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.

По высоте звука без труда можно определить, идёт ли тяжёлый танк с дизельным мотором или танк лёгкого типа, снабжённый бензиновым мотором. Звук последнего, как правило, более высокий.

Как же доходит до нашего уха возникший где-нибудь звук?

3. Звуковые волны

Бросьте в воду камень. По её поверхности тотчас же разойдутся круговые волны, уходящие всё дальше и дальше от места падения камня. На первый взгляд кажется, что вместе с волной уходят и отдельные частицы воды. Но если бросить на поверхность воды лёгкую щепку, то можно увидеть, что щепка только покачивается вверх и вниз; она в точности повторяет движение окружающих её частиц воды. Когда волна набегает, щепка поднимается вверх — на гребень; волна прошла — и щепка снова возвращается на прежнее место. Она не движется по направлению движения волны, не следует за волной. Значит, и частицы воды, образующие волну, не уходят с ней, а только колеблются вверх и вниз.

На рис. 5 показано, как частицы одна за другой приходят в колебательное движение, образуя волну.

Распространение звука можно сравнить с распространением волны по воде. Только вместо брошенного в воду камня имеется колеблющееся тело, а вместо поверхности воды — воздух.

Рис. 5. Схематическое изображение водяной волны. Стрелками показано направление движения отдельных частиц воды

Пусть источником звука будет камертон. Это — небольшой стальной изогнутый стержень с ножкой на изгибе (рис. 6). Камертоном часто пользуются при настройке музыкальных инструментов. Лёгким ударом по камертону можно заставить его звучать. В первое мгновение после удара ветвь камертона отклоняется, допустим, вправо; при этом она толкает вправо и прилегающие к ней частицы воздуха. Тогда в каком-то маленьком пространстве около камертона воздух окажется сгущённым. Но в таком состоянии частицы воздуха оставаться не могут. Стараясь разойтись, они потеснят своих соседей справа, и сгущение очень быстро передастся от одного слоя воздуха другому. Но и ветвь камертона не останется в покое. В следующий момент она уже отклонится влево и потеснит частицы воздуха с левой стороны. А справа воздух окажется теперь разрежённым. Это разрежение так же, как и сгущение, быстро сообщится всем слоям воздуха.

Рис. 6. Камертон

При следующем колебании повторится та же картина. Таким образом, каждое колебание ветви камертона создаст в воздухе одно сгущение и одно разрежение. Чередование таких сгущений и разрежений и есть звуковая волна. Сколько колебаний совершает камертон, столько отдельных сгущений — «гребней» и разрежений — «впадин» посылает он в воздух. Когда такая волна достигает уха, мы её и воспринимаем как звук.

Однако между водяными и звуковыми волнами есть существенная разница. Водяные волны распространяются кольцеобразно и только по поверхности. Звуковые же волны заполняют всё пространство около звучащего тела. Кроме того, в водяной волне колебания отдельных частиц совершаются вверх и вниз поперёк направления волны, а в звуковой волне частицы колеблются вперёд и назад вдоль волны. Поэтому волны на поверхности воды называются поперечными, а звуковые — продольными.

Но какая бы волна ни была, частицы вещества, участвующие в колебательном движении, никогда не перемещаются вместе с волной. И сама волна — это только передача движения от одной колеблющейся частицы другой.

Понять это ещё лучше помогут кости домино. Поставьте все их в ряд, недалеко друг от друга, и толкните первую кость (рис. 7). Падая, она увлечёт за собой вторую кость, вторая — третью и так далее. Через короткое время все кости будут лежать. Каждая из них осталась на своём месте, а передалось по всему ряду только движение.

Рис. 7. Падающие кости домино напоминают распространение звуковой волны

Точно так же из уст говорящего человека частицы колеблющегося воздуха не летят в уши слушающего, а передаётся лишь движение частиц, образующих отдельные сгущения и разрежения.

Артиллерийские выстрелы мы слышим на расстоянии многих километров также благодаря колебательным движениям отдельных частиц воздуха.

Передача звука на расстояние требует затраты определённой работы. Ведь для того, чтобы возникла звуковая волна, необходимо раскачать частицы воздуха. Однако размах колебаний частиц в звуковой волне ничтожно мал. Давление, которое образуется в местах сгущения волны, не превосходит даже в самом сильном звуке 0, 5 грамма на квадратный сантиметр, а в слабом звуке это давление много меньше давления, оказываемого комаром, севшим на голову человека! Отсюда понятно, что и работа, идущая на создание звуковой волны, очень невелика. Если бы миллион человек одновременно говорили в течение полутора часов, то вся энергия звуковых волн, создаваемых миллионом голосов, была бы достаточна только для того, чтобы вскипятить один стакан воды!

Читатель может спросить: почему же тогда для получения звука приходится тратить значительную работу? Попробуйте дуть некоторое время в свисток, — вы убедитесь, что занятие это не такое уж лёгкое. В сиренах и гудках часто применяется сжатый воздух или пар с давлением в несколько раз больше давления атмосферного воздуха. И, несмотря на такую большую затрату энергии, получаемый звук распространяется на сравнительно небольшое расстояние.

Оказывается, во всех источниках звука только маленькая часть затрачиваемой работы переходит в энергию звука.

Если бы вся энергия гудков и сирен тратилась только на создание звуков, то они были бы слышны на сотни километров! Большинство музыкальных инструментов превращает в звуковую энергию не более одной тысячной доли энергии, затрачиваемой при игре. Человек при разговоре или пении превращает в энергию звука только около одной сотой части совершаемой работы. Остальные 99 частей пропадают, переходя главным образом в тепловую энергию.

4. Проводники звука

Звуковая волна может проходить самые различные расстояния. Так, орудийная стрельба слышна на 10–15 километров, паровозный гудок — на 7-10, ржание лошадей и лай собак — на 2–3 километра, а шёпот — всего на несколько метров. Эти звуки передаются по воздуху.

Но проводником звука может быть не только воздух.

Приложите ухо к рельсам, и вы услышите шум приближающегося поезда значительно раньше и на большем расстоянии, чем этот шум донесётся к вам по воздуху. Значит, металл проводит звук лучше и быстрее, чем воздух.

В хорошей проводимости звука металлами нас убеждает ещё один замечательный опыт. Если к роялю прикрепить один конец металлической проволоки, а другой её конец провести в ту часть здания, куда по воздуху звук игры донестись не может, и соединить этот конец со скрипкой, то звук рояля будет хорошо слышен. При этом создаётся впечатление, что он исходит от скрипки.

Давно замечено хорошее распространение звука и по земле. Известный русский писатель Карамзин в «Истории государства Российского» пишет, как перед Куликовской битвой князь Димитрий Донской сам выехал на разведку в поле и, приложив ухо к земле, услышал конский топот приближающихся татарских полчищ.

Нередко можно видеть странную на первый взгляд картину: машинист или шофёр, взяв деревянную палку, прикладывает один её конец к различным частям мотора, а другой конец — к уху, а иногда берёт эту палку даже в зубы. Пользуясь хорошей проводимостью звука деревом, он прислушивается к шуму отдельных движущихся деталей внутри машины и определяет, хорошо ли они работают.

Вода также хорошо проводит звук. Нырнув в воду, можно отчётливо слышать, как стучат друг о друга камни, как шумит перекатывающаяся во время прибоя галька, как работает машина парохода.

Свойство воды — хорошо проводить звук — широко используется в наше время для звуковой разведки на море во время войны, а также для измерения морских глубин.

Приведённые примеры говорят о том, что звуковая волна может передаваться не только по воздуху или вообще по газам, но и по жидкостям и твёрдым телам.

Для звука есть только одна преграда, и её легко обнаружить очень простым опытом. Если завести будильник и накрыть его стеклянным колпаком, звон будет хорошо слышен. Но если из колпака выкачать воздух, звук умрёт. Почему? Потому что звук не может передаваться через пустоту. И это легко объяснимо. Ведь в пустоте нечему колебаться! Звуковая волна — чередование сгущений и разрежений, — встречая на своём пути пустоту, как бы обрывается.

1. Шум

Мы охотно слушаем музыку, пение птиц, приятный человеческий голос. Напротив, тарахтенье телеги, визг пилы, мощные удары молота нам неприятны и нередко раздражают и утомляют.

