Звук и его происхождение

Звуки окружали человека всегда. В далекие доисторические времена они помогали ему так же, как и живые существа. Благодаря им человек общался, ориентировался в пространстве, охотился и просто выражал свои эмоции. Шелест листьев в лесу, пение птиц, шум морского прибоя – эти естественные звуки человек сначала просто имитировал, а со временем появилась музыка.

Люди, пытаясь поставить звуки себе на службу, стали их изучать, создав науку о звуках – акустику.

Источники звука

Звук – это механические волны, которые воспринимаются ухом и распространяются в газах, жидкостях и твердых телах.

Человеческое ухо воспринимает как звук механические колебания, частота которых лежит в пределах от 20 до 20 000 Гц (20 кГц). Продольные волны с частотой менее 20 Гц называют инфразвуком, а с частотой большей 20 кГц – ультразвуком.

Напомним, что когда частота колебания какого-то тела (например, подвешенного на нити шарика) составляет 1 Гц (герц), это означает, что за одну секунду тело осуществило одно полное колебание. Если частота колебаний равна 1000 Гц (или 1 кГц), то за одну секунду тело совершает 1000 колебаний.

Источниками звука являются разные колеблющиеся тела, например, натянутая струна или тонкая стальная пластина, зажатая с одной стороны. Источником чистого музыкального звука является камертон.

Колебания струны или металлической пластинки передаются окружающей среде (если это осуществляется в воздухе – то прежде всего – воздуху). Когда пластинка отклонится, например в правую сторону, она уплотняет (сжимает) слои воздуха, прилегающие к ней справа, при этом слой воздуха, прилегающий к пластине с левой стороны, разряжается.

Камертоны – устройства для создания музыкальных звуков

При отклонении пластины в левую сторону она сжимает слои воздуха слева и разряжает слои воздуха, прилегающие к ней с правой стороны и т. д. Сжатие и разряжение слоев воздуха, прилегающих к пластине, передаются соседним слоям. Этот процесс будет периодически повторяться, постепенно ослабевая до полного прекращения колебаний.

Таким образом колебания струны или пластинки возбуждают колебания окружающего воздуха и, распространяясь, достигают уха человека, заставляя колебаться его барабанную перепонку и вызывая раздражение слухового нерва, воспринимаемое человеком как звук.

Если сравнить частоты колебаний различных источников звука – от человеческих голосов до звуков музыкальных инструментов, то получим такую картину:

Распространение звуковых волн

Скорость распространения в пространстве звуковых колебаний (волн), зависит от плотности среды, в которой они распространяются, а также от температуры. В воздухе скорость распространения звуковых колебаний в среднем равна 330 м/с, однако она может изменяться в зависимости от его влажности, давления и температуры.

Рассмотрите приведенную ниже таблицу, в которой представлена средняя скорость звука в воздухе при различных температурах:

Если посмотреть на значение скорости звука в воздухе на различных высотах от поверхности Земли, то можно заметить, что с высотой скорость звука уменьшается. Это связано не только с изменением температуры, но, прежде всего, с изменением атмосферного давления.

Для так называемой стандартной атмосферы температура на высоте 11–20 км постоянна и равна -56,5 °C, скорость звука на этих высотах составляет 295,07 м/с.

Скорость звука в жидкостях и твердых телах существенно больше, чем в воздухе, однако здесь тоже существует определенная зависимость от температуры:

Когда-то известный популяризатор науки Я. Перельман предложил поразмышлять над такой ситуацией: что произошло бы, если бы звук распространялся в воздухе не со скоростью 340 м/с, а гораздо медленнее – например, со скоростью 340 мм/с?

Он предлагает рассмотреть такую ситуацию. Сидя в кресле, вы слушаете рассказ вашего знакомого, который имеет привычку говорить, расхаживая туда-сюда по комнате. При обычных, существующих скоростях звука это нисколько не помешало бы вам слушать. Но при уменьшенной скорости звука вы ничего не поймете из речи вашего гостя: звуки, созданные ранее, будут догонять новые и «перемешиваться» с ними, – получится путаница звуков, лишенная всякого смысла!

 

Образование звуков

Голосовой аппарат человека и животных

Голосом называют совокупность различных по высоте, силе и тембру звуков, создаваемых человеком с помощью голосового аппарата. (Можно также говорить и о голосе животных, если они дышат легкими.)

Кто много говорит, тот говорит много глупостей.

П. Корнель

Голосом сопровождаются также рефлекторные движения мышц гортани (чихание, кашель и т. д.). Человек выражает голосом ощущения, чувства, мысли (крик, смех, плач, разговорная и вокальная речь). В создании звука участвуют дыхательные пути и полости (легкие, бронхи, трахея); система резонаторов усиливает звук.

Различная частота звуковых колебаний зависит от длины и напряжения голосовых связок, что, в свою очередь, обусловливается состоянием мышц гортани. Считают, что количество колебаний голосовых связок в секунду совпадает с количеством импульсов, поступающих от центральной нервной системы.

Высота голоса зависит от частоты колебаний голосовых связок, что, в свою очередь, обусловлено их длиной, толщиной и напряжением.

Сила голоса зависит от размаха колебаний голосовых связок, определяется силой напора выдыхаемого воздуха.

Голосовой аппарат человека

Механика создания звука у всех позвоночных, имеющих голос, практически одинакова. Во время дыхания воздух из дыхательных путей под действием выдыхательный мускулатуры, что создает в них повышенное давление, плавно и непрерывно проходит через широко открытую голосовую щель. При создании звука голосовая щель замкнута и голосовые связки напряжены. Щель открывается под давлением воздуха на короткое время. Через нее из дыхательных путей выходит лишь часть воздуха. После этого голосовые связки снова смыкаются и начинают колебаться. Ротовая и носовая полости играют роль резонаторов – они усиливают звук.

На рисунках показан общий вид голосового аппарата человека (1), общий вид связок (2), а также связки в спокойном (3) и напряженном (4) состояниях.

У бесхвостых земноводных, которые квакают, по внутренним краям черпаловидных хрящей расположены толстые складки, окружающие голосовую щель слизистой оболочки, в нижней половине которой расположены голосовые связки.

Среди пресмыкающихся, в основном неспособных издавать громкие звуки, настоящие голосовые связки имеют лишь гекконы и хамелеоны, у крокодилов они представлены мощными складками слизистой оболочки.

Чем отличается «ля» в исполнении Натальи Могилевской от «ля» в исполнении Русланы

Характерное свойство почти каждого источника звука – он не только создает простые периодические колебания (их называют чистый тон), но создает и сложные колебательные движения, дающие несколько тонов одновременно (их называют обертоны). Например, объект, который колеблется с основной частотой 500 Гц, может также образовывать обертоны с частотой 1000, 1500, 2000 Гц и т. д.

Когда такие сложные звуки воспринимает ухо, то возникает субъективное ощущение качества звука, которое называют тембром.

Тембр голоса обусловливается присоединением к основному тону добавочных тонов (обертонов), возникающих главным образом в резонаторной части голосового аппарата; индивидуальная тембровая окраска голоса позволяет нередко по голосу различать людей.

Запись колебаний фортепиано, соответствующих ноте «ля»

Одни звуки кажутся богатыми и полными, другие – таковыми не кажутся. Благодаря прежде всего различиям в тембре мы среди множества звуков узнаем голоса различных инструментов. Ноту ля, взятую на рояле, легко отличить от той же ноты, сыгранной на аккордеоне или ином инструменте. Если, однако, суметь отфильтровать и заглушить обертоны каждого инструмента, эти ноты нельзя будет различить!

Так же отличаются по тембру и голоса. Даже когда разные певцы будут петь одну ноту, наше ухо сможет различить их пение по тембру голоса и выяснить – это Наталья Могилевская или Руслана.

Вспомните, каким богатством тембров характеризуется звучание симфонического оркестра!

Большие художники прошлого – знаменитые скрипичные мастера Страдивари и Амати – тонко чувствовали голос и душу каждой созданной ими скрипки. Во многом это зависело именно от тембра звуков, рождаемых их превосходными инструментами.

 

Восприятие звука человеком

Приемник звука – ухо

Существует специальный раздел науки о звуке, посвященный закономерностям процесса восприятия звуков и строения языка, – физиологическая акустика. Основы физиологической акустики были заложены немецким физиком и врачом Г. Гельмгольцем.

Специалисты, работающие в этой области, изучают физику и биофизику восприятия человеком простых и сложных звуковых сигналов, исследуют формирование ощущений громкости и высоты звука, изучают причины проблем со слухом.

Слух зависит прежде всего от уха, воспринимающего звуковые колебания, от слухового нерва, передающего полученные от уха сигналы, и от определенных отделов головного мозга (слуховых центров), в которых импульсы, переданные слуховыми нервами, вызывают осознание выходных звуковых сигналов.

Рассмотрим подробно строение нашего уха. Ухо состоит из трех отделов: наружного, среднего и внутреннего.

Наружное ухо представлено ушной раковиной и наружным слуховым проходом, на конце которого находится барабанная перепонка. Входное отверстие перепончато-хрящевого отдела наружного слухового прохода имеет индивидуальные особенности строения.

Строение уха

Среднее ухо состоит из барабанной пустоты, слуховой трубы, с помощью которой первая связана с носоглоткой; воздухонесущих клеток; барабанной перепонки и прикрепленнои к ней цепи слуховых косточек: молоточка, наковальни и стремени, связанных двумя мышцами. Соединенные все вместе, они с барабанной перепонкой образуют подвижную механическую систему восприятия звуковых колебаний.

В состав внутреннего уха (лабиринт) входят улитка и полукруговые каналы. К слуховому анализатору непосредственное отношение имеет улитка, а другие части внутреннего уха относятся к вестибулярному анализатору, который регулирует равновесие, перемещение тела в пространстве, координацию движений и т. д.

Большой вклад в акустические исследования внес талантливый венгерский физик и инженер Дьердь (Георг) Бекеши (1899–1972), который занимался в двадцатые годы прошлого века проблемой плохого качества связи по телефонным линиям.

С чересчур громким голосом в глотке почти невозможно иметь тонкие мысли.

Ф. Ницше

В результате, пройдя по всей цепочке передачи сигналов, ученый подошел к его концу, а именно к

приемнику – нашему уху. Выяснилось, что для того, чтобы наладить телефонные переговоры, необходимо прежде всего рассмотреть работу уха с технической точки зрения.

Ученый исследовал ухо, внимательно изучая работу каждой «детали». С этой целью он создал уникальные приборы и динамические модели внутреннего уха и, наконец, выстроил четкую систему того, как мы слышим звуки.

Это выглядит так. Звуки, которые улавливает, как рупор, наша ушная раковина, проникают по слуховому каналу к барабанной перепонке. Она посредством косточек среднего уха транслирует звуковые волны к мембране внутреннего уха. Там, в так называемой улитке, и передаются к нервным окончаниям уже разделенные на частоты внешние звуки. Причем нижняя ее часть улавливает звуки высоких частот, а верхняя – низких.

Длина улитки определяет диапазон частот, которые мы можем воспринимать, – как уже отмечалось, – от 16–20 до 20 000 Гц, а спиралевидная форма обеспечивает компактность в ее расположении.

Исследования, проведенные Бекеши и его преемниками, необходимы были еще и для того, чтобы помочь людям, лишенным слуха, и тем, кто имеет те или иные дефекты слуха.

За открытия, связанные с объяснением механизма слуха, Бекеши в 1961 г. был отмечен Нобелевской премией по физиологии и медицине.

Границы звукового восприятия

Ранее уже неоднократно упоминалось, что существуют минимальная и максимальная частоты колебаний, которые может воспринять человеческое ухо как звук, – их называют пределами звукового восприятия.

Когда колебания происходят очень медленно, реже 20 полных колебательных циклов в секунду (20 Гц), каждую звуковую волну слышно отдельно и она не образует непрерывный тон. С увеличением частоты колебаний человек начинает слышать непрерывный низкий тон, похожий на звук низкой басовой трубы органа.

От дальнейшего роста частоты воспринимаемый тон становится все выше. Когда частота приближается примерно к 20 000 Гц, нормальное человеческое ухо постепенно перестает воспринимать звук.

Чувствительность уха к звуковым колебаниям различных частот неодинакова. Оно особенно тонко реагирует на колебания средних частот (от 1000 до 4000 Гц). В этом диапазоне чувствительность так велика, что любое существенное ее увеличение оказалось бы неблагоприятным: одновременно воспринимался бы постоянный фоновый шум беспорядочного движения молекул воздуха.

По мере уменьшения или увеличения частоты относительно среднего диапазона острота слуха постепенно снижается. По краям диапазона воспринимаемых частот звук, чтобы быть услышанным, должен быть очень сильным, настолько сильным, что иногда ощущается сначала физически, а потом уже становится слышным.

Есть люди, которые не слышат таких резких звуков, как пение сверчка или писк летучей мыши. Люди эти не глухи, – их органы слуха нормальные, и все же они не слышат очень высоких тонов. Джон Тиндаль (1820–1893) – знаменитый английский физик, который занимался акустикой, – утверждал, что некоторые люди не слышат даже чириканья воробья!

Многие насекомые (например, комар, сверчок) издают звуки, тон которых соответствует 20 тысячам колебаний в секунду, для одних людей эти тона существуют, для других – нет. Такие нечувствительные к высоким тонам люди наслаждаются полной тишиной там, где другие слышат целый хаос пронзительных звуков!

Высокие и громкие звуки

Звуки, имеющие большую частоту, воспринимаются человеком как высокие. Говорят, что высота звука – это его субъективная характеристика, поскольку она связана именно с восприятием каждым человеком.

Мы легко можем сказать, какое из насекомых чаще машет крыльями, если различить созданные этими колебаниями звуки: более писклявый, высокий звук соответствует большей частоте взмахов.

Также можно сказать, что громкость, которую мы воспринимаем, зависит от силы звука: более интенсивные звуки мы слышим как более громкие. Существует определенная связь между громкостью и амплитудой колебаний источника звука: чем больше амплитуда, тем больше сила (интенсивность) звука, следовательно, и громкость.

Если вы, например, отведете гитарную струну на максимальное расстояние от положения равновесия, то вы заставите ее колебаться с большей амплитудой; звук, который при этом возникнет, будет наиболее громким. А когда вы отведете струну на маленькое расстояние, создаваемый ею звук будет восприниматься как тихий.

Эти соотношения, однако, не являются неизменными и абсолютными, как часто считают. На восприятие высоты звука в определенной мере влияет его сила, а на восприятие громкости – частота. Таким образом, изменив частоту звука, можно избежать изменения восприятия высоты, соответствующим образом варьируя его силу.

Особенности связи объективных характеристик звука (частоты и интенсивности) с субъективными (высотой и громкостью) очень важно знать всем тем, кто занимается звукозаписью, звукорежиссурой, разработкой оборудования и звукоусилительной аппаратуры для концертов и т. п.

А еще полезно будет узнать, что когда вы, например, увеличиваете громкость своего плейера в два, как вам кажется, раза, то реальная интенсивность звука увеличивается гораздо больше, и это может быть очень вредным для вашего здоровья!

Влияние шума на здоровье

Шум – это комплекс звуков, вызывающий неприятное ощущение или болезненные реакции. Степень воздействия шума на организм человека зависит от его возраста, слуховой чувствительности, а также от продолжительности действия и характера шума.

Шум мешает нормальному отдыху, вызывает заболевания органов слуха, способствует увеличению количеств других заболеваний, подавляет психику человека. Шум – такой же медленный убийца, как и химическое отравление.

Первые жалобы на шум, дошедшие до нас, можно найти у римского сатирика Ювенала (60—127). А в Англии еще в давние времена был издан королевский указ, запрещавший бить жен… в ночное время. В России во времена Екатерины II были отменены в столице сигналы – механические свистки, установленные на некоторых экипажах.

Современный шумовой дискомфорт во много раз больше, чем 100 лет назад, и он вызывает в живых организмах болезненные реакции. Например, шум от летящего реактивного самолета подавляет пчелу, и она теряет способность ориентироваться. Тот же шум убивает личинки пчел, разбивает яйца птиц, лежащие открыто в гнезде.

Транспортный или производственный шум действует и на человека – утомляет, раздражает, мешает сосредоточиться. Как только такой шум исчезает, человек чувствует облегчение и спокойствие.

