Нурбей Гулиа - Удивительная физика

«Окраска» голоса, своеобразие звука характеризуются тембром. «Чистый» тон графически изображается синусоидой, как и положено гармоническим колебаниям (рис. 112, а), а звук, например, трубы дает тоже периодический, но сложный по форме график (рис. 112, б). Как же получается такой звук?

При помощи специальных анализаторов звука было установлено, что всякий сложный музыкальный звук состоит из ряда простых, или чистых, тонов, частоты колебаний которых относятся как 1: 2: 3: 4 и т. д. Наиболее низкий звук называется основным, а все остальные, более высокие (вдвое, втрое, вчетверо и т. д.), тона называются высшими тонами, или обертонами. Так вот, сложение всех этих тонов дает сложный тон того или иного музыкального инструмента. Например, скрипка дает сложный тон, изображенный графиком а на рис. 113, основной тон – графиком б; видно, что частота та же, что и у сложного тона; на графиках в и г представлены два основных обертона скрипки. А сумма звуков по графикам б, в и г дает сложный тон по графику а. Шум отличается от музыкальных звуков тем, что он не имеет определенной частоты колебаний, а следовательно, и высоты тона.

Вот от чего, оказывается, зависит своеобразие, прелесть и красота звуков различных голосов и музыкальных инструментов.

Духовые инструменты (труба, саксофон, кларнет) издают достаточно громкие звуки, вызываемые колебанием столба воздуха в инструменте. Чем этот столб длиннее, тем звук ниже. Самый большой духовой инструмент – орган. Воздух для его звучания подается в трубы от специального насоса. Число труб в органе может достигать десятков тысяч, а мощь его звучания будет равносильной десяткам духовых оркестров.

Духовые инструменты для повышения громкости звучания снабжаются раструбом-рупором – этакой воронкой для усиления звука. У струнных инструментов роль рупора выполняет резонатор. Резонатор – это емкость или ящик с воздухом, наименьшая длина которого равна четверти длины звуковой волны, которую хотят усилить (рис. 114). Допустим, при частоте 330 Гц длина волны равна скорости звука в воздухе 330 м/с, деленной на частоту в герцах, или 1 м. Следовательно, минимальная длина ящика резонатора должна быть 0,25 м. В струнных инструментах (скрипках, гитарах, роялях) резонаторы сложной формы, так как усиливать они должны звуки различной частоты. Резонаторы имеются и у живых существ. Лягушки, например, раздувают пузыри – ушные или зобные – для усиления кваканья. У человека есть рот и гортань, выполняющие роль резонатора и рупора. Для пения каждого звука необходимо особое положение губ, языка и формы резонатора полости во рту. Резонанс сильных колебаний может даже разрушить резонатор.

Ветер или солдаты, шагающие в ногу, могут разрушить мост, если собственная его частота совпадает с возмущающей силой, что вызывает резонанс. Такие случаи бывали. Например, в 1940 г. обрушился мост Тэйкома в США от автоколебаний, вызванных ветром. Проходя по мостам, солдаты получают приказ идти не в ногу, чтобы не вызвать его резонанс.

Говорят, Шаляпин мог запеть так, что лопались плафоны в люстрах. Это не легенда. Допустим, мы знаем частоту собственных колебаний стеклянного сосуда, например стакана. Это можно установить по высоте тона звона этого стакана после легкого щелчка по нему. И если мы громко запоем эту ноту близ стакана, то, как Шаляпин, сможем расколоть стакан своим пением. Только петь надо так же громко, как Шаляпин.

Есть еще интересный опыт по резонансу в музыкальных инструментах, например в фортепиано. Откройте фортепиано, нажмите на правую педаль, освободив струны, и пропойте какую-нибудь ноту в его полость. Когда вы закончите петь, вы услышите, что фортепиано «подпевает» вам своими струнами.

Или если связать толстой металлической проволокой два фортепиано в разных комнатах и играть на одном из них, то второе (с нажатой педалью!) будет играть ту же мелодию само собой, без пианиста.

Вот как возникают звуки – музыкальные и не очень. Но звук не вечен – возник и пропал. Можно ли его сохранить «впрок», записать? И как это сделать? Сейчас существует множество звукозаписывающих устройств и аппаратов, в основном электронных. Но впервые звук был записан механическим способом.

