Текст книги "Звук и слух"

Автор книги: Б. Суслов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 4 страниц)

2. Музыка

Звуки музыки вызывают в нас самые различные переживания: чувство радости, бодрости, подъёма сил или же, наоборот, задумчивость и грусть.

Музыка – одно из старейших искусств. Со времён глубокой древности человеку было знакомо наслаждение, вызываемое определёнными музыкальными созвучиями. Музыка с такой необъяснимой силой действовала на человека, что наши далёкие предки считали её даром богов.

Есть прекрасное древнегреческое сказание о певце Орфее. Звуками лиры и своими песнями он усмирял диких зверей, удерживал потоки вод и заставлял следовать за собой скалы и леса.

Историки предполагают, что первые музыкальные произведения были простыми чередованиями нескольких звуков или подражанием крику животных и пению птиц. Музыкальные инструменты возникли из тех хозяйственных предметов, которыми люди пользовались в древности. Человек замечал, что тетива охотничьего лука звенит при пуске стрелы, что обычный охотничий рог может передать несложную мелодию, что при ударе металла о металл часто получаются приятные звуки. Музыкально одарённые люди не проходили мимо этих наблюдений, и певучая тетива выросла в арфу, лиру, скрипку, а охотничий рог – в различные духовые инструменты. Возникли и ударные инструменты: кастаньеты, бубны, барабаны – в них музыкальные звуки вызываются простыми ударами. Взгляните на рис. 8; трудно догадаться, что эта одинокая струна и лук должны изображать скрипку. Много было положено труда и накоплено опыта, прежде чем такая скрипка превратилась в совершеннейший музыкальный инструмент. Размеры и форма скрипки и материал для корпуса и струн подбирались столетиями. У современной скрипки четыре струны. Они изготовляются из кишок овцы; четвёртая басовая струна обвивается проволокой, а первая теперь заменяется стальной струной, дающей более яркий звук. Верхняя часть корпуса скрипки – дека – делается из ели, а нижняя часть и боковые планки – из белого клёна. Без корпуса струны издавали бы очень слабые звуки. Корпус усиливает звуки струн, в точности повторяет их колебания.

Рис. 8. Африканская скрипка

Интересно отметить, что чем больше играют на скрипке, тем более красивые звуки она начинает издавать. Поэтому старые скрипки ценятся очень дорого.

Современная арфа также прошла долгий путь – от неприхотливой негритянской арфы с одной струной – к современному изящному инструменту с несколькими десятками струн.

Предшественники пианино и рояля также были менее совершенными; они имели всего около 20 клавишей и могли издавать звуки лишь одной силы. Только около 200 лет назад появились инструменты, способные издавать звуки разной громкости и имеющие до 90 клавишей.

Несмотря на то, что ухо человека слышит звуки в очень широкой области частот (от 16 до 20 000 колебаний в секунду), музыка не использует всех этих звуков. У рояля, например, самый низкий звук соответствует 27 колебаниям струны в секунду, а самый высокий – примерно 4000.

Звуки человеческого голоса ограничиваются ещё более узкой областью частот. У разных певцов, например, границы частот такие:

У баса … от 80 до 320

У баритона … от 96 до 387

У тенора … от 122 до 488

У контральто (2-й голос) … от 145 до 580

У сопрано (1-й голос) … от 259 до 1034

Для музыкальных звуков имеется особая азбука – ноты. Каждый звук может быть записан по этой азбуке, причём отмечается не только его высота, но и громкость и продолжительность. В этом отношении музыкант, играющий по нотам, получает от музыкального письма указаний больше, чем чтец от страницы книги.

Все музыкальные звуки делятся на 8 участков – октав. Каждая октава, в свою очередь, делится на 7 основных тонов: до, ре, ми, фа, соль, ля, си. Любая нота одной октавы отличается по частоте от такой же ноты соседней октавы в два раза. Если, например, нота ми одной октавы имеет частоту 160, то частота ми предыдущей октавы – 80, а ми последующей октавы – 320. Замечательно, что у всех народов, даже у тех, которые развивались изолированно от других, существует деление музыкальных звуков на октавы. Это объясняется той исключительной тонкостью, с какой ухо человека воспринимает звуки.

