Зачем понадобился рупор

Упругие волны несут с собой энергию, которую отдает источник в окружающую среду.

Впервые это выяснил русский ученый Николай Алексеевич Умов. Как известно из великого закона природы, сформулированного Ломоносовым, энергия не исчезает и не появляется, а переходит из одного вида в другой.

При механических движениях она переходит из кинетической в потенциальную и наоборот. Полная энергия колеблющегося тела, которая складывается из кинетической и потенциальной, остается в процессе колебаний постоянной по величине. Это, конечно, только теоретически. На практике все движения сопровождаются трением, и часть энергии расходуется на его преодоление.

При движении ножки камертона в одну сторону происходит сжатие воздуха, вследствие чего давление его увеличивается. Частички воздуха при этом приобретают дополнительную скорость, их кинетическая энергия возрастает.

Кроме этого, при движении частичек одного слоя они уходят от частичек другого слоя, лежащего за ними, и между слоями сжатия образуется разреженное пространство. Потенциальная энергия частичек определяется при этом их взаимным положением относительно друг друга. По мере удаления одного слоя от другого она возрастает.

Таким образом, мы обнаруживаем новое качество при распространении процесса колебаний многих частичек, между которыми имеются силы взаимного действия. Это новое качество состоит в том, что их кинетическая и потенциальная энергия возрастает одновременно.

До каких же пор происходит этот процесс возрастания кинетической и потенциальной энергии частичек?

Энергия растет до тех пор, пока в слое, где происходит сжатие, частички не сблизятся на расстояние, при котором силы отталкивания между ними не окажутся равными силам притяжения к частичкам соседнего слоя.

Кинетическая и потенциальная энергия частичек при этом имеет наибольшее значение. После этого процесс начинается в обратном направлении.

Особенно важно то, что если в данном месте кинетическая и потенциальная энергия частичек одновременно убывает, то в этот же самый момент рядом, в близлежащем слое, по направлению распространения волны, кинетическая и потенциальная энергия частичек возрастает.

Энергия частичек, таким образом, передается по направлению распространения волны от слоя к слою.

Этот процесс перетекания энергии от источника в окружающую его среду периодически повторяется и длится в течение всего времени колебания тела.

Поток энергии и служит мерой интенсивности звука, или, как говорят, мерой «силы» звука.

При этом оказалось, что «сила» звука пропорциональна квадрату звукового давления, то есть квадрату величины избыточного над атмосферным давления, которое образуется вследствие сжатия слоя.

Виды рупоров

Величина потока энергии от голоса человека очень мала. Представим себе, что одновременно говорят очень много людей, ну, скажем, сто тысяч человек. Все равно потока энергии звуковых волн их голосов, если ее превратить в электрическую, еле‑еле хватило бы на то, чтобы зажечь лампочку карманного электрического фонаря.

От источника звук распространяется во все стороны, и величина потока энергии убывает с расстоянием, так как отдаваемая излучателем энергия в каждую секунду проходит через поверхность шара все увеличивающегося радиуса.

Но если поток энергии становится меньше, то уменьшается и «сила» звука. Поэтому звуки на больших расстояниях едва слышны.

Это обстоятельство заставило задуматься над тем, чтобы создать устройства, которые направляли бы поток звуковой энергии не во все стороны, а по возможности узким пучком.

Для этой цели можно использовать ладони наших рук.

Если, например, мы хотим кого‑либо окликнуть, то подносим ладони ко рту и кричим. В дальнейшем ладони заменили трубой, которую называют рупором.

Рупор создает направленную звуковую волну, и поток‑энергии становится более мощным.

Рупор, как описывают историки походов греческого полководца Александра Македонского, помогал ему командовать войсками во время сражений.

В наше время в радиовещании форма рупоров для громкоговорителей выбирается с таким расчетом, чтобы создавать звук необходимой силы по выбранному заранее направлению.

Точным расчетом при выборе формы занимается техническая акустика, и математическое описание рупора является не такой уж простой задачей.

Теперь попробуем уяснить, какие величины, характеризующие звук, определяют его восприятие, что мы, собственно говоря, слышим.

Понятие тона как характеристики звука ввел Галилео Галилей. Частота звуковых колебаний определяет тон звука. Если она мала – тон звука низкий. По мере увеличения частоты тон повышается.

