«Эврика» 1991

О свойствах звука. Реверберация. Противошум. Характеристика звука — сила звука

О свойствах звука

Что такое эхо

Реверберация

Целебные свойства звуков

Противошум. Характеристика звука — сила звука

О натянутых струнах и бегущей волне

Ученые давно пытались разгадать тайну возникновения слуховых ощущений. Путь к ней был непростой, исследователей подстерегали ошибки и разочарования, открытия и парадоксы. Иногда новые факты полностью перечеркивали полученные ранее, с тем чтобы в свое время также оказаться перечеркнутыми. Споры о механизмах звуковосприятия продолжаются и по сей день, окончательные выводы делать рано, поэтому мы вас познакомим только с гипотезами.

Само слово „гипотеза" означает только предположение, она не претендует на то, чтобы быть единственно верным решением, окончательной теорией. Но без гипотез мы никогда не могли бы создать такой теории. Первым, кто попытался создать теорию слуха, был немецкий физик, математик, физиолог и психолог Герман Гельмгольц (1821.1884).

Представьте, что вы зашли в комнату, где стоит рояль, и стали громко разговаривать. И вдруг под влиянием вашего голоса одна из многочисленных струн рояля стала звучать и вибрировать. Не удивляйтесь, частота колебаний этой струны соответствует частоте вашего голоса, наступило явление физического резонанса.

Гельмгольц предположил, что на основной мембране натянуто множество микроскопических струн. Причем у основания улитки струны эти очень короткие, а чем ближе к верхушке, тем длиннее. Те или иные струны вступают в резонанс со звуками той или иной частоты. Короткие струны резонируют со звуками высокой частоты, длинные — с низкочастотными, басовыми звуками. Таким образом, происходит первичный анализ звуков уже на уровне улитки, причем высокие звуки воспринимаются у основания, а низкие — у верхушки.

Однако дальнейшее изучение механических свойств основной мембраны показало, что ей несвойственна высокая избирательность. Под влиянием звуков в лимфе улитки происходят сложные гидродинамические процессы. Эти наблюдения позволили Дьердю

Бекеши сформулировать гидродинамическую теорию слуха, называемую также „теорией бегущей волны".

Американский исследователь Халавел Дэвис, вживляя микроэлектроды в улитку кошки, регистрировал электрические потенциалы, возникающие в улитке. На основании своих наблюдений он создал собственную электрофизиологическую теорию слуха. Согласно его теории каждый волосок волосковых клеток кортиева органа подобен пьезоэлектрическому кристаллу. Как известно, эти кристаллы обладают интересным свойством — в прямом положении они нейтральны, но стоит их чуточку согнуть, как тут же появляется электрический заряд.

При колебаниях основной мембраны, естественно, начинают колебаться и волосковые клетки. Но сверху на волоски давит покровная мембрана, они сгибаются, вследствие чего возникает электрический заряд. Таким образом, под влиянием деформации волосков рецепторных клеток синхронно со звуковыми колебаниями освобождается электрическая энергия, возникают биотоки. Эти биотоки служат раздражителями тончайших окончаний веточек слухового нерва, оплетающих волосковые клетки. По этому нерву и проводящим путям продолговатого мозга возбуждение передается в кору височных долей головного мозга, где происходит анализ и синтез звуковых раздражений.

О свойствах звука

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

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

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

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

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

Что такое эхо

Поэтичную легенду про эхо создали древние греки.

В лесах Эллады, на берегах светлых ручьев, жила прекрасная нимфа по имени Эхо. Ее наказала Гера, жена всесильного Зевса: молчать должна была нимфа Эхо, а отвечать на вопросы она могла, лишь повторяя последние слова. Однажды в густом лесу заблудился прекрасный юноша Нарцисс, сын речного бога Кефиса и нимфы Лаврионы. С восторгом глядела Эхо на стройного красавца, скрытая от него лесной чащей. Нарцисс огляделся кругом не зная, куда ему идти, и громко крикнул:

— Эй, кто здесь?

—        Здесь! — раздался громкий ответ Эхо.

—        Иди сюда! — крикнул Нарцисс.

—        Сюда! — ответила Эхо.

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

—        Сюда, скорей ко мне!

И радостно откликнулась Эхо:

—        Ко мне!

Протягивая руки, спешит к Нарциссу нимфа из леса, но гневно оттолкнул ее прекрасный юноша. Никого не любил он, кроме одного себя, лишь себя считал достойным любви. Ушел он поспешно от нимфы и скрылся в темном лесу.

Спряталась в лесной чаще и отвергнутая нимфа. Страдает от любви к Нарциссу, никому не показывается и только печально отзывается на всякий возглас.

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

Реверберация

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

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

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

Диапазон воспринимаемых человеческим ухом частот находится в пределах от 15. 16 до 20 000.22 000 герц. Звуки с частотой выше 20 000.22 000 герц относят к ультразвукам. Воздействие этих частот на акустический анализатор не воспринимается как звуковое ощущение, хотя и не остается для него бесследным.

Различные части диапазона воспринимаются ухом неравномерно. Лучше всего слышны тоны средних частот и особенно в зоне 800.2000 герц, хуже — крайние части диапазона: ниже 50 и выше 10 000 герц.

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

Целебные свойства звуков

Кстати, еще древние знали о целебных свойствах звуков. До наших дней дошли монотонные, тихие напевы колыбельных песен, которыми матери убаюкивали своих детей.

