Любая бутылка, не заполненная жидкостью,-- тоже резонатор; убедиться в этом нетрудно. Один современный английский акустик, в частности, рассмотрел ее резонансные свойства в монографин "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, М. 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 резонансного 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 звукопоглотители, 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 поддерживаемый с помощью электроакустической аппаратуры резонанс 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--40-е годы. Упругим элементом в резонирующем пузырьке служит объем газа, а инерционным -- масса воды, участвующая в 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, подсказали ему идею подводного звукопоглотителя из слоя пластмассы с внутренними воздушными полостями. Он не преминул отметить, что подобный гидроакустический звукопоглотитель, названный им "Альберихом", использовался на гитлеровских подводных лодках для защиты от обнаружения их гидролокаторами союзников.
В последнее время румынский ученый Грумезэску много занимался вопросами взаимодействия резонирующих систем со звуковым полем. Плодом работ Грумезэску явился прочитанный им на одном из последних конгрессов по акустике пространный доклад, название которого мы почти дословно повторили в заголовке этого раздела. Из доклада читатель может узнать еще и о других интересных примерах усиления и поглощения звука различными резонаторами,
ЧТО ВЗЯТЬ ДЛЯ ИЗОЛЯЦИИ ЗВУКА:
ВАТНОЕ ОДЕЯЛО ИЛИ КРОВЕЛЬНОЕ ЖЕЛЕЗО?
Тебе удивляться нимало не надо,
Что сквозь преграды, глазам
ничего не дающие видеть,
Звуки доходят до нас и
касаются нашего слуха.
Лукреции Кар. О природе вещей Кн.4
Массу стенки увеличим в
десять раз -
Втрое-вчетверо шум снизится у нас
(Предлагается в качестве хороводной )
Раскроем цитированное в эпиграфе творение римского философа-материалиста и писателя Лукреция, Если извлечь из этого творения все высказывания, касающиеся звука, то можно из них одних составить небольшую, но полную интересных наблюдений книгу по акустике. И приведенное нами извлечение как бы убеждает читателя: да, не нужно удивляться, даже каменные стены могут пропускать звук.
До поры до времени человечество как-то мирилось с этим. Но по мере роста "акустической загрязненности" среды, увы, неизменно сопутствующего развитию цивилизации, усилилась необходимость исследовать процесс прохождения звука через различные ограждения и научиться по возможности препятствовать этому процессу.
Интуитивно можно было предполагать, что в явлении изоляции, то есть "непропускания", звука значительную роль играет масса любой строительной конструкции -- стенки, пола и т. п. А. Шох дал этому строгое доказательство. Но одно дело физические величины-- звуковое давление, звуковая энергия, проходящие через стенку, и совсем другое дело -- имеющий при этом место физиологический эффект, т.е. снижение ощущения громкости шума за стенкой. Во второй части книги физиологической акустике будет уделено достаточное внимание, здесь же мы отметим лишь, что при учете снижения громкости шума в дело неизбежно вмешивается логарифмический закон. А этот закон в вопросах звукоизоляции ведет к довольно серьезным последствиям с точки зрения массы конструкций.
Пусть имеется весьма легкая звукоизолирующая стенка (скажем, масса ее на единицу площади не превышает 1 килограмма на квадратный метр), и мы, с целью увеличения звукоизоляции, заменим ее вдесятеро более тяжелой стенкой, т. е. с удельной массой 10 килограммов на квадратный метр. Громкость шума какого-либо акустического источника, находящегося за стенкой, уменьшится в определенное число раз (не приводя объяснений, которые нас завели бы далеко, укажем, что эта громкость уменьшится не более чем в 3--4 раза). Но вот беда, оказалось, что это уменьшение громкости недостаточно и надо уменьшить ее, скажем, еще во столько же раз. Потребуется, следуя логарифмическому закону, увеличить массу стенки опять в 10 раз, т. е. с 10 до 100 килограммов на квадратный метр.