О свойствах звука

О свойствах звука

Что такое звук? На этот вопрос можно дать различные ответы. Физик скажет, что это волна, возникающая в результате колебаний звукообразующего тела в воздушной среде, и даст нам физические параметры звука: период колебаний, длину звуковой волны, амплитуду и частоту колебаний.

По характеру колебательных движений звуки можно разделить на чистые тоны, сложные тоны и шумы. В природе мы практически не встречаемся с чистыми тонами, они подобны дистиллированной воде лабораторий, нас же окружает вода ручейков, речек, озер, прудов. Чистые тона можно произвести с помощью камертона или звукового генератора и использовать их для научных целей. Окружающие нас звуки — сложные. Помимо основного тона имеется масса добавочных тонов или обертонов. Звуки, состоящие из смеси тонов разных частот, в которых невозможно выделить основной тон, называются шумами.

Мы живем в мире шумов, шумы и шорохи являются доминирующими в окружающем нас звуковом фоне. В лесу это — шелест листьев, в поле — шум ветра, на берегу моря — плеск волн. В природе абсолютной тишины не бывает. Тем более не бывает тишины в городе, здесь мы можем говорить только о большем или меньшем уровне шума. Поэтому известный исследователь свойств звука Лагенбек писал: «Человек с детства должен тренироваться слышать определенные звуки, несмотря на шум».

Распространению звуковой волны мешает целый ряд препятствий, встречающихся на ее пути. Способность звуковой волны огибать препятствия называется дифракцией. Низкие звуки обладают лучшей дифракцией, чем высокие. Этим, например, объясняется тот факт, что когда группа поющих людей сворачивает за угол, то сначала перестают быть слышны высокие голоса, а затем низкие.

Волна может отражаться от большой поверхности, возникающей на ее пути. При этом возникает явление, называемое эхом. Каждый из нас встречался с эхом в лесу, горах, где отражающими поверхностями являются деревья, скалы.

Поэтичную легенду про эхо создали древние греки. В лесах Эллады, на берегах светлых ручьев, жила прекрасная нимфа по имени Эхо. Над ней тяготело наказание Геры, жены всесильного Зевса: молчать должна была нимфа Эхо, а отвечать могла лишь тем, что повторяла последние слова. Однажды в густом лесу заблудился прекрасный юноша Нарцисс, сын речного бога Кефиса и нимфы Лаврионы. С восторгом глядела Эхо на стройного красавца, скрытая от него лесной чащей. Нарцисс огляделся кругом, не зная, куда ему идти, и громко крикнул:

— Эй, кто здесь?

— Здесь! — раздался громкий ответ Эхо.

— Иди сюда! — крикнул Нарцисс.

— Сюда! — ответила Эхо.

С изумлением смотрит прекрасный Нарцисс по сторонам. Никого нет. Удивленный этим, он громко воскликнул:

— Сюда, скорей ко мне!

И радостно откликнулась Эхо.

— Ко мне!

Протягивая руки, спешит к Нарциссу нимфа из леса, но гневно оттолкнул ее прекрасный юноша. Никого не любил он, кроме себя, лишь себя считал достойным любви. Ушел он поспешно от нимфы и скрылся в темном лесу. Спряталась в лесной чаще и отвергнутая нимфа. Страдает от любви к Нарциссу, никому не показывается и только печально отзывается на всякий возглас несчастная Эхо…

Эхо может наблюдаться в закрытых помещениях, в которых звук будет отражаться от стен, потолка, мебели. Такое многократное отражение звука в закрытых помещениях от различных предметов носит название реверберация. Реверберация может быть сильной, и тогда мы говорим о «гулкости» помещения. Зодчие Древней Руси, хотя и не знали законов современной физики, строили храмы, уникальные по своим акустическим свойствам. Например, в Георгиевском соборе Юрьева монастыря под Новгородом, построенном еще в XII веке, можно слышать слова, произнесенные даже шепотом в любом из углов собора. Во многих старинных соборах (Знаменский собор в Новгороде, Софийский собор в Полоцке, Домский собор в Риге) открыты концертные залы с великолепными акустическими свойствами.

