Дыбыс және акустика туралы 20 қызықты дерек – ғарышта сіздің айқайыңызды ешкім естімейтінінің себебі

Физика бізді айнала қоршап тұрады, бірақ оның күнделікті тәжірибеге дыбыс сияқты тереңдей сіңіп кеткен көрінісі сирек. Адам өмірінің алғашқы секунттарынан бастап есту арқылы дүниені қабылдайды және бұған соншалықты үйреніп кеткен, оның табиғаты туралы ойланудан қалған. Акустика – дыбыстық толқындар туралы ғылым – дыбыстың қалай таралып, қабылданатыны туралы қалыптасқан түсінікті аударып тастауға қабілетті деректерді бойында мол сақтайды. «Бөтен жан» фильмінің жарнамасындағы атақты «ғарышта ешкім сенің айқайыңды естімейді» деген сөз жай ғана әдемі ұран болып қалмай, дәл физикалық тұжырым болып шықты. Дыбыстың табиғаты бір мезгілде қарапайым да, тереңде де жатыр, ал оны зерделеу тербеліс, резонанс және акустикалық феномендердің ғажайып әлемінің есігін ашады. Төмендегі жиырма дерек осы көзге көрінбейтін, бірақ жаппай қамтыған физикалық үдерісті әлдеқайда жақсы түсінуге жәрдемдеседі.

1. Дыбыс – серпімді ортаның, яғни ауаның, судың немесе қатты денелердің бөлшектерінің тербелісі арқылы таралатын механикалық толқын. Сол себепті вакуумда ол мүлде болмайды – онда тербелетін ештеңе жоқ. Ғарыш дерлік заттан айырылған, демек тіпті ең қуатты жұлдыз жарылысы да сырттан бақылаушыға мүлдем үнсіз болып қалады.
2. 20 градус Цельсий температурасындағы ауадағы дыбыстың таралу жылдамдығы секундына шамамен 343 метрді құрайды. Салыстыру үшін айтсақ, жарық сол қашықтықты шамамен секундтың миллионнан бір үлесінде өтеді. Дәл осы орасан зор айырмашылық найзағайды бірден көріп, күннің күркіреуін бірнеше секундтан кейін ғана естуімізді түсіндіреді.
3. Суда дыбыс ауадағыдан шамамен 4,3 есе жылдам таралады, секундына шамамен 1 480 метрге жетеді. Болатта бұл шама одан да жоғарылайды – секундына 5 000-6 000 метрге дейін. Материал неғұрлым тығыз және серпімді болса, соғұрлым тербелістер оның бөлшектері арасында тиімдірек беріледі.
4. Адам құлағы 20-ден 20 000 герцке дейінгі жиіліктерді қабылдауға қабілетті, дегенмен жасқа қарай жоғарғы шек айтарлықтай төмендейді. 20 герцтен төмен дыбыстар инфрадыбыс деп аталады, ал 20 000-нан жоғары – ультрадыбыс, бұл екі диапазон да адамдардың басым бөлігіне қолжетімсіз. Кейбір жануарлар анағұрлым кең диапазонда естиді – иттер 65 000 герцке дейін қабылдайды, ал жарқанаттар 200 000 герцке дейінгі сигналдар арқылы кеңістікте бағдарлайды.
5. Дыбыстың қаттылығы децибелмен логарифмдік шкала бойынша өлшенеді, бұл қарқындылықтың сызықтық емес өсуін білдіреді. 10 децибелге артуы дыбыстық қысымның физикалық қуатының он есе өсуіне сәйкес келеді. Ақырын сыбыс – шамамен 30 децибел, жұмыс істеп тұрған реактивті ұшақ қозғалтқышы – шамамен 140, ал адам үшін ауырсыну шегі шамамен 130 децибелден басталады.
6. Жер тарихындағы ең қатты табиғи дыбыс 1883 жылы Кракатау жанартауының атқылауынан туды. Жарылыс 4 800 шақырымнан астам қашықтықта естілді – бұл Мәскеуден Үндістандағы дыбысты естігенмен бірдей. Бүкіл дүние жүзіндегі барометрлер планетаны бірнеше рет айналып өткен соққы толқынын тіркеді.
