Сергей Рязанцев - В мире запахов и звуков
Вспомним школьные уроки физики, опыты по наблюдению «бегущей волны». Учитель брал длинный и гибкий шнур, один конец которого был фиксирован неподвижно, а другой прикреплялся к какому-либо источнику механических колебаний. На шнуре возникали волны, причем их расположение зависело от частоты колебаний шнура. Прямые наблюдения с регистрацией колебаний основной мембраны показали, что звуки определенной частоты также вызывают на ней «бегущую волну». Гребню этой волны соответствует большее смещение основной мембраны на одном из ее участков, локализация которого зависит от частоты звуковых колебаний. По мере повышения звука прогиб основной мембраны смещается. Наиболее низкие звуки приводят к прогибанию мембраны у верхушки улитки, а высокие — у основания. Как видим, выводы о первичном анализе звуков на уровне улитки и характер распределения этих звуков на основной мембране совпадают и в резонансной теории Гельмгольца, и в гидродинамической теории Бекеши, хотя причина этого трактуется с совершенно различных позиций законов гидродинамики. Основная мембрана смещается на гребне «бегущей волны» и, колеблясь, вызывает деформацию сдвига в волосковых клетках кортиева органа над этим участком мембраны. Каким образом происходит трансформация механической энергии звуковых колебаний в нервное возбуждение, — на этот вопрос пытались и пытаются дать ответ многие исследователи.
В конце 40-х годов нашего века американский исследователь Халавел Дэвис, вживляя микроэлектроды в улитку кошки, регистрировал электрические потенциалы, возникающие в улитке. На основании своих наблюдений он создал собственную электрофизическую 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, поэтому волоски сгибаются и при этом возникает электрический заряд. Таким образом, под влиянием деформации волосков рецепторных клеток синхронно со звуковыми колебаниями освобождается электрическая энергия, возникают биотоки. Эти биотоки являются раздражителями тончайших окончаний веточек слухового нерва, оплетающих волосковые клетки. По этому нерву и другим нервно-рефлекторным проводящим путям 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 результате колебаний звукообразующего тела в воздушной среде, 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 тона можно произвести с помощью камертона или звукового генератора и использовать их для научных целей. Окружающие нас звуки — сложные. Помимо основного тона имеется масса добавочных тонов или обертонов. Звуки, состоящие из смеси тонов разных частот, в которых невозможно выделить основной тон, называются шумами.
Мы живем в мире шумов, шумы и шорохи являются доминирующими 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 Лагенбек писал: «Человек с детства должен тренироваться слышать определенные звуки, несмотря на шум».
Распространению звуковой волны мешает целый ряд препятствий, встречающихся 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 низкие.
Волна может отражаться от большой поверхности, возникающей на ее пути. При этом возникает явление, называемое эхом. Каждый из нас встречался с эхом в лесу, горах, где отражающими поверхностями являются деревья, скалы.
Поэтичную легенду про эхо создали древние греки. В лесах Эллады, на берегах светлых ручьев, жила прекрасная нимфа по имени Эхо. Над ней тяготело наказание Геры, жены всесильного Зевса: молчать должна была нимфа Эхо, а отвечать могла лишь тем, что повторяла 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 смотрит 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 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 несчастная Эхо…
Эхо может наблюдаться в закрытых помещениях, в которых звук будет отражаться от стен, потолка, мебели. Такое многократное отражение звука в закрытых помещениях от различных предметов носит название реверберация. 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 собор в Полоцке, Домский собор в Риге) открыты концертные залы с великолепными акустическими свойствами.
Некоторые тайны древних зодчих удается раскрыть. Когда будете в старинных церквях 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 же цели создаются специальные формы помещений с «направленным звуком» — концертные залы, эстрадные «раковины». Типичный пример такого сооружения — знаменитая эстрада «Певческого поля» в Таллине, вмещающая одновременно несколько тысяч певцов.
Реверберацию можно ослабить путем изоляции отражающих поверхностей пористыми или губчатыми материалами, занавесями, коврами.
А можно ли увидеть звук? Что вы, скажет читатель, звук можно только услышать. Оказывается, иногда увидеть звук все-таки возможно. В Великобритании один человек, стоявший на холме, вдруг увидел длинную узкую тень, мчавшуюся к нему через долину. Когда она добежала до него, человек ощутил сильный толчок и услышал звук громкого взрыва. Как оказалось, в нескольких милях от него взорвался пороховой склад, и взрывная волна сжала воздух до такой плотности, что он отбрасывал тень.
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 с.
Диапазон воспринимаемых человеческим ухом частот находится в пределах от 15–16 до 20000–22000 Гц. Звуки с частотой выше 20000–22000 Гц 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 Гц, хуже — крайние части диапазона: ниже 50 и выше 10 000 Гц.
Человек различает звуки с разницей буквально 1–2 герца, причем у разных людей эти способности могут отличаться. Люди с так называемым «музыкальным слухом» легко ориентируются в звуках различной частоты, они могут «на слух» определять звучание нот. Другим, что называется «медведь на ухо наступил», и они едва-едва могут воспроизвести простейшие эстрадные мелодии. Среди музыкантов особенно ценятся люди с «абсолютным слухом», способные безошибочно назвать любую ноту.