Если бы звучащие тела создавали колебания только одной частоты, мы не смогли бы различать звучание различных музыкальных инструментов и голоса наших знакомых. Однако мы прекрасно отличаем их друг от друга даже в том случае, когда они издают один тон. Дело в том, что наряду с основным тоном звучащее тело всегда создает более высокие верхние тона, или, как их называют, обертоны. Разное количество обертонов, подобно световым оттенкам основного цвета, окрашивает звук. Звучание основного тона совместно с верхними тонами и создает тембр звука – его окраску. Это и позволяет нам различать музыкальные инструменты и узнавать голоса наших знакомых. Их тембры всегда различны.

Различие тембра обусловлено числом верхних тонов, которые сопровождают звучание основного тона. Чем больше верхних тонов в звуке, тем приятнее его тембр.

Голоса некоторых людей грубые, или, как говорят, имеют «металлический» оттенок, а у других «мягкие», «бархатистые». Чем определяется такая разница?

Она обусловлена числом высоких и низких тонов.

Если высокие тона преобладают над низкими, то говорят, что в голосе слышится «звучание металла».

Если высоких тонов мало, голос становится мягким и вкрадчивым. Кроме того, восприятие голоса зависит и от силы звука, от составляющих его тонов.

Другой характеристикой звука является громкость. Сложность этого понятия состоит в том, что громкость связана с психическим восприятием звука и чувствительностью уха. Ухо неодинаково чувствительно к звукам различных частот.

Колебания одной и той же частоты, распространяясь в воздухе, могут создавать различное избыточное давление. Если оно незначительно, то звук слабый, еле слышный. При значительном избыточном давлении звук громкий. Наше ухо, о котором мы в дальнейшем вам расскажем, – удивительный механизм. Оно способно воспринять даже такое малое изменение давления, как сотая часть миллионной доли грамма на квадратный сантиметр. Но это же ухо способно воспринять изменение давления в сто миллионов раз большее.

Самое незначительное изменение давления, которое воспринимает ухо, называют порогом слышимости. Большие изменения давления, которые еще воспринимаются ухом без боли, определяют порог болевого восприятия. Эти величины различны для слышимых частот колебаний. Так, например, давление на пороге слышимости для малых частот выше, чем для больших. Это значит, что восприятие еле слышимых звуков малых частот происходит при больших звуковых давлениях.

Опираясь на это, можно уточнить понятие тембра. Дело в том, что при звучании тела звуковое давление низкого тона всегда больше, чем давление высоких тонов, сопровождающих его. Тембр звука определяется не только числом высоких тонов, но и соотношением звуковых давлений между ними. Благодаря этому обстоятельству ухо отличает один тембр от другого, так как оно способно сразу разобраться во всей совокупности тонов сложного звука. Эта особенность уха называется его способностью анализировать звук.

Простые тона являются редкостью и в музыке не употребляются. Даже камертон не всегда дает простой тон. Кроме этого, следует сказать, что очень сильный звук простого тона вызывает ощущение сложного, так как создает верхние тона в самом ухе.

Ну, а теперь мы можем перейти к рассказу о том, как же устроен поистине замечательный механизм, называемый человеческим ухом.

Как устроено ухо

Слуховой орган – ухо – представляет собой сложное сооружение. То, что в быту называют «ухо» – всего лишь ушная раковина.

Если углубиться внутрь ушной раковины, то обнаружится слуховой проход, закрытый круглой перепонкой, которая называется барабанной. Она похожа на конус, вершина которого втянута внутрь среднего уха. Со стороны среднего уха к середине барабанной перепонки прикреплена косточка в форме молоточка, которая другим концом сочленена с другой косточкой – наковальней. Наковальня соединена с третьей косточкой – стременем; второй конец стремени упирается в перепонку, отделяющую среднее ухо от внутреннего.

Внутреннее ухо представляет собой сложный лабиринт, заполненный жидкостью. Называют его улиткой. Внутренняя сторона лабиринта устлана эластичной пленкой, в которой располагаются кончики слуховых нервов, сообщающихся с мозгом. Кончики слуховых нервов в одной части соприкасаются с маленькими остренькими волосками, которые расположены вдоль всего лабиринта.

Кроме этого, в лабиринте есть орган, который по внешности напоминает арфу. Струнами арфы являются волокна различной длины и толщины. Волокна натянуты, и их более трех тысяч. Пока давление воздуха с обеих сторон барабанной перепонки одинаково, барабанная перепонка находится в покое.