7. Доплер әсері – дыбыс көзі немесе бақылаушы қозғалған кезде қабылданатын жиіліктің өзгеруі – жедел жәрдем көлігі өтіп бара жатқандағы ыңғырлы дыбыс арқылы бәріне таныс. Автомобиль жақындаған сайын толқындар «жиналып», тон жоғарылап кетеді, ал алыстаған сайын айтарлықтай төмендейді. Бұл физикалық принцип жылдамдық радарларында, медициналық ультрадыбыста және астрономиялық бақылауларда қолданылады.
8. Дыбыстық тосқауыл – бұл шартты жылдамдық шегі, сағатына шамамен 1 235 шақырым, оны бұзған кезде соққы толқыны пайда болады. Ұшқыш Чак Йегер 1947 жылы «Белл X-1» ұшағында бақыланатын ұшуда бұл шекті алғаш аттап өтті. Тән гүрілді – «sonic boom» – дәл соққы толқыны өтіп бара жатқан сәтте жерде тұрғандар естиді.
9. Үй-жайлардың акустикасы музыка мен сөзді қабылдауға түбегейлі ықпал етеді. Концерт залдары реверберация уақытын ескере отырып жобаланады – бұл дыбыс көзі тоқтағаннан кейін дыбыстың сөніп бару кезеңі. Классикалық музыка үшін идеалды уақыт шамамен екі секунд, ауызша сөз үшін бір секундтан аспауы керек, әйтпесе сөздер түсініксіз гуілге айналып кетеді.
10. Шамамен 18-19 герц жиіліктегі инфрадыбыс адамдарда мазасыздық, жайсыздық сезімін, тіпті көру галлюцинацияларын тудыруы мүмкін. Дәл осымен кейбір зерттеушілер өнеркәсіптік жабдықтар немесе жел инфрадыбыстық толқындар тудыратын ескі ғимараттарда «елеске ұқсас болмыс» сезімін түсіндіреді. Ғалым Вик Тэнди Ковентридегі «қарғыс атқан» зертхананы зерттей отырып бұл құбылысты құжатты түрде растады.
11. Киттер арнайы тереңсу акустикалық арнасын – ең аз дыбыс жылдамдығы бар су қабатын – пайдаланып, мыңдаған шақырым қашықтықта дыбыс арқылы байланыс жасайды. Көк кит әні 188 децибелге жетеді, қуаты жағынан реактивті қозғалтқыштан озып кетеді, бірақ оның жиілігі адамдар қабылдауы үшін тым төмен. Мұндай сигналдар жануарларға бүкіл мұхит бойынша байланысты ұстап тұруға мүмкіндік береді.
12. Жарқанаттар мен дельфиндер пайдаланатын эхолокация принципі әскери және медициналық технологиялардың негізіне айналды. Сонар суасты қайықтарына дыбыстық импульстер арқылы мұхит түбін және басқа кемелерді «көруге» мүмкіндік береді. Медициналық ультрадыбыс сол принципке негізделіп, ішкі органдардан жоғары жиілікті толқындарды шағылыстырып, олардың бейнесін жасайды.
13. Акустикалық левитация – заттарды тек дыбыстық толқындар арқылы ауада ұстап тұруға мүмкіндік беретін нақты технология. Белгілі жиіліктегі тұрақты толқын жасалған кезде тербеліс түйіндеріндегі қысым ауырлық күшімен теңеседі. Ғалымдар зерттеу мақсатында су тамшыларын, шағын жәндіктерді және тіпті металл ұнтақ бөлшектерін левитациялаған.
