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.