Акустические зеркала: история и применение

Введение

Пассивное устройство для отражения звука

Акустическое зеркало – это пассивное устройство, используемое для отражения и фокусировки (концентрации) звуковых волн. Параболические акустические зеркала широко применяются в параболических микрофонах для приема звука с больших расстояний, а также используются для наблюдения и репортажей о спортивных мероприятиях на открытом воздухе. В научных музеях демонстрируются пары больших параболических акустических зеркал, функционирующих как "шепчущие галереи", для иллюстрации фокусировки звука. В межвоенный период, до изобретения радаров, параболические звуковые зеркала экспериментально использовались военными силами противовоздушной обороны в качестве средств раннего предупреждения для обнаружения приближающихся вражеских самолетов по звуку их двигателей. Во время Второй мировой войны на побережье южной Англии велось строительство сети крупных бетонных акустических зеркал, но проект был отменен в связи с разработкой радиолокационной системы Chain Home. Некоторые из этих зеркал сохранились до наших дней.

Акустическое обнаружение воздушных судов

До Второй мировой войны и изобретения радара акустические зеркала были построены как устройства раннего предупреждения вдоль побережья Великобритании с целью обнаружения приближающихся вражеских самолетов по звуку их двигателей. Самые известные из этих устройств до сих пор стоят в Денге на полуострове Дунгенесс и в Хайте в Кенте. Другие примеры существуют в различных частях Великобритании (включая Сандерленд, Редкар, Боулби, Килнси и Селси Билл), а также в Бахр ич-Чагхак на Мальте. Мальтийское звуковое зеркало известно местным жителям как «ухо» (il Widna). Зеркала Дунгенесса, известные в разговорной речи как «слушающие уши», состоят из трех больших бетонных отражателей, построенных в 1920–1930-х годах. Их экспериментальный характер можно определить по различным формам каждого из трех отражателей: один представляет собой длинную изогнутую стену высотой около и длиной , а два других – конструкции в форме чаши диаметром около . Микрофоны, установленные в фокусах отражателей, позволяли обнаруживать звук самолетов, летящих на значительном расстоянии над Ла-Маншем. Отражатели не являются параболическими, а фактически представляют собой сферические зеркала. Сферические зеркала можно использовать для определения направления, перемещая датчик, а не само зеркало; другим необычным примером является обсерватория Аресибо. Акустические зеркала имели ограниченную эффективность, а растущая скорость самолетов в 1930-х годах означала, что к моменту их обнаружения они уже оказывались слишком близко для эффективного перехвата. Разработка радара положила конец дальнейшим экспериментам с этой технологией. Тем не менее, это принесло долгосрочные преимущества. Программа акустических зеркал под руководством доктора Уильяма Сансома Такера предоставила Великобритании методологию использования взаимосвязанных станций для точного определения местоположения противника в небе. Система, разработанная ими для связи станций и отслеживания движения самолетов, была передана ранней команде разработчиков радаров и способствовала их успеху во Второй мировой войне; хотя британский радар был менее сложным, чем немецкий, британская система оказалась более эффективной в использовании.

Before World War II and the invention of radar, acoustic mirrors were built as early warning devices around the coasts of Great Britain, with the aim of detecting incoming enemy aircraft by the sound of their engines. The most famous of these devices still stand at Denge on the Dungeness peninsula and at Hythe in Kent. Other examples exist in other parts of Britain (including Sunderland, Redcar, Boulby, Kilnsea and Selsey Bill), and Baħar iċ Ċagħaq in Malta. The Maltese sound mirror is known locally as "the ear" (il Widna). The Dungeness mirrors, known colloquially as the "listening ears", consist of three large concrete reflectors built in the 1920s–1930s. Their experimental nature can be discerned by the different shapes of each of the three reflectors: one is a long curved wall about high by long, while the other two are dish shaped constructions approximately in diameter. Microphones placed at the foci of the reflectors enabled a listener to detect the sound of aircraft far out over the English Channel. The reflectors are not parabolic, but are actually spherical mirrors. Spherical mirrors can be used for direction finding by moving the sensor rather than the mirror; another unusual example was the Arecibo Observatory. Acoustic mirrors had a limited effectiveness, and the increasing speed of aircraft in the 1930s meant that they would already be too close to engage by the time they had been detected. The development of radar put an end to further experimentation with the technique. Nevertheless, there were long lasting benefits. The acoustic mirror programme, led by Dr William Sansome Tucker, had given Britain the methodology to use interconnected stations to pinpoint the position of an enemy in the sky. The system they developed for linking the stations and plotting aircraft movements was given to the early radar team and contributed to their success in World War II; although the British radar was less sophisticated than the German system, the British system was used more successfully.

Современное использование

Параболические акустические зеркала, называемые "посудами для шепота", используются в качестве интерактивных экспонатов в научных музеях для демонстрации фокусировки звука. Примеры можно найти в Бристоле (We The Curious), Онтарийском научном центре, ¡Explora! в Альбукерке, Мэрилендском научном центре в Балтиморе, Научном музее Оклахомы в Оклахома-Сити, Exploratorium в Сан-Франциско, Научном музее Миннесоты, Музее науки и промышленности в Чикаго, Тихоокеанском научном центре в Сиэтле, обсерватории Джодрелл-Бэнк, Сент-Луисском научном центре, обсерватории Паркс в Австралии и на лужайке северного кампуса Университета Северной Каролины. Пара таких "посуд", обычно диаметром около метра, устанавливается друг напротив друга на расстоянии примерно в сто метров. Человек, стоящий в фокусе одной "посуды", может услышать другого человека, говорящего шепотом в фокусе другой, несмотря на значительное расстояние между ними. Параболические микрофоны используют параболическую тарелку для отражения звука, приходящего из определенного направления, в микрофон, расположенный в фокусе. Они обладают высокой направленностью: чувствительны к звукам, поступающим с конкретного направления. Однако, как правило, они имеют слабую чувствительность к низким частотам, поскольку тарелка, достаточно компактная для переноски, не способна фокусировать длинные волны (то есть низкие частоты). Небольшие портативные параболические микрофоны применяются для записи звуков дикой природы, например, пения птиц, на телевизионных спортивных мероприятиях для записи разговоров игроков, например, во время обсуждения стратегии в американском футболе, или для записи звуков самого спорта, а также в системах аудио наблюдения для записи речи незаметно для говорящего.