Возможность записывать звуки и затем воспроизводить их была открыта еще в 1877 г. великим американским изобретателем Т. А. Эдисоном (1847—1931). Звукозапись быстро вошла в нашу жизнь. Благодаря возможности записывать и воспроизводить звуки появилось звуковое кино. Запись музыкальных произведений, докладов, рассказов и даже целых пьес на граммофонные или патефонные пластинки стала массовой формой звукозаписи.

1 – тонкая упругая пластинка; 2 – рупор; 3 – вращающийся диск; 4 – резец

На рис. 115 дана упрощенная схема механического звукозаписывающего устройства. Звуковые волны от источника (певца, оркестра и т. д.) попадают в рупор 2, в котором закреплена тонкая упругая пластинка 1, называемая мембраной. Под действием этих волн мембрана колеблется. Колебания мембраны передаются связанному с ней резцу 4, острие которого чертит при этом на вращающемся диске 3 звуковую бороздку. Звуковая бороздка закручивается по спирали от края диска к его центру. На рисунке внизу показан вид звуковых бороздок на пластинке (через лупу бороздки видны совершенно отчетливо).

Диск, на котором производится звукозапись, изготовляется из специального мягкого материала; обычно это восковой сплав, состоящий из ряда минеральных, растительных и животных восков, а также других органических веществ. С этого воскового диска снимают гальванопластическим способом медную копию (клише), с которой затем делают оттиски на дисках, изготовленных из особых материалов. Так получаются граммофонные пластинки.

При воспроизведении звука граммофонную пластинку ставят под иглу, связанную с мембраной граммофона, и приводят ее во вращение. Двигаясь по волнистой бороздке пластинки, конец иглы колеблется, вместе с ним и мембрана, причем эти колебания довольно точно воспроизводят записанный звук.

Магнитная запись звука сменила механическую, и казалось, к ней нет возврата. Но этот возврат состоялся, правда, уже на новом уровне. Вместо иглы звуки на диске записывает луч лазера. Диск получается намного компактнее, прочнее, качество записи выше.

Действительно, новое – это хорошо забытое старое; техника, как и многое другое, развивается «по спирали». Старое повторяется, но уже на новом уровне!

Звуковые курьезы

Теперь, когда мы знаем, как извлекаются и записываются звуки, поговорим, в каких помещениях это лучше всего делать. Ведь концертные залы и театры бывают как с хорошей, так и с плохой акустикой. В одних помещениях игра музыкальных инструментов и голоса певцов слышны и различимы даже на большом расстоянии, а в других и вблизи сливаются. Вот что писал об акустике помещений знаменитый американский физик Р. Вуд (тот самый, который построил инфразвуковую трубу):

«Любой звук, произведенный в здании, довольно долго раздается по окончании звучания источника; вследствие многократных отражений он несколько раз обходит кругом здания, а тем временем раздаются другие звуки, и слушатель часто не в состоянии уловить их в надлежащем порядке и в них разобраться. Так, например, если звук длится 3 секунды, и оратор говорит со скоростью 3 слога в секунду, то звуковые волны, соответствующие 9 слогам, будут двигаться по комнате все вместе и создадут полную неразбериху и шум, из-за которого слушатель не сможет понимать оратора.

Оказавшемуся в таких условиях оратору остается говорить очень разборчиво и не слишком громко. Но обычно ораторы как раз наоборот стараются говорить громко и этим только усиливают шум».

Помещения с гладкими стенками, полом и потолком обладают свойством очень хорошо отражать звуковые волны. В таком помещении благодаря набеганию предшествующих звуковых волн на последующие получается перемешивание звуков, образуется гул: звук в помещении не сразу исчезает вместе с прекращением действия его источника.

Акустика помещения характеризуется так называемым временем реверберации – временем угасания звука до неслышимого предела. Реверберация зависит, с одной стороны, от объема помещения, а с другой – от его формы и материала стен, потолка и пола.

Помещения с мягкой обивкой стен, коврами, драпировками, мягкой мебелью, а также наполненные людьми слабее отражают звуковые волны; в значительной степени звуки поглощаются мягкой средой, а потому и реверберация их гораздо меньше.

Но слишком уменьшать реверберацию тоже не стоит, так как звуки тогда быстро гаснут и не имеют достаточной громкости и яркости. Певцы и музыканты знают, как трудно петь и играть в небольших комнатах, переполненных мягкой мебелью, драпировками, коврами.