Культура - Учебники на русском языке - Скачать бесплатно
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.
"Закон массы" в действии: каждое увеличение массы стенки
в три раза уменьшает громкость проходящего через стенку шума
приблизительно в два раза.
Неумолимый акустический "закон массы" оборачивается для строителей и
эксплуатационников довольно неприятными последствиями.
Слабым утешением является то, что теперь мы уже можем ответить на
вопрос, поставленный в заголовке. Лист железа все же. тяжелее ватного одеяла
той же площади, и этот лист с точки зрения звукоизоляции следует предпочесть
одеялу. Впрочем, дело не только в массе, но и в том, что для обеспечения
звукоизоляции материал должен быть не рыхлым, а плотным, без пор и пустот,
проводящих звук, как это имеет место в том же слое ваты.
Впрочем, следует ли полностью отвергать одеяло? Звукоизолирующий
материал отбрасывает звуковую энергию обратно, и если ее не поглотить, то
неизбежно увеличение звукового уровня в помещении источника, а
следовательно, и в самом изолируемом помещении. Оптимальным является
сочетание звукоизолирующей конструкции со звукопоглощающей. Так собственно,
и осуществляют звукоизолирующие кожухи и капоты для шумящих механизмов:
стальные стенки с нанесенными изнутри на них слоями рыхлых волокнистых или
пористых материалов.
Итак, можно сказать: "звукоизоляция любит массу". Но...
Едва лишь строительные и архитектурные акустики начали понемногу
привыкать к неумолимому "закону массы", как на сцене появился незнакомец,
который более чем что-либо другое (кроме сквозных отверстий) ухудшает
звукоизоляцию стенок в области максимальной чувствительности слуха.
Разумеется, это не живое существо, а процесс. Но прежде -- два слова
истории.
Еще в 1941 году С. Н. Ржевкин с одним из своих сотрудников наблюдали
аномальное - прохождение звука через пластинки. При некоторых частотах
колебаний и углах падения звуковой волны на пластинку наблюдалось
интенсивное прохождение через нее звука. Удовлетворительного объяснения
этому явлению подыскать тогда не удалось.
Несколько позже Л. Кремер, производя теоретический анализ
взаимодействия звукоизолирующих стенок со звуковым полем, открыл так
называемый резонанс совпадения. Суть его заключается в том, что при
равенстве фазовой скорости звуковой волны вдоль поверхности пластины (а эта
скорость является в данном случае не чем иным, как проекцией на плоскость
пластины вектора скорости в падающей волне) и скорости изгибных волн в
пластине падающая волна должна полностью пройти через пластину. Иными
словами, при данной частоте и данном угле падения звука звукоизоляция
пластины будет равна нулю (если в ней нет потерь энергии).
Мы уже касались ранее резонансных явлений, преимущественно в
акустических системах, малых по сравнению с длиной звуковой волны. Неизбежно
пойдет речь о резонансах и при последующем рассмот-
При увеличении толщины стенки звукоизоляция на низких и средних
частотах увеличивается, но "коварный" резонанс совпадения, вызывающий
ухудшение звукоизоляции, начинает проявляться на более низких частотах и
захватывает более широкую их область.
рении виброизоляции в механических системах. Резонанс совпадения --
своеобразнейший из резонансов. Прежде всего, это пространственный резонанс;
при его возникновении пластина (стенка) взаимодействует со звуковым полем не
в точке или локальной области, а по определенной, обычно достаточно большой
площади.
А как ведут себя частоты "обычных" резонансов в зависимости от основных
параметров колебательных резонирующих систем? Практически каждому человеку
хоть раз довелось наблюдать, что чем большая масса подвешивается к крючку
безмена, тем ниже частота колебаний этой массы на пружине безмена. Частота
акустического резонатора, собственные частоты пластинок или стержней также
тем ниже, чем больше массы и чем меньше жесткости соответствующих элементов.
Частота же резонанса совпадения, наоборот, возрастает с увеличением массы и
уменьшением жесткости пластин, на которые падает звук.
Наконец, обычные резонансы проявляются, как правило, в достаточно узкой
полосе частот. Частота резонанса совпадения зависит от угла падения звука. А
так как в диффузном, размешанном звуковом поле все углы падения звука на
пластину равновероятны, то при этом виде поля, характерном для большинства
помещений, полоса частот резонанса совпадения каждой перегородки или стенки
(а следовательно, и полоса частот, в которой перегородка или стенка
пропускает звук) достаточно широка.
"Дефективный" резонанс совпадения обусловил довольно противоречивую
картину зависимости звукоизоляции от толщины стенки. С одной стороны,
увеличение толщины стенки согласно "закону массы" увеличивает звукоизоляцию.
Но с другой стороны, поскольку при этом уменьшается отношение массы стенки к
ее изгибной жесткости, ухудшающий звукоизоляцию резонанс совпадения
проявляется на более низких частотах и захватывает более широкую полосу
частот.
Где выход? Тот же Л. Кремер предложил делать тонкие пропилы в стенках
на определенную глубину. Не изменяя практически массу стенки, эти пропилы
резко уменьшают ее жесткость, и частота резонанса совпадения перемещается в
более высокую область частот. У свинцовых же звукоизолирующих перегородок,
например, благодаря их большой массе и весьма малой жесткости, резонанс
совпадения находится в неслышимой ультразвуковой области частот.
Кирпичные стены. Это -- масса, а значит, и звукоизоляция. И резонанс
совпадения по некоторым причинам здесь проявляется слабее. Но кирпичные
стены не поставишь на теплоход или самолет. Нужно "обмануть" закон массы;
нужны облегченные, но хорошо изолирующие звук устройства. В какой-то мере
это удается достичь применением двухстенных конструкций. Воздушный
промежуток между стенками с точки зрения увеличения эффекта звукоизоляции --
примерно то же, что воздушный слой между стеклами оконной рамы для
увеличения теплоизоляции.
Ширина воздушного слоя между стенками, влияет ли она на величину
звукоизоляции? Одно время, ссылаясь на возникающие в воздушном слое
резонансы объема воздуха, утверждали, что существует оптимальная ширина
воздушного зазора в двухстенной конструкции и что больше определенной
величины этот зазор делать не следует, иначе резонансы будут возникать с
более низких частот и захватят более широкую их область. Опыт показал, что
при наличии в зазоре звукопоглощающих материалов бояться этих резонансов
нечего.
Таким образом, чем больше зазор между стенками, тем выше звукоизоляция
двухстенной конструкции. Л. Кремер в возглавляемом им Институте технической
акустики демонстрировал советским специалистам двухстенную конструкцию из
стеклоблоков с зазором между стенками, достигающим почти метра. Конструкция
предназначалась для световых проемов в баптистской церкви, находящейся на
одном из самых шумных перекрестков Западного Берлина. Как выяснилось,
прихожане этой церкви не могли с должной сосредоточенностью совершать обряды
даже при малейшем шуме. Последовало обращение, во имя бога, к строительным
акустикам, подкрепленное, впрочем, земными, финансовыми стимулами.
Разработанная световая конструкция обеспечивала звукоизоляцию до 80
децибелов, что не уступает звукоизоляции кирпичной стены, имеющей
значительно большую массу.
Влияние "закона массы" на звукоизоляцию по-разному проявляется в
конструкциях различной площади. Значительную роль играют характер заделки
звукоизолирующей стенки по контуру и вид элементов, связывающих между собой
стенки в двухстенной конструкции. Эти и другие вопросы применительно к
изоляции воздушного и ударного шума (последний имеет место в конструкциях
полов) исследовались ведущими советскими строительными акустиками С. П.
Алексеевым, И. И. Боголеповым, В. И. Заборовым, С. Д. Ковригиным, М. С.
Седовым и другими, во многом содействовавшими внедрению эффективных
звукоизолирующих конструкций в строительстве, на производстве и на
транспорте.
ВОЗМОЖНО ЛИ ПОДСЛУШИВАНИЕ
ЧЕРЕЗ ЗАМОЧНУЮ СКВАЖИНУ?
Если под этим понимать допустимость подслушивания, то каждый считающий
себя воспитанным человек должен был бы ответить отрицательно. Но нас
интересует не этическая, а физическая сторона вопроса, и тут ответ будет
положительным.