Для настройки музыкальных инструментов применяется обычно звук ля с числом колебаний 435. В нотной записи он обозначается так:

3. Привычные звуки

Вокруг нас ежесекундно рождаются самые различные звуки.

В жизни природы очень редко бывает полная тишина. Пойдёте ли вы на пустынный берег реки, в поле или лес – вы всегда, прислушавшись, уловите слабые звуки: на берегу реки – чуть слышный плеск, в поле – лёгкий шорох колосьев, в лесу – треск сухой ветки, шелест листьев. Только иногда в знойный полдень царствует в лесу безмолвие. Все животные, истомлённые жарой, прячутся в густую чащу, и не слышно тогда ни пения птиц, ни звона насекомых, и ни одна былинка, ни один сучок не хрустнет в лесу. Но даже и в эти редкие часы вдруг повеет ветерок, зашуршит трава и зашумят листья на деревьях, будто их кто считает, перекладывая с места на место, как листы бумаги.

Но природа изменчива, и покой её не долог. Пройдёт час, и от тишины не останется и следа. Вот появляется откуда-то взявшаяся тёмная туча, закрывая собой солнце. Налетает вихрь, и воздух наполняется сотнями звуков. Блеснёт молния, и от глухих раскатов грома содрогнётся небо. Первые капли дождя, как маленькие молоточки, отрывисто застучат по гладким листьям. Сначала эти удары капель можно считать, но через какую-нибудь минуту они превращаются в сплошной шум водопада.

Но вот прошла туча, стих ветер, и звуки бури снова уступают место тишине. Только молчавшие до грозы ручьи зажурчат, запенятся и весело понесут свою мутную воду между камней. Так за короткое время в природе возникают и снова исчезают самые различные звуки.

Попробуем объяснить некоторые из звуков, рождённых природой.

Почему шумит от ветра лес?

Ветер шевелит листья деревьев; они трутся и ударяются друг о друга. При этом возникают колебания, которые и передаются по воздуху в виде звуковой волны. Шумит лес в разное время по-разному. Весной, когда листья нежные, их шелест низкий и мягкий; с приближением осени листья делаются жёсткими, и шелест их становится более грубым и высоким по тону. Как струны разной длины и толщины звучат по-разному, так и различные породы деревьев дают неодинаковый шум. Так, тополь, у которого листья сидят на длинных черенках, сильнее других деревьев шелестит при ветре. Хвойный лес со своими тонкими иглами всегда рождает шум более высокого тона, чем лиственный.

Перескакивая с камня на камень, бежит ручей. А где и как появляется его журчащий звук? Быстро текущая вода образует около камней водовороты и воронки. В этих водоворотах она как бы заглатывает в себя воздух. Вырваться из воды воздух может только при более спокойном течении. И журчание возникает уже за камнем – там, где из воды выходят пузырьки воздуха. Эти пузырьки, вызывая колебания, создают своеобразный звук бегущего ручья.

Часто мы слышим, как в проводах «воет» ветер. Воет ветер и в обнажённом лесу. Чем вызван этот вой?

Когда ветер слаб, то поток воздуха, встречая на своём пути провод, спокойно его огибает и беззвучно следует дальше. Но если скорость ветра значительна, то у провода возникают воздушные вихри. Порывистые воздушные течения обходят препятствия то с одной, то с другой стороны, тем самым раскачивают его. Провод начинает колебаться и звучать. Тому, кто катался на лодке, подобные колебания хорошо знакомы. При движении лодки опущенное в воду весло дрожит.

Многие из вас, вероятно, наблюдали также, как беспрерывно качаются при быстром течении воткнутые в дно реки тонкие колышки или вехи. Так же при ветре дрожат сучья обнажённого леса. Дрожания эти могут происходить с такой частотой, что возникает слышимый звук.