Археологические раскопки сообщили нам о существовании в древности многочисленных лечебниц для нервных больных, в которых единственным методом лечения была постоянно журчащая вода протекающих ручейков.

В средние века высоту звука обозначали не частотной характеристикой, а октавой. Понятие „октава" существует столько же, сколько существует музыкальная грамота. Октава, как известно, состоит из 7 нот: до, ре, ми, фа, соль, ля, си. Самый низкий звук нашего диапазона, равный 16 герцам, представляет собой „до" субконтроктавы, самый высокий — „ре-ми" седьмой октавы. Диапазон нашего слуха охватывает около 16 октав.

Основными частотами, при помощи которых люди общаются друг с другом, используя речь, являются 500.4000 герц. Частотный спектр „голосов" многих представителей животного мира располагается в диапазоне слуха человека. Так, например, слоны „разговаривают" в зоне 95.380 герц, земноводные — 1000. 3000, цикады — 3000.8000, жуки — 5000.8000, саранча — 3000.15 000 герц.

В то же время диапазон звуков, воспринимаемых животными, намного шире диапазона человека. Опытом доказано, что кошки воспринимают звуки до 40 000 герц, а собаки даже выше этой частоты. Летучие мыши при полете пользуются своеобразными звуковыми радарами с частотой 50 000.90 000 герц для прощупывания объектов. Аналогичные устройства имеют дельфины.

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

Противошум. Характеристика звука — сила звука

Одиссей и сирены

Много пришлось претерпеть хитроумному Одиссею, царю Итаки, во время своих долгих скитаний по морям после Троянской войны. Однажды его со спутниками занесло к острову, где жили сирены — полуженщины-полуптицы. Своим сладкоголосым пением они завлекали проплывающих мимо моряков и предавали их лютой смерти. Весь остров был усеян костями растерзанных ими людей. Чтобы благополучно миновать остров, Одиссей залепил своим гребцам уши мягким воском, так, что они не слышали пагубного пения сирен, а себя приказал привязать к мачте. Только тогда вынули воск из ушей спутники Одиссея и отвязали его от мачты, когда скрылся вдали остров сирен. Так впервые в истории применили противошумы — средства, охраняющие орган слуха от пагубного воздействия шума.

О неблагоприятном воздействии шума на живые организмы было известно еще задолго до возникновения таких наук, как акустика и аудиология. Когда стерлядь входила в малые реки на нерест, церкви не звонили в колокола. Об этом сообщают старые русские журналы, рассказывая о жизни верхневолжских городов.

Давайте познакомимся еще с одной характеристикой звука — силой звука. Она измеряется в единицах, получивших название белл — в честь Александра Грехема Белла, изобретателя телефона. Однако на практике оказалось более удобным использовать десятые доли бела, то есть децибелы. Введение такой единицы при акустических измерениях дало возможность выразить интенсивность всех звуков области слухового восприятия в относительных единицах от 0 до 140 децибел. Для сравнения мы приведем цифры, где показаны уровни интенсивности звуковой активности, выраженные в децибелах:

Шепот, шелест листьев 20... 30 Тихая речь. Шум улицы ночью 30... 40

Разговорная речь. Обычное учреждение 40.60 Громкая речь. Кашель. Шум улицы днем 60. 70 Оркестр. Шум автомобиля 70. 80 Крик. Шум поезда, мотоцикла 80. 90 Водопад Ниагара. Шумный фабричный цех 90. 100 Шум авиационного мотора. Орудийный выстрел 100. 120 Шум реактивного двигателя 120. 140

Максимальным порогом силы звука для человека является интенсивность 120.130 децибел, звук такой силы вызывает боль в ушах.

В качестве курьеза хочется привести один из мировых рекордов из знаменитой „Книги рекордов Гиннесса". 125 децибел — такую силу голоса продемонстрировала на соревнованиях 14-летняя шотландская школьница, перекричав взлетающий самолет „Боинг".

У людей, долгие годы работающих в шумном цехе, постепенно, но необратимо происходит гибель клеток кортиева органа. Сначала человек перестает различать высокие звуки. Он еще не чувствует наступающей глухоты в разговорах с товарищами, но уже не слышит стрекотания кузнечика, песни цикад. Со временем под влиянием шума, слух становится все хуже и хуже, вплоть до полной его потери.

Гигиенисты в содружестве с инженерами внедряют различные приспособления, снижающие уровень шума в цехе: дополнительные чехлы на движущиеся механизмы, снижение „гулкости" цехов за счет уже известных нам способов уменьшения реверберации. Но так как эти меры не дают пока еще должного эффекта, то в целях профилактики профессиональных шумовых заболеваний предлагают различные модели противошумов. Конечно, они совершеннее тех, что были когда-то предложены многомудрым Одиссеем. Это прежде всего разнообразные заглушки для слуховых проходов, многочисленные разновидности защитных наушников. Кстати, наиболее распространенные модели наушников-противошумов вы можете увидеть у спортсменов на соревнованиях по стрельбе. Но все-таки большинство противошумных приспособлений недостаточно удобны, и многие рабочие всеми правдами и неправдами стараются ими не пользоваться. Вот почему задача, поставленная Одиссеем: защита органа слуха от нежелательных звуков, до сих пор не потеряла актуальности.