Эхо и условия для образования эха

Содержание

В одном из своих рассказов Марк Твен предлагал использовать в качестве будильника… эхо. Для этого перед тем, как лечь спать, он собирался крикнуть, обратившись к дальним горам на горизонте: «Марк, пора вставать!»

Звук его голоса должен был дойти до гор, отразиться от них и утром, в соответствии с точным расчетом, вернуться назад и разбудить его.

Заманчивое предложение великого юмориста, к сожалению, нереально: уже на первых километрах своего пути звук его голоса уменьшился бы в своей силе настолько, что человеческое ухо едва ли смогло бы его уловить, — так что желанное эхо вряд ли бы возникло даже при самых благоприятных условиях для его образования. Что же это за условия?

Условия для образования эхо

Акустикам известно, например, что звуки тем сильнее поглощаются воздухом, чем ниже его влажность. Вот почему эхо незнакомо жителям пустынь. В ущельях и лесных низинах, где относительная влажность воздуха высока, условия отражения звука благоприятны для образования и далекой слышимости эха.

Кстати сказать, эта закономерность лучше всего проявляется летом: зимою звук сильно поглощается снегом, особенно свежевыпавшим. Здесь мы сталкиваемся еще с одним фактором, существенным для возникновения эха, — со структурой поверхности, на которую падает звуковая волна.

Свою роль в образовании эха играет и угол, под которым звуковая волна набегает на препятствие: чем он больше, тем выше потери звуковой энергии при отражении, тем слабее эхо. Если же он невелик, скажем, меньше 5°, — хорошее отражение можно получить даже от границы тумана.

Так, например, в летнем театре «Голливудская чаша» близ Лос-Анджелеса эхо возникло однажды, когда невдалеке от «зрительного зала» нависла полоса густого тумана.

Чтобы эхо было отчетливым, необходима достаточная удаленность отражающей поверхности от источника звука. Дело в том, что благодаря инерции нашего слухового аппарата мы воспринимаем звуки с некоторой задержкой во времени.

Поэтому четкое эхо слышится тогда, когда звук возвращается к источнику через 180 миллисекунд и более. Когда запаздывание снижается до 80 миллисекунд, эхо начинает усиливать концы слов, запаздывание около 70 миллисекунд и менее вносит в наше звуковое восприятие тембровые искажения, а при запаздывании меньше 40 миллисекунд отраженный звук воспринимается слитно с прямым, усиливая его и обогащая его тембр.

Из этих соображений, а также учитывая неудачу «проекта» Марка Твена, мы можем заключить, что для получения хорошего эха в природе расстояние от источника звука до отражающих поверхностей должно составлять от 250 – 300 метров до 3 – 4 километров.

Наконец, для того, чтобы эхо прослушивалось лучше всего, кроме всех вышеозначенных условий, нужна еще и «тихая бесшумная погода».

Так возникает многократное эхо (рис. 1). Звук человеческого голоса отражается от нескольких преград и возвращается к источнику раньше или позже в зависимости от того, насколько велик пройденный им путь: сначала возвращается звук, отраженный от стены дома, затем — отраженный от горы, еще позже — отраженный от леса и, наконец, тот, что сначала отразился от дома, потом от леса, а вслед за этим — от горы.

Резюмируя коротенький список признаков тех мест, где логично ожидать хорошее эхо, мы уже можем назвать их наперечет: это долины рек, каньоны, распадки, заливы, фиорды и т. п. Таких мест в природе множество.

О некоторых из них, получивших широкую известность, пойдет речь в этой статье.

Знаменитые места хорошего эха

В США, в штате Кентукки, есть река по имени Эхо. Протекает она под землей, в Мамонтовой пещере, причудливые стены которой сложены так, что звуки претерпевают здесь поистине чудесные превращения: плеск весел, сливаясь со своим отражением, напоминает отдаленный колокольный звон.

На звук человеческого голоса пещера откликается тем расплетенным на последовательные звуки аккордом, который музыканты называют «арпеджио».

В ста километрах от Аравийского залива, на северо-восточном склоне горы Гор, лежал когда-то город Петра. С трех сторон это место окружают отвесные известняковые скалы высотою в 100 — 200 метров. Площадь огороженного ими треугольника составляет около 40 квадратных километров. Город давно умер — одни лишь развалины виднеются сейчас в скальных стенах ущелья.