Часто говорят: «чайник уже шумит, скоро закипит». Каждый знает, что прежде чем закипеть, чайник должен шуметь. Как объяснить это явление? А вот как. Самое горячее место у чайника – его дно, и в первую очередь нагреваются нижние слои воды. В нагретой воде образуются пузырьки пара, которые благодаря своей высокой температуре выдерживают давление воды. Но нагретая вода легче холодной. Она, а вместе с ней и пузырьки поднимаются вверх и, смешиваясь с холодными слоями воды, отдают часть своего тепла. Температура пара в пузырьках падает, а значит, падает и давление внутри их. Теперь они уже не могут противостоять давлению воды и как бы раздавливаются ею. Частички воды со всех сторон устремляются внутрь пузырьков и, сталкиваясь, производят звук удара. Огромное количество таких ударов и создаёт «пение» чайника.

Подобное же явление наблюдается при работе винта парохода или моторной лодки, хотя они издают иной звук. От быстрого вращения лопастей в воде образуются пустоты, в которые со всех сторон летят частицы окружающей воды. Следующие друг за другом удары сливаются в сплошной гул. Кстати сказать, такие удары воды бывают настолько сильны, что иногда приводят к разрушению самого винта.

Рассмотрим ещё один пример – шипение воды, попавшей на раскалённую поверхность, например на горячую плиту. В этом случае нижний слой воды моментально вскипает, превращаясь в пар. Каждая капля воды, переходя в пар, увеличивается в объёме приблизительно в полторы тысячи раз. Этот пар разбрызгивает остальную воду, и мелкие капли её, падая на горячую плиту, вскипают с тем же увеличением своего объёма. Быстрое превращение капель воды в пар вызывает толчки в окружающем воздухе, что и порождает характерный звук шипения.

III. Как слышит ухо

1. Устройство уха

Познакомившись с физической природой звука, посмотрим теперь, каким путём он воспринимается.

Для улавливания звука у человека и животных есть специальный орган – ухо. Это – необычайно тонкий аппарат. Мы не знаем другого такого механизма, который отзывался бы с такой поразительной точностью на ничтожно малые изменения давления в воздухе. Ухо преобразует колебательное движение звуковой волны в определённое ощущение, которое и воспринимается нашим сознанием как звук.

С давних пор человека интересует устройство и работа этого удивительного органа. Однако и по настоящее время далеко ещё не всё в этой области выяснено. Строение человеческого уха показано на рисунке 9. Орган слуха делится на три части: наружное, среднее и внутреннее ухо (см. рис. 9).

Рис. 9. Схема устройства человеческого уха

Наружное ухо, или ушная раковина, у разных животных бывает самой различной формы и величины. У большинства из них ушная раковина подвижна. У человека это свойство почти полностью потеряно. Встречаются, правда, люди, способные двигать ушами, но это – редкое исключение, напоминающее об общности всего живого на земле.

От ушной раковины идёт слуховой проход, заканчивающийся барабанной перепонкой. Она служит границей между наружным и средним ухом. Перепонка имеет овальную форму и немного вытянута внутрь. Площадь её – около 0,65 квадратного сантиметра.

Для свободного колебания барабанной перепонки необходимо, чтобы давление воздуха с обеих сторон её было одинаковым. Тогда при малейших изменениях давления наружного воздуха перепонка, не встречая противодействия с другой стороны, легко приходит в колебательное движение.

Вероятно, каждый замечал, что после сильного сморкания мы некоторое время перестаём слышать слабые звуки. Это происходит потому, что в среднее ухо через так называемую евстахиеву трубу попадает из носоглотки воздух (Бартоломео Евстахий – итальянский врач, живший в XIV веке – первый дал описание этой трубы). Конец трубы при этом часто закупоривается слизью, и тогда воздух изнутри давит на барабанную перепонку, и она теряет прежнюю свободу колебаний. Но достаточно, однако, проглотить слюну, чтобы евстахиева труба открылась, излишек воздуха вышел (в ухе при этом ощущается лёгкий треск) и давление с обеих сторон перепонки выравнялось. Нормальный слух вновь восстанавливается. Если почему-либо внезапно изменяется давление окружающего воздуха, то мы слышим в ушах шум, который прекращается опять-таки при глотании слюны.