Таким образом, по действию, производимому на нас, все звуки делятся на две группы: музыкальные звуки и шумы. Чем отличаются они друг от друга?

Чистый музыкальный звук всегда имеет определённую высоту. Это как бы организованная звуковая волна. Напротив, в шуме царит полный беспорядок. Прислушайтесь, например, к дневному шуму городской улицы. В нём вы услышите и краткие быстро исчезающие высокие звуки, и длительный низкий гул, и резкий лязг. Шум — это множество самых различных, одновременно несущихся звуков. Чем быстрее и резче изменяются их высота и сила, тем неприятнее на нас действует шум.

Каждый из вас легко обнаружит разницу между звуком рояля и скрипом сапога. Но не всегда можно провести резкую границу между музыкальным звуком и шумом. В шуме очень часто можно уловить музыкальные звуки. В свою очередь, и к музыкальным звукам всегда примешивается шум. От него не свободно даже самое искусное музыкальное исполнение. Попробуйте внимательно прислушаться к игре на рояле, и вы услышите, кроме звуков музыки, и стук клавишей, и удары пальцев по ним, и шелест переворачиваемых нотных листов. Точно так же и к пению всегда примешивается шум дыхания певца. Но обычно мы сосредоточиваем своё внимание на звуках самой музыки и не замечаем этого шума.

Получить чистый звук со строго определённой частотой колебания, даже при полном отсутствии посторонних шумов, очень трудно, и вот почему. Любое колеблющееся тело издаёт не только один основной звук. Его постоянно сопровождают звуки других частот. Эти «спутники» всегда выше основного звука и называются поэтому обертонами, то есть верхними тонами. Однако не стоит огорчаться существованием этих «спутников». Именно они-то и позволяют нам отличать звук одного инструмента от другого и голоса различных людей, если даже они равны по высоте. Каждому звуку обертоны придают своеобразную окраску или, как говорят, тембр. И если основной звук сопровождается близкими ему по высоте обертонами, то сам звук кажется нам мягким, «бархатным». Когда же обертоны значительно выше основного тона, мы говорим о неприятном «металлическом» голосе или звуке.

Причина появления обертонов сложна. Она лежит в физической природе колебания тел, и мы не станем её здесь рассматривать.

Шум вредно отражается на здоровье и работоспособности людей. Человек может работать при шуме, привыкает к нему, но продолжительное действие шума вызывает утомление, часто приводит к понижению остроты слуха, а в отдельных случаях и к глухоте. Поэтому борьба с шумом — очень важная задача.

Развивая технику, человек старается свой мускульный труд заменить работой машины. А применение машин, как иногда представляют себе, влечёт за собой увеличение шума. Неверно, однако, думать, что чем выше техника и чем больше механических средств применяет человек, тем больше он подвергает себя воздействию шума. История развития техники показывает, что с улучшением действия отдельных механизмов снижается или совсем устраняется шум при их работе. Вместе с изобретением новых машин открываются и новые пути борьбы с шумом. Действительно, паровая машина уступает своё место бесшумной турбине, грохочущий локомотив старой конструкции — менее шумному современному паровозу и электровозу. На смену звуковым сигналам, гудкам, свисткам, звонкам, там, где это возможно, приходят световые сигналы. Моторы, машины, дающие много шума, закрываются поглощающими звук оболочками, ставятся на особые фундаменты и т. д. Чтобы ослабить шум внутри помещений, на стены вешают ковры, драпируют двери и окна. Телефонные будки обивают войлоком или прессованными пробковыми плитами.

Но защититься полностью от внешнего шума очень трудно. Ведь звук проникает внутрь зданий не только по воздуху. Он пробирается и через стены, по водопроводным и канализационным трубам, через вентиляторы. Когда нужно полностью устранить всякий шум, например, при граммофонной записи или записи звуковых кинофильмов, строят специальные здания с особым фундаментом. В этих зданиях отдельные комнаты как бы «плавают» на упругих прокладках или пружинах. Двойные стены, изолированные одна от другой, двойные или даже тройные окна и двери, полное отсутствие щелей — вот какие сложные меры приходится применять для полного ограждения от шума.

2. Музыка

Звуки музыки вызывают в нас самые различные переживания: чувство радости, бодрости, подъёма сил или же, наоборот, задумчивость и грусть.

Музыка — одно из старейших искусств. Со времён глубокой древности человеку было знакомо наслаждение, вызываемое определёнными музыкальными созвучиями. Музыка с такой необъяснимой силой действовала на человека, что наши далёкие предки считали её даром богов.

Есть прекрасное древнегреческое сказание о певце Орфее. Звуками лиры и своими песнями он усмирял диких зверей, удерживал потоки вод и заставлял следовать за собой скалы и леса.

Историки предполагают, что первые музыкальные произведения были простыми чередованиями нескольких звуков или подражанием крику животных и пению птиц. Музыкальные инструменты возникли из тех хозяйственных предметов, которыми люди пользовались в древности. Человек замечал, что тетива охотничьего лука звенит при пуске стрелы, что обычный охотничий рог может передать несложную мелодию, что при ударе металла о металл часто получаются приятные звуки. Музыкально одарённые люди не проходили мимо этих наблюдений, и певучая тетива выросла в арфу, лиру, скрипку, а охотничий рог — в различные духовые инструменты. Возникли и ударные инструменты: кастаньеты, бубны, барабаны — в них музыкальные звуки вызываются простыми ударами. Взгляните на рис. 8; трудно догадаться, что эта одинокая струна и лук должны изображать скрипку. Много было положено труда и накоплено опыта, прежде чем такая скрипка превратилась в совершеннейший музыкальный инструмент. Размеры и форма скрипки и материал для корпуса и струн подбирались столетиями. У современной скрипки четыре струны. Они изготовляются из кишок овцы; четвёртая басовая струна обвивается проволокой, а первая теперь заменяется стальной струной, дающей более яркий звук. Верхняя часть корпуса скрипки — дека — делается из ели, а нижняя часть и боковые планки — из белого клёна. Без корпуса струны издавали бы очень слабые звуки. Корпус усиливает звуки струн, в точности повторяет их колебания.

Рис. 8. Африканская скрипка

Интересно отметить, что чем больше играют на скрипке, тем более красивые звуки она начинает издавать. Поэтому старые скрипки ценятся очень дорого.

Современная арфа также прошла долгий путь — от неприхотливой негритянской арфы с одной струной — к современному изящному инструменту с несколькими десятками струн.

Предшественники пианино и рояля также были менее совершенными; они имели всего около 20 клавишей и могли издавать звуки лишь одной силы. Только около 200 лет назад появились инструменты, способные издавать звуки разной громкости и имеющие до 90 клавишей.

Несмотря на то, что ухо человека слышит звуки в очень широкой области частот (от 16 до 20 000 колебаний в секунду), музыка не использует всех этих звуков. У рояля, например, самый низкий звук соответствует 27 колебаниям струны в секунду, а самый высокий — примерно 4000.

Звуки человеческого голоса ограничиваются ещё более узкой областью частот. У разных певцов, например, границы частот такие:

У баса … от 80 до 320

У баритона … от 96 до 387

У тенора … от 122 до 488

У контральто (2-й голос) … от 145 до 580

У сопрано (1-й голос) … от 259 до 1034

Для музыкальных звуков имеется особая азбука — ноты. Каждый звук может быть записан по этой азбуке, причём отмечается не только его высота, но и громкость и продолжительность. В этом отношении музыкант, играющий по нотам, получает от музыкального письма указаний больше, чем чтец от страницы книги.

Все музыкальные звуки делятся на 8 участков — октав. Каждая октава, в свою очередь, делится на 7 основных тонов: до , ре , ми , фа , соль , ля , си . Любая нота одной октавы отличается по частоте от такой же ноты соседней октавы в два раза. Если, например, нота ми одной октавы имеет частоту 160, то частота ми предыдущей октавы — 80, а ми последующей октавы — 320. Замечательно, что у всех народов, даже у тех, которые развивались изолированно от других, существует деление музыкальных звуков на октавы. Это объясняется той исключительной тонкостью, с какой ухо человека воспринимает звуки.

Для настройки музыкальных инструментов применяется обычно звук ля с числом колебаний 435. В нотной записи он обозначается так:

3. Привычные звуки

Вокруг нас ежесекундно рождаются самые различные звуки.

В жизни природы очень редко бывает полная тишина. Пойдёте ли вы на пустынный берег реки, в поле или лес — вы всегда, прислушавшись, уловите слабые звуки: на берегу реки — чуть слышный плеск, в поле — лёгкий шорох колосьев, в лесу — треск сухой ветки, шелест листьев. Только иногда в знойный полдень царствует в лесу безмолвие. Все животные, истомлённые жарой, прячутся в густую чащу, и не слышно тогда ни пения птиц, ни звона насекомых, и ни одна былинка, ни один сучок не хрустнет в лесу. Но даже и в эти редкие часы вдруг повеет ветерок, зашуршит трава и зашумят листья на деревьях, будто их кто считает, перекладывая с места на место, как листы бумаги.

Но природа изменчива, и покой её не долог. Пройдёт час, и от тишины не останется и следа. Вот появляется откуда-то взявшаяся тёмная туча, закрывая собой солнце. Налетает вихрь, и воздух наполняется сотнями звуков. Блеснёт молния, и от глухих раскатов грома содрогнётся небо. Первые капли дождя, как маленькие молоточки, отрывисто застучат по гладким листьям. Сначала эти удары капель можно считать, но через какую-нибудь минуту они превращаются в сплошной шум водопада.

Но вот прошла туча, стих ветер, и звуки бури снова уступают место тишине. Только молчавшие до грозы ручьи зажурчат, запенятся и весело понесут свою мутную воду между камней. Так за короткое время в природе возникают и снова исчезают самые различные звуки.

Попробуем объяснить некоторые из звуков, рождённых природой.

Почему шумит от ветра лес?

Ветер шевелит листья деревьев; они трутся и ударяются друг о друга. При этом возникают колебания, которые и передаются по воздуху в виде звуковой волны. Шумит лес в разное время по-разному. Весной, когда листья нежные, их шелест низкий и мягкий; с приближением осени листья делаются жёсткими, и шелест их становится более грубым и высоким по тону. Как струны разной длины и толщины звучат по-разному, так и различные породы деревьев дают неодинаковый шум. Так, тополь, у которого листья сидят на длинных черенках, сильнее других деревьев шелестит при ветре. Хвойный лес со своими тонкими иглами всегда рождает шум более высокого тона, чем лиственный.

Перескакивая с камня на камень, бежит ручей. А где и как появляется его журчащий звук? Быстро текущая вода образует около камней водовороты и воронки. В этих водоворотах она как бы заглатывает в себя воздух. Вырваться из воды воздух может только при более спокойном течении. И журчание возникает уже за камнем — там, где из воды выходят пузырьки воздуха. Эти пузырьки, вызывая колебания, создают своеобразный звук бегущего ручья.

Часто мы слышим, как в проводах «воет» ветер. Воет ветер и в обнажённом лесу. Чем вызван этот вой?

Когда ветер слаб, то поток воздуха, встречая на своём пути провод, спокойно его огибает и беззвучно следует дальше. Но если скорость ветра значительна, то у провода возникают воздушные вихри. Порывистые воздушные течения обходят препятствия то с одной, то с другой стороны, тем самым раскачивают его. Провод начинает колебаться и звучать. Тому, кто катался на лодке, подобные колебания хорошо знакомы. При движении лодки опущенное в воду весло дрожит.

Многие из вас, вероятно, наблюдали также, как беспрерывно качаются при быстром течении воткнутые в дно реки тонкие колышки или вехи. Так же при ветре дрожат сучья обнажённого леса. Дрожания эти могут происходить с такой частотой, что возникает слышимый звук.

Часто говорят: «чайник уже шумит, скоро закипит». Каждый знает, что прежде чем закипеть, чайник должен шуметь. Как объяснить это явление? А вот как. Самое горячее место у чайника — его дно, и в первую очередь нагреваются нижние слои воды. В нагретой воде образуются пузырьки пара, которые благодаря своей высокой температуре выдерживают давление воды. Но нагретая вода легче холодной. Она, а вместе с ней и пузырьки поднимаются вверх и, смешиваясь с холодными слоями воды, отдают часть своего тепла. Температура пара в пузырьках падает, а значит, падает и давление внутри их. Теперь они уже не могут противостоять давлению воды и как бы раздавливаются ею. Частички воды со всех сторон устремляются внутрь пузырьков и, сталкиваясь, производят звук удара. Огромное количество таких ударов и создаёт «пение» чайника.

Подобное же явление наблюдается при работе винта парохода или моторной лодки, хотя они издают иной звук. От быстрого вращения лопастей в воде образуются пустоты, в которые со всех сторон летят частицы окружающей воды. Следующие друг за другом удары сливаются в сплошной гул. Кстати сказать, такие удары воды бывают настолько сильны, что иногда приводят к разрушению самого винта.

Рассмотрим ещё один пример — шипение воды, попавшей на раскалённую поверхность, например на горячую плиту. В этом случае нижний слой воды моментально вскипает, превращаясь в пар. Каждая капля воды, переходя в пар, увеличивается в объёме приблизительно в полторы тысячи раз. Этот пар разбрызгивает остальную воду, и мелкие капли её, падая на горячую плиту, вскипают с тем же увеличением своего объёма. Быстрое превращение капель воды в пар вызывает толчки в окружающем воздухе, что и порождает характерный звук шипения.

1. Устройство уха

Познакомившись с физической природой звука, посмотрим теперь, каким путём он воспринимается.

Для улавливания звука у человека и животных есть специальный орган — ухо. Это — необычайно тонкий аппарат. Мы не знаем другого такого механизма, который отзывался бы с такой поразительной точностью на ничтожно малые изменения давления в воздухе. Ухо преобразует колебательное движение звуковой волны в определённое ощущение, которое и воспринимается нашим сознанием как звук.

С давних пор человека интересует устройство и работа этого удивительного органа. Однако и по настоящее время далеко ещё не всё в этой области выяснено. Строение человеческого уха показано на рисунке 9. Орган слуха делится на три части: наружное, среднее и внутреннее ухо (см. рис. 9).

Рис. 9. Схема устройства человеческого уха

Наружное ухо, или ушная раковина, у разных животных бывает самой различной формы и величины. У большинства из них ушная раковина подвижна. У человека это свойство почти полностью потеряно. Встречаются, правда, люди, способные двигать ушами, но это — редкое исключение, напоминающее об общности всего живого на земле.

От ушной раковины идёт слуховой проход, заканчивающийся барабанной перепонкой. Она служит границей между наружным и средним ухом. Перепонка имеет овальную форму и немного вытянута внутрь. Площадь её — около 0,65 квадратного сантиметра.

Для свободного колебания барабанной перепонки необходимо, чтобы давление воздуха с обеих сторон её было одинаковым. Тогда при малейших изменениях давления наружного воздуха перепонка, не встречая противодействия с другой стороны, легко приходит в колебательное движение.

Вероятно, каждый замечал, что после сильного сморкания мы некоторое время перестаём слышать слабые звуки. Это происходит потому, что в среднее ухо через так называемую евстахиеву трубу попадает из носоглотки воздух (Бартоломео Евстахий — итальянский врач, живший в XIV веке — первый дал описание этой трубы). Конец трубы при этом часто закупоривается слизью, и тогда воздух изнутри давит на барабанную перепонку, и она теряет прежнюю свободу колебаний. Но достаточно, однако, проглотить слюну, чтобы евстахиева труба открылась, излишек воздуха вышел (в ухе при этом ощущается лёгкий треск) и давление с обеих сторон перепонки выравнялось. Нормальный слух вновь восстанавливается. Если почему-либо внезапно изменяется давление окружающего воздуха, то мы слышим в ушах шум, который прекращается опять-таки при глотании слюны.

В среднем ухе находится ряд особых косточек: молоточек, наковальня и стремя. Свои названия эти косточки получили благодаря внешнему сходству с соответствующими предметами. Они очень малы по размерам и все вместе весят около 0,05 грамма. Расположены эти косточки так, что образуют рычаг, который одновременно передаёт колебания барабанной перепонки во внутреннее ухо и преобразует эти колебания в колебания с меньшим размахом, но большим давлением. Молоточек, наковальня и стремя передают всю энергию колебания барабанной перепонки на очень маленькое овальное окно внутреннего уха; таким образом внутреннее ухо получает давление раз в 50–60 больше того, которое испытывает барабанная перепонка.

Устройство внутреннего уха весьма сложно. Основное назначение этого уха — воспринимать только те колебания, которые посылает барабанная перепонка. Никакие другие сотрясения на него не должны действовать. Поэтому оно окружено очень крепкими костями. Во внутреннем ухе есть три полукружных канала (см. рис. 9), не имеющих никакого отношения к слуху. Это — органы равновесия. Головокружение, которое мы испытываем, если станем быстро вертеться, происходит из-за движения жидкости, наполняющей эти каналы. Орган же слухового восприятия заключён в особую оболочку. Взгляните на правую часть рисунка. Что она вам напоминает? Каждый тотчас же ответит, что она похожа на улитку. Улиткой она и называется. Улитка имеет приблизительно 2 3 / 4 оборота. Вдоль всей длины она разделена перегородкой и наполнена особой студенистой жидкостью. Внутри улитки находится перепонка — основная мембрана. На ней расположены разветвления слухового нерва — 23,5 тысячи мельчайших проводников слухового раздражения, идущих затем по нервному стволу к коре головного мозга.

Процессы, происходящие во внутреннем ухе, очень сложны, и некоторые из них до сих пор точно не изучены.

2. Арифметика звуков

Звуковые волны, проникая в слуховой канал, приводят в колебание барабанную перепонку. Через цепь косточек среднего уха колебательное движение перепонки передаётся жидкости улитки. Волнообразное движение этой жидкости, в свою очередь, передаётся основной мембране. Движение последней влечёт за собой раздражение окончаний слухового нерва. Таков главный путь звука от его источника до нашего сознания.

Однако этот путь не единственный. Звуковые колебания могут передаваться и прямо во внутреннее ухо, минуя наружное и среднее. Каким же путём? Костями самого черепа! Они являются хорошими проводниками звука. Если камертон поднести к темени или к лежащему сзади уха сосцевидному отростку, или к зубам, то можно отчётливо слышать звук, хотя по воздуху слышимых колебаний не доносится. Это происходит потому, что кости черепа, получив колебания от камертона, передают их прямо внутреннему уху, в котором возникают те же самые процессы раздражения слуховых нервов, как и от колебаний, переданных барабанной перепонкой. Вот почему иногда «слушают» работу отдельных частей машины, взяв один конец палки в зубы (см. страницу 14).

Любопытно заметить также, что иногда люди, у которых оперативно удалены барабанная перепонка и косточки среднего уха, способны слышать — хотя и со значительным ослаблением. И в этом случае, по-видимому, колебания звуковой волны передаются непосредственно внутреннему уху.

Если колебания барабанной перепонки медленные — число их меньше шестнадцати в одну секунду, — то основная мембрана колебаний не получит. Поэтому-то мы не слышим звука, когда тело колеблется с частотой меньше шестнадцати.

Колебания с частотой больше двадцати тысяч, как мы уже говорили, также не воспринимаются нашим слуховым аппаратом как звук.

Но не все люди, даже с нормальным слухом, одинаково чувствительны к звукам различной частоты. Так, дети обычно без напряжения воспринимают звуки с частотой до 22 тысяч. У большинства взрослых чувствительность уха к высоким звукам уже понижена до 16–18 тысяч колебаний в секунду. Чувствительность же уха у стариков ограничена звуками с частотой в 10–12 тысяч. Они часто совершенно не слышат комариного пения, стрекотания кузнечика, сверчка и даже чириканья воробья.

Многие животные особенно восприимчивы к высоким звукам. Собака, например, улавливает колебания с частотой до 38 000, то есть звуки, для человека не слышимые.

А как наше ухо умеет оценивать громкость звуков одной и той же высоты? Оказывается, наши способности в этом отношении почти равны математическому развитию ребёнка или первобытного человека. Как ребёнок может сосчитать только до двух, а если предметов больше, то он скажет, что их много, так и мы умеем оценивать изменение громкости звука лишь в 2–3 раза, а дальше ограничиваемся неопределённым: «много громче» или «значительно тише».

Но если нашему сознанию доступно ещё некоторое суждение об изменении громкости, то сложение и вычитание одной громкости из другой для него совершенно неразрешимая задача. Однако не следует думать, что человек вообще не может отличать звуки, близкие по своей громкости. Музыканты, например, пользуются целой шкалой громкости. По этой шкале каждая последующая громкость вдвое больше предыдущей, а вся шкала имеет семь ступеней громкости.

Несмотря на то, что наш слуховой аппарат улавливает чрезвычайно малые изменения давления воздуха, мы всё же не в состоянии слышать очень слабые звуки. Но не нужно сожалеть об этом. Представьте себе, что получилось бы, если бы наше ухо оказалось более чувствительным, чем оно есть. Ведь воздух состоит из отдельных молекул, беспрерывно движущихся по всем направлениям. Благодаря такому движению в отдельных местах может создаться на мгновение увеличение или уменьшение давления. По величине эти изменения давления как раз очень близки к изменениям давления, возникающим в местах сгущения и разрежения самой слабой звуковой волны. И если бы ухо воспринимало такие малейшие изменения в давлении, то эти случайные колебания воздуха создавали бы ощущение постоянного шума, и мы не были бы знакомы с тишиной! Природа как бы вовремя остановилась на определённом пороге чувствительности нашего слухового аппарата, оставив ему возможность отдыхать.

В обычной жизни нас никогда не окружает совершенная тишина, и ухо по существу не имеет полного отдыха. Но мы часто создаём себе искусственную тишину — отодвигаем на время от своего сознания получаемые звуковые восприятия. Мы как бы пропускаем некоторые звуки «мимо ушей». Однако если мы и «не слышим» их, ухо всё равно эти звуки отмечает. Точно так же, когда к звукам, которые мы «пропускаем мимо ушей», прибавляется звук, имеющий для нас какой-нибудь интерес, мы тотчас же его улавливаем, даже если он и тише остальных звуков. Мать часто может спать при большом шуме, но она сразу просыпается от первого крика ребёнка. Пассажир может спокойно спать во время хода поезда, но при его остановке просыпается.

3. Сколько звуков слышит человек?

Не все люди с нормальным слухом одинаково слышат. Одни способны различать близкие по высоте и громкости звуки и улавливать в музыке или шуме отдельные тона. Другие же этого сделать не могут. Для человека с тонким слухом существует больше звуков, чем для человека с неразвитым слухом.

Но насколько вообще должна отличаться частота двух звуков, чтобы их можно было слышать как два разных тона? Можно ли, например, отличить друг от друга тона, если разница в частотах равна одному колебанию в секунду? Оказывается, что для некоторых тонов это возможно, а для других нет. Так, тон с частотой 435 можно отличить по высоте от тонов с частотами 434 и 436. Но если брать более высокие тона, то отличие сказывается уже при большей разности частот. Тона с числом колебаний 1000 и 1001 ухо воспринимает как одинаковые и улавливает разницу в звучании только между частотами 1000 и 1003. Для более высоких тонов эта разность в частотах ещё больше. Например, для частот около 3000 она равна 9 колебаниям.

Точно так же не одинакова наша способность отличать звуки, близкие по громкости. При частоте 32 можно расслышать только 3 звука разной громкости; при частоте 125 — уже 94 звука различной громкости, при 1000 колебаний — 374, при 8000 — снова меньше и, наконец, при частоте 16 000 мы слышим только 16 звуков. Всего же звуков, различных по высоте и громкости, наше ухо может уловить более полумиллиона! Это только полмиллиона простых звуков. Прибавьте к этому бесчисленные сочетания из двух и более тонов — созвучия, и вы получите впечатление о многообразии того звукового мира, в котором мы живём и в котором наше ухо так свободно ориентируется. Вот почему ухо считается, наряду с глазом, самым чувствительным органом чувства.

4. Могут ли слышать глухие?