14. Қалыпты жағдайда мүлдем абсолютті тыныштық физикалық тұрғыдан қол жетпейтін нәрсе – фондық шу барлық жерде бар. Ресми тіркелген ең тыныш орын – Редмонддағы Microsoft-тың жаңғырықсыз камерасы, онда деңгей -20,35 децибелге жетеді. Онда ұзақ уақыт өткізген адамдар өз жүректерінің соғысын және тамырларындағы қанның ағысын естіп, психологиялық жайсыздық сезінгенін айтады.
15. Резонанс орасан зор берік конструкцияларды бұза алады – 1940 жылы АҚШ-тағы Такома көпірінің желдің тербеліс әсерінен қирауын есіңізге алыңыз. Солдаттарға әлі күнге дейін резонанстық бұзылу қаупі болғандықтан көпірлерден аяқ астын сәйкестіріп өтуге тыйым салынады. Дұрыс таңдалған жиілік конструкцияны тұтастығын жоғалтқанша тербете алады.
16. Музыкалық аспаптар дыбысты күшейту үшін резонансты пайдаланады – скрипка немесе гитара деңгейі шектермен бірге тербеліп, дыбысты бірнеше есе күшейтеді. Корпуссыз тартылған шек дерлік естілмейтін дыбыс шығарар еді. Деңгей пішіні, қалыңдығы мен материалы шеберлер тарапынан қалаулы тембрге жету үшін мұқият есептеледі.
17. Дыбыс соқыр адамдардың бағдарлануында аса маңызды рөл атқарады – «экологиялық акустика» техникасы олардың кейбіріне саусақ немесе тіл шырт еткізіп, заттардың пішіні мен орналасуын анықтауға мүмкіндік береді. Дэниел Киш бір жасында көзінен айырылды, алайда велосипед мінуге мүмкіндік беретін деңгейде эхолокацияны өздігінен меңгерді. Адам миы акустикалық ақпаратты интерпретациялау қабілетінде таңғалдырарлық икемді.
18. Дыбыстық қару – бұл фантастика емес, нақты әскери әзірлеме. Бағытталған акустикалық әсер ету құрылғылары, «акустикалық зеңбіректер» деп аталатын жүйелер, қашықтықтан ауырсыну, дезориентация және уақытша естімеу тудыруға қабілетті. Осындай жүйелер митингтерді тарату және әскери нысандар периметрін күзету үшін қолданылады.
19. Жердің акустикасы адам қызметінің салдарынан жаһандық деңгейде өзгеруде – «антропогендік шу ластануы» деп аталатын жағдай елеулі экологиялық мәселеге айналды. Мұхиттардағы кемелер жүрісінің шуы киттердің байланысына кедергі жасап, олардың қоныс аудару кезіндегі бағдарын жоғалтуына себеп болуда. Бірқатар зерттеулер бойынша суасты фондық шу деңгейі XX ғасырдың ортасынан бері әрбір 10 жылда екі есе артуда.
20. Кванттық акустика дыбыстың атомасты деңгейдегі жүрісін зерттейді – мұнда кристалдық тордың механикалық тербелістері фонондар деп аталатын бөлшектер ретінде сипатталады. Фонондар төмен температурада материалдардың жылу өткізгіштігі мен өткізгіштік асқынуына қатысады. Фондондық үдерістерді басқару түбегейлі жаңа есептеу және энергетикалық құрылғылар жасаудың болашағын ашады.

Акустика кванттық физикадан мұхит экологиясына дейінгі кең ауқымды құбылыстарды қамтиды, оларды дыбыстың тербелмелі табиғаты деген бірыңғай принцип біріктіреді. Толқындардың қалай таралып, шағылысып, ортамен қалай әрекеттесетінін түсіну медициналық диагностикадан сәулет жобалауына дейін жаңа технологиялар жасауға мүмкіндік береді. Бұл ғылымдағы белгілі мен зерттелмеген арасындағы шекара үнемі жылжып отырады, ал жаңа ашылыс сайын таныс күнделікті құбылыстың астарында жасырынған күрделіліктің тағы бір қабаты ашыла түседі. Дыбыс – бұл жай физика ғана емес, табиғаттың өзімен-өзі сөйлесетін тілі.