С появлением звуковых волн атмосферное давление со стороны наружного уха изменяется, и барабанная перепонка приходит в движение.

Строение слухового аппарата человека

Раз барабанная перепонка прогнулась внутрь, воздух внутри среднего уха сжался. Если сразу за этим вследствие разрежения давление воздуха в наружном ухе уменьшилось, то упругость воздуха прогибает барабанную перепонку в противоположную сторону. Периодическое изменение величины атмосферного давления приводит к периодическим движениям барабанной перепонки. Движение барабанной перепонки передается молоточку, который прикреплен к ней одним концом. Вслед за молоточком начинают двигаться и сочлененные с ним косточки: наковальня и стремя. Стремя упирается в перепонку, которая отделяет среднее ухо от внутреннего, и при своем движении заставляет ее совершать колебания. Благодаря этому и жидкости, заполняющей лабиринт, возникают упругие волны.

Слуховые косточки и костный лабиринт

Совместно с колебанием частичек приходят в движение легкие остренькие волоски, которые передают колебание корешкам нервоз, а оттуда раздражение попадает в мозг.

Если колебания происходят в интервале 16–16 тысяч герц, мы слышим различные звуки. Конечно, этот интервал принят как средний. Ведь не у всех людей одинаковые уши. Иногда область воспринимаемых частот может быть значительно больше за счет увеличения числа колебаний, которое воспринимается ухом.

Изменение величины атмосферного давления может оказаться довольно сложным, как, например, в случае звучания оркестра, когда имеется много различных источников звука. В этом случае сложные колебания воспринимаются как единое целое всеми струнами арфы. Но каждая из них приходит в колебание только тогда, когда среди всех звуков содержится соответствующая ей частота, которую струна арфы воспринимает, совершая вынужденное колебание.

Глухой музыкант

Трагедией жизни великого немецкого композитора Бетховена, автора замечательных симфоний, концертов, сонат и других музыкальных произведений, была постепенно усиливавшаяся глухота. В последние годы своей жизни гениальный музыкант оглох окончательно.

Но, несмотря на потерю слуха, Бетховен создавал свою потрясающую музыку, будучи даже совершенно глухим!

Почему же ему это удавалось? Как мог композитор творить, не слыша звуков оркестра, не имея возможности услышать свое произведение?

Дело в том, что глухой Бетховен все‑таки слышал звуки, создаваемые им. Когда композитор проигрывал музыку на рояле, он вел себя на первый взгляд очень странно: в зубах у великого музыканта находилась дирижерская палочка, и он крепко упирался ею в крышку рояля.

Так он слушал музыку. Не удивляйтесь, мы не оговорились – Бетховен именно слушал музыку, хотя и был совершенно глух.

Это необычайное восприятие звука называют костной проводимостью. Многие из вас знают, как резко усиливаются еле слышные звуки камертона, если прислонить его к темени или к зубам.

В этих случаях звук распространяется в костях черепа, а это приводит к изменению положения улитки среднего уха. Деформация стенок улитки возбуждает колебание жидкости, и появляется то, что в науке называют слуховым раздражением. Короче говоря, мы слышим звуки. Полная глухота наступает лишь тогда, когда болезнью поражено и внутреннее ухо. И не имея возможности слушать звуки со стороны, глухой Бетховен не потерял способности контролировать себя.

Между прочим, благодаря костной проводимости мы слышим собственный голос. Попробуйте записать свой голос на магнитофон, а потом прослушать запись. Вас удивят эти звуки. Вы их никогда не слышали, хотя это ваш же собственный голос.

Почему же его нельзя узнать?

Дело в том, что мы привыкли воспринимать свой голос благодаря костной проводимости; поэтому тембр его в записи будет другим, не похожим на тот, который мы ежедневно слышим. Наш собственный голос покажется нам чужим и незнакомым.

Так мы слышим себя.

Слушая различные звуки, мы можем точно определить, откуда они доносятся, с какой стороны распространяются. Как мы это делаем?

Слуховые раздражения каждого уха приходят в мозг одновременно только в том случае, когда источник звука находится на равном расстоянии от ушей. Во всех остальных случаях слуховое раздражение, посылаемое одним ухом, приходит в мозг раньше, чем от другого. Мы сразу реагируем на это, поворачивая голову в ту сторону, каким ухом мы раньше услышим звук. Таким образом, восприятие звука двумя ушами делает возможным определить положение источника, излучающего звук. Это называется бинауральным эффектом.