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 те­
ло друг друга. На момент
он отвернулся и когда вновь. •

изглянул на место боя, то i/видел, 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

9* 35

излагает житейским языком определение физическо­го словаря. Интеллигент с большим читательским стажем уже приведет пример вредных последствии 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.

Если к полости резонатора подвести трубку, дру­гой конец которой приложить к уху, то можно убе­диться в усиливающем действии резонатора. Такое устройство применялось для помощи людям с ослаб­ленным слухом. Наборы резонаторов использовались в первых анализаторах звуковых спектров. Каждый из резонаторов был настроен на свою частоту и вы­делял в сложном звуковом спектре соответствующую спектральную составляющую.

Пещера с узким наружным входом тоже служит резонатором. Он усиливает звуки особенно низких частот; туристы и спелеологи знают, как сильно отда­ются удары грома в подобных пещерах.

Впрочем, для осуществления резонанса совсем не обязательно иметь узкий и длинный вход. Резонато­ром может служить любая достаточно глубокая ниша, пусть даже одинакового поперечного сечения. Даль­няя, примыкающая к жесткой стенке часть ее слу­жит упругостью, а объем, граничащий с наружным пространством, — массой. Переход от массы к упру­гости здесь более плавный, чем в колбообразном со­суде.

Любая бутылка, не заполненная жидкостью,— тоже резонатор; убедиться в этом нетрудно. Один современный английский акустик, в частности, рас­смотрел ее резонансные свойства в монографии «Акустика винной бутылки». Несмотря на игривое

название, это — серьезная научная работа, возможно, не столь значительная, как творение великого Кеп­лера «Стереометрия винных бочек», но уже не усту­пающая исследованию почти нашего современника Ч. Бойса «Мыльные пузыри», которое считается клас­сическим.

Итак, резонатор усиливает звук, это совершенно ясно, не правда ли? Однако, как бы это странно ни звучало для некоторых, резонатор прежде всего... поглощает, то есть ослабляет звук. Противоречие здесь кажущееся. Все дело в том, о каком параметре колебательного процесса вести речь. Да, в полости резонатора усиливается в той или иной степени зву­ковое давление. Но при этом в нем всегда поглоща­ется определенная звуковая энергия. В какой-то мере в этом смысле резонатор можно сравнить с электри­ческим трансформатором. Во вторичной обмотке по­вышающего трансформатора увеличивается электри­ческое напряжение по сравнению с напряжением в первичной обмотке. Но в то же время трансформатор,.к сожалению, поглощает часть электрической энер­гии вследствие нагрева обмоток, вихревых токов в сердечнике и т. п.

Электрики стараются, насколько возможно, умень­шить эти потери. То же делали и акустики, соз­давая резонаторы с очень высокой добротностью для выделения отдельных составляющих в спектре анали­зируемого звука. Но вот кому-то пришла в голову идея увеличить поглощение в акустическом резонато­ре с целью ослабления звука вблизи резонатора. Так родилось новое направление в теории и технике зву­копоглощения — резонансное звукопоглощение.

Целый ряд ученых в разных странах отдал ему дань: в СССР —С. Н. Ржевкин, №• С. Анцыферов, В. С. Нестеров и другие, в США —У. Мак Нэйр, в Англии —Е. Пэрис, в Дании — Ф, Ингерслев. Резо­нансное звукопоглощение осуществляется в более или менее узкой области относительно низких частот. Можно расширить ее, применив набор резонаторов, настроенных на различную частоту. Но если потребу­ется ослаблять звук на более высоких частотах, при­дется применить поглотители другого рода, о которых еще будет сказано* ниже,

Как же практически осуществлять устройство ре­зонансного поглощения для ослабления звука в поме­щениях? Неужели вмазывать в стены колбо- или бутылкообразные сосуды? Нет, современная строи­тельная практика нашла более удобные конструкции. На некотором расстоянии от стены или потолка по­мещения устанавливается более или менее тол­стый перфорированный лист. Отверстия в листе играют роль горлышек резонаторов Гельмгольца, а пространство между листом и стенкой — роль по­лостей.

Теперь возникает следующий вопрос: где разме­стить дополнительный звукопоглощающий элемент, увеличивающий потери в резонаторе? В районе гор­лышка резонатора колебательная скорость частиц сре­ды наибольшая и, следовательно, наибольшими будут потери на трение. Здесь и помещают слой волокни­стого материала или толстой ткани, который с успе­хом выполняет функцию поглотителя звука.

Такими или подобными системами резонацсного поглощения можно оборудовать стены или * потолки помещений. Вместо перфорированных панелей иногда устанавливают наборы вертикальных реек с зазором относительно друг друга. Получается так называ­емый щелевой резонансный поглотитель, которому можно придать очень красивый вид, соответствующий современным архитектурным тенденциям.

Известно, что для хорошего восприятия музыки и речи зал должен иметь ту или иную степень гул­кости; акустики в этом случае говорят о «времени реверберации помещения». Время реверберации мож­но менять, устанавливая дополнительные звукопогло-тители, в том числе резонансные.

Сам зал, собственно, это тоже резонатор. Но, в отличие от резонирующих сосудов, у него много соб­ственных частот. Чаще требуется, как только что сказано, заглушать колебания на этих частотах, но иногда зал сам по себе оказывается заглушенным в той или иной области частот; для более полного зву­чания музыки, вокальной речи требуется выделить эти области частот. Встает вопрос о «поддерживае­мом» резонансе зала. Такой поддерживаемым с -' помощью электроакустической аппаратуры резонанс

Когда резонатор усиливает звук (рисунки слева) и когда погло­щает (рисунок справа).

осуществлен, например, в зале Ройял Фестиваль Холл • в Лондоне.

Колбообразные сосуды, различные ниши и впади­ны, даже, наконец, целые помещения,— все это как-то еще сообразуется с представлением о резо­нансных системах. Но есть резонаторы и там, где трудно это предположить. Что бы вы сказали о. пузырьке воздуха или газа в жидкости, например, в стакане с нарзаном? Немецкий акустик Э. Мейер,-/ первый лауреат золотой медали имени великого фи­зика Рэлея, открыл это еще в 30—4€-е годы. Упру­гим элементом в резонирующем пузырьке служит объем газа, а инерционным— масса воды, участвую­щая ^Ув колебаниях внешней поверхности пузырька. Принимая в 1971 году от Английского акустического общества медаль имени Рэлея, Мейер в ответной речи сообщил, что звукопоглощающие пузырьки в жидкости, делающие «глухим» звеневший до этого хрустальный бокал с шипучим шампанским, подсказа-

,'т гму идею подводного звукопоглотителя из слоя iii.it (массы с -внутренними воздушными полостями. ('и иг преминул отметить, что подобный гидроакусти-*irt кий:шукопоглотитель, названный им «Альбери-'"м ••, использовался на гитлеровских подводных.инках для защиты от обнаружения их гидролокато­рами союзников.

В последнее время румынский ученый Грумезэску мппго занимался вопросами взаимодействия резони­рующих систем со звуковым полем. Плодом работ I румсзэску явился прочитанный им на одном из по-• н'дних конгрессов по акустике пространный доклад, itiнишие которого мы почти дословно повторили в ^полевке этого раздела. Из доклада читатель может тать еще и о других интересных примерах усиле­ния и поглощения звука различными резонаторами.

что взять

ДЛЯ ИЗОЛЯЦИИ ЗВУКА: