СОДЕРЖАНИЕ

ЗВУК И СЛУХ

Еще в древние времена звуки служили людям средством познания мира и овладения тайнами природы, а также средством связи и общения друг с другом. Звуки — наши неизменные спутники. Они по-разному воздействуют на человека: радуют и раздражают, умиротворяют и пугают своей неожиданностью.

Человек давно научился находить приятные сочетания звуков — создавать музыкальные произведения. Музыка — один из старейших видов искусства. В глубокой древности люди приписывали звукам сверхъестественную силу. Они верили, что звуки могут укрощать диких зверей, сдвигать скалы и горы, преграждать путь воде, вызывать дождь, творить другие чудеса. Жрецы древнего Египта, заметив удивительное воздействие музыки на человека, утверждали, что в ней заключена магическая сила, и старались использовать ее в своих целях.

Они воздействовали на воображение людей, подчиняя их своей воле. Ни один праздник не обходился без ритуальных (обрядовых) песнопений.

Попытки понять и изучить звук предпринимались с незапамятных времен. Известно, что греческий ученый и философ Пифагор, живший две с половиной тысячи лет назад, ставил различные опыты со звуками (акустические опыты). Первые звуковые приборы были созданы в театрах древней Греции и Рима: актеры вставляли в свои маски маленькие рупоры для усиления звука. Известно также применение звуковых приборов в египетских храмах, где были «шепчущие» статуи богов.

Гармонические сочетания звуков, выявленные Пифагором и его учениками, легли в основу более поздних представлений о так называемой гармонии вселенной. Согласно этим представлениям небесные тела й планеты расположены относительно друг друга в соответствии с музыкальными интервалами и излучают «музыку сфер». Считалось, например, что Сатурн издает самые низкие звуки, звуки Юпитера можно сравнить с басом, Меркурия — с фальцетом, Марса — с тенором, Земли — с контральто, Венеры — с сопрано. У этой теории была долгая жизнь. Ее признавали даже в эпоху Возрождения, когда уже были получены первые вполне научные сведения о природе и движении планет. Отголоски этой теории можно обнаружить в трудах великого Кеплера, открывшего законы движения планет и сыгравшего огромную роль в развитии астрономии и физики.

Мир, окружающий нас, наполнен звуками: город — человеческими голосами, шумом машин и трамваев, приглушенным гулом заводов и фабрик; поле — стрекотанием кузнечиков; море — шумом прибоя и т.д. Но есть много и таких звуков, которые вообще не воспринимаются человеческим ухом. В быту их называют не-слышимым и, в науке — инфразвуками и ультразвуками.

Деление звуков на слышимые и неслышимые в какой-то мере условно, поскольку граница между ними не является строго определенной. Каждый слышит, так сказать, по-своему. Дети, например, слышат звуки более высоких тонов, чем пожилые люди.

Неслышимые звуки... Непривычное сочетание слов — все равно, что черный свет или холодный кипяток. Между тем такие звуки действительно существуют в природе, и в них нет ничего необыкновенного. С ними, сами того не замечая, мы встречаемся на каждом шагу. Их издают, наряду со слышимыми звуками, тикающие часы, летящий самолет, телефонный звонок и т.п. Ультразвуки — не редкое явление и в мире животных. Многие насекомые и животные издают их и воспринимают.

Физическая сущность слышимых и неслышимых человеком звуков одна и та же. В среде, которая обладает массой и упругостью, любое механическое возмущение создает звуковые волны. Средой для их распространения могут быть твердые тела, жидкости, газы, воздух.

Если, например, оттянуть и отпустить струну, она начнет колебаться и передаст свои колебания окружающим частицам воздуха. Эти колебания будут распространяться все дальше и дальше, а достигнув уха, вызовут колебания барабанной перепонки. Мы услышим звук. Таким образом, то, что мы называем звуком, представляет собой быструю смену чередующихся сжатий и разрежений воздуха. При этом сами частицы воздуха не перемещаются, они только колеблются, попеременно смещаясь вперед и назад на очень небольшие расстояния. Но изолированных колебаний одного тела не существует. В каждой среде в результате взаимодействия между частицами колебания передаются все новым и новым частицам, т. е. в среде распространяются звуковые волны.