Ухо, как и всякий другой орган, подвержено различным заболеваниям. В зависимости от рода заболевания слух может быть ослаблен или потерян полностью. Иногда люди слышат звуки только определённой высоты. Есть болезни, при которых перепонки уха теряют гибкость и делаются мало подвижными; тогда человек перестаёт слышать звуки низкого тона. Наоборот, в начальный период заболевания внутреннего уха чаще всего теряется способность воспринимать высокие тона. А может быть и так, что человек слышит звуки одной высоты и не слышит звуков другой высоты. Это бывает при болезни слухового нерва.

Человек считается слегка глуховатым, если для него требуется тысячекратное увеличение давления звуковой волны в сравнении с давлением, необходимым нормальному уху. Когда давление требуется в десять тысяч раз большее, то человек относится к разряду «тугоухих», он с трудом слышит разговор. Если же для восприятия звука необходимо увеличение давления в сто тысяч раз, то такое ухо нуждается уже в специальных усиливающих звук приборах.

Человек является совершенно глухим, когда его ухо требует больше, чем в миллион раз увеличенного давления. Нормальное ухо при таком давлении звуковой волны ощущает уже не звук, а боль.

Ослабленный, а тем более полностью потерянный слух — тяжёлый недуг, и учёные давно работают над тем, чтобы облегчить страдания людей с недостатками слуха.

В тех случаях, когда нельзя путём лечения возвратить слух, пытаются достичь этого путём усиления звуковой волны. С этой целью применяются усиливающие приборы—протезы. Раньше ограничивались употреблением специальных рупоров, воронок, рогов и разговорных трубок. Теперь нередко применяются электрические усилители. Часто эти приборы бывают настолько малых размеров, что они помещаются в самом ухе, перед барабанной перепонкой.

В последнее время делаются попытки «научить» слышать совершенно глухих. Многим из вас, вероятно, приходилось испытывать ощущение боли в ушах при очень сильных звуках. Такие звуки могут быть осязаемы поверхностью кожи, например выставленными против волны пальцами. Ведь и наше ухо можно рассматривать как своего рода орган осязания, очень тонко построенный. Спрашивается, нельзя ли у глухих работу уха поручить органу осязания? Недавно были проведены подобные исследования. Обыкновенные звуки принимались микрофоном, усиливались и передавались в виде колебаний мембранам специальных телефонов. Прикасаясь к этим мембранам пальцами, глухие воспринимают осязанием частоту и силу колебания, т. е. другими словами, то, что определяет высоту и громкость звука.

После соответствующего обучения глухие начинают понимать не только отдельные звуки, но и речь!

1. Скорость звука

На фоне клубов чёрного дыма показывается струйка белого пара. Спустя некоторое время слышен свисток. Это машинист подаёт сигнал о приближении поезда.

Ночную тьму пронизывает огненная вспышка, через несколько секунд доносится звук выстрела артиллерийского орудия.

Понаблюдайте за работой плотника издали. Вы легко заметите, что когда плотник поднимает топор для следующего удара по дереву, звук слышен только от первого удара.

Всё это убеждает нас в том, что свет и звук распространяются с различной скоростью. Свет обгоняет звук, и поэтому мы сначала видим, а потом слышим. Скорость света — самая большая скорость в природе: она равна 300 миллионам метров в одну секунду. Скорость же звука в воздухе составляет всего около 340 метров в секунду, т. е. в 900 тысяч раз меньше.

Интересно отметить, что скорость пули при вылете из ствола винтовки почти в три раза больше скорости звука. Когда пуля летит по прямой линии, то есть по такому же пути, как и звук, она обгоняет звук выстрела. В этом случае звук не может служить предостережением. Другое дело при стрельбе из гаубиц или миномётов. Здесь снаряд летит по кривой (с большим углом возвышения); путь его к цели тем самым удлиняется, и звук выстрела может опередить снаряд.

За движением звуковой волны можно проследить даже взглядом! Представьте себе, что идёт длинная колонна людей с оркестром впереди. Все шагают в такт музыке. Но если посмотреть со стороны, то нетрудно заметить, что последние ряды идут не в ногу с первыми. Это происходит потому, что звук оркестра до задних рядов доходит позже.

Но скорость звука — величина непостоянная. Даже в одном и том же веществе она не всегда одинакова. Так, в воздухе при двадцатиградусном морозе звук проходит 318 метров за секунду, а при 20 градусах тепла — 342,5 метра. В различных твёрдых телах и жидкостях звук также распространяется с различными скоростями.

Скорость звука в воде впервые была измерена в 1827 году. С борта одной лодки на верёвке в воду был спущен колокол (рис. 10). Вторая лодка находилась на расстоянии 13 847 метров от первой (рис. 11). В тот момент, когда на первой лодке молоток ударял в колокол, на ней одновременно производилась и вспышка пороха. На второй лодке человек наблюдал момент вспышки и отмечал момент прихода звука от колокола. Таким путём было вычислено время пробега звуковой волной рас- стояния между лодками по воде. Оказалось, что скорость звука в воде в четыре раза больше, чем в воздухе. За одну секунду звук в воде проходит 1435 метров.

Рис. 10. Измерение скорости звука в воде. Человек, сидящий в этой лодке, передаёт звук

Рис. 11. Измерение скорости звука в воде. Здесь человек воспринимает звук

В большинстве твёрдых тел скорость звука ещё больше. Например, в дереве она достигает 4800 метров, в стали — 5000 метров, в стекле — 5600 метров в секунду.

Звуки, различные по высоте, распространяются в одном и том же веществе с одинаковой скоростью. Если бы это было не так, то нельзя было бы слушать музыку издалека. Одни звуки обгоняли бы другие и вместо стройной мелодии вдали от оркестра слышался бы просто шум.

Некоторые племена, например, племена экваториальной Африки, ещё и поныне непосредственно используют звук как средство связи. Для этой цели чаще всего употребляются специальные барабаны. Услышанные в одном месте, условные звуковые сигналы тотчас же передаются дальше. Таким путём очень скоро всё племя оповещается о каком-либо событии.

Этот способ требует, однако, много времени. Подсчитаем, например, с какой быстротой может быть передан звуковой сигнал из Москвы в Ленинград. Расстояние между этими городами 640 километров. Будем считать, что звук в воздухе за одну секунду проходит 340 метров.

Если бы мы могли крикнуть так громко, чтобы звук из Москвы долетел до Ленинграда, нас услышали бы через 31 минуту. Но звук быстро ослабевает с расстоянием и вскоре становится неслышимым. Чтобы передать звук на такое большое расстояние, его надо по мере затухания воспроизводить в пути с новой силой. Для этого пришлось бы на определённом расстоянии друг от друга расставить людей. Каждый из них, услышав сигнал соседа, стоящего ближе к Москве, должен тут же передать его соседу в сторону Ленинграда. Ясно, что на такую передачу будет затрачено значительно больше получаса.

После того как изобрели телефон, телеграф и радио, такой способ передачи звука на большие расстояния потерял смысл.

Современные способы связи основаны на том, что звук передаётся на большие расстояния при помощи электрического тока по проводам (телефон), либо при помощи электромагнитных колебаний, распространяющихся в пространстве, практически, мгновенно (радио).

Когда человек говорит в микрофон, включённый в электрическую цепь, звуковые волны вызывают электрические колебания. Эти колебания со скоростью света идут по проводам или по воздуху. Станция приёма полученные сигналы снова переводит в звуки. При этом звуковые волны проходят очень короткий путь: от говорящего человека до микрофона и от телефонной трубки или репродуктора до уха слушающего. Всё остальное расстояние звук как бы «переносится» электромагнитными колебаниями. Благодаря такому способу передачи звуки переносятся моментально на тысячи километров.

Представьте себе двух человек, один из которых слушает концерт в зале Московской консерватории, а другой — дома, по радио, находясь где-нибудь на Дальнем Востоке. Кто из них раньше будет слышать музыку?

Если первый находится в 15–20 метрах от оркестра, то к нему по воздуху звуки дойдут приблизительно за 0,05 секунды.