Уровень шума характеризуют звуковым давлением, выражают в белах, а чаще в децибелах (обозначается дБ).

Шум в 20–30 дБ практически безвреден для человека. Это естественный шумовой фон, без которого невозможна человеческая жизнь. Для «громких звуков» допустимый предел примерно 80 дБ. Звук в 130 дБ уже вызывает у человека болевое ощущение, а в 150 дБ – становится для него невыносимым.

В Средневековье существовала казнь «под колоколом»: звук колоколов медленно убивал человека.

Посмотрите на таблицу, содержащую данные об уровне звукового давления в различных условиях, и сделайте выводы для себя!

Любой шум достаточно большой интенсивности и длительности может привести к различной степени снижения слуховой активности. Кроме частоты и уровня громкости шума, на развитие тугоухости влияют возраст, слуховая чувствительность, продолжительность и характер действия шума, целый ряд других причин. Болезнь развивается постепенно, поэтому особенно важно заранее принять соответствующие меры для защиты от шума.

Под влиянием сильного шума, особенно высокочастотного, в органе слуха происходят необратимые изменения. При высоких уровнях шума понижение слуховой чувствительности наступает уже через 1–2 года работы в таких условиях, при средних уровнях оно проявляется гораздо позже, через 5—10 лет.

Последовательность, с которой происходит потеря слуха, сейчас хорошо изучена. Сначала интенсивный шум вызывает временную потерю слуха. При нормальных условиях через день или два слух восстанавливается. Но если воздействие шума продолжается месяцами или, как это бывает в промышленности, годами, восстановление не происходит, и временное нарушение порога слышимости превращается в постоянное.

Сначала повреждение нервов сказывается на восприятии высокочастотного диапазона звуковых колебаний (4000 Гц или выше), постепенно распространяясь на более низкие частоты. Высокие звуки «ф» и «з» становятся неслышными. Нервные клетки внутреннего уха оказываются настолько поврежденными, что атрофируются, гибнут, не восстанавливаются.

Громкая музыка также притупляет слух. Группа специалистов обследовала молодежь, которая часто слушает громкую современную музыку. У двадцати процентов юношей и девушек слух оказался притупленным до такой степени, как и у восьмидесятипятилетних стариков!

Шум мешает нормальному отдыху и восстановлению сил, нарушает сон. Шум также влияет на зрительный и вестибулярный анализаторы, снижает устойчивость ясного видения и рефлекторной деятельности.

«…Никакого шума я буквально переносить не могу; вчера во Флоренции и здесь сегодня каждый проезжающий экипаж, раздражает меня и доводит до бешенства. Каждый крик, каждый звук раздражает мои нервы…» – писал в ноябре 1877 г. П. И. Чайковский.

А сын Л. Н. Толстого писал в воспоминаниях об отце: «Когда он работал, к нему никто не смел входить, даже моя мать! Ему нужна была полная тишина и уверенность в том, что никто не прервет его занятий».

Для борьбы с шумом нужны, прежде всего, наличие соответствующих знаний и достаточный уровень культуры людей. Потому что именно это, а не только применение новых технологических материалов, может спонегативного влияния шума на здоровье! Надо понимать, что громкие звуки, которые вы лично считаете нормальными и приятными, для других людей являются чрезмерными раздражителями.

Впрочем, и о своем здоровье следует позаботиться: возможно, и для вас обычная громкость не является полезной!..

В настоящее время ведутся специальные исследования по изучению свойств веществ с точки зрения поглощения ими звука, разрабатываются и применяются специальные звукопоглощающие материалы.

Различные материалы можно характеризовать коэффициентом звукопоглощения, который показывает отношение поглощенной энергии звуковой волны к энергии падающей волны. Обнаружено, что этот коэффициент зависит от частоты звуковых колебаний. Например, ковер на стене характеризуется коэффициентом поглощения 0,08 для частоты 250 Гц и 0,21 для частоты 500 Гц.

Хорошими звукопоглощающими свойствами характеризуется вата: ее коэффициент поглощения от 0,35 (при частоте 125 Гц) до 0,55 (при частоте 1000 Гц).

Однако заметим, что сделать более тихой свою комнату или дом в целом можно достаточно простым способом: надо хорошо герметизировать щели в дверях и окнах, потому что именно через такие щели звуковые волны хорошо проходят извне внутрь.

Исследования показали, что и неслышимые звуки также опасны. Ультразвук, занимающий заметное место среди производственных шумов, неблагоприятно влияет на организм, хотя ухо его не воспринимает.

Пассажиры самолета часто испытывают состояние недомогания и беспокойства, одной из причин которого является инфразвук. Инфразвуки вызывают у некоторых людей приступы морской болезни. Даже слабые инфразвуки могут существенно влиять на человека, если их действие продолжительно. Некоторые нервные болезни, свойственные жителям промышленных городов, вызваны именно инфразвуками, проникающими сквозь самые толстые стены.

 

Звук и слух в живой природе

Животные воспринимают звук не так, как человек. Каждый из видов имеет свой средний диапазон частот звуковых волн, на которые животное может реагировать.

Мы расскажем о тех животных, которых обычно выделяют из всего ряда тех, кто поет, и тех, кто слушает. Это, прежде всего, самые певучие создания – птицы; немые создания, по нашему восприятию, – рыбы. Невозможно не упомянуть и о домашней любимице – кошке.

Виртуозные музыканты

Птицы действительно самые виртуозные музыканты из всех животных. Дело в том, что они обладают достаточно оригинально устроенным «музыкальным инструментом». Как и у человека, голосовой аппарат птиц относится к духовому «музыкальному инструменту», потому что звук в нем создается благодаря движению воздуха, выдыхаемого из легких. При этом воздушная струя вызывает колебания упругих перепонок, что и порождает звуковые волны. (У человека такими перепонками являются голосовые связки, расположенные в гортани.)

