Научно-популярная книга, рассказывающая о звуках и их восприятии человеческим ухом.
Введение
Мы живём в мире звуков.
Где бы мы ни находились, что бы ни делали — нас всюду сопровождают самые различные звуки. Каждое наше движение вызывает звук — шорох, шелест, скрип, стук. Правда, мы привыкаем к обычным звукам и часто не замечаем их. Так, порой человек не слышит, как рядом тикают часы, а при движении трамвая «пропускает мимо ушей» даже грохот вагона. Мы просто не сосредоточиваемся на этих привычных звуках, и часто бывает так, что только внезапно наступившая тишина обращает наше внимание на звуки, раньше ускользавшие от слуха.
Для восприятия звуков человек имеет тончайший аппарат — ухо. Ухо может воспринимать самые различные звуки. Оно может выделять из многих доносящихся одновременно звуков только те, которые нас интересуют. Очень часто мы руководствуемся в своих действиях слуховыми ощущениями. По звукам человек часто узнаёт различные предметы и определяет, где они находятся. Слух помогает найти дорогу тёмной ночью или в густом тумане. Шофёр по шуму мотора судит о его исправности. Рабочий на слух контролирует работу машины. Любой из нас по звуку определит, когда в чайнике закипит вода. По голосу можно не только узнать знакомого человека, но часто и определить его настроение, а ведь для этого ухо должно быть чутким к малейшим оттенкам звуков. А какую неоценимую услугу оказывает звук разведчику! Попадая в зону расположения противника, он иногда только по одним звукам может собрать много ценных сведений. Но для неосторожного разведчика звук может сыграть и предательскую роль. Треск сухого сучка под ногами, стук приклада автомата о камень или твёрдую землю и другие случайно вызванные звуки могут обнаружить место нахождения секрета.
I. Рождение звука
1. Движение особого рода
Нельзя разобраться в звуковых явлениях, не составив себе ясного представления о том, что такое звук. Прежде всего посмотрим, как он возникает и распространяется.
Оттяните, а затем отпустите струну балалайки или гитары. Струна заколеблется, и вы услышите звук. Вы почувствуете колебания струны, если коснётесь её пальцем. Подержите палец на струне — колебания струны прекратятся, а вместе с ними исчезнет и звук. Колокольчик также перестанет звучать, если до него дотронуться. Значит, только колеблющиеся тела порождают звук.
Но что такое колебание?
Посмотрите, как движется маятник стенных часов. Он всё время качается вправо и влево (рис. 1). Дойдя до крайнего, например, правого положения, маятник на мгновение останавливается и потом идёт влево. Скорость его увеличивается до тех пор, пока он не дойдёт до среднего положения. Затем движение маятника начинает замедляться, и в крайнем левом положении он вновь останавливается. В следующее мгновение маятник опять начинает двигаться — теперь уже вправо. Половина размаха маятника или расстояние от среднего положения его до одного из крайних называется амплитудой колебания.
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.
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.
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.
