплитуд и фаз в звуковом изображении. Наиболее часто (практически во всех случаях, за исключением акустической голографии) производится модуляция с помощью звукового изображе­ ния распределения интенсивностей светового пучка (кото­ рое, как известно, соответствует распределению квадратов амплитуд световых колебаний).

Прямая визуализация звуковых изображений, очевид­ но, может быть осуществлена только в результате непо­ средственного взаимодействия звука со светом. Такое вза­ имодействие носит сложный характер, поэтому на пути осуществления прямой визуализации встречаются значи­ тельные трудности. К достоинствам этого метода следует отнести возможность видеть звуковые изображения в те же моменты времени, в какие они возникают, иными словами, в реальном масштабе времени.

Непрямая визуализация звукового изображения явля­ ется процессом многоступенчатым и осуществляется с не­ которым запаздыванием к моментам образования звуково­

107

го изображения. В этом случае, пользуясь действием зву­ ковых волн (механическим, химическим, тепловым и т. д.), можно записать звуковые изображения в виде распределе­

теристик. Последние могут быть в свою очередь преобразо­ ваны в распределение оптических свойств, с помощью которого может быть получено видимое звуковое изобра­ жение.

Техника визуализации звуковых изображений к на­ стоящему времени достигла сравнительно высокого уровня, хотя и сейчас еще содержит немало нерешенных проблем. Основные ее идеи еще в 30-е годы были сформулированы как советскими учеными (С. Я. Соколов с сотрудниками и др.), так и учеными других стран.

Необходимым этапом развития средств визуализации звуковых изображений явились успехи в области ультра­ звука, чему в немалой степени способствовали работы со­ ветских ученых И. Г. Михайлова, Л. Д. Розенберга и др. Ультразвуковые колебания отличаются от слышимых лишь более высокими частотами — свыше 10—15 кГц. Формиро­ вание звукового изображения с помощью ультразвука по­ зволяет получать более четкое изображение; благодаря короткой длине волн значительно лучше передаются грани­ цы предметов и мелкие детали. Было бы удобным во мно­ гих отношениях, если бы длина волны звуковых колебаний была близка к длине световой волны. Поскольку скорость звука значительно меньше скорости света (всего 332 м/с

ввоздухе и несколько тысяч метров в секунду в жидких

итвердых телах), длину волны звука, равную длине вол­

ны света, можно получить лишь при значительно меньших частотах, чем световые. Так, например, длину звуковых волн в воде, равную длине волны зеленого света, можно достичь при частоте 3 - ІО9 Гц. Следует отметить, что эта частота в жидкостях является максимальной (в твердых телах около 1011 Гц), при этом поглощение звуковых волн столь велико, что о звуковом изображении говорить не приходится. Что же касается частот ІО7—10s Гц, то эта область, в которой длины волн измеряются десятыми и со­ тыми долями миллиметра, является достаточно доступной для формирования звукового изображения.

До 60-х годов развитие техники визуализации звуковых

108