В среднем ухе находится ряд особых косточек: молоточек, наковальня и стремя. Свои названия эти косточки получили благодаря внешнему сходству с соответствующими предметами. Они очень малы по размерам и все вместе весят около 0,05 грамма. Расположены эти косточки так, что образуют рычаг, который одновременно передаёт колебания барабанной перепонки во внутреннее ухо и преобразует эти колебания в колебания с меньшим размахом, но большим давлением. Молоточек, наковальня и стремя передают всю энергию колебания барабанной перепонки на очень маленькое овальное окно внутреннего уха; таким образом внутреннее ухо получает давление раз в 50–60 больше того, которое испытывает барабанная перепонка.

Устройство внутреннего уха весьма сложно. Основное назначение этого уха – воспринимать только те колебания, которые посылает барабанная перепонка. Никакие другие сотрясения на него не должны действовать. Поэтому оно окружено очень крепкими костями. Во внутреннем ухе есть три полукружных канала (см. рис. 9), не имеющих никакого отношения к слуху. Это – органы равновесия. Головокружение, которое мы испытываем, если станем быстро вертеться, происходит из-за движения жидкости, наполняющей эти каналы. Орган же слухового восприятия заключён в особую оболочку. Взгляните на правую часть рисунка. Что она вам напоминает? Каждый тотчас же ответит, что она похожа на улитку. Улиткой она и называется. Улитка имеет приблизительно 2 ^3/₄ оборота. Вдоль всей длины она разделена перегородкой и наполнена особой студенистой жидкостью. Внутри улитки находится перепонка – основная мембрана. На ней расположены разветвления слухового нерва – 23,5 тысячи мельчайших проводников слухового раздражения, идущих затем по нервному стволу к коре головного мозга.

Процессы, происходящие во внутреннем ухе, очень сложны, и некоторые из них до сих пор точно не изучены.

2. Арифметика звуков

Звуковые волны, проникая в слуховой канал, приводят в колебание барабанную перепонку. Через цепь косточек среднего уха колебательное движение перепонки передаётся жидкости улитки. Волнообразное движение этой жидкости, в свою очередь, передаётся основной мембране. Движение последней влечёт за собой раздражение окончаний слухового нерва. Таков главный путь звука от его источника до нашего сознания.

Однако этот путь не единственный. Звуковые колебания могут передаваться и прямо во внутреннее ухо, минуя наружное и среднее. Каким же путём? Костями самого черепа! Они являются хорошими проводниками звука. Если камертон поднести к темени или к лежащему сзади уха сосцевидному отростку, или к зубам, то можно отчётливо слышать звук, хотя по воздуху слышимых колебаний не доносится. Это происходит потому, что кости черепа, получив колебания от камертона, передают их прямо внутреннему уху, в котором возникают те же самые процессы раздражения слуховых нервов, как и от колебаний, переданных барабанной перепонкой. Вот почему иногда «слушают» работу отдельных частей машины, взяв один конец палки в зубы (см. страницу 14).

Любопытно заметить также, что иногда люди, у которых оперативно удалены барабанная перепонка и косточки среднего уха, способны слышать – хотя и со значительным ослаблением. И в этом случае, по-видимому, колебания звуковой волны передаются непосредственно внутреннему уху.

Если колебания барабанной перепонки медленные – число их меньше шестнадцати в одну секунду, – то основная мембрана колебаний не получит. Поэтому-то мы не слышим звука, когда тело колеблется с частотой меньше шестнадцати.

Колебания с частотой больше двадцати тысяч, как мы уже говорили, также не воспринимаются нашим слуховым аппаратом как звук.

Но не все люди, даже с нормальным слухом, одинаково чувствительны к звукам различной частоты. Так, дети обычно без напряжения воспринимают звуки с частотой до 22 тысяч. У большинства взрослых чувствительность уха к высоким звукам уже понижена до 16–18 тысяч колебаний в секунду. Чувствительность же уха у стариков ограничена звуками с частотой в 10–12 тысяч. Они часто совершенно не слышат комариного пения, стрекотания кузнечика, сверчка и даже чириканья воробья.

Многие животные особенно восприимчивы к высоким звукам. Собака, например, улавливает колебания с частотой до 38 000, то есть звуки, для человека не слышимые.

