В далеких веках истории человечества родилось прекрасное искусство музыки. Заметив, что музыка способна сильно воздействовать на человека, жрецы древнего Египта объявили, что в ней заключена магическая сила, и старались использовать ее для своих целей. Ни один праздник не обходился без божественных песнопений под аккомпанемент систра.
Этим же руководствовалось католическое духовенство, когда в VII веке ввело при богослужениях орган, усовершенствованный и развившийся к тому времени за почти тысячелетнюю историю своего существования.
Православное духовенство на Руси в XVI веке ввело в богослужение гармоническое пение. Причина этого новшества была простой: церковники заметили, что везде, где имелись католические костелы, православные толпами устремлялись в них, чтобы послушать орган и хор.
Известно немало суеверий, связанных с миром звуков. Со времен древности были известны, например, так называемые «шепчущие галереи». Обычно — это коридоры или различные переходы, имеющие полукруглые стены. Стоит здесь встать рядом со стеной и тихо что-нибудь произнести, как люди, находящиеся на другом ее конце, несмотря на значительное расстояние, услышат сказанное, словно говорящий — рядом. Возникает впечатление, что звук как бы «стелется» по стене. В старину подобные явления считались таинственными, «чудесными».
Лишь в наше время, когда наука установила, что звук — это колебание частиц воздушной среды, волновой процесс, распространяющийся во все стороны от источника звука, причина «чудесного» шепота стала ясна. Дело здесь всего-навсего в отражении звуковой волны от поверхности полукруглой стены.
В одном древнем китайском храме до сих пор хранится необыкновенный сосуд с ручками. Если наполнить его водой и потереть ручки, то вода как будто начинает кипеть. Оказалось что виной этому ультразвук возникающий при трении ручек сосуда. Он и вызывает как будто бы кипение воды.
О природе звуков и о некоторых технических проблемах, связанных с миром звуков, рассказывает эта статья.
Звуки слышимые и неслышимые
Неслышимые звуки... Это воспринимается как что-то необычное, подобное черному свету или холодному кипятку. Но они есть, и в этом нет ничего необычного. Природа звуков слышимых и неслышимых одинакова.
Вы ударяете по листу кровельного железа. Колебания этого листа передаются воздуху, и в нем возникают невидимые волны — сжатия и разрежения, движущиеся друг за другом. Их мы и воспринимаем как звук.
Чем больше колебаний совершает тело в одну секунду, другими словами, чем больше частота колебаний тела, тем выше звук. Паровозный гудок, например, — это звук более низкой частоты, чем свисток кондуктора. Наше ухо воспринимает как слышимый звук не более 20 тысяч колебаний в секунду. Если частота колебаний выше, звука мы уже не услышим. Это и есть ультразвуки — звуки высокой частоты.
С такими звуками встречаются нам на каждом шагу. Их издают, например, вместе со слышимыми звуками и часы, и самолет, и даже телефонный звонок.
Ультразвуки — не редкое явление в мире животных. Многие насекомые, например комары, кузнечики, могут издавать и воспринимать не слышимые для нас звуки.
Ультразвуки слышат многие животные, например собаки. С давних пор этим пользовались браконьеры. У них был особый свисток, который издавал ультразвук, не слышимый человеком, но слышимый собакой. Известны устройства для отпугивания собак, издающие ультразвук.
Мастера на все руки
Широкое использование ультразвуков началось сравнительно недавно — после того, как изучили их свойства и открыли способы получения мощных ультразвуковых волн.
Уже при первых исследованиях было замечено, что неслышимые звуки распространяются не так, как слышимые. Ультразвуки можно направлять, подобно лучам света, в каком-либо одном направлении. Они очень хорошо распространяются в жидкостях и в твердых телах, но значительно хуже в воздухе. В воде, например, ультразвук распространяется на десятки километров без заметного ослабления.
Используя эти свойства, французский ученый П. Ланжевен еще в годы первой мировой войны создал аппарат — ультразвуковой локатор — для обнаружения подводных лодок противника. Локатор посылал в воду короткие ультразвуковые сигналы. Когда на пути ультразвукового луча не было преграды, он терялся в океане. Но как только он встречал какую-то преграду — подводную скалу или лодку, — возникал отраженный сигнал, который возвращался к кораблю и улавливался аппаратом.
Зная направление посылаемых «ультразвуковых разведчиков», скорость их распространения в воде и время, за которое приходит обратно отраженный от невидимой преграды сигнал, можно с большой точностью определять местонахождение преграды.
С таким же успехом ультразвуковая локация применяется для измерения морских глубин. Отражаясь от дна, неслышимые звуки с большой точностью воспроизводят его рельеф. Именно таким путем измерены самые глубокие впадины в Тихом океане, глубина которых превышает 10 километров.
В наше время ультразвуковой локатор нашел еще одно важное применение: с его помощью рыболовные суда ищут в море скопления рыб. Ультразвук, встречая на своем пути косяк рыбы, отражается от него, как и от подводной скалы. Таким путем можно обнаружить рыбу на глубине до 150 метров.
