Удивительная физика

Внутри находится так называемая основная мембрана 4, состоящая из нескольких тысяч (около 4 500) волокон различной длины, настроенных каждое на некоторый определенный тон. Пришедшие во внутреннее ухо звуковые волны обуславливают колебания тех волокон основной мембраны, которые настроены на частоты, содержащиеся в этих волнах.

Рис. 111. Звуковая «локация» человека

Из приведенного выше описания слухового восприятия становится понятным, почему наше ухо способно различать отдельные тоны в сложном звуке, например в музыкальном аккорде. Большое значение имеет то, что у нас не одно, а два одинаковых уха. Оценивая с помощью двух ушей силу звука, мы можем определить направление, по которому он до нас доходит. Когда же одно из наших ушей заткнуто, мы не можем точно определить, откуда к нам несутся звуки. Слушая двумя ушами, мы всегда можем повернуть голову так, что будем смотреть в направлении источника звука (рис. 111).

Но это не всегда просто сделать. Если звук раздается в месте, одинаково отстоящем от обоих ушей, направление источника звука может быть определено ошибочно.

В этом случае полезно не поворачивать сразу лица на шорох или звук, а, напротив, отвернуть его в сторону, направить на него таким образом одно из ушей. И по разности громкости звука в правом и левом ухе мы легко определим направление, откуда раздается звук. Мы иногда инстинктивно и делаем это, когда прислушиваемся.

Что радует музыкальный слух?

Сложность устройства уха определяет его огромные возможности восприятия звука не просто как сигнала определенной силы и частоты, а как эстетического фактора, а именно – музыки.

Иметь музыкальный слух дано далеко не всем. Автор сам, например, слышит настолько слабые звуки (наверное, даже 0 Б!), что это удивляет врачей, но в отношении музыкальности, ему, как говорят, медведь на ухо наступил. Тонкость, или чуткость, слуха и музыкальность – вещи разные.

Великий Бетховен, например, вообще был глухим. Он приставлял к роялю конец своей трости, а другой ее конец прижимал к зубам. И звук доходил до его внутреннего уха, которое было цело. Возьмите в зубы тикающие наручные часы и заткните себе уши – тиканье превратится в сильные, тяжелые удары, настолько оно усилится. Почти глухие люди разговаривают по телефону, прижимая трубку к височной кости. Глухие часто танцуют под музыку – звук проникает в их внутреннее ухо через пол и кости скелета. Вот такими извилистыми путями доходят звуки до слухового нерва человека, но «музыкальный слух» при этом остается.

Человеческий голос имеет весьма узкие границы частот колебаний: от 64 Гц – самая низкая басовая нота до 1 300 Гц – верхняя сопрановая нота. Рояль обеспечивает куда более широкие пределы: от 27,5 – нижняя «ля», до 4 096 Гц – верхнее «до». Но даже при одинаковой частоте звук голоса певца, например, отличается от звука голоса певицы, а они, в свою очередь, отличаются от звука кларнета, скрипки, рояля и т. д. В чем же дело, откуда это отличие?

Рис. 112. Звуки: а – «чистый»; б – «сложный»

«Окраска» голоса, своеобразие звука характеризуются тембром. «Чистый» тон графически изображается синусоидой, как и положено гармоническим колебаниям (рис. 112, а), а звук, например, трубы дает тоже периодический, но сложный по форме график (рис. 112, б). Как же получается такой звук?

Рис. 113. Сложный звук (а) как сумма основного тона (б) и обертонов (в и г)

При помощи специальных анализаторов звука было установлено, что всякий сложный музыкальный звук состоит из ряда простых, или чистых, тонов, частоты колебаний которых относятся как 1: 2: 3: 4 и т. д. Наиболее низкий звук называется основным, а все остальные, более высокие (вдвое, втрое, вчетверо и т. д.), тона называются высшими тонами, или обертонами. Так вот, сложение всех этих тонов дает сложный тон того или иного музыкального инструмента. Например, скрипка дает сложный тон, изображенный графиком а на рис. 113, основной тон – графиком б; видно, что частота та же, что и у сложного тона; на графиках в и г представлены два основных обертона скрипки. А сумма звуков по графикам б, в и г дает сложный тон по графику а. Шум отличается от музыкальных звуков тем, что он не имеет определенной частоты колебаний, а следовательно, и высоты тона.

