|
Частотный диапазон органов слуха у
разных людей неодинаков, в особенности у его верхней границы. Не все слышат
писк комара или летучей мыши, трескотню цикад, которым соответствуют частоты
12 000—16 000 герц. Иные могут наслаждаться полной тишиной южного парка, в то
время как другим будет казаться, что парк наполнен трескотней цикад и писком
мошкары. Но в среднем считается, что человек слышит частоты от 15— 16 до 16
000 герц. Этим частотам соотвтествуют длины волн от 21 м до 2,1 см. Раскаты грома имеют длину волны около 21 ж, а комариный писк — около 2 см.
Человеческий голос способен производить звуковые волны
длиной примерно от 4 м до 28 см, считая по основным частотам. Однако звуки
нашего голоса содержат много высших тонов (обертонов), придающих ему
тембровую окраску, благодаря чему мы можем узнавать человека по голосу. Длина
волны обертонов значительно короче основных частот.
Один из наших лучших радиоприемников «Мир» воспроизводит
без большого ослабления звуковые волны от 5,67 м до 5,2 см (60—6 500 герц).
Мы привыкли характеризовать звуковые волны частотой, а не
длиной. Объясняется это действительно только привычкой или же нас принуждают
к этому какие-либо более веские обстоятельства?
Длина звуковой волны зависит от скорости распространения
звука (см. предыдущий раздел), а эта скорость есть величина переменная.
Скорость звука в воздухе зависит от ряда причин: температуры, атмосферного
давления, влажности. Ниже приводится таблица, в которой указаны скорости
распространения звуковых волн в сухом воздухе при нормальном' атмосферном
давлении, а также соответствующая этим скоростям длина звуковой волны.
Из этой таблицы видно, что скорость звука, а вместе с ней
и длина звуковой волны довольно сильно зависят от температуры. В том
интервале температур воздуха, какой фактически наблюдается з условиях нашего
климата, скорость звука изменяется примерно на 15%'. Так как на скорость
звука оказывают влияние не только температура, но и степень влажности воздуха
и величина атмосферного давления (с увеличением влажности и давления скорость
звука увеличивается), фактически возможные изменения длины звуковых волн
будут еще больше.
Из сказанного мбжйо сделать вывод, что если бы МЫ захотели
характеризовать звук длиной волны, то нам пришлось бы специально оговаривать
температуру, влажность и другие условия, без чего нельзя было бы связать
длину волны с каким-нибудь определенным тоном.
В большинстве твердых и жидких тел звук распространяется
значительно быстрее, чем в воздухе. Ниже приводятся скорость звука и длина
звуковых волн в разных средах.
Как видно из таблицы, в резине скорость звуковых волн
примерно в 6 раз меньше, чем в воздухе при обычных температурах, а в стали,
стекле и дереве она примерно в 15 раз больше.
При ознакомлении со всем сказанным о длине и частоте
звуковых волн естественно напрашивается вопрос: не делаем ли мы ошибок и
тогда, когда определяем электромагнитные колебания длиной волны, а не
частотой?
Строю говоря, электромагнитные колебания тоже правильнее
определять частотой, а не длиной волны. Нас спасает от ошибок лишь то, что
скорость распространения электромагнитных колебаний в пустоте и воздухе
практически одинакова и не зависит от температуры, давления и других причин.
Но если бы нам пришлось иметь дело с распространением электромагнитных волн в
другой среде, где скорость их отличается на заметную величину, то
пользоваться длиной волны уже было бы неудобно, так как длины; волн не
соответствовали бы привычным нам частотам.
Приведем один пример. Скорость радиоволн в пустоте, как
известно, равна 300 ООО км в секунду (точнее по последним данным 299 776 км в секунду), а в воде — в 9 раз меньше. Частоте 1 ООО килогерц в пустоте и воздухе
соответствует длина волны 300 м, а в воде — 33 м. Как видим, разница весьма существенная.
Очень немногие живые существа, населяющие нашу планету,
могут похвастать тем, что они упоминаются в радиотехнической литературе. К
ним принадлежит, например, летучая мышь—живой прообраз локационной станции. К
ним относится и комар.
Чем же знаменит комар?
Комары прославились своим писком. Писк комара по высоте
своего тона и силе звука лежит на пределе воспришшаемых человеческим ухом
частот и уровней громкости. Поэтому комариный писк часто начинает или
замыкает собой акустические таблицы и используется для популярных
акустических сравнений и примеров.
