Есть ещё одна причина неравномерного распространения звука в воздухе. Это — различная температура отдельных его слоёв. В середине жаркого солнечного дня земля сильно нагревается и нагревает ближайшие к ней слои воздуха. Верхние слои оказываются более холодными. А вы уже знаете, что в тёплом воздухе звук распространяется быстрее, чем в холодном. Неодинаково нагретые слои воздуха, подобно ветру, изменяют направление звука. Днём звуковая волна изгибается вверх, потому что скорость звука в нижних более нагретых слоях больше, чем в верхних слоях. Вечером, когда земля, а с ней и близлежащие слои воздуха, быстро остывают, верхние слои становятся теплее нижних, скорость звука в них больше, и линия распространения звуковых волн изгибается вниз. Поэтому по вечерам на ровном месте бывает лучше слышно.
Наблюдая за облаками, часто можно заметить, как на разных высотах они движутся не только с различной скоростью, но иногда и в разных направлениях. Значит, ветер на различной высоте от земли может иметь неодинаковые скорость и направление. Форма звуковой волны в таких слоях будет также изменяться от слоя к слою. Пусть, например, звук идёт против ветра. В этом случае линия распространения звука должна изогнуться и направиться вверх. Но если на её пути встретится слой медленно движущегося воздуха, она вновь изменит своё направление и может снова вернуться на землю. Вот тогда-то на пространстве от места, где волна поднимается в высоту, до места, в котором она возвращается на землю, и возникает «зона молчания» (рис. 13).
Рис. 13. «Зона молчания»
Нетрудно догадаться, что и генерал, и штаб корпуса, и очевидцы сражения из франко-прусской войны все находились в таких беззвучных зонах. Многие из читателей, вероятно, припомнят то же самое из своего опыта, полученного в период Великой Отечественной войны 1941–1945 гг., и могут дать теперь правильное объяснение этому на первый взгляд непонятному явлению.
3. Когда шепчут стены
Если вам приходилось когда-нибудь идти по длинному тёмному коридору, то вы, вероятно, обращали внимание на одно очень любопытное обстоятельство. Приближаясь к концу коридора или к его повороту, вы как бы чувствуете уже на расстоянии стену, преграждающую ваш путь. Кто же предупреждает вас о приближении к преграде? Оказывается, эти предупреждения делает ваш собственный слух. Вспомните, обычно в таких случаях вы стараетесь что-нибудь говорить, покашливать или, шагая, стучать ногами. Прислушиваясь к изменению этих звуков и не вдумываясь в причину явления, вы оцениваете расстояние, отделяющее вас от преграды.
Как это происходит?
Как луч света отражается от зеркала, так и звуковая волна отражается от больших поверхностей, стоящих на её пути. Для того чтобы звук дошёл до стены и, отражённый, возвратился к нам, потребуется некоторое время. Когда отражающая поверхность далеко, время для прохождения звука также сравнительно велико; когда же эта поверхность близка, звук возвращается скорее. Прислушиваясь к этим отражённым звукам, мы и оцениваем расстояние, отделяющее нас от стены или иной преграды. Особенно сильно это чувство развито у слепых. Очень часто слепые люди, впервые приходя в помещение, после нескольких произнесённых фраз довольно точно определяют его размеры на слух.
Мы различаем отдельные короткие звуки в том случае, когда один звук следует за другим не чаще, чем через 1/15 долю секунды. Если число отдельных звуков больше 15 в секунду, то они нам покажутся одним непрерывным звуком. Отбивая на барабане дробь, так, чтобы один удар за другим следовал чаще чем через 1/15 долю секунды, мы не будем слышать отдельных ударов, — они сольются в единый звук. Когда отражённая звуковая волна возвращается к нам быстрее чем через 1/15 долю секунды, то она сольётся с прямой волной от источника, изменяя силу его звука. Подмечая это изменение, мы и оцениваем расстояние до стены.