В медицине ультразвук широко используется для диагностирования различных заболеваний. Наверное каждый человек хоть раз проходил УЗИ.
Еще более широкое применение находят ультразвуки в тех случаях, когда необходимо активно воздействовать на вещество.
Перед нами — станок, работающий при помощи ультразвуков. На нем можно с большой скоростью вырезать отверстия любой формы в хрупких и сверхтвердых материалах — в стекле, в закаленной стали, в кварце и т. д. «Натиска» ультразвука не выдерживает даже самый твердый камень — алмаз. Как это осуществляется? Промышленный электрический ток преобразовывается в этом станке в электрические колебания высокой частоты, а последние— в ультразвуки. Ультразвуковые колебания передаются стальной пластинке, форма которой соответствует виду заданного отверстия. Быстрые колебания пластинки передаются мелким частичкам очень твердого вещества — абразива, которые вместе с каплей воды наносятся на обрабатываемую поверхность. Частицы долбят пластинку, подобно маленьким долотцам, и быстро пробивают отверстие.
Немало забот доставляет теплотехникам борьба с накипью в котлах. Теперь и здесь начинают применять неслышимые звуки. Ультразвуковой вибратор, помещенный в котел и совершающий 28—30 тысяч колебаний в секунду, с успехом устраняет осаждение накипи.
Столь же хорошо ультразвуки очищают от загрязнения различные металлические изделия. Для этого их помещают в жидкость и через нее пропускают ультразвуковые колебания. Таким путем обезжиривают, например, многие точные приборы, очищают от ржавчины ответственные детали машин.
Нелегко отмыть овечью шерсть обычным способом от грязи и жира. А неслышимый звук делает это за несколько минут. Получается не только совершенно чистая, шелковистая шерсть, она, кроме того, и обеззараживается. На этом свойстве ультразвука работают и особые стиральные машины.
Ультразвуковая техника наших дней — одно из важных направлений технического прогресса. Изученный неслышимый звук служит человеку в самых разнообразных областях.
В поисках акустического совершенства
Первые научные наблюдения по акустике — науке о звуках — начинаются с середины 19 века. С тех пор акустика непрерывно развивается. Бурный ее расцвет мы наблюдаем в настоящее время. Он вызван самой жизнью, в частности необходимостью строительства зрелищных сооружений с применением новых строительных материалов, сильно отличающихся по своим акустическим свойствам.
Если кратко сформулировать задачу строителя такого сооружения, то она сводится к тому, чтобы каждому зрителю было хорошо видно место действия и, что не менее важно, хорошо слышен голос актера или чтеца. Но если проблему хорошей видимости решить довольно просто, то добиться хорошей слышимости во много раз сложнее.
Исследование театров древности немало способствовало решению этой проблемы. Встает, например, вопрос, для чего греки строили свои открытые театры с очень круто поднимающимися рядами зрительных мест. Ведь сцена с актерами была бы хорошо видна и при гораздо менее крутом подъеме. Нетрудно догадаться, однако, что именно благодаря этому хорошая слышимость даже в последних рядах. Звуку приходилось в этом случае преодолевать меньший путь до слушателя.
Как было установлено, высокие акустические качества любого помещения достигаются в основном за счет двух факторов: во-первых, как можно меньшего ослабления прямого звука, т. е. того звука, который приходит из источника к слушателю по прямой линии, и, во-вторых, за счет создания как можно большего числа доходящих до каждого слушателя отражений звука от стен помещения. Последнее необходимо для того, чтобы еще больше усилить прямой звук, сделать его более громким.
И не только для этого. Посмотрим, как доходит звук до слушателя. Вначале к нему приходит прямой звук, затем — отражения того же звука от стен помещения, причем в последовательности, зависящей от величины пути, который ему приходится преодолевать. При этом каждый следующий из этих звуков будет слабее предыдущего. Таким образом, после восприятия прямого звука тот же звук будет слышен еще некоторое время, но с довольно быстрым спадом громкости.
Этот спад, в зависимости от того, резкий он или плавный, ощущается нашим ухом как большая или меньшая гулкость звука в помещении. Вспомните, как по-разному звучат голоса в обставленной вещами и в совершенно пустой комнате. Во втором случае комната становится гулкой. Мебель перестала поглощать звук, и спад громкости отраженных от стен звуков стал более плавным.
Для каждого рода звуков, будь то речь оратора или выступление симфонического оркестра, существует своя определенная гулкость звучания, при которой слушатель получает наибольшее эстетическое наслаждение.
В соборах такая наилучшая гулкость создается для звуков органной музыки. При этом особо важную роль играют колонны, выстроившиеся вдоль стен.
С середины XVII века в Европе развернулось строительство большого количества огромных по размерам оперных театров. В поисках акустического совершенства соревновались многие зодчие и, несмотря на трудность поставленной задачи, достигли замечательных результатов.