Любой музыкальный инструмент, кроме источника звука, должен иметь один или несколько резонаторов для усиления этого звука. У человека такими резонаторами является глотка, ротовая и носовая полости, а также трахея.

Очень долго считали, что голосовой аппарат у птиц устроен таким же образом. Однако оказалось, что у пернатых певцов не одна гортань, а целых две: верхняя (как у млекопитающих) и нижняя, не характерная для других животных. Причем нижняя играет главную роль в создании звуков у птиц. Нижняя гортань устроена достаточно сложно и так заметно отличается у птиц разных видов, что ученые до сих пор бьются над выявлением механизма ее работы.

Птичья гортань имеет не один, как у млекопитающих, а два или даже четыре вибратора, работающих независимо друг от друга. Располагается эта система в нижней части трахеи, там, где трахея разветвляется на два бронха. Вот такой сложный голосовой аппарат у птиц, благодаря которому они исполняют свои виртуозные песни. Образование у птиц второй гортани в нижнем отделе трахеи дало возможность использовать трахею как мощный резонатор.

У многих птиц трахея сильно разрастается, увеличиваясь в длину и в диаметре. Увеличиваются в объеме и бронхи птиц. Движениями тела и натяжением специальных мышц птица может довольно сильно изменять форму всей этой сложной системы резонатора и таким образом управлять высотой звука и тембровыми свойствами своего голоса.

Ритмические характеристики звука зависят от работы верхней гортани, выполняющей роль своеобразного стоп-крана на пути звукового потока и работающей в рефлекторном содружестве с нижней гортанью.

Голосовой аппарат птиц (гортань вместе с резонаторами) по своим размерам занимает значительную часть тела, и особенно это характерно для небольших птиц. Поэтому до процесса пения вовлекается весь организм. Все тельце птички дрожит от напряжения, шейка вытянута, маленький клювик широко открыт, давая простор звукам, переполняющим птичью грудь. Пение целиком захватывает птицу!

В начале 1960-х годов в голосе птиц были обнаружены ультразвуковые обертоны, которые не воспринимает ухо человека. Они есть, например, в пении просянок, зеленушек и ряда других птиц.

Подобно истинным музыкантам, птицы для образования звуков не удовлетворяются только голосовым аппаратом, а используют и другие свои возможности: клюв, лапы, крылья и даже хвост. Всем известный дятел – отличный барабанщик. Для своих весенних зазывных концертов самец дятла использует как барабан всевозможные предметы: от сухого дерева до пустых консервных банок и кусочков железа.

Щелканьем клюва исполняют свою любовную серенаду аисты. Это же щелканье клювом на разный манер заменило у этих птиц и голосовое общение. Также общаются и различные хищные птицы (орлы, совы). Они издают этот звук как сигнал угрозы.

Достаточно интересен способ «пения хвостом», встречающийся у бекасов во время брачного полета. Звук образуется за счет вибрации рулевых перьев от встречного потока воздуха. Интересно, что звук, образуемый таким образом, удивительно напоминает блеяние барашка, из-за чего в народе эту птицу и назвали «лесным барашком». Многие птицы издают звуки с помощью крыльев, например, тетерева и глухари во время токования обязательно издают подобное хлопанье.

Однако основным источником звука у птиц все же является нижняя гортань. Возможности голосового аппарата птиц просто фантастические. Вспомним хотя бы прекрасных певцов – соловьев, канареек, жаворонков. В их пении заложена сигнализация для себе подобных. Но не только. В тонком рисунке песни, в ее силе закодирована информация, дающая самке представление о жизнеспособности возможного избранника, которого она ночью да еще и среди веток видеть не может.

Звуки птичьего пения нас очаровывают. Однако они предназначены вовсе не для человеческого уха. Их основная функция – помочь найти птице спутника жизни. Так почему же не подумать, что песня и у нее вызывает чувство, подобное человеческому, – чувство радости.

«Нем как рыба»

Рыбы издают множество звуков, так что вряд ли уместно называть подводное царство «миром безмолвия». Звуки возникают во время движения стай рыб; эти звуки обусловлены гидродинамическими шумами и трением движущихся сочленений скелета рыбы.

Звуки могут быть связаны с газовым обменом. Рыбы регулируют давление внутри плавательного пузыря и кишечника, проталкивая воздух и создавая процессы, подобные тем, что возникают в свистке. Возникают звуки и при захвате и перетирании пищи.

Ставрида, например, издает звуки, напоминающие собачий лай; морской налим урчит и хрюкает, рыба-барабанщик издает нечто напоминающее барабанный бой; звуки карпа похожи на треск, а речного окуня – на дробь.

Частотный диапазон звуков, создаваемых различными рыбами, лежит в пределах от 20–50 Гц до 10 000—12 000 кГц.

Звуки, которые издают колонии креветок, бывают такими сильными, что вызывают замешательство у экипажей подводных лодок, – на них даже объявляли боевую тревогу, решив, что наткнулись на противника. А косяки еще более мелких рачков – криля – благодаря обмену между ними звуковыми сигналами сохраняют удобный для плавания упорядоченный «шахматный» строй. Звуками различной частоты регулируется скорость движения и дистанция между соседями.