Эти же звуки, переданные через микрофон на радиостанцию и затем в пространство при помощи радиоволн, помчатся со скоростью 300 тысяч километров в одну секунду и за 0,05 доли секунды они окажутся где-нибудь в Тихом океане или Америке. Нашего же слушателя они достигнут примерно за половину указанного времени. И получается так, что слушающий по радио на расстоянии 7–8 тысяч километров слышит звуки музыки на 0,02-0,03 доли секунды раньше, чем человек, находящийся в концертном зале!

2. Когда слышно вдали и не слышно вблизи

Чтобы лучше слышать разговор, пение или музыку, мы подходим или садимся поближе, так как каждому ясно, что вблизи звук слышней, чем издали. Но как ни странно, это не всегда верно! Бывает и так, что в местах, расположенных к источнику ближе, звука не слышно совсем, а вдали слышно хорошо. Известен, например, такой случай. В Англии на одном военном заводе однажды произошёл огромный взрыв. На расстоянии 180 километров от завода взрыв был отчётливо слышен, а жители селений, расположенных всего в 30 километрах от завода, и не подозревали о случившемся несчастье.

Много подобных фактов известно и в военной практике.

Вот пример из одной войны прошлого века. Генералу был дан приказ атаковать подчиненными ему частями фланг противника в момент наступления основных сил на главном направлении. Генерал расположился в трёх милях от места действия и стал внимательно наблюдать, чтобы уловить начало боя. Но с поля битвы не доносился ни один звук, и войска генерала бездействовали. Битва, продолжавшаяся около трёх часов, окончилась, а генерал так и не услышал ни одного выстрела. Звук его миновал. Отсутствие иных средств связи привело к тому, что время для атаки было упущено.

Известны и такие случаи, когда звуки боя, не слышные в штабе корпуса, отчётливо слышны в расположении, например, штаба армии, отстоящего от линии фронта значительно дальше.

Из времён франко-прусской войны в литературе описан такой случай. Накануне было холодно и стоял густой туман; воздух был полон звуками войны. А в этот день было ясно и тепло. Стояла мёртвая тишина, люди думали, что начались переговоры о мире и поэтому военные действия прекратились. Каково же было их изумление, когда они узнали, что весь этот день с самого утра происходила интенсивная артиллерийская перестрелка, которая не была им слышна! Подобных примеров можно привести много.

Вы знаете, что в опасных для плавания судов местах — на мысах, мелях, подводных камнях — часто выставляются предупреждающие световые или звуковые маяки. Тёмной ночью яркий свет виден за десятки километров. Но в туман, пургу или сильный дождь это расстояние сильно уменьшается. Тогда большую услугу оказывают звуковые сигналы — сирены, гудки, колокольный звон или стрельба из орудий. Однако и эти сигналы также не всегда надёжны: в отдельных местах около таких маяков звук пропадает.

Мы привыкли думать, что если на пути звука нет видимых преград, то он слышен повсюду, начиная от источника и кончая расстоянием, где звуковая волна ослабевает настолько, что перестаёт действовать на ухо. Но это не всегда верно. Почему же в каких-то местах своего пути звук исчезает и образуются «зоны молчания»?

Оказывается, воздух не везде однороден для звука. Известно, что воздух постоянно находится в движении. Скорость его движения в различных слоях не одинакова. В слоях, близких к земле, воздух соприкасается с её поверхностью, зданиями, лесами и поэтому скорость его здесь меньше, чем вверху. Благодаря этому и звуковая волна идёт не одинаково быстро вверху и внизу. Если движение воздуха, т. е. ветер — попутчик звуку, то в верхних слоях воздуха ветер будет сильнее подгонять звуковую волну, чем в нижних. При встречном ветре звук вверху распространяется медленнее, чем внизу. Такое различие в скоростях сказывается на форме звуковой волны. В результате искажения волны звук распространяется не прямолинейно. При попутном ветре линия распространения звуковой волны изгибается вниз, при встречном — вверх.

На рисунке 12 изображены пути и форма звуковых волн. Ветер дует слева. В любом месте поверхности земли, справа от завода, звук гудка слышен. Если же стать слева, в месте, обозначенном цифрой 1, то звуковая волна пройдёт над головой и звука слышно не будет.

Рис. 12. Распространение звука заводского гудка по ветру и против ветра. Пунктирные линии показывают форму расходящейся звуковой волны при отсутствии ветра; сплошные линии — форму звуковой волны при ветре, дующем слева направо

Часто этим свойством звука пользуются охотники при выслеживании добычи. Они стараются приближаться к ней против ветра. Тогда шорох шагов не вспугивает животное, звуковая волна поднимается от поверхности земли вверх и проходит над его головой. Вспомните, как из-под самых ног вылетают иногда птицы, когда мы проходим по лесу. Подойти к птице, сидящей на дереве, или к крупному зверю значительно труднее, — поднимающаяся вверх волна уносит на значительное расстояние даже очень слабые звуки нашего приближения.

Когда звуковая волна проходит близко от земли, то благодаря трению она очень сильно ослабевает и вскоре делается неслышимой. Ровная поверхность плотного снега или спокойной воды создаёт меньшее трение, чем земля, покрытая травой, кустами или строениями. Вот почему всплески вёсел, например, далеко слышны над водой.

Многие убеждены, что против ветра звук всегда слышен на меньшем расстоянии, чем по ветру. Покажем, что и это не всегда так. Обратимся к тому же рисунку 12. Пусть один человек встанет слева от источника звука, но на возвышенности (в месте, обозначенном цифрой 2), а другой будет стоять на таком же расстоянии справа на земле (место у цифры 3). К стоящему слева волны доходят по верхним слоям воздуха, где звук ослабевает незначительно, хотя и идёт навстречу ветру. А человек с правой стороны услышит более слабый звук, так как трение о поверхность земли сильно заглушает его.

Скорость ветра сама по себе слишком мала в сравнении со скоростью звука, чтобы существенно влиять на дальность распространения звуковой волны. В самом деле, 20–25 метров в секунду — это сильный ветер, а скорость звука — около 340 метров в секунду. Таким образом, даже против самого сильного ветра звук будет распространяться почти с такой же скоростью, как и в безветренную погоду.

Есть ещё одна причина неравномерного распространения звука в воздухе. Это — различная температура отдельных его слоёв. В середине жаркого солнечного дня земля сильно нагревается и нагревает ближайшие к ней слои воздуха. Верхние слои оказываются более холодными. А вы уже знаете, что в тёплом воздухе звук распространяется быстрее, чем в холодном. Неодинаково нагретые слои воздуха, подобно ветру, изменяют направление звука. Днём звуковая волна изгибается вверх, потому что скорость звука в нижних более нагретых слоях больше, чем в верхних слоях. Вечером, когда земля, а с ней и близлежащие слои воздуха, быстро остывают, верхние слои становятся теплее нижних, скорость звука в них больше, и линия распространения звуковых волн изгибается вниз. Поэтому по вечерам на ровном месте бывает лучше слышно.

Наблюдая за облаками, часто можно заметить, как на разных высотах они движутся не только с различной скоростью, но иногда и в разных направлениях. Значит, ветер на различной высоте от земли может иметь неодинаковые скорость и направление. Форма звуковой волны в таких слоях будет также изменяться от слоя к слою. Пусть, например, звук идёт против ветра. В этом случае линия распространения звука должна изогнуться и направиться вверх. Но если на её пути встретится слой медленно движущегося воздуха, она вновь изменит своё направление и может снова вернуться на землю. Вот тогда-то на пространстве от места, где волна поднимается в высоту, до места, в котором она возвращается на землю, и возникает «зона молчания» (рис. 13).

Рис. 13. «Зона молчания»

Нетрудно догадаться, что и генерал, и штаб корпуса, и очевидцы сражения из франко-прусской войны все находились в таких беззвучных зонах. Многие из читателей, вероятно, припомнят то же самое из своего опыта, полученного в период Великой Отечественной войны 1941–1945 гг., и могут дать теперь правильное объяснение этому на первый взгляд непонятному явлению.

3. Когда шепчут стены

Если вам приходилось когда-нибудь идти по длинному тёмному коридору, то вы, вероятно, обращали внимание на одно очень любопытное обстоятельство. Приближаясь к концу коридора или к его повороту, вы как бы чувствуете уже на расстоянии стену, преграждающую ваш путь. Кто же предупреждает вас о приближении к преграде? Оказывается, эти предупреждения делает ваш собственный слух. Вспомните, обычно в таких случаях вы стараетесь что-нибудь говорить, покашливать или, шагая, стучать ногами. Прислушиваясь к изменению этих звуков и не вдумываясь в причину явления, вы оцениваете расстояние, отделяющее вас от преграды.