Ну, и что же? Тривиальная вещь, скажет иной читатель. Но он, пожалуй,
изменит свое мнение, если узнает следующее: через скважину можно
подслушивать из соседней комнаты даже такую тихую речь, что человек,
находящийся в одной комнате с говорящим (но, естественно, в известном
отдалении от него, скажем, у стены вблизи двери), уже не в состоянии эту
речь отчетливо воспринять.
В самом общем виде дифракцию волн можно определить как явление
взаимодействия волн с каким-либо препятствием, находящимся на пути их
распространения. Следствием такого взаимодействия могут являться огибание
препятствий волной, рассеяние колебательной энергии, интерференционные
картины (например, в дифракционной решетке). Усиленная звукопроводность
щелей и отверстий в жестких стенках -- одно из своеобразных проявлений
дифракции звука. Первым еще в 30-х годах нашего века обратил внимание на это
явление немецкий акустик Вагнер.
Не будь этого явления, в скольких романах Дюма и других авторов
потерялся бы повод для драматических завязок или пикантных ситуаций! Но как
же оно протекает? Звук от источника, падающий по большой площади на жесткую
непоглощающую стенку, рассеивается в разные стороны. Так как, согласно
принципу Гюйгенса, каждая точка фронта волны сама является источником
сферической волны, то к отверстию помимо прямого звукового луча от источника
придет часть энергии звука, рассеянного прилежащей к отверстию площадью
стены. В результате плотность звуковой энергии увеличивается, а отверстие,
ввиду малого акустического сопротивления по сравнению с сопротивлением
стенки, проводит эту энергию в соседнее помещение. Образуется как бы
акустическая воронка. Вагнер показал экспериментально, что влияние отражения
звука от стенок как бы равноценно увеличению площади звукопроводящего
отверстия во много раз.
Во сколько же? Здесь имеет значение частота звука. Чем ниже частота,
тем больше длина волны и тем с большей площади стены звук приблизительно с
одной и той же фазой может "стечь" в "акустическую воронку" -- отверстие в
стене. Так, по данным Вагнера, коэффициент увеличения эффективной площади
отверстия вследствие дифракции достигает шести на частоте 1200 герц. Для
низких частот Вагнер дает еще большие значения увеличения звукопроводности
отверстий, но к этим данным следует относиться с осторожностью.
А. Контюри, чья книга по строительной акустике получила национальную
премию Франции, несложным аналитическим приемом показал, что
звукопроводность щелей даже несколько больше, чем звукопроводность отверстий
равной площади. Что из этого последует, читатель усмотрит, если даст себе
труд проследить за ходом несложного расчета. Дверная створка обычной
конструкции проводит от 1/100 до 1/1000 энергии падающего на нее звука.
Пусть под створкой имеется щель шириной 0,5 сантиметра, т.е. площадью
примерно в 1/400 часть площади створки. Если даже на время пренебречь
увеличением звукопроводности щели вследствие дифракции, а просто считать,
что щель проводит лишь весь падающий на нее прямой звук от источника, то и
тогда при звукопроводности створки 1/100 через щель пройдет всего лишь в 4
раза меньше звуковой энергии, чем через всю дверную створку; при учете же
дифракции звуковые потоки через подобную дверную створку и через щель будут
соизмеримы.
Если взять створку двери с высокой звукоизоляцией (звукопроводность
1/1000), то та же щель под ней будет проводить уже значительно больше
звуковой энергии, чем вся створка. Значит, чем лучше с точки зрения
звукоизоляции сама дверь, тем больше ей "вредят" щели по контуру.
Как же с этим бороться? У начальников различных рангов часто пользуется
популярностью обивка дверей, целиком или хотя бы по контуру, войлоком в
клеенке.
Щель под дверью проводит столько же звука, сколько вся площадь двери.
Пушистые ковры на полу и старинные, вышедшие из моды драпри вокруг
двери уменьшают отражения звука от ограждений и несколько ослабляют
звукопроводность щелей. Но наибольший эффект достигается самым простым
способом -- увеличением перекрытия створкой дверного косяка. Наилучшую с
точки зрения звукоизоляции конструкцию двери автор обнаружил в ... Музее
боярского быта в Москве. Перекрытие створкой двери краев дверного проема
достигает здесь чуть ли не ширины ладони, а соприкасающиеся поверхности для
большей плотности покрыты плюшем. К удивлению музейного служителя,
посетитель попросил его прокричать что-нибудь из боярского кабинетика.
Ничего, кроме смутного намека на человеческий голос, не было слышно!
Неграмотные строители тех времен, не имевшие представления об акустических
явлениях, не только интуитивно почувствовали, от чего зависит
звукопроводность притворов, но и нашли надежные способы звукозащиты.
Обычный (слева) и хорошо звукоизолированный (справа) притвор двери
Повезло судам и кораблям. Двери на них, как правило, герметичные,
водонепроницаемые, а значит, и звуконепроницаемые. Но, правда, не все.
Однако мы отвлеклись от объекта первоначального повествования --
замочных скважин. И здесь есть старинные рецепты звукозащиты, например,
массивные металлические пластинки на оси над скважиной по обе стороны двери.
Но нужны ли они? Кумушки-- любительницы подслушивания как будто исчезают, да
и романы, в которых интрига основана на подслушивании, тоже вроде бы менее
популярны. Правда, разведчики в романах и повестях и в наше время иногда
добывают сведения подслушиванием через замочную скважину или неплотно
притворенную дверь Однако вопрос, адресованный специалисту-акустику после
беседы о звукопроводности щелей и отверстий, был задан не кумушкой и не
разведчиком. Вопрос был такой:
-- А какой голос -- мужской или женский -- легче подслушать?
Вопрос не простой. С одной стороны, в мужском голосе больше
составляющих низких звуковых частот, которые в большей степени отражаются
ограждениями и обусловливают большую концентрацию звука на отверстиях. Но, с
другой стороны, для большей разборчивости (лучшей артикуляции) речи
необходимо содержание в ней значительной части составляющих повышенной
частоты. Поэтому специалист-акустик признался, что он не может ответить на
заданный вопрос.
"ЭТИ В БАРХАТ УШЕДШИЕ ЗВУКИ"
Голос, растекаясь со сцены, как из центра, распространяясь кругами и
ударяясь о полости отдельных сосудов, достигает большей звучности и будет
вследствие согласия звуков вызывать должное ответное звучание.
Витрувий. Об архитектуре
Приведенными в названии словами стихотворец не только преподнес
читателю поэтический образ, но и (быть может, сам того не ведая) достаточно
четко определил физическую сущность процесса звукопоглощения. Да, звуковые
колебания, перешедшие в волокнистый или пористый материал, обратно
возвращаются лишь в относительно небольшой степени, значительная часть их
энергии превращается в теплоту. (Количество ее, впрочем, как и в большинстве
звуковых процессов, крайне невелико: подсчитано, например, что если бы все
жители Москвы непрерывно разговаривали в течение суток, то излученной
энергии едва хватило бы на то, чтобы нагреть несколько чашек чая.)
Для достижения большого звукопоглощения должны быть выполнены некоторые
условия, в частности, обеспечена достаточная толщина звукопоглотителя (тем
большая, чем ниже частота звука), отсутствие заметного скачка акустического
сопротивления на границе среда -- поглотитель.
Рассуждения о переходе звуковой энергии из среды в звукопоглотитель мы
почти автоматически относим к случаю нормального падения звука на
поглотитель. Ну, а какова будет картина при косом падении звука, лучше или
хуже будет звукопоглощение? Можно, казалось бы, рассуждать так: при косом
падении звук проходит больший путь в
звукопоглотителе, и поглощение должно быть больше.
"Веер отражения" звука некоторыми звукопоглотителями. Чем больше угол
падения звука (к нормали), тем большая часть звуковой энергии не поглощается
звукопоглотителем, а отражается им.
Последнее заключение -- еще один пример того, что упрощенно-интуитивные
предположения иногда обманывают. В действительности здесь может быть все
наоборот. В дело вмешивается принцип нормального импеданса, справедливый для
многих звукопоглотителей, в частности, поглотителей звука в воде. Суть его
вкратце заключается в том, что при оценке реакции слоя звукопоглотителя на
падающую звуковую волну учитывается лишь сопротивление слоя в направлении,
перпендикулярном его поверхности.
