СРАВНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ И АКУСТИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ
Начальные курсы физики более подробно рассматривают оптические процессы, нежели акустические, и последние легче понять на световых или изобразительных примерах. Оптические явления визуализированы, поэтому удобнее наблюдаются, воспринимаются и поддаются анализу, чем явления акустические.
Нет необходимости вдаваться в количественные подробности приводимых аналогий и рассматривать каждый феномен в мельчайших подробностях— предполагается, что читатель ещё со школьной скамьи знаком с предметами, о которых пойдёт речь.
Согласно теории И. Ньютона, источник света даёт поток светящихся частиц — корпускул.
Источник звука, по Д. Рэлею, вызывает колебания частиц окружающей среды.
И свет, и звук распространяются, как волны: световые или звуковые потоки, порождённые разными источниками, при пересечении не мешают друг другу. Каждая точка пространства, которую настигла волна, становится сама источником излучения света или звука. При распространии волн их энергия постепенно уменьшается, поглощаясь окружающей средой.
Рассматривая распространение волн, мы говорим о так называемом их фронте или волновой поверхности, все точки которой колеблются абсолютно согласованно. Формы фронта звуковых волн бывают сферическими, плоскими, комбинированными (например, цилиндрическими). Фронт световой волны, преимущественно, сферический. Конкретное направление распространения называется лучом (световым или звуковым). В нём концентрируется максимальная энергия излучения. Подобным образом можно провести аналогию между рассеянным светом и диффузным звуком, когда соответствующие источники достаточно удалены от наблюдателя (слушателя), или действие направленного излучения ослаблено какими-нибудь преградами.
Согласно физике, точечный источник света, излучающий сферическую волну, является ненаправленным; также ненап-равленным оказывается точечный источник звука. Созданная из большого числа прожекторов освещающая площадка создаёт плоскую, направленную волну. Аналогично, плоскую звуковую волну излучает акустический источник больших размеров. Надо заметить, что актуальным здесь, в особенности для звука, является соотношение размеров излучателя и длины волны излучения.
Так называемые монохроматические источники света имеют строго одну длину волны. Им аналогичны однотон-
ные акустические сигналы, источником которых может быть, к примеру, камертон.
Но ни звук, ни свет, на практике не являются монохроматическими, а представляют спектры волн различной длины. В оптическом случае это соответствует излучениям смешанных цветов (в видимой области — красного, оранжевого, жёлтого, зелёного, голубого, синего и фиолетового). В акустике наблюдаются смешанные звуки разных высотных регистров, а по объективному определению — суммы звуковых колебаний с разными частотами, амплитудами и начальными фазами.
При сложном спектральном составе низкочастотные составляющие, длина которых превышает размеры источника, рождают сферическую волну, тогда как высокочастотные компоненты могут создавать плоскую волну.
Более короткие звуковые волны сильнее поглощаются средой распространения, чем длинные. Синий свет быстрее теряется (рассеивается), чем красный.
Волновая природа света и звука являет много взаимоподобных физических эффектов.
Всем известен ещё со школьной скамьи закон отражения света, вполне применимый и к акустике: угол падения волны по отношению к перпендикуляру, восстановленному из отражающей поверхности в точке падения, равен углу отражения. Криволинейные отражающие поверхности, как в оптике, так и в акустике, применяются для рассеивания или фокусировки волн.
Интерференция световых волн проявляется при сложении пар когерентных сигналов в различных фазах, что приводит к образованию чередующихся тёмных и светлых участков. Интерференция в звуке подобна оптической; в результате в закрытых помещениях могут образовываться специфические стоячие волны с чередованием участков большого и малого звукового давления.
При сложении реальных звуковых волн может наблюдаться интерференция, относящаяся к отдельным частотным составляющим, если в двух сложных по спектру сигналах имеется пара одинаковых по частоте компонент.
Вблизи отражающей поверхности интерференция приводит к увеличению звукового давления из-за совпадения фаз
падающей и отражённой волн, что используется в технике специфического микрофонного приёма.
Дифракция волн— их способность огибать малые препятствия на пути распространения, в акустике становится ощутимо разнообразной: при неизменных размерах преграды длинные волны больше способны к дифракции, чем короткие, для которых за преградой создаётся так называемая «акустическая тень» (почти оптический термин, не правда ли?). Всем знакомо звучание духового оркестра на соседней улице, когда наиболее отчётливо слышатся звуки большого барабана и тубы.
Дифракция звука, как и дифракция света, наблюдается также при прохождении волн через маленькое отверстие в огромной преграде: в обоих случаях возникает заметная окраска (тембральная или оптическая).
Дисперсия звука не так очевидна, как дисперсия света, визуально разложенного в радугу при прохождении через границы сред с различным оптическим преломлением. Дело в том, что в природе не существует условий, в которых наш слух наблюдал бы подобное акустическое явление. Однако косвенная ситуация возможна: представьте себе отражающую площадку небольших размеров, непосредственно за которой можно слышать преимущественно низкочастотную часть звукового спектра (длинные волны дифрагируют, огибают малое препятствие), в то время как высокочастотные составляющие эффективно отражаются, и хорошо слышны с передней стороны.
На явлении полного внутреннего отражения построены оптические приборы, передающие световой поток на большие расстояния (так называемые световоды). Почти аналогичным образом распространяется звук в длинных трубах.
Акустический процесс в замкнутом помещении (реверберация) — явление уникальное; плавное спадание звуковой энергии можно было бы уподобить гаснущему свету, но такой подход к вопросу, скорее, относится к художественной области, чем к физической.
А вот звуковой резонанс, рассматриваемый обычно как механическое явление, имеет своего оптического сородича: на основе резонанса действует большинство мощных лазеров.
Конечно, с точки зрения академической физики, приведенные аналогии не всегда точны. Однако, они не абсурдны, и как вспомогательное средство для изучения физики звука — очень полезны.