Проще это уяснить, наблюдая за распространением волн на поверхности воды. Если бросить камень в воду, вначале появится углубление, затем — возвышение воды, а потом возникнут волны. Увеличиваясь по фронту, они будут быстро расходиться по поверхности, но отдельные частицы воды не распространяются вместе с волнами, так как колеблются только в небольших пределах. В этом легко убедиться, наблюдая за пробкой, подпрыгивающей на волнах. Пробка поднимается и опускается, т. е. колеблется, не передвигаясь вместе с бегущей волной.

Простым примером колебательного движения могут служить колебания маятника или груза, подвешенного на нитке или пружине. Если маятник отклонить от положения равновесия, а затем отпустить, он будет совершать свободные колебания.

Под действием силы тяжести маятник возвращается в первоначальное положение, по инерции проходит исходную точку и поднимается вверх, при этом сила тяжести тормозит его движение. В точке максимального отклонения маятник остановится и через мгновение начнет движение в обратном направлении.

Циклы колебаний повторяются, однако величина отклонений маятника уменьшается, и через некоторое время он остановится.

Основные физические характеристики любого колебательного движения — период колебания и амплитуда.

Периодом колебания называется время, в течение которого совершается одно полное колебание, например, когда качающийся маятник из крайнего правого положения переместится в крайнее левое и вернется обратно,

Число полных колебаний (периодов) за одну секунду называют частотой колебаний. За единицу частоты принимают одно колебание в секунду; эту единицу называют герц (Гц). Чем больше частота колебаний, тем более высокий звук мы слышим, т. е. звук имеет более высокий тон.

В зависимости от частоты волны подразделяются на инфразвуковые (ниже 16 Гц), звуковые (16—20 000 Гц), ультразвуковые (выше 20 000 Гц) и гиперзвуковые (выше 1000 МГц). На рис. 1 показана шкала распределения частот звуков.

Рис. 1. Шкала распределения частот звуков

Звуки отличаются один от другого еще и по тембру. Это значит, что одинаковые по высоте тона звуки могут звучать по-разному. Объясняется это тем, что основной тон звука сопровождается второстепенными тонами, которые всегда выше по частоте и поэтому называются обертонами, т. е. верхними тонами. Они придают звуку дополнительную окраску, иными словами, тембр — качественная характеристика звука. Чем больше обертонов налагается на основной тон, тем «богаче» звук в музыкальном отношении.

Если основной звук сопровождается близкими ему по высоте обертонами, сам звук будет мягким, «бархатным». Когда же обертоны значительно выше основного тона, появляется резкость в голосе или звуке.

Всякий раз происходит всего лишь только колебание воздуха, а между тем наше ухо благодаря своему замечательному устройству отличает одно колебание от другого. Мы легко различаем голос близкого или знакомого человека от голосов других людей. По тому, как говорит человек, мы судим о его настроении, состоянии, переживаниях. Радость, боль, гнев, испуг, страх — все это можно услышать, даже не видя того, кому принадлежит голос.

В мире животных нередко слух имеет решающее значение в борьбе за существование. Одни по слуху находят свою жертву, для других тонкий слух — гарантия избежать опасность.

Другая характеристика колебательного движения — амплитуда колебания. На примере с маятником амплитудой колебания называется максимальное отклонение его от положения равновесия в крайнее левое или правое положение. Амплитуда колебания определяет интенсивность (силу) звука. С интенсивностью звука связана громкость. Чем больше интенсивность звука, тем он громче. Однако понятия «громкость» и «интенсивность» не равнозначны. Звук одинаковой интенсивности может создавать у различных людей, в зависимости от особенностей слухового аппарата, неодинаковые по своей громкости слуховые восприятия.

Мы кратко рассмотрели только основные, элементарные понятия о звуке. Сущность же его значительно сложнее и представляет собой огромное поле деятельности для ученых, инженеров, экспериментаторов.