"Необоримый" нормальный импеданс приводит к тому, что в дело
вмешивается косинусоидальная зависимость поглощения от угла падения звука:
звуковая волна, приходящая к звукопоглотителю вблизи от перпендикуляра к его
поверхности, лучше поглощается, чем волны, падающие под косыми углами.
Так ли уж необорим нормальный импеданс? Советский акустик К. А.
Велижанина, посвятившая исследованию звукопоглотителей и процесса
звукопоглощения, можно сказать, всю свою сознательную жизнь, приходит к
заключению, что в ряде случаев угловые характеристики звукопоглощения могут
быть достаточно причудливыми. К подобным же выводам пришли японские ученые,
исследовавшие керамические поглотители, применяемые в конструкциях,
работающих на открытом воздухе (например, в автотуннелях).
Еще немного физики, прежде чем перейти к практическому применению
звукопоглотителей. Уже довольно давно было обнаружено при испытаниях
участков звукопоглотителей в измерительных камерах интересное явление. Если
определять поглощаемую энергию, по отношению к поверхности,
звукопоглотителя, то коэффициент поглощения иногда оказывается больше
единицы. Выходит, поглощаемая звуковая энергия больше энергии, падающей на
поглотитель? Может быть, нарушается закон сохранения энергии? Нет, конечно,
никакого нарушения закона не происходит. Просто вследствие явления дифракции
наблюдается эффект, подобный описанному выше "эффекту замочной скважины".
Кромки поглотителя, особенно близко расположенные к отражающим поверхностям
камеры, "впитывают" звук, чем и обусловлено усиленное звукопоглощение
исследуемого образца материала. Это явление было названо "кромочным
эффектом".
Но вред от дифракции как источника измерительных ошибок гораздо меньше,
чем положительная роль, которую может сыграть та же дифракция в залах, если
на их стены и потолки нанесен звукопоглотитель. Участки звукопоглотителя,
действуя по принципу замочной скважины, отсасывают на себя звук, отраженный
от необлицованных участков ограждений помещения. Значит, вовсе не
обязательно покрывать звукопоглотителем всю поверхность помещений! С точки
зрения строительной практики это очень важный вывод.
Но вот мы уже подошли и к практическому применению звукопоглотителей.
Еще Витрувием было подмечено, что в некоторых гулких залах речь оратора
трудно разобрать, хотя громкость ее и достаточна. Здесь на помощь приходят
звукопоглощающие облицовки.
Ассортимент их сейчас чрезвычайно разнообразен. Это и маты из
минеральной "шерсти", пенополиуретана, и звукопоглощающие штукатурки, и
древесностружечные плиты, и даже "штучные поглотители" (оставим это название
на совести предложивших его, речь идет просто об отдельных локальных
звукопоглотителях, подвешенных в каком-либо месте помещения). Благодаря
работам Г. Л. Осипова, Е. Я. Юдина и многих других отечественных ученых и
инженеров акустические свойства звукопоглощающих материалов изучены очень
хорошо, и выпуск таких материалов в нашей стране налажен в достаточном
количестве.
Непосвященный, возможно, счел бы ошибочным высказывание примерно такого
рода: "Звукопоглощение в этом зале столько-то... квадратных метров". Однако
ошибки нет: за единицу звукопоглощения (полного) принимается один квадратный
метр открытого окна (предполагается, что звук, вышедший из комнаты в окно,
обратно уже не возвращается, а это для данного помещения равноценно полному
поглощению звука). Единица звукопоглощения носит еще название сэбин, по
имени американского акустика, внесшего значительный вклад в теорию
звукопоглощения в помещениях.
Чем больше общее звукопоглощение в помещении, тем быстрее спадает в нем
звук после прекращения действия источника. Практически степень гулкости
помещения оценивается временем стандартной реверберации, в течение которого
происходит ослабление звуковой энергии в миллион раз. И вот оказывается, что
для наилучшего восприятия речи нужно, чтобы время реверберации было в
пределах 0,5--1 секунды. Накладываются определенные ограничения и на
частотную зависимость времени реверберации.
Музыка требует примерно вдвое большего времени реверберации. При оценке
общего звукопоглощения нельзя пренебречь и поглощением, вносимым людьми.
Музыканты отчетливо различают разницу в звучании оркестра в зале с публикой
и без нее. Поэтому при репетициях оркестров высокого класса в зале поверх
стульев настилается ворсистый звукопоглощающий материал.
О количественной стороне поглощения звука людьми можно сказать, что
звукопоглощение одного человека на средних звуковых частотах близко к
поглощению половины квадратного метра открытого окна.
Автор не решился бы в связи с этим остановить внимание читателя на
одном замечании (которое может показаться легковесным), если бы оно не
принадлежало виднейшему акустику нашего времени Э. Мейеру. В начале 70-х
годов английское акустическое общество учредило медаль имени великого
физика-акустика Рэлея. Как уже говорилось, принимая поднесенную ему первую
медаль, Мейер выступил с благодарственным словом, в котором он сначала
упомянул о созданном им во время второй мировой войны
противогидролокационном звукопоглотителе для немецких подводных лодок. Далее
речь приобрела более игривый характер. Прогресс человечества (как, впрочем,
и уравнивание прав обоих полов в обществе) он сопоставил с изменением
звукопоглощения мужчинами и женщинами. Измерения начала века указывали на
большее звукопоглощение женщинами, что было обусловлено их пышными
кринолинами и прическами. При переходе женщин к мини-юбкам, коротким
стрижкам, а мужчин -- к пышным шевелюрам звукопоглощение представителей
обоих полов уравнялось.
От поглощения звука людьми вернемся, однако, к поглощению его в
помещениях. Особую роль звукопоглощение имеет в залах с полукруглым или
круглым (в планетариях) потолком, с участками параллельных стен. Здесь
возможны зоны фокусировки звуковых лучей, или так называемые порхающие эхо.
Этих явлений, существенно ухудшающих акустику помещений, можно избежать,
нанося на стены более или менее протяженные участки звукопоглотителей.
До сих пор говорилось главным образом о влиянии звукопоглощения на
качество акустики концертных залов. Исключительную роль искусственные
звукопоглотители приобрели в деле борьбы с шумами. Начать с того, что без
тех или иных звукопоглотителей звукоизолирующая конструкция вообще не
выполняет своей функции. Она отбрасывает звук обратно, не пропускает его в
изолируемое помещение. Но если не поглощать возвращаемый звукоизолирующей
перегородкой звук, то его уровень в помещении источника будет при
непрерывной работе источника все время возрастать (теоретически до
бесконечности), а это в свою очередь увеличит звуковую энергию и в
изолируемом помещении. К счастью, звук поглощают в той или иной мере все
предметы. Все же введением специальных звукопоглотителей можно добиться
снижения громкости шума, скажем, еще вдвое. Как видно, игра стоит свеч.
Вряд ли можно было более умело сочетать наличие участков современного
эффективного звукопоглотителя с общим классическим стилем интерьера. То, что
звукопоглотитель (черные квадраты) не закрывает весь потолок зала, не
ухудшает эффекта: звукопоглотителю помогает дифракция.
Наиболее эффективен звукопоглотитель как средство борьбы с шумом в
длинных низких помещениях, какие, кстати сказать, преобладают на судах. И
здесь, в этих "придавленных" помещениях установка звукопоглотителя на
потолке особенно целесообразна.
Звукопоглощающие облицовки обязательно присутствуют там, где надо
ослабить шум мощных вентиляторов, выпускных систем двигателей, систем
всасывания воздуха, стравливания различных газов. Проходя мимо
вентиляционного грибка где-либо неподалеку от станции метро и слыша едва
уловимый рокот, мы и не представляем себе, какой рев стоял бы здесь, не будь
в вентиляционных шахтах тех или иных звукопоглощающих устройств.
При весьма сильных шумах звукопоглотители ведут себя несколько иначе,
чем при слабых. И. В. Лебедева, исследовавшая физику звукопоглощения при
Жуковых уровнях, близких к порогу болевого ощущения, установила, что большая
роль принадлежит нелинейным явлениям, увеличивающим эффект звукопоглощения.