На смену старому античному театру, традиции которого продолжали существовать вплоть до середины XVII века, приходит театр нового типа, такой, каким мы знаем наш Большой театр. Вызвано это было тем, что уступами возвышавшиеся ряды античного театра имеют свой предел, за которым зрители уже не слышат того, что происходит на сцене. Основным достоинством нового—ярусного типа театров как раз и является максимальное приближение большого количества зрителей к сцене. Кроме того, появилась возможность создания отличных акустических качеств за счет большого количества отражений звука от барьеров ярусов. Барьеры ярусов выполняли здесь ту же роль, что и колонны в соборе.
Позднее, в соответствии с нашими вкусами, вид зрительных залов изменился. В них уже не увидишь многочисленных ярусов, которые были неотъемлемой частью театров прошлого. Зрительные залы раздвинули свои стены, стали более просторными.
Теперь главную роль в создании отраженных звуков, а значит и определенной гулкости, стал играть потолок. Именно над ним сейчас трудятся архитекторы и акустики. В новейших зрительных залах он очень сложен. Он уже не горизонтальный, как раньше, и не гладкий, а в виде лесенки, или волнистый, или же в виде набора выпуклых и вогнутых элементов. Сделано это не ради красоты, хотя и красиво само по себе, а для создания хорошей акустики зрительного зала. Кроме этого, стены и потолок обрабатываются различными акустическими материалами, которые усиливают поглощение или рассеяние звуков.
Но даже привлечение на службу акустики потолка оказалось недостаточным при строительстве больших залов. Слишком далеко от сцены находятся здесь дальние ряды. Дойдя до них, звук успевает сильно ослабнуть. Тут на службу акустике пришла электроника. В Кремлевском Дворце съездов для каждого зрителя в спинку переднего кресла вделан громкоговоритель.
Помощниками звуков, отраженных от потолка, являются также звуки, издаваемые громкоговорителями, но находящимися на потолке. До последних рядов такого зрительного зала сначала доходит звук от громкоговорителя, находящегося в спинке кресла, затем тот же звук от громкоговорителей на потолке и только тогда прямой звук со сцены и отраженные звуки от стен и потолка.
Прямой звук со сцены, таким образом, занимает теперь место отраженных звуков, поэтому основную роль играют звуки от громкоговорителей. А это открывает большие возможности: регулируя их силу, мы можем получить такую гулкость помещения, какая необходима. Возможность иметь такую регулировку очень важна: она позволяет один, и тот же зал использовать для различного рода выступлений. Зал становится универсальным.
Психология звука... что это?
Природа задает нам все новые загадки. Известен опыт американского ученого Вуда, который он проделал в одном из театров. С помощью специального инструмента ученый получал очень низкий звук (инфразвук), не слышимый человеческим ухом. Однако происходило нечто странное. Под воздействием этого неслышимого звука многих зрителей охватывало беспокойство, тоска.
Способность людей в большей или меньшей степени воспринимать очень низкие по частоте звуки была замечена давно. Так, некоторые люди, живущие на берегу моря, чувствуют смутную тревогу перед приближением шторма. Способность таких людей предсказывать наступление шторма истолковывалась тогда в религиозном духе и только сравнительно недавно нашла правильное объяснение. Оказалось, что колебания волн перед бурей рождают очень низкие по частоте звуки, которые воспринимаются нервной системой некоторых людей и влияют на нее таким образом, что вызывают ощущение неясной тревоги.
С другой стороны, получены данные, что при определенных условиях человеческое ухо может слышать и ультразвуки — с частотой в сотни тысяч колебаний в секунду. Для этого, однако, необходимо, чтобы ушной канал и все пространство между излучателем ультразвука и ухом было заполнено средой более плотной, чем воздух, например водой.
В обычных условиях восприятие человеком ультразвуков может быть замечено косвенным образом. Так, под их воздействием несколько изменяется чувствительность зрения.
Как выяснили акустики, заметную роль в усилении нашей способности к восприятию звуков играют кожный покров и кости черепа. Издавна человек прикладывал ухо к земле, чтобы услышать топот далеко скачущего коня или приближающегося войска. Современная наука это явление объясняет тем, что кости головы, прижатой к земле, хорошо проводят звук, распространяющийся по поверхности почвы на большие расстояния.
Одним из интереснейших вопросов психоакустики является изучение взаимодействия слуховых органов с другими органами чувств. Так, давно замечено, что звук может как обострять, так и успокаивать болевые ощущения. Например, зубная боль обостряется от громких звуков и в то же время значительно ослабевает при проигрывании музыкальных мелодий. Особенно же благоприятным в этом отношении оказался шум, издаваемый водопадом.
Несомненная связь существует также между слухом и зрением. Еще в XVII веке датский анатом Бартолинус заметил, что освещение глаза обостряет слух. Однако только сейчас вырисовывается вся сложность связей между слухом и зрением.