Некоторые тайны древних зодчих удается раскрыть. Когда будете в старинных церквях Киева, Владимира, Пскова, обратите внимание на круглые отверстия, расположенные по основанию купола. Это голосники — горлышки глиняных горшков, вделанных мастерами в толщу каменного купола при строительстве. Они значительно усиливают эффект реверберации. Для этой же цели создаются специальные формы помещений с «направленным звуком» — концертные залы, эстрадные «раковины». Типичный пример такого сооружения — знаменитая эстрада «Певческого поля» в Таллине, вмещающая одновременно несколько тысяч певцов.

Реверберацию можно ослабить путем изоляции отражающих поверхностей пористыми или губчатыми материалами, занавесями, коврами.

А можно ли увидеть звук? Что вы, скажет читатель, звук можно только услышать. Оказывается, иногда увидеть звук все-таки возможно. В Великобритании один человек, стоявший на холме, вдруг увидел длинную узкую тень, мчавшуюся к нему через долину. Когда она добежала до него, человек ощутил сильный толчок и услышал звук громкого взрыва. Как оказалось, в нескольких милях от него взорвался пороховой склад, и взрывная волна сжала воздух до такой плотности, что он отбрасывал тень.

Физические объективные признаки звука, воздействуя на акустический анализатор, вызывают в нем появление субъективных физиологических ощущений: высоты, громкости и тембра звука. Оценка высоты звука производится в Герцах (Гц) по имени немецкого физика Генриха Герца. Эта величина означает число колебаний в 1 с.

Диапазон воспринимаемых человеческим ухом частот находится в пределах от 15–16 до 20000–22000 Гц. Звуки с частотой выше 20000–22000 Гц относят к ультразвукам. Воздействие этих частот на акустический анализатор не воспринимается как звуковое ощущение, хотя и не остается для него бесследным.

Различные части диапазона воспринимаются ухом неравномерно. Лучше всего слышны тоны средних частот и особенно в зоне 800–2000 Гц, хуже — крайние части диапазона: ниже 50 и выше 10 000 Гц.

Человек различает звуки с разницей буквально 1–2 герца, причем у разных людей эти способности могут отличаться. Люди с так называемым «музыкальным слухом» легко ориентируются в звуках различной частоты, они могут «на слух» определять звучание нот. Другим, что называется «медведь на ухо наступил», и они едва-едва могут воспроизвести простейшие эстрадные мелодии. Среди музыкантов особенно ценятся люди с «абсолютным слухом», способные безошибочно назвать любую ноту.

В книге английского психолога Р. Джоунза «Размышления по поводу умственных способностей» отмечается, что музыканты издавна используются на войне отнюдь не только в составе полковых оркестров, исполняющих победные марши. Так, в период первой мировой войны известный в то время пианист Клод Иви был мобилизован в военно-воздушные силы Франции и направлен на один из военных аэродромов, где должен был по звуку приближающихся самолетов определять их принадлежность. Позднее, в период второй мировой войны, американский дирижер Андрэ Костелянец был направлен на одну из военно-морских баз, где его привлекли к разработке звукоулавливающих систем, предназначенных для обнаружения подводных лодок противника.

Но пусть не огорчаются и те из моих читателей, кому наступил на ухо упомянутый выше медведь. Хоть это и слабое утешение, но они не одиноки. Сам автор, после семи лет занятий на фортепиано вряд ли сможет на слух отличить ноту «до» от ноты «ля».

Известно также, что Екатерина II, искренне увлекавшаяся театром, особенно комедией и фарсом, терпеть не могла серьезной музыки и откровенно в этом сознавалась: «В моей организации есть недостатки; до смерти хотелось бы мне слушать и любить музыку, но что я ни делаю — для меня это шум и больше ничего. Мне хочется послать в наше новое медицинское общество премию в пользу того, кто изобретет действительное средство от нечувствительности слуха к гармонии звуков».

