Акустические системы

on 01 November 2008.

Акустические системы

Есть интереснейшие явления, совершенно точно зафиксированные, но до сих пор невопроизводимые или воспроизводимые с таким трудом и в таких малых объемах, что масштабные опыты прекращают за отсутствием надлежащих условий. (Дайте мне рычаг, и я переверну Землю!).

Есть и широко применяемые явления и устройства, хорошо освоенные в некоторой области, которые могут быть взяты на вооружение в совершенно других областях. Но не взятые, потому что никому в голову не придет забивать гвозди микроскопом…

Назвать явление, присвоить ему термин – это еще не означает понять его и использовать.

В акустике и гидролокации есть и множество самых необычных устройств, и множество эффектов, хоть и объясненных, но не используемых.

Известно, например, что киты могут общаться на расстояниях в сотни миль. Происходит это, скорее всего, тогда, когда слои воды разной солености или температуры создают канал звуковод, по которому звук распространяется с очень малым затуханием. Предположений много, но при том, что точно установлен факт общения кашалотов и на расстояниях в тысячу миль, ни одна подводная лодка не имеет сегодня устройств, позволяющих ей иметь связь с базой посредством гидроакустики на таких расстояниях.

Измеряя артериальное давление, врач прикладывает к месту, где расположен пережимаемый сосуд, чашечку фонендоскопа. По резиновой трубке-звуководу сигнал доходит до ушей, и глухие толчки крови, которые никогда бы не удалось услышать даже в полнейшей тишине, становятся отчетливы и определимы. На заре медицины врачи использовали для подобных целей деревянную трубочку с расширениями на концах (слушать легкие, сердце, плод да и еще бог знает что - это медицинские цели). Заключенные используют для несколько других целей кружки: их прикладывают одним концом к стене, а другим к уху. То есть любой звуковод, любое приспособление, ограничивающее взаимодействие волны с окружающей средой, резко в десятки и сотни раз уменьшает затухание волны.

Не раз и не два мы встречали в литературе фразу «ветер неожиданно донес звук (голос, выстрел, разговор)…» И читали мы и такие фразы: …«не говори вечером над водой, далеко звук идет»…

Можно предположить, что струя ветра является переносчиком звуковых колебаний. Да что звуковых - и свет звезд мерцает для земного наблюдателя, звезды не мерцают только за пределами атмосферы. То есть вихрь, струя, порыв, слой воздуха является волноводом (или отражателем) звуковых колебаний, позволяет передать сигнал из одной точки в другую так, как нельзя объяснить с точки зрения классической физики: спокойной, изотропной во всех направлениях атмосферы.

Есть несколько явлений, на которые Автор настоятельно рекомендует обратить внимание тем, кто занимается акустикой.

Скорость звука в покоящейся среде - величина известная, вычисленная, наблюдаема в миллионах опытах, зависимости от температуры, давления и частоты известны.

Скорость звука в движущейся равномерно и поступательно (без вихрей всего лишь это означает!) среде равна скорости звука в покоящейся среде. Ясно, что в вагоне скорость звука будет для данных значений атмосферы и частоты такая же, как без движения. Но ведь для наблюдателя на перроне скорость звука возрастет на скорость вагона! То есть если некоторый объем воздуха движется в атмосфере, а в нем возбуждены звуковые колебания, то по отношению к поверхности земли скорость этих колебаний будет являться суммой скорости звука в неподвижном источнике и скорости объема, в котором возбуждены колебания.

А это значит, что создать сверхзвуковую волну даже без применения особых устройств можно, если на движущуюся волну сгущения подсадить еще одну волну, предпочтительней многократно  превосходящую первую по частоте.

Поясним. Предположим мы создали один полный цикл колебаний (гармоничное движение вперед-назад мембраны). Пусть скорость распространения такой волны равна 300 м/с. Это волна сгущения. Пусть в некоторый (не начальный!) момент процесса сгущения другой излучатель, находящийся на одной оси с первым, излучает высокочастотную волну (или единичный сигнал), которая в этом движущемся равномерно сгустке имеет скорость распространения, равную также скорости звука. Тогда логично ожидать, что в этом сгустке второй сигнал будет иметь скорость перемещения больше скорости звука по отношению к неподвижной атмосфере (скорость сгустка + скорость волны в сгустке).

Технически это может выглядеть как размещение разночастотных излучателей на оси распространения волны. Так как размеры излучателей для разных частот отличаются, то экранировка излучения основного (несущего основную частоту, как правило, низкочастотного) излучателя будет незначительна.

Скорость звука в турбулентной движущейся среде – это процесс настолько сложный, что практически не поддается расчету. Можно лишь анализировать редкие удачные находки в форме, конструкционных материалах, обработке поверхности…Создать хорошую скрипку-это искусство, а не производство.

Известна турбина (сопло) Лаваля. Она позволяет придать потоку газа сверхзвуковую скорость. На взгляд Автора, - это именно находка. Предположить, спрогнозировать, рассчитать предварительно форму сопла представляется невозможным. Конечно же, теперь есть убедительные расчеты, формулы, что это должно быть именно так, а не как иначе, но и возникновение тока в движущемся или изменяющемся магнитном поле было находкой, а не расчетом, и находкой, которую сделал не профессор, а Фарадей, умеющий увидеть нечто замечательное там, где остальные ничего не видели.

