Удивительный мир звука - Клюкин Игорь Иванович
-- И для частот линейная шкала тоже протянется
так далеко?
-- Нет, тут она будет заметно короче. Если ограничиться диапазоном слышимых частот и откладывать по шкале каждый герц через миллиметр, то длина линейной частотной шкалы уж никак не превысит двадцати метров.
-- Тоже многовато, -- усмехнулся главный инженер.-- Да, акустика -серьезная вещь, -- продолжал он задумчиво.
Я ожидал, что он закончит свое резюме словами вроде -- "Надо будет это учесть в дальнейшем". Но он вдруг повернулся к своим сотрудникам и сказал твердо:
-- Вы это учтите!
Один из них, не растерявшись, заметил как-то между прочим:
-- Мы это давно учли...
-- Вас понял. И для начала сам учту это, полагаю, в желаемом вами смысле. Думаю, что против увеличения каждому квартальной премии на тридцать рублей -- по рублю за децибел возражать никто не будет? Уж рубли-то в логарифмическом масштабе, как звуковую энергию, извините, не могу исчислять. А вот для выражения благодарности гостю за интересную беседу логарифмический масштаб подойдет. Выйдя после беседы на улицу, автор подумал о том, что неплохо было бы точно рассчитать длину линейной шкалы слышимого диапазона сил звуков. Почему-то никто не удосуживался сделать это. Конечно, здесь все сильно зависит от того, какой масштаб принять за основу. Один децибел, т. е. едва уловимая на слух величина громкости, соответствует приросту звуковой энергии примерно на 25% ее исходной величины. Логично за единицу линейной шкалы принять разность энергий (точнее, интенсивностей ее, т. е. потоков энергии в единицу времени на единицу площади), соответствующую одному децибелу на пороге слышимости. Эта разность будет равна
1,25J0 -- J0.
где J0--пороговая интенсивность звука.
На другом, "верхнем" пороге -- пороге болевого ощущения -- при стандартной частоте 1000 герц интенсивность звука примерно в 1014 раз больше, чем на пороге слышимости. Таким образом, диапазон воспринимаемых человеком интенсивностей звука равен 1014 J0-J0.
Число делений линейной шкалы интенсивностей звука п будет, следовательно, равно
n=(1014J0-J0)/(1,25J0-J0)=4 1014.
Если деления линейной шкалы взять равными 1 миллиметру, то протяженность (в километрах) линейной шкалы воспринимаемых ухом интенсивностей звука составит n/106 = 400 миллионов километров, то есть заметно больше, чем расстояние от Земли до Солнца.
Поразительный все-таки инструмент человеческое ухо, оно стоит того, чтобы продолжить о нем разговор.
ОСТРОВОК СЛЫШИМОСТИ В ОКЕАНЕ
НЕВОСПРИНИМАЕМЫХ ЗВУКОВ
Итак, уже изображение в линейном масштабе диапазона воспринимаемых человеком звуковых энергий потребовало космической шкалы. В действительности же область могущих существовать звуков еще больше. Взгляни, читатель, на этот график -- карту "акустического океана". На ней, как и положено на морской карте, нанесена сетка широт и долгот. Акустические широты -- это уровни звукового давления, долготы -- частоты звуковых колебаний.
Вот он, островок слышимости, именуемый по-научному "область слухового восприятия человека". Для животных он может быть расположен в другом месте, чаще всего правее ("восточнее") островка человека.
Обследуем берега, границы острова, определим, далеко ли от них могут располагаться какие-нибудь массивы, похожие на географические материки. Нижняя, южная граница "острова слышимости". Уже упоминалось, что человек назвал ее "порогом слухового восприятия". Как видим, эта граница довольно сильно искривлена. Ниже всего она опускается в области частот 1--5 килогерц, это и есть частотная область максимальной чувствительности слуха. Хотя у некоторых животных она может располагаться еще ниже, но, в общем, и человека природа одарила достаточно щедро. Тишайший шепот влюбленных, легкий вздох человека, шорох ползущего по стенке жучка -- вот звуки, близкие по интенсивности и приближающиеся к этой границе.
Остров слышимости в океане звуков.