Как это происходит?

Как луч света отражается от зеркала, так и звуковая волна отражается от больших поверхностей, стоящих на её пути. Для того чтобы звук дошёл до стены и, отражённый, возвратился к нам, потребуется некоторое время. Когда отражающая поверхность далеко, время для прохождения звука также сравнительно велико; когда же эта поверхность близка, звук возвращается скорее. Прислушиваясь к этим отражённым звукам, мы и оцениваем расстояние, отделяющее нас от стены или иной преграды. Особенно сильно это чувство развито у слепых. Очень часто слепые люди, впервые приходя в помещение, после нескольких произнесённых фраз довольно точно определяют его размеры на слух.

Мы различаем отдельные короткие звуки в том случае, когда один звук следует за другим не чаще, чем через 1/15 долю секунды. Если число отдельных звуков больше 15 в секунду, то они нам покажутся одним непрерывным звуком. Отбивая на барабане дробь, так, чтобы один удар за другим следовал чаще чем через 1/15 долю секунды, мы не будем слышать отдельных ударов, — они сольются в единый звук. Когда отражённая звуковая волна возвращается к нам быстрее чем через 1/15 долю секунды, то она сольётся с прямой волной от источника, изменяя силу его звука. Подмечая это изменение, мы и оцениваем расстояние до стены.

На каком расстоянии должна находиться стена, чтобы прямой и отражённый звуки сливались в один? Это легко подсчитать. За одну секунду звук проходит 340 метров. За 1/15 долю секунды он пройдёт 340 : 15 = 23 метра. Так как звук делает два конца — до стены и обратно, то стена должна быть не дальше 23 : 2 = 11,5 метра.

Прежде чем звуковая волна совершенно затухнет, она в небольшом помещении сотни раз отразится от стен, потолка и пола. В этом случае последний отражённый звук достигнет нашего уха спустя несколько секунд. В продолжение всего этого времени будет ощущаться постепенно уменьшающийся гул. Этим и объясняется гулкость пустых помещений. Нередко люди делают ложное заключение о силе своего голоса, пробуя петь или декламировать в такого рода комнатах. Сравните впечатление от собственного голоса, когда вы поёте в пустой комнате и затем в комнате, заставленной мебелью, устланной коврами, задрапированной шторами, — и вы убедитесь в этом.

Отражение звуковых волн обязательно принимается в расчёт при постройке общественных зданий. Так, например, в зрительных залах театров, во избежание нежелательных отражённых звуков, стены и потолки не делают сплошными и гладкими; их обивают звукопоглощающим материалом, развешивают шторы, занавесы, устанавливают мягкую мебель, устраивают всевозможные ниши и балконы. Звук сильно поглощается такими предметами и не отражается. Зал, предназначенный для большого оркестра, обычно мало пригоден для собраний. Речь в таких залах становится или мало разборчивой, или неестественно глухой. Напрасно в этих случаях некоторые ораторы стараются кричать, желая быть всеми услышанными. Это ни к чему не приводит. С повышением силы голоса возрастает и сила мешающих отражённых звуков.

Явление отражения звуков в некоторых помещениях приводит к интересным результатам. Вот два примера.

Если говорить шёпотом у внутренней стены собора св. Павла в Лондоне, то этот шёпот можно слышать в любом месте, даже на противоположном конце этого огромного здания; при этом необходимо только стать достаточно близко к стене. Создаётся впечатление, будто шепчут сами стены.

Другой пример. Около одного из итальянских городов есть грот; его называют «Ухо Дионисия» (рис. 14).

Рис. 14. Схема распространения звука в гроте «Ухо Дионисия»

Благодаря особой форме свода этого грота в нём есть два удивительных места; они отмечены на рисунке цифрами 1 и 2. Всё, что вы говорите, находясь в месте 1 так отчётливо слышно в месте 2, что можно подумать, будто говорят именно здесь. В промежуточных местах, лежащих значительно ближе к месту 1, совершенно ничего не слышно. Разгадка этого странного на первый взгляд явления в том, что звуки, идущие из места 1, отражаются от свода так, что вновь все собираются в месте 2.

Многие читатели вспомнят подобные явления, встречавшиеся в их жизни, и дадут им теперь правильное толкование.

4. Невидимые преграды

Наблюдается отражение звуков и на открытом воздухе, — правда, гораздо реже, чем в закрытых помещениях. Это — всем знакомое эхо. Как же оно возникает?

Пусть отражающая поверхность — гора, скала, стена большого дома или опушка леса — находится от нас на расстоянии ста метров. Если крикнуть, то звук дойдёт до этой поверхности, отразится от неё и возвратится к нам. При этом он пройдёт путь в двести метров и затратит немного больше половины секунды времени. Но мы уже знаем, что два звука, следующие друг за другом с промежутком, большим 1/15 доли секунды, мы слышим раздельно. Поэтому, произнося короткое слово в один, два слога, можно слышать его полное повторение. Если же произносить слово более длинное, например, бар-ри-ка-да , то первые два слога успеют возвратиться к нам в тот момент, когда мы произносим последние. А так как отражённые звуки более слабые, то мы их не услышим. Спустя четверть секунды после произнесения последнего слога да придёт отражённый слог ка , а ещё через четверть секунды возвратится и слог да . В результате мы ясно услышим: -а-да .

Когда отражающих поверхностей много и находятся они на разных расстояниях, то от более удалённых поверхностей отражённые волны придут позднее, и тогда можно слышать многократное эхо. Примером такого многократного эхо служит, например, гром. При электрическом разряде в воздухе — молнии — раздаётся треск; многократное отражение его от различных поверхностей и создаёт грандиозное эхо — раскаты грома.

Мы привыкли слышать эхо у опушки леса, вблизи скал или в горах, т. е. там, где есть видимая преграда на пути звука. Но ведь эхо возникает и на равнине, и в поле, в пустыне, и на море, где для звука твёрдых преград нет. Как же объяснить такое загадочное эхо?

Оказывается, что звук может отражаться даже от воздуха! Происходит это в тех случаях, когда звуковая волна встречает на своём пути слои воздуха с другой температурой или другой скоростью. Представим себе, что она встретит более нагретый слой воздуха. Её направление тотчас же изменится, и может быть так, что в конце концов звук возвратится обратно. То же самое произойдёт и в том случае, если звук встретит слой воздуха, содержащего другое количество водяных паров, т. е. более влажного или более сухого. Такие отражающие звук «облака» не имеют ничего общего с обыкновенными облаками и туманом. Они постоянно имеются в воздухе, создавая невидимые преграды звуку. Вот почему иногда и в безоблачный день на равнине можно слышать эхо. А дождь, снег и туман при равномерном распределении в воздухе, как это ни покажется вам странным, в очень малой степени препятствуют распространению звука.

5. Слепые разведчики

Когда называют ваше имя, вы поворачиваете голову в сторону зовущего. Обычно вы легко отыскиваете направление на источник звука. Человек с нормальным слухом может определять это направление с точностью до 4 градусов. Это значит, что, находясь от источника звука на расстоянии ста метров, человек по слуху может указать путь к нему с ошибкой всего на 6–7 метров в сторону. При увеличении расстояния увеличивается и ошибка в определении. Так, если за километр идёт стрельба, то местонахождение орудия на слух может быть определено с точностью до 60–70 метров вправо или влево от истинного положения.

Направление вверх или вниз мы определяем на слух значительно хуже. Здесь, очевидно, сказывается отсутствие практики в занятиях такого рода.

Что необходимо иметь, чтобы быть способным находить по слуху источник звука?

Оказывается, надо иметь два уха! Человек, глухой на одно ухо, определяет направление с большим трудом и менее точно. В этом легко убедиться. Закройте одно ухо и оба глаза и покрутитесь немного на одном месте. После этого пусть кто-нибудь вас позовёт. Не открывая глаз, укажите рукой, откуда вас зовут, и в большинстве случаев вы грубо ошибётесь. Такая способность определять направление на источник звука названа бинауральным эффектом (бинауральный означает «двуухий»).