Почему мы не слышим голос рыб? Основная причина в том, что звуковые волны на границе вода – воздух почти полностью отражаются от нее и только один процент энергии звука пересекает границу. Но есть свидетельства, что голос рыб можно услышать. В частности, немало «поющих» рыб, а также «говорящих», в бассейне Амазонки. Среди них можно указать на крупного сома пирару – он издает звуки, напоминающие рев слона. Их можно услышать на расстоянии до 100 м!

Внешне мало примечательная рыба хараки во время нереста издает громкие звуки, похожие на звук мотоцикла. Пение китов-горбачей напоминает собой то кларнет, то волынку, то гобой. Причем киты поют не только в одиночку, но и «хором».

Рыбы, как и морские животные, способны, хотя и не в такой степени, к эхолокации, реагируют на инфраструктуры и ультразвуки. Для приема различных сигналов их организмы обладают тремя системами (гидрофонами), одна из которых – плавательный пузырь, используется как резонатор – усилитель звуков.

Интересен факт реакции, например, акул на звуки, которые создаются не рыбами. Подводный «грохот» или чириканье – это звуки достаточно высокой частоты. Когда под воду опустили излучатель, работающий на частоте 25 Гц, возле него неожиданно всего лишь за две минуты собралась целая стая акул. Что же их заинтересовало? С этой частотой, как оказалось, излучаются звуки, создаваемые при сокращении мышц, в том числе и рыбами.

Слух кошек

Наши домашние друзья кошки имеют много интересных особенностей. Поговорим только о тех из них, которые связаны со слухом.

Прямые ушные раковины, так же как и огромное количество нервных окончаний в слуховых нервах, наделили кошку превосходным слухом, необходимым ей для охоты. Уши кошек имеют 27 мышц и могут поворачиваться на 90°, что дает им возможность точно определить источник звука. Такие уши могут выполнять функции эхолокатора, что позволяет усиливать интенсивность звука.

Звуковой анализатор у человека может воспринимать звуки, частота которых лежит примерно в пределах от 20 до 20 000 Гц. У собаки он воспринимает звуки частотой до 40 000 Гц, а у кошки – до 55–65 000 Гц. Теоретически звуковой анализатор у кошки может воспринимать звуки частотой до 100 000 Гц. Среди всех наземных млекопитающих это доступно только летучим мышам.

Определенные звуки высокой частоты, то есть ультразвуки, прекрасно воспринимаются кошкой. Так, мыши «общаются» между собой с помощью ультразвуковых сигналов. Кошка способна расшифровывать «язык мышей», легко улавливать мышиные «переговоры», поэтому она всегда точно знает, когда мышь собирается покинуть свою норку.

Обладая таким диапазоном звуковой восприимчивости, кошки способны различать звук в 1/10 тона. Возможно, то, что кошки могут слышать более десяти музыкальных октав, и объясняет тот факт, что многие из них любят слушать музыку.

Кошки, даже когда спят, способны различать огромное количество посторонних шумов и выделять среди них определенный звук: их миски, стука или звонка в дверь. Благодаря тонкому слуху кошки могут отличить звук мотора одного автомобиля от другого. В большинстве случаев кошка способна различить два разных звука, источники которых расположены в метре от нее, на расстоянии 8 см друг от друга под углом 5°.

Для кошек очень характерны звуковые симпатии и антипатии. Каждый из нас может обнаружить, что кошка очень восприимчива к тону нашего голоса. Это может помочь нам контролировать поведение нашего питомца, хотя и не настолько, как скажем, собаки.

Кошка не любит крика, поэтому громко произнесенная команда может заставить ее прекратить свои занятия. Она мгновенно реагирует, когда ее зовут по имени, или на известный призыв «кис-кис», и, как правило, сразу появляется. Но если вознаграждения не будет, маловероятно, что она откликнется на ваш следующий призыв…

Ультразвук

Ультразвук – это продольные волны высокой частоты, начиная от 20 000 Гц. (Конечно ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 20 000 до нескольких миллиардов герц.)

Хотя о существовании ультразвука ученым было известно давно, практическое использование его в науке, технике и промышленности началось сравнительно недавно.

Человеческое ухо не улавливает ультразвук, однако некоторые животные, например летучие мыши, могут воспринимать и излучать ультразвук. Частично воспринимают ультразвук грызуны, кошки, собаки, киты, дельфины. Звуковые радары животных называют сонарами (от английского sound – звук). С их помощью животные могут ориентироваться в пространстве.

Природные сонары

То, что у дельфина очень развит слух, известно уже десятки лет. Объемы тех отделов мозга, которые «заведуют» слуховыми функциями, у него в десятки (!) раз больше, чем у человека (при том, что общий объем мозга примерно одинаков).

Дельфин способен воспринимать частоты звуковых колебаний в 10 раз выше (до 150 кГц), чем человек (до 15–18 кГц), и слышит звуки, мощность которых в 10–30 раз ниже, чем у звуков, доступных слуху человека.

Каким бы хорошим ни было зрение дельфина, его возможности ограничены из-за невысокой прозрачности воды. Поэтому основные сведения об окружающей обстановке дельфин получает с помощью слуха. При этом он использует активную эхолокацию: слушает эхо, которое создается при отражении звуков, издающихся им, от окружающих предметов. Эхо дает ему точную информацию не только о том, где находятся предметы, но и об их размерах, форме, материале. Другими словами, с помощью слуха дельфин воспринимает окружающий мир не хуже, или даже лучше, чем с помощью зрения.

Слух человека позволяет различать интервалы времени примерно от одной сотой секунды (10 мс). Дельфины же различают интервалы в десятитысячные доли секунды (0,1–0,3 мс).