Какими же цифрами характеризуется писк комара?
Звук, который мы называем комариным писком, порождается
крыльями летящего комара. Его частота колеблется в пределах примерно 12—16
килогерц. Эти частоты предельны для человеческого уха. Их слышат не все. В
детские годы человек слышит более высокие частоты, чем в зрелом возрасте.
Поэтому даже в лучших, наиболее высококачественных акустических устройствах
не добиваются воспроизведения звуковых частот выше 12—15 килогерц.
Но ведь наше ухо воспринимает далеко не всю збуко вую
энергию, излучаемую комаром, а лишь крайне малую ее часть. Эксперименты
показывают, что человек с хорошим слухом слышит писк комара на расстоянии
двух метров. Порождаемая комаром звуковая мощность распределяется при этом на
сфере радиусом 2 м, площадь которой равна примерно 5-Ю5 см2. Мощность
комариного писка, приходящаяся на 1 см2 поверхности этой сферы (1 см2 —
площадь входных каналов ушей), составляет всего 25 «Ю-16 ватт.
Это порог слышимости на таких частотах.
Интересно отметить, что масса воздуха, приходящая при этом
в колебательное движение, равна примерно 44 кг.
Летучая мышь прославлена в научно-популярной литературе за
свои локационные свойства. Установлено, что ее необычайная способность
уверенно летать в полной темноте объясняется использованием локационных
методов: летучая мышь издает ультразвуки и улавливает их отражение от
препятствий. По времени, прошедшему между посылкой звука и его возвращением,
она судит о расстоянии до препятствия, а при помощи направленного действия
ушей определяет направление на препятствие. В этой способности летучих мышей
можно найти интересную аналогию с одним из недавних завоеваний техники —
радиолокацией. Эта аналогия становится полной при сравнении летучей мыши с
морским ультразвуковым локатором — асдиком.
Каковы же «локационные» данные летучей мыши?
Летучая мышь использует для целей локации ультразвуки
частотой около 50 килогерц, что соответствует длине волны (в воздухе) около 7 мм. Таким образом, применяя радиотехническую терминологию, можно сказать, что локационная станция
летучей мыши работает на волнах миллиметрового диапазона.
В радиотехнике посылаемые локационными станциями сигналы
носят название зондирующих импульсов. Частота посылки «зондирующих импульсов»
летучими мышами неодинакова. Неподвижная мышь посылает в секунду около десяти
ультразвуковых «импульсов». В полете частота посылок увеличивается и зависит
от расстояния до препятствия. В среднем во время полета летучая мышь посылает
ежесекундно около 30 «импульсов», но, обнаружив на пути полета препятствие,
она учащает посылку. На расстоянии около 1 м от препятствця она делает уже около 60 посылок в секунду.
Продолжительность каждой посылки составляет примерно 1
миллисекунду, интервалы между посылками — в среднем 30 миллисекунд. В
зависимости от частоты посылок продолжительность интервалов изменяется.
Скорость звука в воздухе составляет около 340 м в секунду, т. е. расстояние в 1 м звук преодолевает за 3 миллисекунды. При расстоянии до
препятствия 0,5 м отраженный импульс возвратится через 3 миллисекунды.
Следовательно, летучая мышь обладает способностью оценивать отрезки времени в
2—3 миллисекунды.
Ультразвуковые колебания в воздухе затухают
довольно быстро; вследствие этого летучая мышь имеет возможность обнаруживать
препятствия на расстоянии не свыше 20—25 м.
Испытания показали, что летучие мыши воспринимают ультразвуки
частотой до 70 килогерц.
Интересно, что у некоторых ночных насекомых, служащих
пищей летучих мышей, выработалась чувствительность к облучению ультразвуками,
помогающая им спасаться от нападения. При облучении ультразвуками эти
насекомые немедленно обращаются в стремительное бегство. В этом случае тоже
можно усмотреть аналогию с тем радиооборудованием самолетов, кораблей и т.
п., которое дает возможность обнаруживать облучение радиолокационными
сигналами.
Летучая мышь — не единственный живой локатор. Известны и
другие живые существа, излучающие звуковые импульсы и улавливающие их
отражение. К ним относятся, например, рыбка нильский длиннорыл и
южноамериканская птица гвачаро.
|