Новый физический фейерверк - Джирл Уокер

Почему при хлопке в ладоши вблизи длинного пролета лестницы или длинного забора из штакетника эхо, вместо того чтобы ответить единичным хлопком, растягивается во времени? Почему частота эха уменьшается со временем? Один из самых впечатляющих примеров этого, как его называют, музыкального (или чирпированного) эха — это эхо, которое можно услышать, хлопнув в ладоши перед лестничным маршем пирамиды Кукулкана, находящейся среди других руин сооружений индейцев майя в Чечен-Ице в Мексике. Этот крутой лестничный марш состоит из 92 каменных ступеней, на которые так охотно взбираются туристы.

ОТВЕТ • При отражении от лестничного марша к вам придет множество сигналов эха, с небольшими сдвигами по времени. Изменение частоты в эхе возникает не из-за того, что в исходном звуке (например, в хлопке в ладоши) содержатся волны с разными частотами, а потому что волны идут к разным ступенькам под разными углами. Посмотрим на ступени пирамиды сбоку и предположим, что для нижних ступеней траектории приходящего и отраженного звука параллельны земле (рис. 3.6). Вы слышите первый отраженный сигнал от нижней ступени (ближайшей к вам), второй импульс придет от следующей ступени, затем через некоторое время придет третий импульс и так далее. Каждый следующий возвращенный импульс приходит с некоторой задержкой по отношению к предыдущему, поскольку его путь до этой ступеньки и обратный путь от нее к вам — длиннее. Вы не ощущаете эти импульсы по отдельности, а воспринимаете лишь частоту, с которой они приходят. Например, если время между импульсами равно 0,002 секунды, вы слышите звук с частотой примерно 500 Гц.

Рис. 3.6 / Задача 3.65. Отражения звука от ступеней лестницы.

Теперь посмотрим на верхние ступеньки: траектории звуковых волн, идущих к ним и обратно к вам, — наклонные. Поэтому разность путей туда и обратно до одной из верхних ступеней и до следующей больше, чем для аналогичной пары нижних ступеней. Поэтому и временной интервал между импульсами больше. Например, время между импульсами может повыситься до 0,003 секунды, что воспринимается как музыкальный тон на частоте 333 Гц, то есть звук, отраженный от высоких ступеней, более низкочастотный, его тон ниже, чем у отраженного от нижних ступеней.

Механизм получения музыкального эха от забора из штакетника похож на этот, за исключением того, что отражающие элементы (штакетины) разделены в пространстве по горизонтали, а не по вертикали, как ступени.

Если звуковые волны посылаются в сторону регулярной структуры, образованной цилиндрами, волны могут подвергнуться как конструктивной интерференции (когда волны усиливают друг друга), так и деструктивной интерференции (когда волны гасят друг друга). Для некоторых звуковых частот звук без потерь проходит через структуру, а для других частот его интенсивность сильно падает. Это показал эксперимент с объектом, представляющим собой произведение современного искусства — множество тонких вертикальных цилиндров, расположенных на квадратной площадке.