А как наше ухо умеет оценивать громкость звуков одной и той же высоты? Оказывается, наши способности в этом отношении почти равны математическому развитию ребёнка или первобытного человека. Как ребёнок может сосчитать только до двух, а если предметов больше, то он скажет, что их много, так и мы умеем оценивать изменение громкости звука лишь в 2–3 раза, а дальше ограничиваемся неопределённым: «много громче» или «значительно тише».

Но если нашему сознанию доступно ещё некоторое суждение об изменении громкости, то сложение и вычитание одной громкости из другой для него совершенно неразрешимая задача. Однако не следует думать, что человек вообще не может отличать звуки, близкие по своей громкости. Музыканты, например, пользуются целой шкалой громкости. По этой шкале каждая последующая громкость вдвое больше предыдущей, а вся шкала имеет семь ступеней громкости.

Несмотря на то, что наш слуховой аппарат улавливает чрезвычайно малые изменения давления воздуха, мы всё же не в состоянии слышать очень слабые звуки. Но не нужно сожалеть об этом. Представьте себе, что получилось бы, если бы наше ухо оказалось более чувствительным, чем оно есть. Ведь воздух состоит из отдельных молекул, беспрерывно движущихся по всем направлениям. Благодаря такому движению в отдельных местах может создаться на мгновение увеличение или уменьшение давления. По величине эти изменения давления как раз очень близки к изменениям давления, возникающим в местах сгущения и разрежения самой слабой звуковой волны. И если бы ухо воспринимало такие малейшие изменения в давлении, то эти случайные колебания воздуха создавали бы ощущение постоянного шума, и мы не были бы знакомы с тишиной! Природа как бы вовремя остановилась на определённом пороге чувствительности нашего слухового аппарата, оставив ему возможность отдыхать.

В обычной жизни нас никогда не окружает совершенная тишина, и ухо по существу не имеет полного отдыха. Но мы часто создаём себе искусственную тишину – отодвигаем на время от своего сознания получаемые звуковые восприятия. Мы как бы пропускаем некоторые звуки «мимо ушей». Однако если мы и «не слышим» их, ухо всё равно эти звуки отмечает. Точно так же, когда к звукам, которые мы «пропускаем мимо ушей», прибавляется звук, имеющий для нас какой-нибудь интерес, мы тотчас же его улавливаем, даже если он и тише остальных звуков. Мать часто может спать при большом шуме, но она сразу просыпается от первого крика ребёнка. Пассажир может спокойно спать во время хода поезда, но при его остановке просыпается.

3. Сколько звуков слышит человек?

Не все люди с нормальным слухом одинаково слышат. Одни способны различать близкие по высоте и громкости звуки и улавливать в музыке или шуме отдельные тона. Другие же этого сделать не могут. Для человека с тонким слухом существует больше звуков, чем для человека с неразвитым слухом.

Но насколько вообще должна отличаться частота двух звуков, чтобы их можно было слышать как два разных тона? Можно ли, например, отличить друг от друга тона, если разница в частотах равна одному колебанию в секунду? Оказывается, что для некоторых тонов это возможно, а для других нет. Так, тон с частотой 435 можно отличить по высоте от тонов с частотами 434 и 436. Но если брать более высокие тона, то отличие сказывается уже при большей разности частот. Тона с числом колебаний 1000 и 1001 ухо воспринимает как одинаковые и улавливает разницу в звучании только между частотами 1000 и 1003. Для более высоких тонов эта разность в частотах ещё больше. Например, для частот около 3000 она равна 9 колебаниям.

Точно так же не одинакова наша способность отличать звуки, близкие по громкости. При частоте 32 можно расслышать только 3 звука разной громкости; при частоте 125 – уже 94 звука различной громкости, при 1000 колебаний – 374, при 8000 – снова меньше и, наконец, при частоте 16 000 мы слышим только 16 звуков. Всего же звуков, различных по высоте и громкости, наше ухо может уловить более полумиллиона! Это только полмиллиона простых звуков. Прибавьте к этому бесчисленные сочетания из двух и более тонов – созвучия, и вы получите впечатление о многообразии того звукового мира, в котором мы живём и в котором наше ухо так свободно ориентируется. Вот почему ухо считается, наряду с глазом, самым чувствительным органом чувства.