Акустическое сопротивление воды приблизительно в 3600 раз больше акустического сопротивления воздуха. И здесь следует ожидать увеличения звукового давления по сравнению с давлением в воздушной среде. М. А. Исакович в своем курсе акустики указывает на температурные и иные явления, препятствующие удвоению давления во второй среде. То или иное увеличение звукового давления все же наблюдается экспериментально.
Но раз возросло давление, то увеличилась и громкость звука, ибо слуховые аппараты большинства живых существ реагируют именно на величину звукового давления, а, например, не звуковой энергии. Таким образом, дан ответ на одну из частей заголовка главы, хотя можно признать, пожалуй, что ничего особенно удивительного мы пока еще не узрели.
Это удивительное усматривается из сопоставления полученного результата с величиной звуковой энергии, прошедшей во вторую среду. Вторая из приведенных выше формул сразу дает нужный ответ. Пусть звуковое давление увеличится даже в 2 раза, тогда числитель в выражении интенсивности звука возрастет в 4 раза. Но ввиду того что знаменатель одновременно уменьшится в тысячи раз, звуковая энергия во второй среде будет ничтожной. Так, в воду из воздуха проходит лишь малая доля процента энергии падающей волны, а, например, в скалу, в бетонный массив -- и того меньше. Звуковая энергия, таким образом, почти полностью отражается от границы раздела среды с большим акустическим сопротивлением.
Может возникнуть вопрос, почему ныряльщиков не оглушают крики с берега? Их спасают от звуковой перегрузки изолирующие звук воздушные пробки, всегда остающиеся в слуховом проходе погруженного в воду человека. Да и рыбы, не имеющие подобных звукоизоляторов, воспринимают отчетливо лишь звуки в пределах достаточно узкого конуса. При угле падения более 13° происходит полное отражение звука от поверхности воды.
Рассмотрим еще, хотя бы для контраста, что делается на границе рассматриваемой среды с другим параметром колебательного процесса -колебательной скоростью частиц. На это даст ответ средняя часть второй формулы. Поскольку в среду передалась ничтожная часть звуковой энергии, а акустическое сопротивление среды весьма велико, это может быть лишь при ничтожной колебательной скорости, значение которой в правой части формулы входит множителем в выражение акустического сопротивления.
И здесь можно провести аналогию с мечущимся по комнате лектором. При всем желании он не в состоянии раскачать ногой кирпичную стену, то есть колебательная скорость во второй среде близка к нулю.
У любознательного читателя мог бы возникнуть еще вопрос: а что будет наблюдаться при обратном переходе звука -- из среды с весьма большим акустическим сопротивлением в среду с малым акустическим сопротивлением?
На границе среды с большим акустическим сопротивлением звуковое давление почти удваивается (хотя в нее переходит лишь ничтожная часть звуковой энергии). Кричать над поверхностью воды -- верный способ распугать рыб, слуховой аппарат которых, как и у большинства живых существ, реагирует на величину звукового давления.
Можно показать, что и в этом случае перейдет лишь ничтожная часть звуковой энергии, но здесь уже колебательная скорость во второй среде будет близка к удвоенному значению, а звуковое давление в ней близко к нулю. Вот почему до нас не доносится в воздухе звук от удара одного камня о другой (хотя ныряльщик, проделывающий это, сам слышит довольно интенсивный шум, несмотря даже на изолирующие воздушные пробки в ушах),
А что же наш демонстратор, может ли он предложить для этого случая какую-либо "мнемоническую модель"? Если он прикрепит вертикально к ножкам стола лист плотной бумаги (которая в данном случае будет изображать первую среду -- с большим акустическим сопротивлением) и его нога, по-прежнему представляющая звуковую волну, прорвет этот лист, то ясно, что скорость ноги в момент прорыва возрастет, но поскольку за листом нога встречает воздушную среду, не оказывающую никакого сопротивления, то нет и условий для возникновения давления в этой среде.
Вот какие метаморфозы звуковой волны возможны на границах разнородных сред.
КОГДА РЕЗОНАТОР УСИЛИВАЕТ
И КОГДА ОСЛАБЛЯЕТ ЗВУК
Резонанс -- резкое возрастание амплитуд... колебаний, наступающее при приближении частоты... внешнего воздействия к частоте одного из нормальных колебаний, свойственных данной колебательной системе.
Физический словарь
Некто смотрел из укрытия, как два льва вцепились в тело друг друга. На момент он отвернулся и когда вновь взглянул на место боя, то увидел, что противники исчезли: они съели друг друга. На земле виднелись лишь оставшиеся от них хвосты...
Из современной сказки
Кому не известно, что такое резонанс? "Резонанс -- это когда сильно мотает",-- сказал один студент, не подозревая, впрочем, что излагает житейским языком определение физического словаря. Интеллигент с большим читательским стажем уже приведет пример вредных последствий резонанса: "Знаете, почему разрушился Египетский мост в Петербурге? Потому, что воинская часть, проходившая по нему, не сменила команды "в ногу". Произошла усиленная вибрация, и вот..."
Мы, в свою очередь, приведем еще один, менее известный пример последствий резонанса. 2 марта 1905 года утром в день предстоявшего заседания II Государственной думы обвалился потолок в главном зале Таврического дворца. Причина -- работа небольшого электровентилятора на чердаке, включенного для проветривания зала перед заседанием Думы,
Александр Грин, которого знают как автора романтических и приключенческих повествований, был не чужд и жанру сатиры. Через несколько дней после описанного события в одной из столичных газет появилась его "Элегия", написанная в манере стихотворения Лермонтова "Когда волнуется желтеющая нива". Сатира Грина начиналась так:
Когда волнуется краснеющая Дума
И потолок трещит при звуке ветерка...
Концовка тоже созвучна лермонтовским строкам:
...Тогда смиряется души моей тревога;
И затаив мечты о воле и земле,
И истребив морщины на челе,
Сквозь потолок я вижу бога! ...
Это едва ли не единственная стихотворная ода резонансу, хотя и порожденная главным образом политическими причинами.
Но почему же все-таки мост не обрушивается и потолок не трещит в отсутствие резонанса? В простейшей упругоинерционной системе выше или ниже частоты резонанса сопротивления колебательному движению упругого или соответственно инерционного элемента достаточно велики. Лишь на частоте резонанса эти взаимно противодействующие сопротивления таинственным для непосвященного образом "съедают" друг друга (совсем как сказочные львы в эпиграфе), и остается лишь "хвостик" -- сопротивление трения, которое всегда меньше сопротивления упругости и массы. Амплитуда колебаний системы увеличивается во много раз, что и может привести к печальным последствиям.
О явлениях резонанса в механических системах уже говорилось выше. Перейдем к устройству, в котором осуществляется резонанс акустических элементов. Это простейший резонатор Гельмгольца -- сосуд, подобный колбе. Воздушная пробка в горле сосуда является акустическим элементом массы, внутренняя полость резонатора -- элементом упругости. При резонансе увеличиваются колебания воздушной пробки, в такт этому возрастает колебательное давление во внутренней полости резонатора по сравнению с давлением в свободном поле. Звуковую энергию для усиленных колебаний резонатор отбирает из окружающего его звукового поля.