Вот от чего, оказывается, зависит своеобразие, прелесть и красота звуков различных голосов и музыкальных инструментов.

Духовые инструменты (труба, саксофон, кларнет) издают достаточно громкие звуки, вызываемые колебанием столба воздуха в инструменте. Чем этот столб длиннее, тем звук ниже. Самый большой духовой инструмент – орган. Воздух для его звучания подается в трубы от специального насоса. Число труб в органе может достигать десятков тысяч, а мощь его звучания будет равносильной десяткам духовых оркестров.

Рис. 114. Резонаторы усиливают звук камертонов

Духовые инструменты для повышения громкости звучания снабжаются раструбом-рупором – этакой воронкой для усиления звука. У струнных инструментов роль рупора выполняет резонатор. Резонатор – это емкость или ящик с воздухом, наименьшая длина которого равна четверти длины звуковой волны, которую хотят усилить (рис. 114). Допустим, при частоте 330 Гц длина волны равна скорости звука в воздухе 330 м/с, деленной на частоту в герцах, или 1 м. Следовательно, минимальная длина ящика резонатора должна быть 0,25 м. В струнных инструментах (скрипках, гитарах, роялях) резонаторы сложной формы, так как усиливать они должны звуки различной частоты. Резонаторы имеются и у живых существ. Лягушки, например, раздувают пузыри – ушные или зобные – для усиления кваканья. У человека есть рот и гортань, выполняющие роль резонатора и рупора. Для пения каждого звука необходимо особое положение губ, языка и формы резонатора полости во рту. Резонанс сильных колебаний может даже разрушить резонатор.

Ветер или солдаты, шагающие в ногу, могут разрушить мост, если собственная его частота совпадает с возмущающей силой, что вызывает резонанс. Такие случаи бывали. Например, в 1940 г. обрушился мост Тэйкома в США от автоколебаний, вызванных ветром. Проходя по мостам, солдаты получают приказ идти не в ногу, чтобы не вызвать его резонанс.

Говорят, Шаляпин мог запеть так, что лопались плафоны в люстрах. Это не легенда. Допустим, мы знаем частоту собственных колебаний стеклянного сосуда, например стакана. Это можно установить по высоте тона звона этого стакана после легкого щелчка по нему. И если мы громко запоем эту ноту близ стакана, то, как Шаляпин, сможем расколоть стакан своим пением. Только петь надо так же громко, как Шаляпин.

Есть еще интересный опыт по резонансу в музыкальных инструментах, например в фортепиано. Откройте фортепиано, нажмите на правую педаль, освободив струны, и пропойте какую-нибудь ноту в его полость. Когда вы закончите петь, вы услышите, что фортепиано «подпевает» вам своими струнами.

Или если связать толстой металлической проволокой два фортепиано в разных комнатах и играть на одном из них, то второе (с нажатой педалью!) будет играть ту же мелодию само собой, без пианиста.

Вот как возникают звуки – музыкальные и не очень. Но звук не вечен – возник и пропал. Можно ли его сохранить «впрок», записать? И как это сделать? Сейчас существует множество звукозаписывающих устройств и аппаратов, в основном электронных. Но впервые звук был записан механическим способом.

Возможность записывать звуки и затем воспроизводить их была открыта еще в 1877 г. великим американским изобретателем Т. А. Эдисоном (1847—1931). Звукозапись быстро вошла в нашу жизнь. Благодаря возможности записывать и воспроизводить звуки появилось звуковое кино. Запись музыкальных произведений, докладов, рассказов и даже целых пьес на граммофонные или патефонные пластинки стала массовой формой звукозаписи.

Рис. 115. Схема механической записи звука: