Б. Н. Суслов
Звук и слух
Введение
Мы живём в мире звуков.
Где бы мы ни находились, что бы ни делали — нас всюду сопровождают самые различные звуки. Каждое наше движение вызывает звук — шорох, шелест, скрип, стук. Правда, мы привыкаем к обычным звукам и часто не замечаем их. Так, порой человек не слышит, как рядом тикают часы, а при движении трамвая «пропускает мимо ушей» даже грохот вагона. Мы просто не сосредоточиваемся на этих привычных звуках, и часто бывает так, что только внезапно наступившая тишина обращает наше внимание на звуки, раньше ускользавшие от слуха.
Для восприятия звуков человек имеет тончайший аппарат — ухо. Ухо может воспринимать самые различные звуки. Оно может выделять из многих доносящихся одновременно звуков только те, которые нас интересуют. Очень часто мы руководствуемся в своих действиях слуховыми ощущениями. По звукам человек часто узнаёт различные предметы и определяет, где они находятся. Слух помогает найти дорогу тёмной ночью или в густом тумане. Шофёр по шуму мотора судит о его исправности. Рабочий на слух контролирует работу машины. Любой из нас по звуку определит, когда в чайнике закипит вода. По голосу можно не только узнать знакомого человека, но часто и определить его настроение, а ведь для этого ухо должно быть чутким к малейшим оттенкам звуков. А какую неоценимую услугу оказывает звук разведчику! Попадая в зону расположения противника, он иногда только по одним звукам может собрать много ценных сведений. Но для неосторожного разведчика звук может сыграть и предательскую роль. Треск сухого сучка под ногами, стук приклада автомата о камень или твёрдую землю и другие случайно вызванные звуки могут обнаружить место нахождения секрета.
После некоторой тренировки по звуку можно научиться отличать самолёты и танки противника от своих, а в некоторых случаях даже удаётся определить их тип и приблизительное количество.
Слух играет огромную роль и в жизни животных. Он помогает зверям и птицам выслеживать свою добычу, предупреждает их о грозящей опасности.
Как же возникает и распространяется звук? Как устроено наше ухо и какие звуки оно может слышать? Можете ли вы объяснить, почему при ветре воют провода и шумит лес? Всегда ли по ветру звук лучше слышен, чем против ветра?
На эти и многие другие вопросы читатель найдёт ответы в нашей книжке.
I. Рождение звука
1. Движение особого рода
Нельзя разобраться в звуковых явлениях, не составив себе ясного представления о том, что такое звук. Прежде всего посмотрим, как он возникает и распространяется.
Оттяните, а затем отпустите струну балалайки или гитары. Струна заколеблется, и вы услышите звук. Вы почувствуете колебания струны, если коснётесь её пальцем. Подержите палец на струне — колебания струны прекратятся, а вместе с ними исчезнет и звук. Колокольчик также перестанет звучать, если до него дотронуться. Значит, только колеблющиеся тела порождают звук.
Но что такое колебание?
Посмотрите, как движется маятник стенных часов. Он всё время качается вправо и влево (рис. 1). Дойдя до крайнего, например, правого положения, маятник на мгновение останавливается и потом идёт влево. Скорость его увеличивается до тех пор, пока он не дойдёт до среднего положения. Затем движение маятника начинает замедляться, и в крайнем левом положении он вновь останавливается. В следующее мгновение маятник опять начинает двигаться — теперь уже вправо. Половина размаха маятника или расстояние от среднего положения его до одного из крайних называется амплитудой колебания.
Рис. 1. Маятник
Подобно маятнику часов, любой подвешенный груз может совершать такое же движение. С подобным движением мы часто встречаемся в природе и называем его колебательным движением.
Если бы воздух не оказывал сопротивления маятнику и не было трения в месте его подвеса, то было бы достаточно толкнуть такой маятник один раз, и он колебался бы вечно. Но в природе так не бывает. Трение замедляет скорость движения маятника, расстояние между крайними положениями его постепенно уменьшается, и рано или поздно маятник останавливается.
Теперь проделайте такой опыт. Зажмите один конец стальной линейки в тиски, а другой отогните в сторону и отпустите. Линейка начнёт колебаться (рис. 2). При этом возникает звук, напоминающий жужжание. Почему же маятник колеблется беззвучно, а колебания линейки сопровождаются жужжанием? Оказывается, между этими колебаниями имеется существенная разница. Линейка в одну секунду совершает гораздо больше колебаний, чем маятник. Число колебаний в одну секунду называют частотой. Таким образом, частота колебаний линейки больше частоты колебаний маятника. Мы слышим звук при колебаниях линейки потому, что она колеблется с большей частотой.
Рис. 2 Линейка, зажатая в тисках, колеблясь, рождает звук
Таких примеров, когда твёрдые тела, колеблясь, звучат, можно привести очень много.
А могут ли звучать жидкости и газы?
Да, могут. Для этого надо заставить их колебаться. Звуки гудков, сирен, свистков и музыкальных духовых инструментов есть не что иное, как результат колебательного движения газов или паров. Когда же вы слышите шлёпанье дождевых капель по луже, шум воды, стекающей по желобу, или плеск волны, это — звуки, вызываемые колеблющейся жидкостью.
Естественно задать вопрос: а что же колеблется, когда человек говорит или поёт? Оказывается, голос возникает благодаря колебанию двух мускульных упругих перепонок — голосовых связок. Они находятся в верхней части дыхательного горла — в гортани (рис. 3).
Рис. 3. Схема устройства голосового аппарата
Когда мы дышим, голосовые связки раздвинуты так, что образуют треугольное отверстие, и воздух свободно проходит через него в лёгкие и из лёгких. Когда же мы произносим какой-нибудь звук, особые мышцы сближают упругие голосовые связки, и щель становится узкой. Движение воздуха теперь затруднено, и при выдыхании его перепонки начинают колебаться. Здесь-то и возникает звук. Всё разнообразие звуков нашей речи создаётся уже дальше — на пути от гортани через полости рта и носа.
2. Высота звука
Итак, звук рождается колебательным движением тел. Однако далеко не всякое колебание сопровождается звуком. Тело издаёт звук, воспринимаемый ухом, только в том случае, если оно колеблется не меньше 16 и не больше 20 000 раз в одну секунду. Однако неверно было бы думать, что тело, колеблющееся с частотой, скажем, 10 или 30 000 раз в секунду, не звучит. Медленно колеблющийся маятник тоже звучит, как звучат тела и при ста тысячах колебаний в секунду. Только мы этих звуков не слышим. Звуки с частотой меньше 16 называют инфразвуками, а с частотой больше 20 000 — ультразвуками. В этой книге мы будем говорить главным образом о звуках слышимых.
Чем же отличаются друг от друга звуки, имеющие различные частоты? Сделайте такой простой опыт. Возьмите обыкновенную пилу и тонкую дощечку. Проведите медленно дощечкой по зубцам пилы (рис. 4); вы услышите отдельные удары — стуки доски о зубцы. Проведите несколько быстрее, и вы услышите низкий, густой звук. Чем быстрее водить дощечкой по зубцам, тем выше будут звуки. Вспомните, как пронзительно воет электрическая дисковая пила, когда она разрезает полено. Всё это убеждает нас в том, что чем больше частота, то есть чем больше колебаний в секунду совершает тело, тем выше издаваемый им звук.
Рис. 4. Опыт получения звука с пилой и дощечкой
Интересно отметить, что при возникновении звука определенной высоты совершенно безразлично, какое тело колеблется и что является причиной колебаний. Любые тела, колеблющиеся, например, 500 раз в секунду, всегда дадут звук одной и той же высоты, будет ли это струна гитары, колокольчик или свисток. И наоборот, если мы слышим звук данной высоты, то можем уверенно сказать: звучащее тело колеблется 500 раз в секунду. Так по высоте звука может определяться частота колебаний тела.
Эта закономерность часто помогает нам в жизни. Например, наливая в тёмную посуду жидкость, мы по изменению высоты звука определяем, когда она наполнится.
Когда автомобиль идёт по ровной дороге, гул работающего мотора имеет одну высоту; если же на пути встречается подъём, мотор снижает число оборотов, машина замедляет ход, и гул становится другим, более низким. Прислушиваясь к этим звукам, шофёр своевременно переводит регулятор скорости. Мотор снова увеличивает обороты, и высота гула приближается к прежней.