Два коротких звуковых импульса отличаются друг от друга, если интервал между ними составляет лишь 0,2–0,3 мс (у человека – около 1 мс). Пульсации громкости звука вызывают ответы, когда их частота приближается к 2 кГц (у человека – 50–70 Гц).

Существуют и другие мощные природные сонары – это летучие мыши. Природа наградила их способностью издавать звуки с частотой колебаний выше 20 000 Гц, то есть ультразвуки, недоступные слуху человека. Локатор летучих мышей высокоточный, надежный и ультраминиатюрний. Он всегда находится в рабочем состоянии и во много раз более эффективен, чем локационные системы, созданные человеком. С помощью такого ультразвукового «видения» летучие мыши обнаруживают в темноте натянутую проволоку диаметром 0,12—0,50 мм, улавливают эхо в 2000 раз слабее посылаемого сигнала. На фоне множества звуковых помех они могут выделять звук в необходимом им диапазоне.

Летучие мыши издают и воспринимают звуки с частотой 50 000—60 000 Гц. Этим и объясняется их способность избегать столкновения с предметами даже при отсутствии зрения.

У летучих мышей ультразвуки обычно возникают в гортани, по строению напоминающей обычный свисток. Выдыхаемый из легких воздух вихрем проносится через нее и с такой силой вырывается наружу, словно он выброшен взрывом.

Давление воздуха, проносящегося через гортань, вдвое больше, чем в паровом котле! Более того, образуемые звуки очень громкие: если бы мы их улавливали, то воспринимали бы, как рев двигателя реактивного истребителя на близком расстоянии!

Не глохнут летучие мыши потому, что у них есть мышцы, которые закрывают уши в момент посылания разведывательных ультразвуков. Безопасность ушей гарантируется совершенством их конструкции: при максимальной частоте следования зондирующих импульсов – 250 в секунду – заслонка в ухе летучей мыши успевает открываться и закрываться 500 раз в секунду.

Поскольку скорость звука значительно превышает скорость движения даже быстрокрылых птиц, эхолокацией можно пользоваться и во время полета. Самым совершенным локатором обладают летучие мыши, развивающие во время охоты большую скорость, постоянно выполняя в воздухе фигуры высшего пилотажа. О качестве «локаторного» слуха свидетельствуют результаты охоты: эти маленькие хищники уже за 15 минут охоты на комаров, мошек и москитов увеличивают свой вес на 10 процентов. «Навигационный прибор» настолько точен, что в состоянии запеленговать микроскопически маленький предмет диаметром всего 0,1 миллиметра.

Дональд Гриффин, исследователь эхолокаторов летучих мышей (кстати, именно он дал это название), считает, что если бы не эхолот, летучая мышь, даже всю ночь летая с открытым ртом, поймала бы по закону вероятности одного-единственного комара…

Сонары есть и у других видов животных. Например, кашалоты, используют ультразвук для поиска скоплений глубоководных кальмаров. Сонар кашалота – это своеобразная «дальнобойная пушка», имеющая длину до 5 м и занимающая почти треть тела животного.

Эхолокация обнаружена у птиц гуахаро, живущих в Америке. Их сонары менее совершенны, чем у летучих мышей и дельфинов. Они работают на относительно низких частотах, а именно в интервале от 1500 до 2500 Гц. Поэтому гуахаро не замечают в темноте объектов, имеющих небольшие размеры. В пещерах, где живут гуахаро, очень шумно. Птицы издают зловещие пронзительные крики, напоминающие плач и стоны, которые почти невыносимы для непривычного уха.

Эхолокацией пользуются и стрижи-саланганы, живущие в Индонезии и на островах Тихого океана. У разных видов саланганов сонары работают на разных частотах: от 2000 до 7000 Гц. Интересно, что, когда птица сидит, ее эхолокационный аппарат не работает; локационные импульсы посылаются только в полете (при взмахивании крыльями). Не работает сонар саланганов и при свете.

Применение ультразвука в технике и медицине

Впервые идея практического использования ультразвука возникла в первой половине ХХ в. в связи с разработкой методов и приборов для обнаружения в глубине моря различных объектов: подводных лодок, рифов, подводных частей айсбергов и т. д. Это было вызвано прежде всего гибелью в 1912 г. суперлайнера «Титаник» и участием подводных лодок в военных операциях во время Первой мировой войны.

На практике для получения ультразвука применяют электромеханические генераторы ультразвука, действие которых основано на свойстве некоторых материалов изменять свои размеры под действием магнитного или электрического поля, создавая при этом звуки высокой частоты.

Благодаря большой частоте ультразвук обладает особыми свойствами. Он сильно поглощается газами и слабо – жидкостями. В жидкости под воздействием ультразвука образуются пустоты в виде мелких пузырьков с кратковременным возрастанием давления внутри них. Кроме того, ультразвуковые волны ускоряют ход процессов диффузии (взаимопроникновения двух сред друг в друга), существенно влияют на растворимость вещества и в целом на ход химических реакций.

Эти свойства ультразвука и особенности его взаимодействия со средой обусловливают его широкое техническое и медицинское применение. Сфера использования ультразвука очень обширна.

Так, широко известен метод гидролокации с помощью ультразвука. Без этого невозможно даже представить себе современное мореплавание. Пучок ультразвукового излучения можно сделать точнонаправленным и по отраженному от цели сигналу (эхо-сигналу) определить направление на эту цель. Измеряя время прохождения сигнала до цели и обратно, определяют расстояние до нее. Подобной эхолокацией пользуются не только для измерения глубины океана и исследования рельефа морского дна, но и для поиска там посторонних предметов.