Собственная частота колебаний барабанной перепонки равна приблизительно 1000 Гц. Эту частоту с полным основанием можно назвать «собственным тоном» барабанной перепонки — при воздействии звуковых колебаний этой частоты отмечается наилучший ее резонанс. Небезынтересными являются результаты исследований, проведенных в акустической лаборатории Московского университета, показавшие, что в большинстве окружающих человека «приятных» звуков — шум леса, дождя, моря и т. д. — определяющей является частота в 1000 Гц.

Кстати, еще древние греки знали о целебных свойствах звуков. До наших дней дошли монотонные, тихие напевы колыбельных песен, которыми матери убаюкивали своих детей. Археологические раскопки сообщили нам о существовании в древности многочисленных лечебниц для нервных больных, в которых единственным методом лечения была журчащая вода протекающих ручейков. Однако звук не всегда применялся с лечебной целью — в древние века бытовала мучительная казнь «под колоколом», когда звуком убивали осужденного.

В православной церкви было известно о влиянии звука колоколов на психику человека. Считалось, что звук басовых, низкочастотных колоколов успокаивает, а высокочастотных — наоборот возбуждает, «взвинчивает, приподымает настроение». Во времена «моровых поветрий» принято было звонить в высокочастотные колокола, так как думали, что этот звук способствует затуханию эпидемий.

В связи с рассказом о влиянии звуков на поведение человека, мне хочется привести предание о древнегреческом мудреце Пифагоре, основателе философской школы, названной в его честь «пифагорийской».

Широкому кругу читателей Пифагор, правда, больше знаком по курсу геометрии в связи с теоремой, названной его именем. Так вот, находясь однажды в обществе молодых людей, Пифагор почувствовал, что они, разгоряченные пиршеством, сговариваются пойти и учинить насилие в одном доме, где процветало целомудрие. Тогда Пифагор приказал флейтистке настроиться на другой лад и звуками музыки, мерной, строгой, выдержанной в спокойном ритме, понемногу заворожил их пыл и убаюкал его.

В эпоху Ренессанса широко распространено было увлечение музыкотерапией. Отголоски этого увлечения мы встречаем у Франсуа Рабле (1494–1553). Герои его романа «Гаргантюа и Пантагрюэль» попадают к королеве Квинтэссенции, которая лечит все болезни музыкой. «Пока мы рассматривали необычайный, доселе не виданный орган, прислужники королевы ввели прокаженных; она сыграла им какую-то песенку — они тотчас же и вполне излечились. Затем были введены отравленные — она сыграла им другую песенку, и болезнь как рукой сняло. То же самое было со слепыми, глухими, немыми и паралитиками».

Естественно, здесь мы сталкиваемся с откровенной насмешкой, с сатирой на музыкотерапию. Тем не менее, рациональное зерно в использовании влияния звуков на организм все-таки есть. И в наши дни мы вновь переживаем увлечение музыкотерапией. Хорошо бы только, чтобы это увлечение базировалось на строгих основах физиологии высшей нервной деятельности и аудиологии.

А как, интересно, реагируют на музыку животные? Многие музыканты находили благодарных слушателей в… пауках. Стоит взять несколько нот на скрипке — и паук тут как тут: сидит и слушает. О любви пауков к музыке рассказов сочинено много. Но, бесспорно, любовь эта очень корыстная: не музыка сама по себе привлекает пауков, а резонансное сотрясение паутины, и им, паукам, чудится тогда, что попавшая в сеть муха ее трясет.

Многие рассказывают о любви к музыке собак. Действительно, многие собаки воют под флейту или губную гармошку. На самом деле мы имеем тут дело с очень древним безусловным рефлексом. Собаки, как известно — это потомки прирученных человеком волков. А волк — животное, которое почти всегда живет в стае. Стоит только одному зверю из стаи завыть, как другие тут же откликаются воем на поданный сигнал. Так вот, этот рефлекс — откликаться на вой определенной частоты и заложен в мозгу практически всех собак. Стоит только подобрать частоту звучания музыкального инструмента близкую к частоте этого древнего воя, как безусловный рефлекс срабатывает, и собака отвечает воем на «зов предков».