Это явление объясняют двумя причинами. Если источник находится справа, то правым ухом мы слышим звук более громкий, чем левым. Голова как бы загораживает левое ухо от попадания в него звуковой волны (правда, это справедливо только для высоких звуков; звуки низкие огибают голову, как всякое небольшое препятствие, и попадают в левое ухо почти не ослабленными). Поэтому в одно ухо звуков попадает больше, а в другое меньше. Одним ухом мы слышим громче, другим тише. Эта разность в громкости перерабатывается в нашем мозгу в чувство определённого направления. Мы поворачиваем голову до тех пор, пока оба уха не будут слышать одинаково громко. А это наступит тогда, когда источник звука окажется прямо перед нами.

Здесь уместно привести интересный пример того, как волны низких звуков огибают препятствия, стоящие на их пути. Достаточно свернуть с большой шумной улицы в переулок, как сразу же изменяется характер шума. Резкие пронзительные гудки, звонки, крики и лязг металла частично отразятся стенами домов, частично поглотятся ими и затухнут, а низкие звуки свободно огибают дома и проникают в узкие боковые улицы, наполняя их ровным приглушённым шумом.

Укажем и вторую причину бинаурального эффекта. Когда источник звука находится сбоку, то одно ухо к нему ближе, чем другое. Поэтому звуки приходят к обоим ушам не одновременно. Эта разность во времени прихода звука и помогает нам также определять направление на источник звука. Чем больше расстояние между ушами, тем звук позже приходит во второе ухо; тем легче и точнее можно определить направление на источник звука. По-видимому, слоны в этом отношении находятся в выигрышном положении перед человеком; их уши широко расставлены.

Оба эти объяснения не противоречат друг другу. Вероятно, определять направление на источник звука помогает нам и разная громкость, и разное время прихода звуковой волны к обоим ушам.

А как же мы отличаем звук, идущий спереди, от звука, идущего сзади? Ведь в этом случае одинаково сильный звук приходит одновременно к обоим ушам.

Понаблюдайте, как прислушивается к чему-нибудь человек. Прежде всего голова его слегка наклоняется набок и затем немного поворачивается в сторону. Этим положением достигается и разность громкости и разность во времени прихода звука к ушам, то есть как раз то условие, которое позволяет лучше определить направление.

Особенно точно определяют направление на источник звука слепые. Например, в период первой мировой войны в английскую армию привлекали слепых в качестве слухачей-разведчиков для обнаружения неприятельских самолётов и артиллерийских батарей.

Бинауральный эффект положен и в основу устройства звукоулавливателей (рис. 15). Соединённые попарно четыре рупора позволяют производить пеленгование, т. е. определение направления, как в горизонтальной, так и вертикальной плоскостях. Линия пересечения этих плоскостей даёт направление на летящий самолёт.

Рис. 15. Звукоулавливатель

6. Неслышимые звуки

Если из кристалла горного хрусталя или кварца вырезать определённым образом ровную пластинку, посеребрить её противоположные грани и присоединить её к радиопередатчику, то пластинка в такт с работой прибора то утолщается, то делается тоньше. Грани пластинки совершают такое же колебательное движение, как и ветви звучащего камертона. В среде, окружающей пластинку, возникают чередующиеся разрежения и сгущения, то есть то, что мы называем звуковой волной. Применяя источники переменного тока или генераторы высокой частоты, можно заставить колебаться пластинку кварца миллионы и сотни миллионов раз в одну секунду. Ясно, что образующаяся при этом волна лежит далеко за пределами чувствительности нашего уха. Звуки такой частоты мы не слышим, это — ультразвуки.

В отличие от слышимых звуков, распространяющихся в однородной среде по всем направлениям, ультразвуки идут в виде узкого луча и могут быть посланы источником в желаемом направлении.

В жидкостях и твёрдых телах ультразвуки распространяются, почти не ослабевая с расстоянием. В воздухе их сила быстро падает.

Эти замечательные свойства ультразвуков положены в основу устройства ряда ценных приборов. Среди них широкое распространение получили так называемые ультразвуковые локаторы и дефектоскопы.

Ультразвуковой локатор состоит из излучателя ультразвука и связанного с ним сложного приёмного радиоустройства.

Через определённые промежутки времени излучатель посылает короткие ультразвуковые сигналы. Эти сигналы идут по прямой линии, пока не встретят на своём пути какого-либо препятствия. Натолкнувшись на него, они отразятся и частично возвратятся обратно к источнику, как возвращается к нам эхо. Зная скорость распространения ультразвука и время, прошедшее от момента посылки сигнала до его возвращения, легко рассчитать расстояние до предмета, отразившего ультразвук. Такие локаторы устанавливаются обыкновенно на кораблях. С их помощью определяются глубины морей и океанов, обнаруживаются мели, рифы и другие опасные для плавания места. В военное время отыскиваются неприятельские подводные лодки и мины. На рыболовецких судах локатор помогает «нащупать» косяк рыбы.

Нет больше риска плавать ночью и в тумане — прибор укажет безопасный путь. Никогда не повторится трагедия, постигшая в 1912 году один из самых больших в мире океанских пароходов «Титаник», который наскочил на плавучую ледяную гору (айсберг) и затонул так быстро, что из нескольких тысяч пассажиров и команды спаслось только несколько человек.

Немалую пользу приносят в технике изобретенные проф. Соколовым дефектоскопы, которые с помощью ультразвуков позволяют обнаруживать изъяны в металлических изделиях.

Укажем ещё на применение ультразвуков в медицине.

При ослаблении сердечной деятельности часто больному помогает камфора. Врачи в этих случаях обычно вводят раствор камфоры под кожу. Но вся беда в том, что камфора плохо растворяется и поэтому её действие задерживается. Иногда эта задержка может стать роковой для человека. Ввести камфору непосредственно в кровь нельзя: нерастворённые частицы её могут закупорить кровеносные сосуды и тогда наступит быстрая смерть. Но стоит только подвергнуть смесь воды с камфорой облучению ультразвуком, как частички камфоры будут так измельчены, что их без опасения можно вводить в вену больного.

Трудно перечислить все те области, где находят теперь применение ультразвуки. Всё чаще и чаще они используются в лабораториях и в различных отраслях производства. И если ещё недавно казалось, что в науке о звуках всё исследовано и остаётся, может быть, только уточнить некоторые закономерности, то с открытием ультразвуков перед наукой встало много новых сложных вопросов.

В заключение мы приведём один интересный пример использования ультразвуков животными.

Внимание биологов давно привлекала особенность полёта летучих мышей. Летучая мышь плохо видит. Тем не менее она быстро и свободно может летать в темноте, не наталкиваясь даже на такие малозаметные препятствия, как натянутые проволоки. Даже совершенно ослеплённая мышь сохраняет способность обходить препятствия на своём пути. Правда, не всякую преграду обнаруживает мышь; например, она может натолкнуться на голову, покрытую волосами, на мягкую мебель, шторы, драпировки и прочее. Разгадка этого своеобразного явления оказалась несколько неожиданной. Летучая мышь при полёте издаёт не только характерный хриплый звук, но ещё и ультразвук, который она порциями посылает по направлению своего движения. При этом своими широкими ушными раковинами она улавливает отражённую волну. Если отражённого сигнала нет, мышь спокойно продолжает полёт. Но вот мышь ловит отражённую волну — значит, на пути есть какое-то препятствие. Чем ближе она подлетает к нему, тем чаще посылает своих «разведчиков», меняя при этом направление полёта в поисках свободного пути.

Каким образом учёные раскрыли эту тайну летучей мыши?

Навстречу летящей мыши при помощи особого прибора посылались такие же сигналы, какие она сама посылает. Мышь принимала эти сигналы за эхо своих собственных сигналов и сворачивала в сторону, облетая несуществующие преграды!

Но почему же мышь не замечает мягких предметов и наталкивается на них? Очень просто. Эти предметы поглощают почти целиком падающие на них ультразвуки, и мышь, не получая обратно своих сигналов, принимает бархат, вату, волосы и другие мягкие предметы за пустоту.