Но чудесное эхо, которым Петра славился еще в древности, осталось: даже слабые звуки рождают здесь многократные отклики, которые кажутся уносящимися вверх.

У скалы Лорелей на Рейне в погожие, тихие дни туристам демонстрируют своеобразное акустическое чудо: эхо от пистолетного выстрела, отразившись от высоких берегов, повторяется до 20 раз!

Берега Лены в трехстах километрах севернее Киренска вблизи Ленских щек представляют собой либо вертикальные стены высотой в 150 — 200 метров, либо вытянувшиеся вдоль реки, поросшие лесом горы, вершины которых отстоят друг от друга на несколько километров.

Ширина реки в этих местах составляет около 200 метров. На пароходный гудок эхо откликается здесь до 25 раз, замирая лишь через 17 секунд. Эхо ружейного выстрела повторяется до 12 раз, эхо человеческого крика — до 7 раз.

Отраженные звуки протяжных пароходных гудков порой накладываются друг на друга и звучат словно голос огромного органа. Громкий крик, попеременно отражаясь то от одного, то от другого берега, возвращается с разных направлений — недаром акустики называют такое эхо «порхающим».

На Енисее между Красноярском и Дивногорском ширина реки составляет около 600 метров, а берега столь же высоки, как и на Лене. Гудки теплоходов в хорошую погоду могут повторяться здесь до 15 раз за время около 12 секунд.

Это, конечно, затрудняет применение звуковой сигнализации, принятой в практике судовождения. Поэтому при плавании вблизи берегов во время тумана капитаны судов, помимо звуковой сигнализации, используют и радиолокацию.

Сравнительно высокие берега огораживают и реку Чусовую в ее верхнем течении — здесь можно услышать троекратное эхо.

На Оби между Бийском и Барнаулом, примерно в 75 километрах до впадения в Обь реки Чарыш, эхо форсированного человеческого голоса откликается через 5 — 8 секунд, повторяя без искажений до десяти слов.

На Вишере, притоке Камы, есть скальная гряда «Камень Говорливый» высотою около 30 метров, вытянувшаяся вдоль реки почти на два километра. Свое название гряда получила за удивительно чистое эхо, которое слышится близ нее.

Повторяясь и ослабевая, оно как бы постепенно удаляется от слушателя. Примерно посредине гряда прорезывается узкой долиной речки Говорухи. Ее шум усиливается окружающими скалами: речка словно разговаривает с ними.

Таковы феномены и рекорды эха, которые демонстрирует природа. С нею спорит человек, которому наука акустика помогает познать законы распространения и отражения звуков, а искусство архитектуры позволяет создавать такие рукотворные диковинки, которые конкурируют с природными.

Эхо и архитектура

Вот, например, вилла Симонетта, что расположена невдалеке от Милана. Эхо пистолетного выстрела, отражаясь от стен двора, повторялось здесь когда-то до 20 раз. Во время войны вилла получила серьезные повреждения, но сейчас на старом дворе виллы можно найти такое место между высокими пятнадцатиметровыми стенами, стоящими друг от друга на 34 метра, где эхо слышится пять раз подряд.

Многократное эхо может возникнуть и в очень больших по размерам помещениях, где стены, пол и потолок хорошо отражают звук. Такое эхо наблюдалось в большом зале Екатерининского дворца в городе Пушкине (длина зала — 47 метров, ширина – 18 метров, высота — 9 метров). Это здание было разрушено во время войны.

Во дворце Гол Гамбад в Индии эхо сильного звукового сигнала (например, пистолетного выстрела) повторяется до 12 раз в течение 20 секунд; в памятнике Битвы народов в Лейпциге — 7 раз на протяжении 15 секунд.

В одном из залов дворца Сансуси в Потсдаме близ Берлина громкий хлопок в ладоши разносится эхом по залу и производит впечатление аплодисментов.

Для любопытного туриста все эти «показатели» — лишь достопримечательности известных памятников архитектуры. По-иному смотрит на них любитель музыки.

Музыкальные произведения издавна пишутся для исполнения в помещениях. Поэтому размеры концертных и зрительных залов подбираются такими, чтобы отзвучавшая мелодия еще слышалась некоторое время, отражаясь от стен. Такое «послезвучание» (или реверберация, как называют его специалисты) весьма обогащает музыкальное восприятие.

