книги из ГПНТБ / Кок У.Е. Видимый звук

Р II с. 19. Профиль распределения амплитуд звуковых воли за диском, в области «тенп».

Отчетливо виден ярко выраженный центральный лепесток.

Рэлей описал методы такого рода наблюдений для высоко­ частотных звуковых воли, которые проводились с помощью звукового детектора (чувствительного пламени газа или слуховой резиновой трубки). По поводу дифракционной картины от диска Рэлей писал: «...хотя она и не ограниче­ на математической точкой на осп, но имеет небольшие раз­ меры», — и далее: «Непосредственно вблизи централь­ ного пятна имеется кольцо почти полного молчания, а за ним снова наблюдается некоторое усиление эффекта»1.

Картина звукового поля, существующего в области тенп, отбрасываемой непрозрачным диском, показана на рис. 19. Она получена с помощью описанной в предыдущей главе установки. На фотографии отчетливо видно светлое пятно, но ответа на вопрос, почему оно возникло, мы не получаем.

Дополнительная информация, содержащаяся в видимой картине движения волн в области тенп, помогает нам более глубоко проникнуть в сущность рассматриваемого явле­ ния. Картина распространения звуковых волн, прошедших возле края непрозрачного тела, в области тени показана

1 Д. Р э л е й , Теория звука, т. 11, М.— Л., 1944, стр. 147.

29

Рис. 20. Дифракция звуковых волн па ребре прямоугольного бруска.

Поступающие слева плоские звуковые волны в верхней части не преторпевагот никаких искажений. Ниже, в теневой области, слабо видны кру­ говые фронты, вызванные дифракцией волн на краю предмета, создаю­ щего «тень».

на рис. 20. Край бруска служит как бы источником волн. Фронт волн, отклоненных им в область акустической тени, имеет цилиндрическую форму. Выше бруска, как это вид­ но на фотографии, плоские звуковые волны проходят бес­ препятственно (система белых вертикальных параллель­ ных полос). Интенсивность же цилиндрических волн на­ много слабее. Общая ось фронтов этих волн находится на краю бруска.

На рис. 21 показана волновая картина звука позади непрозрачного диска. Как и на рис. 20, здесь отчетливо видны круговые фронты воли, испущенных верхней и нижней частями диска. Верхняя и ипжняя части диска являются как бы новыми источниками звука — они порож­ дают два набора волн, которые интерферируют между со­ бой в области тени. В действительности же роль источника звука играет каждая точка по краю диска, а поскольку все эти точки находятся на одинаковом расстоянии от цент­ ральной оси, то становится попятным, почему в этой облас­ ти происходит концентрация энергии и почему в области тени на рис. 19 образуется белое пятно. Светлый централь-

30

Рис. 21. Картина звукового поля позади непрозрачного диска.

Звуковые волны, дифрагировавшие на диске, комбинируясь друг с другом, создают в области тени интерференционную картину. Центральный пучок (центральный лепесток на рис. 19) на этом рисунке представляет собой систему параллельных волновых фронтов.

ный конус окружен «кольцом тишины» (две темные поло­ сы, примыкающие сверху и снизу к конусу), которое в свою очередь окружено светлой областью, где снова сосре­ доточена звуковая энергия. Такое чередование повторяется несколько раз. В процессе сканирования мы можем обна­ ружить лишь верхнюю и нижнюю части следующего кони­ ческого объема (вторые светлые области на фотографии). Однако из круговой симметрии нетрудно заключить, что существует полный кольцевой конический объем, где со­ средоточена энергия звуковых волн. Фазы этих волн про­ тивоположны фазам волн в центральной зоне. Действитель­ но, гребни волн (белые области) ближайшего к централь­ ному лучу пучка лежат как раз напротив впадин (черные области) центрального луча.

Но чтобы перейти от области положительных к области отрицательных фаз, мы, естественно, должны пройти об­ ласть нулевой фазы. На рис. 21 эта область изображена двумя темными полосами, непосредственно примыкающи­ ми к центральному светлому конусу. Этот «конус тишины» соответствует рэлеевскому «кольцу тишины», окружаю-

31

щему светлое центральное нятнышко. В областях отрица­ тельных фаз снова наблюдается усиление звука.

Метод визуализации позволяет глубже понять и пре­ ломление (рефракцию) волы. Простейшие виды преломле­ ния волн мы наблюдаем в оптике при прохождении пучка света через стеклянную призму. Параллельные фронты волн, движущихся в одном направлении, после выхода из призмы меняют направление своего распространения. По­ скольку скорость света в стекле меньше, чем в воздухе, то световые волпы, прошедшие через широкие участки приз­ мы, отстают от волн, прошедших через ее более узкие участки. Для объяснения процесса преломления света час­ то прибегают к сравнению его с шеренгой марширующих солдат: если на одном конце шеренги солдаты идут более медленно, чем на другом, то они неминуемо отстанут.

На рис. 22 показано отклонение звуковых воли акусти­ ческой призмой. Эта призма сделана из отстоящих друг от друга металлических полос, которые уменьшают скорость проходящего сквозь нее звука. Источником звука является маленький рупор, который виден слева. Акустическая лин­ за, изготовленная тоже из металлических полос, концент­ рирует звук, подобно тому как оптическая линза концент­ рирует свет. Без нее пучок звуковых волн был бы горизон-

32

Рис. 23. Фронты отклоненных звуковых волн, представленных

на рис. 22.