Не этим ли объясняется эффект, обнаруженный Паркинсоном (разумеется, не
Паркин-соном-литератором, а Паркинсоном-акустиком) при исследовании
затухания звука в вентиляционном канале, внутренние стенки которого
облицованы звукопоглотителем? Оказалось, что вблизи от мощного источника
затухание звука на единицу длины канала больше, чем на некотором удалении от
источника.
Каков бы ни был механизм нелинейного поглощения мощного звука, с точки
зрения техники шумоглушения это благоприятное обстоятельство, так как
несколько упрощает нелегкую, в общем, задачу борьбы с шумами.
Строители хорошо знают, что нельзя забывать и о естественных
звукопоглотителях. В первую очередь это кроны деревьев и трава газонов --
развешенные и расстеленные природой зеленые, впитывающие звук бархаты, с
которых мы начали повествование. Они, правда, не столь эффективны, как
искусственные звукопоглотители, но все же звук, пролетевший сквозь них или
над ними, становится мягче, в нем заметно ослабляются составляющие высоких
частот. Это, видимо, подметил К. Дебюсси, когда писал свою фортепианную
пьесу "Колокола сквозь листья".
КАК ЗАДЕРЖАТЬ ВИБРАЦИЮ И УДАРЫ
Экономист: "Амортизация-- это погашение долга, а также постепенное
изнашивание основных фондов, перенесение их стоимости на вырабатываемую
продукцию". Специалист по теории колебаний: "Амортизация -- это поглощение,
ослабление вибрации и ударов".
Прежде всего возникает вопрос: а зачем надо задерживать вибрацию?
Известно, что вибрация может исправно работать на человека. Различные
грохоты, трамбовки, пневматические инструменты, сепараторы, уплотнители
бетона -- во всех этих устройствах используется колебательное движение.
Но вот сам человек сталкивается с теми механизмами, которые он породил.
И что же? Вибрационная болезнь стоит на одном из первых мест в длинном
списке видов производственного травматизма. Вибрация -- это и шумоизлучение,
а о вредности шума мы еще поговорим впоследствии.
Подводный шум от работы судовых механизмов создает помехи для
рыбопоисковых приборов. Да и обитатели моря боятся этих непривычных шумов,
недаром сети для ловли тунца располагаются на буксирном тросе на расстоянии
многих десятков километров от рыболовного судна.
Вследствие вибрации выходят из строя различные приборы, а повреждения
от вибрации глубоководных или космических аппаратов, да и наземных
транспортных средств могут привести к их гибели.
Итак, бороться с вибрацией нужно. Раньше других строительных элементов
в роли борца здесь выступает масса. Возможно, еще до инженеров на полезную
роль массы для защиты от ударов и сотрясений обратили внимание... цирковые
актеры. В стародавние времена в малых и больших цирках ведущий программу,
указывая на мускулистого атлета с молотом в руках, патетически провозглашал
что-нибудь вроде следующего: "Сейчас знаменитый имярек, с силой которого не
сравнится ни один молотобоец в мире, будет наносить удары в грудь своему
партнеру, лежащему на арене. Но и этого мало! На грудь ему будет еще
поставлена трехпудовая наковальня!"
Едва ли разгоряченная зрелищем публика отдавала себе в этот момент
отчет, что наковальня не только не отягчает страданий атлета, как это
старался доказать ведущий, но, напротив, спасает ему жизнь. Главное, нужно
было лишь выдержать ее вес, да еще незаметное на глаз перемещение в момент
удара.
Это небольшое динамическое перемещение достойно того, чтобы сказать о
нем чуть больше. Ведь если бы не было его, а объект -- в данном случае
костяк груди человека -- был весьма жестким, то не проявились бы инерционные
свойства массы наковальни, и практически вся сила удара передалась бы этому
лежащему объекту.
Ни один атлет, пожалуй, не перенес бы прямого удара тяжелым молотом в
грудь.
Массивная наковальня, поставленная на грудь циркового артиста,
позволяет ему выдержать любой удар молота.
Разложение любого ударного импульса в интеграл Фурье указывает на
наличие весьма большого количества частотных составляющих силы,
расположенных сколь угодно близко друг к другу. Применив же к колебательному
движению второй закон Ньютона, нетрудно убедиться, что сопротивление массы
перемещению пропорционально квадрату частоты колебаний. Следовательно,
виброзадерживающий эффект массы будет особенно проявляться по отношению к
высокочастотным возмущающим силам. На низких же частотах ее эффект может
быть недостаточным.
Ну к чему, кажется, "тянуть резину"? Каждому ребенку ясно, что если
подложить эту самую резину или пружинку -- все будет в порядке, вибрация
исчезнет на всех частотах. Но... механизм действия любого упругого элемента
не столь уж прост, как может казаться. Начать с того, что пружина передает
следующему за ней объекту или конструкции всю колебательную силу, хотя,
правда, амплитуда колебаний этой конструкции будет зависеть от соотношения
ее сопротивления и жесткости пружины.
Сочетание массы и упругости -- это уже лучше, чем одна пружина. Но и
тут, как говорил роллановский Кола Брюньон (правда, совсем по другому
поводу), взяв зверя, получаешь и рога. При низких частотах возникает
резонанс, и колебания даже усиливаются по сравнению с тем, какими они были,
когда пружина отсутствовала, Классическая теория
А теперь источником возмущающей силы является механизм с
неуравновешенным ротором. Масса, поставленная под механизм на сравнительно
жесткое основание, как это ни странно, почти не уменьшает передачу ему
колебательной силы.
Установленные между массой и основанием амортизационные пружины ведут
себя подобно податливой груди атлета под наковальней. Проявляющиеся при этом
инерционные силы массы содействуют ослаблению передачи колебательной силы
основанию.
виброизоляции, развитая С. П. Тимошенко, Д. Ден-Гартогом и другими,
показывает, что виброизолирующий эффект системы проявляется лишь начиная с
частоты, примерно в полтора раза превышающей резонансную.
Масса, пружина, виброизоляция... Какая же это акустика, возможно,
усомнится иной читатель; это просто теория колебаний, часть теоретической
механики? Прежде всего, не будем создавать какой-то искусственный водораздел
между механикой и акустикой. Ньютон гордился, что он перевел акустику из
области музыки, где она давно преуспевала, в лоно механики. Колебательные
явления в твердых телах отличаются от колебаний в газах и жидкостях лишь
многообразием типов упругих волн, не более. И в английском, и в немецком
языке для колебаний в твердых телах существует термин, который можно
перевести как "структурный, телесный звук" и который прямо указывает, что
динамика и акустика твердых тел различаются, по существу, лишь названиями. И
недаром дальнейший
прогресс в области изоляции
При жестком основании (фундаменте) отдельно взятые масса и упругость
передают основанию всю колебательную силу вне зависимости от ее частоты.
Установка массы на упругий элемент позволяет существенно ослабить
передачу колебательной силы фундаменту (кроме узкой области резонанса на
низких частотах, где колебания могут усилиться).
колебаний в твердых телах осуществили акустики, в первую очередь
советские, немецкие и американские.
Виброизолированной системе -- например, установленному на упругие
опоры-амортизаторы виброактивному механизму -- свойственно шесть частот
свободных колебаний, сообразно числу степеней свободы. При совпадении их с
частотами возмущающих сил или моментов возможны интенсивные резонансные
колебания. В нашей стране в области расчета резонансных частот и амплитуд
колебаний самых различных систем виброизолирующей амортизации механизмов
(колебаний, которые в различных степенях свободы еще и связаны друг с
другом) много сделали Н. Г. Беляковский, О. К. Найденко, В. И. Попков.