Для любителей количественных данных укажем, что амплитуда звуковых колебаний в воздухе на пороге слухового восприятия лишь немногим больше атома водорода, а мощность звука, поглощаемая ухом, не превышает микрокосмической цифры 10-30 ватт. Эта микрокосмика хорошо согласуется с теми по-настоящему космическими цифрами, которые упоминались в предыдущей главе.
От границы слышимости ведется отсчет звуковых уровней вверх в децибелах.
Но вот мы сдвинулись влево или вправо по нижней береговой линии от средней части острова. Эта линия пошла вверх и, значит, требуются большие звуковые давления, чтобы звуки были восприняты человеком. Неодинаковость слухового восприятия по частоте потребовала введения еще одной единицы-фона. На частоте 1 килогерц значения децибелов и фонов приняты одинаковыми, а на других частотах они могут сильно отличаться друг от друга.
Прежде чем покинуть "южный берег" острова, вернемся еще раз на его среднюю, наиболее выдвинутую в море часть. Через специальные приборы можно различить, как вдалеке клубится что-то трудно уловимое. Это -- область тепловых шумов среды. Слава природе, что граница нашего острова слышимости достаточно далека от этого материка хаоса, иначе у нас в ушах стоял бы постоянный шум и гул, как у больного тяжелой формой гипертонии.
Теперь направим свои стопы к "северному берегу" острова. Для этого нам понадобится сделать 130-- 140 шагов-фонов. И вот мы подошли к другой границе невосприимчивости звука, именуемой порогом болевого ощущения или порогом осязания. Само название указывает причину невосприимчивости на этом участке. Еще в древнекитайской философии Дао-дэ говорилось: "сильные звуки не слышны". Здесь, выше 130--140 фонов, бушуют акустические бури. Звуки настолько сильны, что слуховой аппарат осязает их как боль и через некоторое время попросту разрушается.
Да что хрупкое человеческое ухо? При этих звуковых уровнях даже у металла возникает "акустическая усталость". Листы обшивки самолетов в районе выхлопа мощного ракетного двигателя могут разрушиться, если не принять специальных мер предосторожности.
Мореплавателям известны "ревущие сороковые" широты. Здесь, в акустике, -- это ревущие сто сороковые. Но как далеко простирается этот все более неистовствующий акустический океан? Еще каких-нибудь 60--70 децибел, и амплитуда звукового давления достигнет статического, атмосферного давления. Прекратится ли рост интенсивности звука? Отнюдь. Один из полупериодов звуковой волны (полупериод разрежения) будет урезаться, но другой -полупериод сжатия -- может быть сколь-угодно большим. Такие сверхмощные нелинейные звуки создаются, например, с помощью сильнейших сирен или в системах звуковых концентраторов. Можно сказать, что границы звукового океана здесь бесконечны...
Левая, "восточная" оконечность острова слышимости. Здесь удивительным образом сходятся пороги слышимости и болевого ощущения. Проникнуть на эту оконечность исследователям оказалось не так-то просто. Дальше начинается пока еще таинственное царство инфразвука, о котором мы поговорим впоследствии.
А здесь сколько долгот (то бишь частот звуковых колебаний) до границ океана? Область слышимости начинается с частот 16--20 герц. До нуля герц, до статики, как будто недалеко. Однако здесь проявляется интересное различие географической и акустической карт. Географические долготы откладываются только в линейном масштабе, акустические же долготы, как и широты, -- в логарифмическом (о причинах этого мы говорили в предыдущей главе). Но нуль логарифмической шкалы лежит в минус бесконечности, и в этом смысле акустический океан в царстве инфразвука также беспределен.
Может быть, более ясно положение на правой оконечности острова, в царстве уже не инфра-, а ультразвука, то есть на частотах более 16--20 килогерц? Здесь человеком достигнуты частоты колебаний не только мега-, но и гигагерц; неизвестно, на каких частотах инерция молекул или иные факторы положат предел возбуждению звуковых колебаний.
Постоянна ли площадь острова слышимости? Увы, для каждого человека этот остров, как шагреневая кожа, имеет тенденцию "съеживаться" к пожилым годам. Уменьшается он больше всего со стороны высоких частот, -- океан неслышимости затапливает его правую часть.
