Книга звука. Научная одиссея в страну акустических чудес

Инженеры из Брэдфортского университета в Англии использовали свойство туннелей передавать звук на большие расстояния для поиска места закупорки канализационных труб. В трубу посылается звуковой сигнал, а микрофон улавливает эхо. Время задержки эха указывает на расстояние до «пробки», а акустические характеристики отражения свидетельствуют о размере и типе препятствия.

Одна из причин впечатляющей акустики большинства туннелей заключатся в том, что в них звук может распространяться на необычайно большое расстояние. Если вы с кем-то беседуете на открытой местности, то чем дальше вы стоите друг от друга, тем тише голос собеседника. Представьте, как надувается воздушный шарик: по мере увеличения объема резина становится тоньше, распределяясь на бо́льшую поверхность. Удаление от источника звука на открытом воздухе аналогично пребыванию на поверхности воздушного шарика: подобно растягивающейся резине, энергия распределяется более тонким слоем и звук становится тише. Но в туннеле акустическая волна распространяется по поперечному сечению трубы, которое не меняется по мере удаления от источника звука. Энергия теряется только при поглощении звука стенами. Если стены облицованы твердым материалом – плиткой, кирпичом или бетоном, – звук может распространяться на огромные расстояния.

Желая узнать, почему в туннеле в Гринвиче мой голос приобретает металлический оттенок, я нашел еще одно подобное место – там эффект был выражен еще сильнее. В лондонском Музее науки есть интерактивная галерея, где дети шумно наслаждаются чудесами науки. По дальней стене проходит труба длиной 30 метров и диаметром около 30 сантиметров. «Похоже на артиллерийскую канонаду», – делится впечатлениями маленький мальчик, прежде чем я приступаю к эксперименту. Довольно точное описание. Хлопок в ладоши звучит как нечто среднее между ударом по металлическому листу и выстрелом лазерной пушки из научно-фантастического фильма.

Можно предположить, что характер звука определяется материалом трубы. Однако, хотя труба металлическая, материал практически не влияет на тот факт, что мой голос становится похожим на голос робота. Труба могла быть изготовлена из любого материала – бетона, металла, пластика, – и все равно звук приобретал бы в ней металлический оттенок, как в туннеле в Гринвиче. Все дело в геометрии, поскольку вибрирует воздух в трубе, а не ее стенки. То же самое происходит в музыкальных инструментах. В юности я учился играть на кларнете, и низкие ноты, извлекаемые из этого инструмента, часто описывались как явно «деревянные». Это наводит на мысль, что причиной тому – трубка из черного дерева. Но мой коллега Марк Эвис однажды играл на латунном кларнете и обратил внимание на его глубокий «деревянный» звук. Великий джазовый музыкант Чарли Паркер известен тем, что для некоторых композиций использовал пластиковый саксофон и при этом характерное для музыканта звучание оставалось прежним[246].

Аналогичным образом, «медный» звук трубы или тромбона зачастую неверно приписывают металлу, из которого изготовлены эти инструменты. Некоторые старинные духовые инструменты, например корнет, изготавливались из дерева, но имели «медное» звучание. Музыкальный инструмент генерирует много разных частот одновременно – они называются гармониками и придают звуку характерную окраску. Когда гобой издает настроечную ноту для оркестра – концертное ля с частотой 440 Гц, – одновременно звучат и частоты 880, 1320 и 1760 Гц. Эти гармоники кратны основной частоте, а их громкость зависит от геометрии инструмента. Громкий звук тромбона может создавать внутри трубки ударную волну, подобную звуковому хлопку и генерирующую множество высоких частот. «Медный» звук ассоциируется с музыкальными нотами, у которых очень сильные высокие частоты.

Труба в Музее науки имела небольшое количество сильных гармоник, и они не были просто кратными основной частоте. Звучание музыкальных инструментов приятно для слуха, потому что они сконструированы так, чтобы их гармоники были распределены в определенном порядке. Большие куски металла обычно излучают неупорядоченные частоты и поэтому неблагозвучны. Труба с ее диссонирующими частотами придает голосу металлическую окраску. Другая особенность, определяющая звук музыкального инструмента, – это начало и окончание ноты. Металлическая пластина может издавать приятный звук, не умолкающий долгое время. Точно так же вел себя воздух в трубе Музея науки, – казалось, грохот никогда не утихнет.