Шесть резонансных частот... Частокол их может занимать на частотной
шкале опасный промежуток в несколько десятков герц. Исследуя возможность
предельного сужения этого промежутка, автор пришел к выводу, что при
наклонах амортизаторов под некоторыми углами можно не только ликвидировать
связь колебаний в различных степенях свободы (это было уже ранее показано
авиастроителями), но, что самое главное, свести резонансные частоты в весьма
узкий диапазон и значительно уменьшить тем самым опасность как колебаний
механизма, так и усиленной вибропередачи фундаменту. Одновременно
уменьшаются отклонения механизмов на упругих опорах при наклоне фундамента,
что особенно ценно для судовой амортизации. Когда статья на эту тему была
принесена в редакцию журнала "Судостроение", академик Ю. А. Шиманский,
бывший тогда редактором журнала, спросил:
-- А чем, кроме формул, вы можете это доказать?
Пришлось делать модель механизма на наклонных амортизаторах. Академик
довольно долго дергал за тросики, привязанные в различных частях
"механизма", и, убедившись в правильности утверждений, подписал статью в
печать. Наклонная амортизация стала применяться на судах.
Конечно, разработка методов расчета колебаний амортизированных
механизмов на низких частотах-- это лишь один, в общем, достаточно узкий
аспект проблемы виброизоляции. Магистральное направление-- изучение
вибропередачи на средних и высоких звуковых частотах, где процесс принимает
волновой характер. Были исследованы особенности прохождения колебаний через
сложные структуры, содержащие до семи и более элементов (механизм, несколько
каскадов виброизоляторов, промежуточные рамы и блоки, фундамент, конструкция
за ним). Удалось показать, что на некоторых частотах, при наличии
интерференционных явлений в механизме или его частях, вибрация фундамента от
действия силы, приложенной на границе упругой прокладки и механизма, может
быть меньше, чем от силы, действующей в удаленной от прокладки верхней части
механизма (хотя, на первый взгляд, можно ожидать обратного). Впервые было
установлено, что ослабление вибрации на фундаменте механизма после установки
его на виброизоляторы (а это ослабление служит и мерой снижения шума в
соседнем помещении), как правило, меньше, чем передаточная функция (перепад)
колебательных уровней на амортизаторах, наиболее просто измеряемых на
готовой установке амортизации.
В. И. Попков впервые рассчитал и измерил в широком диапазоне звуковых
частот колебательную энергию, передаваемую через виброизолирующие крепления.
Выдающийся немецкий акустик Л. Кремер, о котором мы уже говорили,
показал разницу в виброизоляции упругими прокладками продольных и изгибных
волн. В США интересные работы по виброизоляции были выполнены Кридом,
Сноудоном и другими.
Автор перечитал написанное, и ему вдруг подумалось: а не покажутся ли
некоторым читателям, особенно молодым, слишком уж "будничными" вопросы
вибрации? Ведь нет здесь лучей лазеров, прожигающих на расстоянии стальные
листы, миллионноградусных плазменных шнуров, бьющихся в чудовищных магнитных
полях. Читатель должен поверить, однако, что радость от обнаружения нового
явления или закономерности, игра ума при этом одинаковы, независимо от того,
участвуют ли здесь тысячи киловатт мощности, миллионы эрстед, атмосфер или
только колебательные движения с амплитудами в доли микрона, сопровождается
ли это явление броскими внешними аксессуарами или нет.
Вернемся, однако, к предмету нашего повествования. При создании
массовых амортизаторов для машин встал вопрос о виброизолирующем материале.
Еще в 40-е годы в разных странах в качестве амортизационных материалов
рекомендовались пробка, фетр и резина. Исследование их на специально
созданных установках склонило чашу весов в пользу последней.
Тут следует учесть одно интересное свойство резины. Дело в том, что она
практически... несжимаема, во всяком случае значительно менее сжимаема, чем
сталь. Что это -- мистификация или, быть может, невежественная оговорка? Ни
то, ни другое. Часто отождествляют два понятия: модуль сжатия и сжимаемость.
Модуль сжатия (модуль Юнга) у резиновых стержней, действительно, на
несколько порядков меньше, чем у стали. А вот сжимаемость, характеризующаяся
уменьшением объема при сжатии, у резины (разумеется, мы говорим о сплошной
резине, без внутренних пор) ничтожна, то есть ее деформация происходит не за
счет изменения объема, а лишь за счет изменения формы. Боковые поверхности
резинового виброизолирующего элемента при колебаниях, как говорят,
"выпучиваются". Если же эти поверхности закрыты металлической арматурой,
возможность боковых смещений исключается, и жесткость прокладки
увеличивается в десять и более раз (см. график на с. 239 книги И. И. Клюкина
"Борьба с шумом и звуковой вибрацией на судах". Изд. 1-е. Л., Судпромгиз,
1961). Резина буквально превращается в дерево, виброизоляция ее падает.
Это обстоятельство, а также необходимость обеспечить надежное крепление
механизмов в любом положении, под произвольным углом к горизонту были учтены
при разработке резинометаллических амортизаторов для судов. Амортизаторы
сварные -- так в резинотехническом производстве именуют изделия, в которых
резиновый массив присоединен к металлической крепежной арматуре в процессе
вулканизации, происходящей при достаточно высокой температуре.
Осваивал производство амортизаторов ленинградский завод "Красный
треугольник". Вспоминается момент, когда после долгих исканий "производство
пошло"; из пресс-форм одно за другим начали появляться аккуратные гладкие и
прочные изделия с заданными акустическими характеристиками. Было это ровно
тридцать лет назад. С тех пор освоены многие значительно более сложные типы
амортизаторов -- пружинно-резиновые, пневматические и другие. Многие
конструкции не выдержали "испытания практикой", но первые образцы
амортизаторов и сейчас являются одним из самых ходовых изделий этого вида.
Их выпущено уже более миллиона, они используются не только на судах, но и на
других видах транспорта, в промышленности, жилищном строительстве. Группа
амортизаторов различных размеров, поставленных рядом, напоминает семейство
слоников, которые когда-то можно было видеть на мещанских комодах. Самые
маленькие амортизаторы служат для защиты легких хрупких приборов от
сотрясений, самые большие -- для звукоизоляции довольно тяжелых
виброактивных механизмов.
Уместно вспомнить теперь о явлениях отражения колебаний на границах
сред или конструкций. Главное условие для такого отражения -- скачок
механического или акустического сопротивления, независимо от того, в какую
сторону -- уменьшения или увеличения. Виброизолирующие прокладки и
амортизаторы являют собой пример отражающей конструкции, действующей
вследствие резкого уменьшения сопротивления в месте перехода от
металлического вибропровода к резине или иному весьма податливому материалу.
Можно применить и другое виброзадерживающее средство, использующее эффект
отражения колебаний из-за местного увеличения сопротивления. Это --
локальные массы, те же массы, с которых мы начали рассказ о борьбе с
вибрацией и ударами.
Весьма часто шум в судовых помещениях обусловлен звуковой вибрацией их
ограждений, приходящей из машинного отделения. Судовые акустики на танкере
"София" сделали такой опыт. По периметру пола одной из кают были уложены
массивные металлические брусья. Симметричная каюта по другому борту была
оставлена без изменений. Громкость шума в первой каюте оказалась в полтора
раза меньше, чем во второй. Однако при использовании подобных
виброзадерживающих масс не удается добиться такого абсолютного скачка
сопротивления, а следовательно, и акустического эффекта, как с помощью
амортизаторов. Действие местных виброзадерживающих масс и различные аспекты
их применения были подвергнуты обстоятельному анализу Л. Кремером и А. С.
Никифоровым.
В некоторых случаях скачок сопротивления можно получить, введя линии и
цепочки местных упругоинерционных систем -- антивибраторов. Максимумы
виброизолирующего эффекта этих резонансных систем, как ни странно, оказались
не на частоте резонанса, а по обе стороны от нее. В данном случае
резонансная система вела себя как более или менее широкополосное
виброзадерживающее средство. Результаты теории и эксперимента сходились, а
вот физический смысл явления оставался неясным.
...Конференции круглого стола бывают не только у дипломатов, но и на
собраниях ученых. В 1971 году на такой конференции, входившей в программу
VII Международного конгресса по акустике в Будапеште, автор этой книги делал
доклад о виброизолирующем (и вибропоглощающем) эффекте антивибраторов на
пластинах. В перерыве к членам советской делегации, подошел высокий
полнеющий брюнет и лаконично представился: Манфред Хекль; имя этого
человека, выполнившего много интереснейших работ, известно каждому акустику.