тальиым. Призма же отклоняет горизонтальный звуковой пучок вниз. Фронты звуковых волн, выходящих из призмы, отчетливо показывают, как пучок меняет направление своего движения (рпс. 23).

Преломляющие свойства призмы можно использовать для объяснения того, как линза фокусирует волны. Фоку­ сировка воли по существу представляет собой тот же про­ цесс преломления, поскольку линза, меняя скорость волн, изменяет направление волнового фронта. На рпс. 24 пока­ заны сферические звуковые волны, исходящие из рупора. Проходя через линзу (она лучше видна на рис. 22), звуко­ вые волны меняют свое направление н выпуклость фронта волн: до линзы выпуклость фронта волн обращена вправо, после линзы — влево. Линза имеет выпуклую с обеих сто­ рон форму, а потому верхнюю ее половину в поперечном сечении можно рассматривать как призму (типа призмы, показанной на рис. 23), отклоняющую падающий на нее пучок волн вниз, а нижнюю — как призму, отклоняющую пучок волн вверх. Эффекты преломления волн отчетливо видны на рис. 24: расходящиеся от источника сферические

Р п с. 24. Картина прохождении сферических звуковых волн через акустическую линзу.

Выпуклая поверхность акустической линзы, в которой фазовая скорость 1 меньше, чем в свободном пространстве, вызывает отставание фаз звуковых волн, приводящее к их отклонению и фокусировке.

звуковые волны после преломления в лннзе стали сходя­ щимися, ито и привело к концентрации звуковой энергии в фокусе линзы. На волны, которые проходят выше линзы, она не оказывает действия, поэтому эти волпы направле­ ния своего движения не меняют.

Преломляющие свойства акустических линз и призм, изготовленных из металлических полос, основаны на за­ держивающем действии их элементов, которые уменьшают скорость воли. Аналогичное уменьшение скорости вызы­ вает решетка дисков. Акустическая линза такого типа изображена на рис. 25. Она имеет выпуклость, а потому копцентрирует звуковые волны в фокусе (рис. 26). Для1

1 Фазовой скоростью пазывается скорость распространения фронта волны (поверхности равных фаз). Кроме того, существует понятие групповой скорости, введенное Рэлеем для случая рас­ пространения немонохроматнческой волны в такой среде, где ско­ рость распространения составляющих волны зависит от пх частот (дрслерспя воли). Для среды, в которой волпы любой частоты распространяются с одипаковой скоростью, значения групповой и фазовой скоростей совпадают,— Прим. ред.

34

звуковых волн каждый ряд дисков этой линзы эквивален­ тен выделенному стеклянному или диэлектрическому стержню в линзе, фокусирующей свет или электромагнит­ ные волны. Известно, что диэлектрические стержни воз­ действуют на сверхкороткие электромагнптые волны (микроволны), в результате чего микроволны распростра­ няются в строго определенном направлении, причем чем длиннее стержень, тем лучше направленность микроволн. Существует теория, согласно которой человеческий глаз аналогичным образом воспринимает падающий свет.

Подобным образом воздействует на звуковые волны акустическая линза, составленная из дисковых «стержней»

Р п с. 26. Картина прохождения зпуковых волн через устройство, изображенное па рис. 25.

Падающие слева звуковые волны после прохождения через системы линз фокусируются (светлая полоса).

г

Рис . 27. Стержень, составленный из набора дисков (один из рядов системы, представленной па рис. 25).

Вставленный в маленький рупор, он действует как направленный излуча­ тель звуковых волн, причем пучок волн исходит с конца излучателя.

Рис. 28. Картина звуковых волп, коллимированных излучатолем, изображенным па рис. 27.

Р ис. 29. Картнпа фронтов звуковых волп. распространяющихся вдоль стержня.

Набор дисков уменьшает фазовую скорость волн, движущихся «близи дисков, в результате чего сферические звуковые волны превращаются в плоские, Такой стержень обеспечивает направленность излучения волн, исходящих из рупора с большой апертурой. Если убрать стержень, то получится картина ввуковых волн, расходящихся кругами.

37

Р п с. 30. Амплитудная картина звуковых воли вблизи длппного стержня, составленного из дисков.

(рис. 25). Такой дисковый стержень, помещенный в рас­ трубе рупора радиатора (рпс. 27), формирует направлен­ ный пучок звуковых волн, исходящих из конца стержня

звуковые волны будут иметь круговой фронт и малую направленность (рис. 24). Скорость волн в окрестности дискового стержня, как и в случае с линзой, представлен­ ной на рис. 25, уменьшается, в связи с чем фронты волн становятся скорее плоскими, нежели искривленными. Вся звуковая энергия оказывается сконцентрированной в го­ ризонтальном направлении.

На рис. 30 показан профиль распределения амплитуд волн в окрестности длинного дискового стержня, далеко выходящего из рупора. Из фотографии видно, что слева созданы однородные условия для распространения волн, справа же из-за отражения на конце стрежня возникают неоднородности, которые и нарушают равномерность рас­ пределения энергии в пучке волн.

Если дисковый стержень согнуть в дугу, как это пока­ зано на рис. 31, то все равно большая часть энергии будет сосредоточена в окрестности «волновода» (стержня), сры­ ваясь затем с его конца (светлая область справа). Белая полоека, которая видна в правом нижием углу, свидетель­ ствует о том, что часть звуковой энергии распространяется вдоль линии, являющейся продолжением прямолинейного участка стержня в его начальной части (на фотографии — слева).

38