Занимательное волноведение. Волнения и колебания вокруг нас

Всю ночь стерегли мы дыханье у ней…
Недвижно лежала она;
В груди колебалась слабей и слабей
Последняя жизни волна.
......
Туманное утро настало для нас,
Сырая чуть дрогнула тень;
А очи усопшего друга, смежась,
Сияющий видели день

.^{35}

ВТОРАЯ ВОЛНА, КОТОРАЯ НАПОЛНЯЕТ НАШ МИР МУЗЫКОЙ

Как сказал поэт Оливер Уэнделл Холмс-старший:

Что фраза, правда или ложь, —
Всего лишь волн воздушных дрожь»^{36}

.[16]

Произнесенное слово, и вообще любой звук, является слышимой акустической волной. Я подчеркиваю: «слышимой», потому что большинство акустических волн, как это ни парадоксально, не слышны.

Вообще «акустической» можно назвать абсолютно любую волну, которая через что-то проходит, — неважно, твердое это «что-то», жидкое или газообразное — благодаря тому, что это самое «что-то» сжимается и расширяется. Акустические волны отличаются от волн на поверхности воды довольно сильно. Когда приближается гребень акустической волны, вещество, через которое волна проходит, сжимается — возникает область повышенного давления, или плотности. Когда приближается подошва акустической волны, вещество, через которое волна проходит, наоборот, расширяется — возникает область пониженного давления или разрежения, то есть вещество становится не таким плотным, как до этого. Другими словами, среда не поднимается и опускается, как это происходит во время распространения волн через морскую воду, а лишь смещается взад-вперед. Поэтому акустические волны принадлежат к типу продольных волн. Физические движения среды напоминают волнообразные мышечные движения дождевого червя, который вытягивается и сжимается, медленно продвигаясь в почве.

Так в чем же разница между акустическими волнами, которые мы слышим, и акустическими волнами, которые мы не слышим? Дело в том, что слышим мы эти волны только тогда, когда наших ушей достигает целый ряд акустических волн. Иными словами, волна должна быть периодической. Единичное колебание атмосферного давления — одинокий гребень продольной волны — как звук не воспринимается.[17] Но есть еще одно необходимое условие, которое должно быть соблюдено, чтобы акустическую волну было слышно — волна должна колебаться с определенной частотой. Проходящая через воздух в наших ушах волна давления должна заставить барабанные перепонки колебаться с частотой от 20 до 20 000 колебаний в секунду — только тогда звук можно услышать. Колебания медленные, низкочастотные воспринимаются нами как низкие звуки; колебания быстрые, высокочастотные — как высокие. За пределами этого диапазона можете говорить хоть до посинения, только вас никто не услышит.

Нам доступна лишь малая часть всех акустических волн — большую часть последовательностей из сжатий и разрежений наше ухо не воспринимает. Близки к человеческому слуховому порогу низкие инфразвуковые частоты, на которых общаются слоны, находясь далеко друг от друга, а также высокие ультразвуковые частоты, которые используют летучие мыши и дельфины при ориентировании с помощью эхолокации. Эти акустические волны, хотя и вызывают колебания наших барабанных перепонок, ничего для нас не значат.

Например, вы машете рукой кому-то на прощание; хотя ваша рука при этом ни единого звука не издает, акустические волны она порождает. Движения руки вызывают сжатие и разрежение воздуха. Эти локальные перепады атмосферного давления распространяются вовне как акустические волны. Звуковыми мы их не называем — ведь взмахи нам не слышны. Сей факт сыграл роковую роль в судьбе одного бедняги из стихотворения поэтессы Стиви Смит: тонущий посреди прибойных волн безуспешно пытается привлечь к себе внимание загорающих на пляже:

Умершего уже не слышал никто,
а он жив еще был.
Я был гораздо дальше, чем казалось тогда,
и тонул, а не плыл^{37}

.[18]

Вы можете подумать: взмахи рукой не слышны, потому что не так уж сильно меняют атмосферное давление, чтобы барабанные перепонки колебания уловили. Но наши барабанные перепонки — штука довольно чувствительная. И если в наружный слуховой канал попадают вызванные перепадами атмосферного давления колебания с определенной частотой, мы слышим их как звук. Даже если перепады эти — вверх-вниз — составляют не больше 0,01%. На самом деле причина «немоты» руки, которой вы машете — вовсе не в объемах сжимающегося и разрежающегося воздуха, а в скорости распространения перепадов давления. Их не слышно только лишь потому, что вы недостаточно быстро машете.