Насколько позволяли языковые барьеры, завязалась содержательная дискуссия.
Встречи с иностранными коллегами -- это всегда сильнейший
психологический штурм. Мозг предельно напряжен, нельзя ударить лицом в
грязь. И в этот момент внезапно пришло понимание, почему резонансные
виброизолирующие системы на пластинах являются широкополосными...
"Целина" в области виброизоляции постепенно исчезает. Значительные
эффекты в борьбе с вибрацией получать все труднее, нужны новые, более
сложные системы и приемы. Советские ученые М. Д. Генкин, Ц. П. Коузов, В. С.
Иванов, В. Т. Ляпунов, А. В. Римский-Корсаков, С. А. Рыбак, Б. Д.
Тартаковский и их сотрудники в последние годы анализируют виброзадерживающие
и фильтрационные свойства пространственных систем из расположенных
определенным образом элементов массы и упругости. В борьбе с вибрацией
строительные акустики и строительные механики целенаправленно используют все
"три кита", на которых покоятся эти науки: массу, упругость и трение.
И трение...
КОЛЕБАНИЯ ВСТРЕЧАЮТСЯ
С ТРЕНИЕМ
Теплота есть завершение звука.
Г. Гегель. Философия природы
Разогреваются (при игре)не только музыканты, но и инструменты.
Там же
Итак, "три кита" в области
борьбы с шумами были известны в строительной акустике достаточно давно.
Составим табличку (или, как сейчас модно писать по всякому поводу, матрицу)
этих средств:
Звукоизоляция
Звукопоглощение
Виброизоляция (амортизация)
Очевидно, ощущалась пустота одной клетки этой таблички, чувствовалось,
что раз есть звукопоглощение, то должно, видимо, быть и вибропоглощение.
Ведь недаром в ряде стран звуковую вибрацию, то есть колебания звуковой
частоты в твердых телах, именуют структурным или телесным звуком.
-- Позвольте, -- возможно, скажет кто-нибудь из читателей, имеющих
отношение к строительной механике или к различного рода механизмам,-- но
ослабление вибрации механизмов с помощью виброгасителей, предложенных и
исследованных Тимошенко, Ден-Гартогом и другими, тоже известно довольно
давно.
Сколь убедительным может быть удар деревянного молотка в стальной лист!
Когда на листе имелось вибродемпфирующее покрытие (даже не со стороны
удара), уровень неприятного звука, излучаемого листом в окружающее
пространство и фиксируемого шумомером, заметно уменьшался.
Да, действительно, виброгасители для механизмов, различные демпферы
применялись и ранее. Но эти гасители использовались (и используются) для
ослабления колебаний механизмов или их частей лишь на отдельных резонансных
частотах, не превышающих десятков герц, причем масса таких гасителей
достигает иногда нескольких сот килограммов. Речь же шла о создании легкого
и удобного средства поглощения вибрации строительных конструкций
одновременно во всем диапазоне слышимых частот. Из этих конструкций следует
упомянуть прежде всего корпуса, палубы, переборки судов. Строительство
различного рода судов началось после Великой Отечественной войны бурными
темпами, и сразу же обнаружилось, что во внутренних помещениях судов очень
шумно -- ведь металл хорошо проводит звуковую вибрацию. Требуемое средство
было найдено, причем можно уверенно говорить здесь о приоритете
отечественной науки и техники. В 1945 году автором этой книги было
обнаружено, что нанесение на металлические листы резин и пластмасс сильно
увеличивает затухание колебаний листов в широком диапазоне частот.
Уже через несколько лет демпфирование металлических конструкций стало
обычным явлением, но тогда оно еще не успело получить признания,
доказательством чего явилась полемика автора предложения с вышестоящими
организациями при попытке запатентовать его.
Вначале пришел отказ. Мотивировка: облицовка корпусных конструкций
резинами и пластмассами известна из ряда зарубежных патентов. Что ж, беремся
за изучение этих патентов. Оказывается, в одном случае применение полимерных
материалов имело целью защиту от скольжения при хождении по палубе, в другом
-- защиту стенок танков судов, перевозящих кислоты, от их действия и т. д. и
т. п. Нанесение же подобных материалов с целью увеличения механических
потерь в конструкциях не предлагал ранее никто.
Свидетельство на изобретение было выдано (No 119084 с приоритетом от 2
августа 1947 г.)*, но до внедрения этого средства на судах было еще далеко.
Требовалась "наглядная агитация". В лаборатории были подвешены на тонких
нитях две "стальные пластины, вырезанные из обшивки судового корпуса. Одна
пластина -- в "натуральном" виде, другая облицована вибропоглотителем. Тут
же висел деревянный молоток.
Заказчику предлагалось стукнуть последовательно по обеим пластинам.
Удар по первой пластине-- в воздухе разливается "малиновый звон", не хуже
ростовских и суздальских колоколов. Теперь ударяем по пластине с
вибропоглотителем (со стороны непокрытого металла). Что это? Как будто бьют
по листу дерева или толстого картона. Введенное в конструкцию трение
"спилило" гребенку резонансов конструкции.
* Опубликовано в "Бюллетене изобретений", 1959, No 7.
И шумомер показывает уровень шума на 10--15 единиц меньше (об этих
единицах -- децибелах и фонах -- мы еще поговорим во второй части книги).
Простой опыт убеждал больше, чем расчеты, тонкие лабораторные
исследования, прогнозы. Моряки и судостроители стали склоняться к применению
средств вибродемпфирования в судостроении.
Через несколько лет, в начале 50-х годов, в иностранной печати начали
появляться первые публикации по вибродемпфированию. Насколько помнится, это
были статьи Минке, Ван-Иттербека о глушении шума бетономешалок и
камнедробилок с помощью демпфирующих слоев. Весьма эффективные синтетические
вибропоглощающие покрытия были созданы
Оберстом (ФРГ).
На III Международном конгрессе по акустике, проходившем в сентябре 1959
года в Штутгарте (ФРГ), внимание участников привлекло объявление, в котором
предлагалось записываться на экскурсию из Штутгарта в Мюнхен на специальном
виброзвукозаглушенном поезде, в котором были широко применены
вибродемпфирующие покрытия.
Да, поезд был заглушен хорошо. В вагонах можно было разговаривать
вполголоса. Автор этих строк смотрел на проносившиеся мимо поля цветущей
Баварии, и в памяти всплывали лица суровых судовых заказчиков, десять лет
назад недоверчиво рассматривавших в лаборатории первые вибродемпфирующие
покрытия для металлических конструкций. В соседнем вагоне ехали американец
Кервин, немцы Хекль и Куртце, советский ученый Б. Тартаковский, сделавшие
накануне на Конгрессе доклады о вибропоглощающих покрытиях. Впоследствии ряд
вопросов теории вибропоглощения разработал А. Никифоров.
В наше время вибропоглощающие покрытия применяются в транспортных
средствах и в машинах исключительно широко. Уже на одном из голландских
пассажирских судов постройки 1967 года вибропоглощающими покрытиями было
облицовано более 2000 кв. метров корпусных конструкций. Этот год с точки
зрения виброакустики был знаменателен тем, что в г. Левене (Бельгия)
собрался первый Международный симпозиум по вибропоглощающим слоям и
покрытиям.
Теперь вопросы вибропоглощения в конструкциях являются непременным
предметом обсуждения на всех акустических конференциях, конгрессах,
семинарах, симпозиумах. И хоть растет энергонапряженность машин и механизмов
-- главных источников раздражающей вибрации и шума -- этим шумам удается
ставить заслон, в частности, в виде материалов и конструкций с весьма
большим внутренним трением.
Малошумные шестерни с зубьями из текстолита.
ЕСТЬ ЛИ ЧТО-НИБУДЬ НЕ ПОЮЩЕЕ В МИРЕ?
Запели тесаные дроги ...
С. Есенин
Пытаются шептать клочки афиш,
Пытается кричать железо крыш,
И в трубах петь пытается вода
И так мычат бессильно провода.