Итак, если сужать канал распространения газа, то его скорость будет возрастать, но лишь до некоторого предела. При приближении к скорости звука скорость распространения струи газа перестает расти, растет лишь сопротивление сопла. Но если сделать после некоторого сечения расширение сопла, то скорость струи вдруг резко увеличивается и переходит звуковой барьер. Звук - это тоже движение частиц, волна сгущения это продольно перемещающиеся частицы. Величина смещения частиц равна половине длины волны. То есть для сигнала в 300 Гц и скорости 300 м/с смещение будет достигать 0,5 метра! Если сопло-насадка на акустической системе будет иметь соизмеримые габариты, то смещающиеся частицы пройдут, как и струя газа, фазу ускорения, сжатия и выход за звуковой барьер.

Но должно произойти еще одно интереснейшее явление (точнее, может произойти при некоторых условиях, которые определятся формой и длиной трубы-сопла, частотой). Когда-то лорд Кельвин предложил «вихревую машину». Это была труба, один из концов которой был закрыт резиной, а второй открыт. При ударе о резину из трубы вырывалась не струя, а кольцо (тор) воздуха. Если трубу наполнить дымом, то визуальные эффекты были так поразительны, что многие выдающиеся ученые занимались изучением этих вихрей (Гельмгольц в Берлине, Вуд в Америке). Выяснилось, что этот вихрь летит отнюдь не скоростью звука, а значительно медленнее. Удар этого вихря был так силен, что опрокидывал коробки на расстояниях в десятки метров, Удар кольца в лицо человека воспринимался как толчок мягкой пуховой подушкой. Слои тора вращались с огромной скоростью, но если столкнуть два вихря, то они не взаимоуничтожались, а отталкивались друг от друга, как некоторые упругие материальные образования. Сейчас подобные вихри называют солитонами, и как раньше, так и теперь есть теории, что все материальные частицы представляют собой солитоны.

Нам интересно то, что подобные вихри распространяются на большие расстояния, очень мало затухая, и влияние их столь значительно, что оно никак не может быть сведено к распространению звуковой волны. Удар, например, барабана переданный через акустическую систему, генерирующую вихревое кольцо, воспримется теми, кто окажется на пути солитона как мощный толчок, но в других направлениях люди не испытают его воздействие.

Итак, зрелищные мероприятия требуют от организаторов и производителей сильно воздействующих факторов. Увеличение мощности  акустических устройств уже практически невозможно и ненужно – громкость подошла к болевому порогу.

Автор предлагает несколько путей, которые, по его мнению, качественно улучшат эмоциональное воздействие на зрителей. Повторим вкратце.

Акустические системы могут быть снабжены вентиляторами. Поток воздуха от вентиляторов создаст отражающую и проводящую звук оболочку (звуковод), а это позволит при той же мощности излучаемого сигнала передать его дальше без затуханий и искажений.

Высокочастотные излучатели могут находиться на одной оси с низкочастотными. Это должно привести к очень неожиданным и красивым эффектам. Переход некоторых сигналов через звуковой барьер по отношению к неподвижному наблюдателю может сопровождаться уменьшением затухания высокочастотных колебаний, которые оказываются подсажены на низкочастотную волну.

Часть излучателей могут быть снабжены насадками, повторяющими сопло Лаваля. Тогда возможен превышение скорости звука. Излучающиеся солитоны окажут очень сильное эмоционально-физическое воздействие.

Введение дыма в систему, излучающую солитоны, позволит визуально отслеживать путь солитона, что еще более усилит эмоциональное воздействие. Видеть летящий вихрь-кольцо, образованный (или соответствующий) ударам барабана или удачным аккордом, находиться на его пути, ожидать и получить упругий нежный удар - без сомнения это вызовет восторг у самого равнодушного зрителя. Визуализация музыки с помощью упругих долговечных вихрей, как и цветомузыка, это совершенно новое направление, психологическое воздействие должно быть ошеломляющим.

Кроме того, солитон как динамическая устойчивая система может хранить в себе звуки.

Представим себе, что динамик находится в ящике Кельвина с одним отверстием. По задней стенке (резиновой, например) наносятся регулярные удары. Кольца (солитоны) с вмороженными в них звуками вылетают в сторону зрителя. Попадание в зрителя отметится не только упругим ударом, но и всплеском звуковых эффектов.

Движение или вращение излучающего устройства (динамика) будет сопровождаться всплесками звука, причем частота звука согласно эффекту Доплера будет увеличиваться при приближении и уменьшаться при удалении от наблюдателя (слушателя). Для вращающегося излучателя, например, на участке, набегающем на слушателя, частота будет возрастать, а на удаляющемся-  падать. Поэтому расширится спектр звука, возникнут новые неожиданные эффекты, непривычное звучание, новое воздействие на слушателя. А если еще добавить возможность быстро изменять скорость вращения, то эффект станет очень впечатляющ.

Подобные устройства могут быть дополнением к уже применяющимся акустическим системам, концентраторами внимания, развлекательными аттракционами.

Генераторы вихревых колец могут вообще не быть связаны с акустическими системами, воспроизводящими музыку, они могут наполняться разноцветными дымами, иметь разный калибр, быть направлены в разные стороны, генерировать солитоны с разной частотой.

А, может быть, какой либо идиот поместит в Генератор Гемгольца пары бензина и воспламенит их на выходе? Красиво будет только на большой дистанции - на стадионе и направлено только в  верх. Полыхающий вращающийся бублик… А если в лицо потенциальному противнику? Или по комарам и гнусу?