Современные эхолоты устроены так, что на специальной шкале загорается неоновая лампочка в соответствующей глубине моря под кораблем точке. Эхолот не только предупреждает о наличии скал и мелей, но и позволяет определить местонахождение корабля.

Облучение ультразвуком расплавленных металлов и сплавов позволяет получить более однородную структуру из мелких кристаллов. Это способствует также удалению из них газов, что повышает качество материалов. Ультразвук используют при закаливании сплавов, пайке и сверлении.

С помощью ультразвука можно дробить примеси и неоднородности в веществах. Он помогает также изготовить однородные жидкости в тех случаях, когда простым смешиванием это сделать невозможно (изготовление эмульсий и суспензий).

Важной областью применения ультразвука является так называемый неразрушающий контроль или ультразвуковая дефектоскопия. С помощью ультразвука определяют дефекты (трещины, пустоты, шлаковые примеси и т. д.) в глубине деталей и установок. Дефектоскопы обнаруживают внутренние расслоения и полости размерами в доли миллиметра.

С помощью ультразвука врачи и диагностики проводят обследование больных органов человека. Ультразвуковое излучение (в небольших дозах!) применяется в акушерской практике, когда обследуют женщину – будущую мать и ее еще не родившегося ребенка.

Обнаружено, что ультразвук оказывает разрушающее действие на определенные виды бактерий, что тоже нашло свое применение в медицине и бактериологии.

 

Инфразвуковые волны

Особенности инфразвука

Инфразвуком (от латинского infra – ниже, под) называют продольные волны, аналогичные звуковым, но с частотами ниже воспринимающих человеком частот.

За верхнюю границу инфразвукового диапазона принимают частоты 16–25 Гц. Нижняя граница инфразвукового диапазона является неопределенной. Практический интерес могут иметь колебания от десятых и даже сотых долей герц.

Инфразвук присутствует в шуме воздуха, леса и моря. Источником инфразвуковых колебаний являются грозовые разряды (гром), а также взрывы и пушечные выстрелы. В земной коре наблюдаются сотрясения и вибрации инфразвуковых частот от самых разных источников: взрывов, обвалов и транспортных средств.

Медуза – приемник инфразвуков

Для инфразвука характерно небольшое поглощение в различных средах, вследствие чего инфразвуковые волны в воздухе, воде и в земной коре могут распространяться на очень большие расстояния. Это явление находит практическое применение при определении мест сильных взрывов или расположения стреляющего устройства.

Распространение инфразвука на большие расстояния в море дает возможность прогнозирования стихийных бедствий – цунами. Звуки взрывов, содержащие большое количество инфразвуковых частот, используют для исследования верхних слоев атмосферы, свойств водной среды.

Инфразвуковые волны, возникающие над поверхностью моря при сильном ветре, в результате образования вихрей за гребнями волн, называют «голосом моря». Вследствие того, что для инфразвука характерно небольшое поглощение, он может распространяться на большие расстояния, а поскольку скорость его распространения значительно превышает скорость перемещения зоны шторма, то «голос моря» может служить для того, чтобы заранее предупредить о приближении шторма.

Своеобразными индикаторами шторма являются медузы. Оказывается, что медуза задолго до приближения шторма пытается укрыться на большей глубине. Причиной этого является то, что медуза способна уловить инфразвуковые волны частотой 8—13 Гц, которые появляются в воде за 10–15 часов до шторма.

У медузы есть специальные органы равновесия – статоцисты. Статоцист представляет собой пузырек, в котором находятся сферические известковые камешки (статолиты). Изменение положения тела медузы в воде сопровождается перемещением этих камешков, ощущаемых чувствительными клетками, которые размещены на стенке пузырька.

Основные источники инфразвуковых волн

Развитие промышленного производства и транспорта привело к значительному увеличению источников инфразвука в окружающей среде и росту интенсивности уровня инфразвука.

Основные техногенные источники инфразвуковых колебаний в городах приведены в таблице.

Влияние инфразвука на организм человека

Достаточно сильно влияют на человека продольные колебания с частотами ниже 16 Гц – т. е. инфразвук. Опасным считается промежуток от 6 до 9 Гц.

Действие инфразвука может вызвать у человека головную боль, снижение внимания и работоспособности и даже иногда нарушение функции вестибулярного аппарата, а также чувство тревоги и беспокойства. Инфразвук с частотой 7 Гц является смертельным для человека.

Значительные психотронные эффекты сильнее проявляются именно при частоте 7 Гц, которая соответствует так называемому «альфа-ритму» природных колебаний мозга, причем любая умственная работа в этом случае становится невозможной, поскольку кажется, что голова вот-вот разорвется на мелкие кусочки.

Звук малой интенсивности вызывает тошноту и звон в ушах, а также ухудшение зрения и безотчетный страх. Звук средней интенсивности расстраивает органы пищеварения и мозг, вызывая паралич, общую слабость, а иногда слепоту. Продольный мощный инфразвук способен повредить и даже полностью остановить сердце.

Инфрачастоты около 12 Гц при силе звука в 85—110 дБ вызывают приступы морской болезни и головокружение, а колебания частотой 15–18 Гц той же интенсивности вызывают чувство беспокойства, неуверенности и, наконец, панического страха.

Существуют описания исследований, которые в свое время проводил известный физик Р. Вуд. Он включал в театре во время представления инфразвуковой генератор, а затем наблюдал за реакцией людей. (По другой версии генератор «Неслышимая нота» включали на репетиции в театре с целью усиления сценического эффекта. Но этот эффект оказался настолько значительным, что режиссер не согласился на продолжение эксперимента!)