Е. Евтушенко
До сих пор шла речь о колебаниях, вызванных преимущественно
периодическими силовыми воздействиями. Имеется, однако, весьма обширный
класс колебаний, источником которых может служить какой-либо постоянный
фактор: лоток жидкости или газа, гидростатическое давление, постоянная сила
натяжения, гравитации, трения, электродвижущая сила и т. п. Такие
колебательные движения носят название автоколебаний. В обыденной жизни мы,
возможно, сами того не замечая, встречаемся с автоколебаниями чаще, чем с
колебаниями, вызванными периодическими силами.
Начнем с автоколебаний природного происхождения. Вой ветра в ветвях
деревьев, в горах (вспомните у Тютчева: "Скалы поют, как кимвалы"). Это
примеры автоколебаний вихревого характера, но продуктом воздействия
постоянного возмущающего фактора могут быть и автоколебания строго
периодического характера, одно- или многотональные.
Знаменитый мореплаватель Ф. Чичестер указывает, что "ревущие сороковые"
именуются так не за шум разбивающихся волн, а именно за рев и вой ветра в
снастях судов. Чичестеру во время "одиночной кругосветки" пришлось изучать
язык своего судна. "Каждый вздох, треск или грохот что-то означал; даже
каждый оттенок завывания ветра в гротштаге имел свой смысл". Со временем
Чичестер смог по звукам вполне точно определять скорость и направление
ветра.
В великолепной монографии У. Брэгга "Мир света, мир звука" (к
сожалению, сейчас подобные капитальные научно-популярные книги все больше
вытесняются брошюрками-однодневками) имеется глава "Звуки деревни". Здесь
что ни звук, то автоколебания. Стрекотание кузнечиков и цикад, журчание
ручья, мычание и блеяние животных, звуки, издаваемые домашними и дикими
птицами.
А голос человека? Разве это не важнейший (по крайней мере, для него
самого) автоколебательный процесс? В основе его находится движение
постоянного потока воздуха из легких, модулируемого колебаниями голосовых
связок. Тончайшие фиоритуры модного колоратурного сопрано из столичного
оперного театра и грубый рев быка с точки зрения физики звукообразования
совершенно идентичны.
Упомянем о природных автоколебаниях несколько экзотического свойства.
Поющие пески... Еще в XIV веке великий путешественник Марко Поло упоминал о
"звучащих берегах" таинственного озера Лоб-Нор в Азии. За шесть веков поющие
пески были обнаружены в различных местах всех континентов. У местного
населения они в большинстве случаев вызывают страх, являются предметом
легенд и преданий. "Когда боги смеются, берегись!" -- предостерегающе
крикнул старик. Он начертил пальцем круг на песке и, пока он чертил, песок
выл и визжал; затем старик опустился на колени -- песок взревел и затрубил",
-- так описывает Джек Лондон встречу с поющими песками персонажей романа
"Сердца трех", отправившихся с проводником на поиски сокровищ древних майя.
Есть поющие пески и даже целая поющая песчаная гора и у нас в стране.
Неподалеку от реки Или в Казахстане поднялась почти на 300 метров гора
Калкан-- гигантский природный орган. При ветре и даже при спуске с нее
человека гора издает мелодичные звуки. После дождя и во время штиля гора
безмолвствует...
Да, много веков прошло со времени обнаружения поющих песков, а
удовлетворительного объяснения этому поразительному феномену не было
предложено. В последние годы за дело принялись английские акустики, а также
советский ученый В. И. Арабаджи. Этого специалиста, по-видимому, всегда
влекли к себе необычные акустические явления в природе. Раскрывая очередной
номер Акустического журнала АН СССР и видя в оглавлении фамилию Арабаджи,
можно заранее сказать, что речь пойдет об анализе шума грома, тайфунов или
водопадов, звуков в пещерах и подземных галереях. Дошла очередь и до поющих
песков. Арабаджи предположил, что излучающий звук верхний слой песка
движется при каком-либо постоянном возмущении по нижнему, более твердому
слою, имеющему волнистый профиль поверхности. Вследствие сил трения при
взаимном перемещении слоев и возбуждается звук. Примерно так же объясняют
генерацию звука движущимися песками некоторые иностранные ученые.
Если есть "звуки земли", то почему бы не быть голосу моря? Именно этим
именем были наречены В. В. Шулейкиным инфразвуковые колебания, возникающие
при движении ветра над гребнями морских волн. Академик Шулейкин не только
открыл это явление, но и предложил использовать его для прогнозирования
штормов с помощью специальных шаров-зондов, размещаемых на морских берегах.
Многочисленны и многообразны создания рук человеческих, в которых
возникают и используются автоколебания. Прежде всего, это различные
музыкальные инструменты. Уже в глубокой древности -- рога и рожки, дудки,
свистульки, примитивные флейты. Позже -- скрипки, в которых для возбуждения
звука используется сила трения между смычком и струной; различные духовые;
гармонии, в которых звук производят металлические язычки, колеблющиеся под
действием постоянного потока воздуха; органы, из труб которых вырываются
через узкие щели резонирующие столбы воздуха.
У кого из архитекторов далекого прошлого возникла мысль создать
гигантский орган, звучащий под воздействием естественных потоков воздуха? Да
к тому же совместить его с величественным изваянием одного из фараонов,
правившего в XIV веке до нашей эры? Кто бы это ни был, приходится удивляться
интуиции творца этого памятника и практическим представлениям его в области
акустики.
Пора удовлетворить законный интерес читателя. Конечно же, речь идет о
знаменитом "мемнонском колоссе", гигантском звучащем изваянии, установленном
вблизи египетского города Луксора. Высота статуи около 20 метров, масса
достигает тысячи тонн. В нижней части колосса обнаружен ряд щелей и
отверстий с расположенными за ними камерами сложной формы.
Акустик из ФРГ О. Бшорр в течение года вел наблюдения за звуками,
издаваемыми статуей, записывал их на магнитофон и подвергал спектральному
анализу. Выступление его на токийском Международном конгрессе по акустике
послужило лишним доказательством того, насколько несправедливо бытующее
иногда мнение об ученых, как о сухих, черствых людях, которым чуждо все
человеческое. Когда наступило время доклада Бшорра о мемнонском колоссе, то
в аудитории поистине яблоку негде было упасть. В соседних же аудиториях, где
заседали другие секции конгресса, было пустовато.
Докладчик начал с сообщения о том, что более чем в ста греческих и
латинских документах разных времен упоминается пение колосса. Один из
авторов документов (Страбон) указывает, что статуя имитирует голос человека.
После реставрации памятника императором Септимием Севером в 199 году н.э.
эта способность была утрачена памятником.
Что же показали регулярные наблюдения? Летом статуя звучит после 5
часов утра, зимой -- после 7 часов. Звук мелодичный, продолжается 1--2 часа.
Несомненно, что он вызывается восходящими потоками воздуха, нагреваемого
утренним солнцем. Однако установить точную физическую картину
звукообразования не удалось. Было высказано более десяти различных
предположений на этот счет, как то: ветровой эффект, эолова арфа, колебания
резонаторов Гельмгольца, эффект Тревельяна (колебания при соприкосновении с
нагретой поверхностью) и т. п. Весьма вероятно одновременное действие
нескольких механизмов возникновения "пения".
Следует, таким образом, констатировать, что взятая на себя Бшорром
миссия по изучению поющего колосса не увенчалась полным успехом, и это
оригинальнейшее творение мастеров далекого прошлого еще ждет своих
исследователей.
Перейдем, однако, от уникальных памятников старины к научно-техническим
творениям современности. Используя автоколебательные системы и принципы,
удалось создать много нужных машин, приборов, устройств. В разработанных
человеком устройствах особенно отчетливо выделяются три элемента необходимых
для осуществления автоколебательного процесса. Это -- источник постоянной
энергии, собственно автоколебательная система и тот или иной регулятор
поступления энергии в систему.
Возьмем, например, паровую машину. Источник энергии здесь -- паровой
котел, регулятор поступления энергии в движущийся механизм -- золотник, а
сама автоколебательная исполнительная система -- движущийся в цилиндре
поршень, связанный с колесами локомотива с помощью штока, шатуна и
кривошипа.
В обычных часах источником потенциальной энергии служат заведенная
пружина или поднятые гири, а распределителем -- анкерный механизм, который
приводит в периодическое движение маятник и зубчатые колеса, связанные со
стрелками. Разнообразные пневматические инструменты, сирена, электронные
генераторы и многие, многие другие автоколебательные системы также исправно
служат людям.