В то же время эхо не должно нарушать полнозвучности и мелодичности музыки, вставляя в новые такты уже отзвучавшие аккорды: человеческая речь в таких залах также должна оставаться четкой и разборчивой.

Специалисты считают, что длительность реверберации в хорошем зале для собраний должна составлять около одной секунды; для концертных залов оптимальна несколько большая величина – 1,1 секунды.

Чтобы эхо не «поселилось» в залах нового здания, его стены и потолки облицовывают материалами, сильно поглощающими звук. Из старых сооружений эхо изгоняют, уменьшая объем помещения, перегораживая его новыми стенами и потолками, то есть создавая такие условия, которые не благоприятны для образования эха. В этом случае, оно будет откликаться скорее и станет сливаться с порождающими его звуками.

Свое важное значение имеет богатая отделка концертных залов; с акустической точки зрения это вовсе не роскошь, а средство борьбы с эхом: колонны, барельефы, лепка и прочие выпуклости рассеивают отраженные звуки, перемешивают их и способствуют равномерному их распределению по всему помещению.

Напротив, вогнутые участки стен и потолков фокусируют звук, усиливая его в избранных точках пространства. Простейший способ фокусировки звука подсказывает нам геометрия: известно, что лучи, исходящие из одного фокуса эллиптического зеркала, собираются в другом.

Человек, стоящий в фокусе эллипсоидального свода, отчетливо слышит разговор шепотом, ведущийся в другом фокусе. Примеры тому дает и природа (грот Эхо Дионисия в Сиракузах, грот в гданьском парке Олива) и архитектура (молитвенный дом мормонов близ американского города Солт-Лейк-Сити).

В пекинском Храме Неба, со всех сторон огороженном круглой стеной, в кольцеобразных галереях лондонского собора святого Павла и индийского дворца Гол Гамбад встречаются явления еще более удивительной концентрации отраженного звука — он слышится отчетливо лишь в узкой полосе, тянущейся вдоль вогнутых стен (так называемой полосе интерференции).

Это явление получило название «ползучести» звука. Несмотря на молодость термина, сам носящий его эффект был известен в глубокой древности. Например, во дворце критского царя Мидаса придворные применяли его на практике: для подслушивания разговоров.

Надо сказать, что акустические свойства помещений способны порой резко меняться с течением времени. И дело здесь совсем не в старении зданий. Опытный инженер-акустик, не заглядывая в зал и лишь замерив время реверберации, может сказать, лица какого пола преимущественно заполняют помещение.

Чем больше там женщин, которым мода предписывает более пышные прически и наряды, нежели мужчинам, тем сильнее поглощаются звуки, тем меньше время реверберации.

Мода — вещь изменчивая. Отсюда и проистекают некоторые забавные эпизоды в истории театра. В одном из западноевропейских оперных театров с некоторых пор слышимость звуков заметно ухудшилась. Как показали тщательные исследования, причиной тому сослужила новая мода: вместо платьев с кринолинами и пышных юбок женщины стали носить узкие, облегающие наряды.

Инженерам пришлось подправить акустические свойства зрительного зала, так сказать, «по последнему слову моды».

В старинном греческом мифе рассказывается о том, что нимфа по имени Эхо была наказана супругой Зевса Герой за болтливость. Богиня лишила нимфу членораздельной речи, оставив ей лишь способность повторять окончания чужих слов.

Страстно влюбленная в красивого и гордого юношу Нарцисса, Эхо умерла от безответной любви, оставив после себя свой голос… Такое толкование даст слову «эхо» специалист по мифологии.

Физик видит в явлении эха интересное проявление законов отражения звука. Техник приведет примеры использования этого эффекта: благо, их без труда можно найти и в природе (вспомним хотя бы о летучих мышах или дельфинах), и в истории самых разнообразных прикладных наук.

От опыта русского химика и воздухоплавателя Я. Д. Захарова, который в 1864 году при помощи эха измерил высоту подъема воздушного шара, до современного эхолота, акустического дефектоскопа или нехитрой комбинации подрывного патрона сейсмографа, которая успешно применяется при разведке полезных ископаемых.

Профессор Арабаджи В.