В средние века высоту звука обозначали не частотной характеристикой, а октавой. Октава, как известно, состоит из 7 нот: до, ре, ми, фа, соль, ля, си. Самый низкий звук нашего диапазона, равный 16 Гц, представляет собой «до» субконтроктавы, самый высокий — «ре-ми» седьмой октавы. Следовательно диапазон нашего слуха охватывает около 16 октав. Возникновение названий нот, октавы, связано с именем бенедиктинского монаха-итальянца Гвидо д’Арецо (Гвидо Аретинского), который осуществил в первой половине XI века реформу нотации, обусловившую появление в Европе современного нотного письма.

Нововведение Гвидо Аретинского основывалось на практике сольфеджио. Весь певческий диапазон был поделен на семь единообразных шестизвучий, ноты каждого из которых назывались одинаково. Для облегчения запоминания своей системы автор воспользовался латинским гимном Св. Иоанну Крестителю, представляющим собой молитву певцов о предохранении их голосов от хрипоты. Особенностью мелодии этого гимна является постепенное повышение начального слога каждого из шести первых полустиший. В литературе они приводятся в следующем виде:

Utqueant laxis — Чтобы смогли

Resonare fibris — Воспеть на расслабленных струнах твои

Mira gestorum — Чудные деяния

Famuli tuorum — Слуги,

Solve polluti — Разреши грех оскверненных

Labii reatum — Уст,

Sancte Iohnnes — Святой Иоанне.

(курсивом даны соответствия шести латинским словам, начинающим строки).

Выделенные слоги и стали названиями нот от ut до la, а седьмая строка послужила много позже источником для наименования седьмой ноты si.

Долгое время эта нота считалась чувственным, дьявольским звуком и искоренялась из церковного пения. Однако по мере того, как в сольфеджио развивалась тенденция перехода от подразделения певческого диапазона на шестизвучия к системе октав, название стало необходимо. Различные исследователи датируют его появление концом XVI в. или же XVII в. Во всяком случае в письменных источниках 1620-х годов новый термин уже употреблялся, а вопрос об авторстве был спорным.

Термин si был образован из начальных букв латинского словосочетания Sancte Iohannes «Святой Иоанн», составившего седьмую строку гимна Иоанну Крестителю.

Название первой ноты современного музыкального алфавита do было введено позже названий прочих шести нот. В итальянских письменных источниках оно фиксируется с XVII века, во французских — с XVIII, а в русских — с XIX века. Новый термин пришел на смену старинному синониму ut (русский уть), вошедшему в нотную номенклатуру одновременно с re, mi, fa, la. Традиционно авторство названия ноты do приписывается флорентийскому музыканту G. B. Doni (1594–1647), якобы использовавшему ввиду большей по сравнению с ut звучности первый слог собственной фамилии.

Итак, наше ухо воспринимает звуки в диапазоне от 16 герц до 20 тысяч герц. Звуки же, частота которых не достигает 16 герц, называются инфразвуками, и человек их не слышит. Тем не менее, воздействие инфразвуков на организм человека крайне опасно.

Частота в 6 герц может вызвать у нас ощущение усталости, тоски, морскую болезнь. Инфразвук в 7 герц особо опасен: смерть наступает от внезапной остановки сердца. Попадая в естественный резонанс какого-нибудь органа, инфразвуки могут разрушить его. Скажем частота в 5 герц повреждает печень. Другие низкие частоты способны вызвать приступ безумия. Причем для инфразвука, вызывающего незначительные изменения в настроении, большой интенсивности не надо. Например, исследователи, проводившие опыты по воздействию этих колебаний на человека, собирали большую аудиторию на интереснейшую лекцию, а затем в какой-то момент, когда слушатели были особенно внимательны к рассказу, излучали с помощью специального аппарата инфразвук. И люди уходили, не вынеся его действия, хотя и не осознавали, почему они это делают.