Но довольно часто, к сожалению, возникают и нежелательные
автоколебания, приводящие к повреждению и даже разрушению сооружений и
устройств, а иногда и к гибели людей. В сравнительно недалеком прошлом
известны случаи, когда обрушивались от колебаний неправильно рассчитанные
мосты при сильных ветрах и ураганах. Для предотвращения разрушения высоких
металлических труб, находящихся в ветроопасных местах, был предложен
остроумный прием, заключающийся в наварке на наружной поверхности труб по
пологой винтовой линии сравнительно тонких невысоких ребер. Эти ребра, уводя
обтекающий трубу горизонтальный ветровой поток вверх, препятствовали
возникновению за трубой пагубных для нее мощных вихрей.
Большую опасность в котельных установках (в том числе судовых)
представляют автоколебания трубок под воздействием постоянных потоков воды
или пара. Изменением конструкции трубок, увеличением расстояния между ними
для предотвращения их соударений удается в большинстве случаев защитить
котлы от выхода из строя.
Два вида автоколебательных процессов вошли как печальной памяти явления
в историю самолетостроения и воздухоплавания. Первое из них имеет
профессиональное название флаттер. Этому автоколебанию подвержены плоскости
самолета и его хвостовое оперение. Само название (англ. flutter --
трепетание) указывает на характер явления. Оно сродни колебаниям листьев
деревьев на ветру (вспомните, как трепещут на своих податливых черенках
листья осины). О сорвавшихся с дерева листьях никто печалиться не станет, на
самолете же флаттер буквально за несколько секунд может привести к
разрушению плоскостей или оперения и связанным с этим страшным последствиям.
В настоящее время достаточно сложный механизм флаттера полностью выяснен, и
части самолетов рассчитываются так, чтобы это опаснейшее явление не могло
возникнуть.
Другим опасным колебанием явилось шимми -- виляющие движения колеса
шасси (преимущественно переднего) при посадке самолета, могущие вызвать его
аварию. Как известно, шимми был модным танцем 20-х годов; возможно, это
название было использовано авиаторами потому, что виляющее движение колеса в
плане несколько напоминало движение ног у исполняющих танец. Теория шимми
была дана М. В. Келдышем. Введение в самолетные шасси демпферов и добавочных
шарниров позволило исключить аварии и вследствие шимми.
Роль виляющих колебательных движений в технике вообще не так мала, как
может казаться. При буксировке плавучих емкостей с определенной скоростью
могут возникнуть виляющие автоколебания, приводящие к отрыву буксирных
тросов и даже к повреждению самих емкостей.
Судоводители, впервые обнаружившие это явление, по-видимому, не знали,
что Рэлей предсказал возможность таких колебаний еще в конце прошлого века
на основании результатов весьма изящного опыта. За отсутствием устройств,
сообщающих жидкости прямолинейное движение, им был использован наполненный
водой сосуд относительно большого диаметра, вращаемый вокруг вертикальной
оси. Когда у стенок сосуда, где скорость движения жидкости наибольшая, в
воду был опущен груз маятника, то помимо естественного постоянного
отклонения по течению жидкости он начал совершать также колебательные
движения в перпендикулярном направлении. Итак, мы коснулись автоколебаний
приятных (некоторые музыкальные звуки), автоколебаний полезных (составляющих
основу устройства некоторых машин и приборов), наконец, автоколебаний
опасных. Есть также автоколебания, пусть не особенно опасные, но в
достаточной степени раздражающие. Кому из нас не приходилось воевать уже не
с поющими, а с ворчащими, рычащими, стонущими трубами в ванной? А скрипы
плохо смазанных петель, дверных створок, касающихся пола? Впрочем, не всегда
и не всех эти звуки раздражали. В повести Гоголя "Старосветские помещики"
есть строки, свидетельствующие, что подобные автоколебания могли и умилять:
"Но самое замечательное в доме -- были поющие двери. Как только наставало
утро, пение дверей раздавалось по всему дому. Я не могу сказать, отчего они
пели: перержавевшие ли петли были тому виною, или сам механик, делавший их,
скрыл в них какой-нибудь секрет; но замечательно то, что каждая дверь имела
свой особенный голос: дверь, ведущая в спальню, пела самым тоненьким
дискантом; дверь в столовую хрипела басом; но та, которая была в сенях,
издавала какой-то странный дребезжащий и вместе стонущий звук, так что,
вслушиваясь в него, очень ясно, наконец, слышалось: батюшки, я зябну!"
И далее Гоголь пишет:
"Я знаю, что многим очень не нравится сей звук; но я его очень люблю, и
если мне случится иногда здесь услышать скрып дверей... боже, какая длинная
навевается мне тогда вереница воспоминаний!" Интересно, что сказал бы Гоголь
или его милые старички, если бы рядом с ними раздался скрип, вернее,
страшный визг тормозов современного автомобиля? Едва ли хоть когда-нибудь и
у кого-нибудь эти звуки наших дней смогли бы вызвать милые воспоминания...
ПОБЕДНОЕ ШЕСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА
Соколов намного обогнал свое время...
Г. Чедд. Звук
Автор должен предупредить читателя, что, несмотря на жизнеутверждающий
тон заголовка, в повествовании об ультразвуке будет и доза ламентаций. Но
сначала некоторые воспоминания довольно давних лет. Тема их также,
естественно, связана с названием. К тому же они радостны, как всякие
воспоминания ("что пройдет, то будет мило" -- А. С. Пушкин).
Итак, май 1938 года. Наш учитель, профессор Ленинградского
электротехнического института С.Я.Соколов, входит в аудиторию.
-- Что-то вас мало сегодня. Ясно, до сессии еще далеко, а погода
хорошая. Пойдем и мы погуляем.
Группа студентов проходит со своим преподавателем мимо первой в стране
лаборатории электроакустики, размещающейся в старой церкви. За ней -- парк,
тянущийся до одного из рукавов Невы.
Соколов обращается к студентам:
-- Хочу поговорить сегодня с вами о перспективах применения
ультразвука. Сейчас в них мало кто верит, а они будут гигантскими и вы еще
сами убедитесь в этом. Кстати, несколько лет назад на этих вот деревьях,
осенью, когда ветви были без листьев, я развесил восемьсот метров стальной
проволоки и убедился, что затухание звука, в том числе и ультразвуковой
частоты, в металлах ничтожно.
-- Вы знаете об успехах нашей лаборатории в ультразвуковой
дефектоскопии металлов, -- продолжал Сергей Яковлевич. -- Так вот,
ультразвук будет "просвечивать" и тело человека, причем в отличие от
рентгеновских лучей это совершенно безвредно. С помощью ультразвука мы уже
делали эмульсию ртути с маслом и водой. Если мощность звукоизлучения
достаточна, можно эмульгировать практически любые компоненты. Но и это
далеко не все. Пробовали на металлургическом заводе облучать ультразвуком
расплавленный металл. Зернистость его уменьшается во много раз. Можно
получать сплавы с высокой степенью однородности структуры. Можно применять
ультразвук и для очистки изделий, для соединения металлов друг с другом. А
влияние ультразвука на химические реакции? Ведь это поистине безграничная
область.
-- Сергей Яковлевич, а где все это описано? -- спрашивает кто-то из
нас.
-- Публикуем понемногу результаты в журналах. Но мыслей столько, что не
успеваем все описывать. В общем, применения ультразвука будут чрезвычайно
многообразны, и очень важно создать электронно-акустический преобразователь,
делающий видимым любое ультразвуковое изображение. Сейчас наша кафедра
совсем близка к созданию такого преобразователя. (Он вскоре и был создан С.
Я. Соколовым -- И. К.)
Прошло четыре десятилетия. Просматриваю только что вышедшие книги по
применению ультразвука: "Ультразвуковая технология", 1974; "Применение
ультразвука в промышленности", 1975. Конечно, техника значительно
усовершенствовалась, вскрыты многие новые закономерности, но некоторые из
основных направлений в применении ультразвука все те же, о которых мы
слышали в довоенные студенческие годы. Может быть, в этих коллективных
|