На каком расстоянии должна находиться стена, чтобы прямой и отражённый звуки сливались в один? Это легко подсчитать. За одну секунду звук проходит 340 метров. За 1/15 долю секунды он пройдёт 340 : 15 = 23 метра. Так как звук делает два конца — до стены и обратно, то стена должна быть не дальше 23 : 2 = 11,5 метра.
Прежде чем звуковая волна совершенно затухнет, она в небольшом помещении сотни раз отразится от стен, потолка и пола. В этом случае последний отражённый звук достигнет нашего уха спустя несколько секунд. В продолжение всего этого времени будет ощущаться постепенно уменьшающийся гул. Этим и объясняется гулкость пустых помещений. Нередко люди делают ложное заключение о силе своего голоса, пробуя петь или декламировать в такого рода комнатах. Сравните впечатление от собственного голоса, когда вы поёте в пустой комнате и затем в комнате, заставленной мебелью, устланной коврами, задрапированной шторами, — и вы убедитесь в этом.
Отражение звуковых волн обязательно принимается в расчёт при постройке общественных зданий. Так, например, в зрительных залах театров, во избежание нежелательных отражённых звуков, стены и потолки не делают сплошными и гладкими; их обивают звукопоглощающим материалом, развешивают шторы, занавесы, устанавливают мягкую мебель, устраивают всевозможные ниши и балконы. Звук сильно поглощается такими предметами и не отражается. Зал, предназначенный для большого оркестра, обычно мало пригоден для собраний. Речь в таких залах становится или мало разборчивой, или неестественно глухой. Напрасно в этих случаях некоторые ораторы стараются кричать, желая быть всеми услышанными. Это ни к чему не приводит. С повышением силы голоса возрастает и сила мешающих отражённых звуков.
Явление отражения звуков в некоторых помещениях приводит к интересным результатам. Вот два примера.
Если говорить шёпотом у внутренней стены собора св. Павла в Лондоне, то этот шёпот можно слышать в любом месте, даже на противоположном конце этого огромного здания; при этом необходимо только стать достаточно близко к стене. Создаётся впечатление, будто шепчут сами стены.
Другой пример. Около одного из итальянских городов есть грот; его называют «Ухо Дионисия» (рис. 14).
Рис. 14. Схема распространения звука в гроте «Ухо Дионисия»
Благодаря особой форме свода этого грота в нём есть два удивительных места; они отмечены на рисунке цифрами 1 и 2. Всё, что вы говорите, находясь в месте 1 так отчётливо слышно в месте 2, что можно подумать, будто говорят именно здесь. В промежуточных местах, лежащих значительно ближе к месту 1, совершенно ничего не слышно. Разгадка этого странного на первый взгляд явления в том, что звуки, идущие из места 1, отражаются от свода так, что вновь все собираются в месте 2.
Многие читатели вспомнят подобные явления, встречавшиеся в их жизни, и дадут им теперь правильное толкование.
4. Невидимые преграды
Наблюдается отражение звуков и на открытом воздухе, — правда, гораздо реже, чем в закрытых помещениях. Это — всем знакомое эхо. Как же оно возникает?
Пусть отражающая поверхность — гора, скала, стена большого дома или опушка леса — находится от нас на расстоянии ста метров. Если крикнуть, то звук дойдёт до этой поверхности, отразится от неё и возвратится к нам. При этом он пройдёт путь в двести метров и затратит немного больше половины секунды времени. Но мы уже знаем, что два звука, следующие друг за другом с промежутком, большим 1/15 доли секунды, мы слышим раздельно. Поэтому, произнося короткое слово в один, два слога, можно слышать его полное повторение. Если же произносить слово более длинное, например, бар-ри-ка-да, то первые два слога успеют возвратиться к нам в тот момент, когда мы произносим последние. А так как отражённые звуки более слабые, то мы их не услышим. Спустя четверть секунды после произнесения последнего слога да придёт отражённый слог ка, а ещё через четверть секунды возвратится и слог да. В результате мы ясно услышим: -а-да.