Определенные низкочастотные звуки, действуя на слуховые анализаторы мозга, даже могут «убеждать» человека бросить курить, спокойно спать, соблюдать диету, быстро читать, усваивать иностранные языки, преодолевать стрессы и испытывать нежные чувства. В Японии, например, выпущены музыкальные магнитофонные кассеты с наложенным на пленку низкочастотным текстом, неуловимым для слуха человека, но воспринимаемым его сознанием.

До сих пор еще полностью не изучено влияние инфразвука на человека. Существует предположение, что инфразвуки (звуки очень низкой частоты) могут вызвать ощущение тревоги, страха, вплоть до тяжелых психических расстройств.

На этом базируется одна из гипотез, пытающихся объяснить феномен «Летучего голландца» — находку в океане полностью исправных кораблей, покинутых командой. Считают, что в шторм волны продуцируют инфразвуки, которые вызывают массовое помешательство команды — обезумев от страха, люди прыгают в морскую пучину, а покинутый всеми корабль продолжает свое одинокое странствование.

Еще Авиценна (около 980–1037 гг.) отмечал, что накануне крупных землетрясений изменяется поведение людей — их охватывает тревога, возникает необоснованная агрессивность. Предполагают, что сдвиги земной коры могут вызывать возникновение инфразвуков, которые таким образом воздействуют на психику человека. Замечено, что перед землетрясением иногда регистрируют странные радиоволны. Например, в Японии наблюдали, как за полтора часа до подземного толчка резко повысилась интенсивность излучения в диапазоне длинных волн. Излучение исчезало почти сразу же после толчка. Перспектива использовать обычные радиоприемники для оповещения о землетрясениях заинтересовала ученых.

В Институте физики Земли имени О. Ю. Шмидта проанализировали наиболее вероятные механизмы генерации радиоволн в зоне готовящегося землетрясения. Среди них оказался возможен и такой. При подготовке к землетрясению уже за часы-сутки в приповерхностных породах над будущим очагом происходят различные деформации. Между блоками пород возникает трение, появляются локальные разрушения, внутри возникают трещины. Лабораторные опыты подтвердили, что образование трещин, скажем, в гранитах сопровождается электромагнитным излучением. При скорости роста трещины около километра в секунду должно возникать импульсное излучение в широком диапазоне радиоволн. Проверить этот механизм можно в сейсмоактивных районах. Необходимо только, считают ученые, поместить антенны длинноволновых радиоприемников поглубже в шахты и скважины, где радиоприему не будут мешать обычные радиостанции и промышленные помехи.

Основными частотами, при помощи которых люди общаются друг с другом, используя речь, являются 500–4000 Гц. Частотный спектр «голосов» многих представителей животного мира располагается в диапазоне слуха человека. Так, например, слоны «разговаривают» в зоне 95–380 Гц, земноводные — 1000–3000 Гц, цикады — 3000–8000 Гц, жуки — 5000–8000 Гц, саранча — 3000–15000 Гц.

В тоже время диапазон звуков, воспринимаемых животными, намного шире диапазона человека. Опытом доказано, что кошки воспринимают звуки до 40 000 Гц, а собаки даже выше этой частоты. Летучие мыши при полете пользуются своеобразными звуковыми радарами с частотой 50000–90000 Гц для прощупывания объектов. Аналогичные устройства имеют дельфины.

Оригинальные исследования, проведенные над комарами, показали, что «антенны» комаров-самцов вибрируют под влиянием ультразвуков, издаваемых при полете самками. Этот заставляющий их лететь на большие расстояния «брачный призыв» использован в настоящее время для борьбы с комарами, которые находят вместо своих самок специальные засасывающие их ультразвуковые аппараты. Выпускаются и устройства, работающие на ультразвуковой частоте, «отпугивающей» комаров. Японские фирмы широко наладили выпуск наручных часов с вмонтированным в них «антикомариным устройством», ограждающим их владельцев от назойливых насекомых.