Как и почему мы слышим звуки

Звуковые колебания и волны. Если ударить по струне какого-либо музыкального инструмента (например, гитары, балалайки), то она начнет колебаться, т. е. совершать движения то в одну, то в другую сторону от своего начального положения (положения покоя). Такие механические колебания, вызывающие ощущение звука, называются звуковыми.

Наибольшее расстояние, на которое струна отклоняется в процессе колебаний от своего положения покоя, носит название амплитуды колебаний.

Передача звука от колеблющейся струны до нашего уха происходит следующим образом. В то время, когда средняя часть струны перемещается в сторону, где мы находимся, она «теснит» «находящиеся около нее с этой стороны частицы воздуха и этим создает «сгущение» этих частиц, т. е. около струны возникает область повышенного воздушного давления. Это увеличенное в некотором объеме воздуха давление передается соседним его слоям; в результате область «сгущенного» воздуха распространяется в окружающем пространстве. В следующий момент времени, когда средняя часть струны перемещается в обратную сторону, около нее возникает некоторое «разрежение» воздуха (область пониженного давления), которое распространяется вслед за областью «сгущенного» воздуха.

За «разрежением» воздуха следует опять «сгущение» (так как средняя часть струны опять будет двигаться в нашу сторону) и т. д. Таким образом, при каждом колебании (движении вперед и назад) струны в воздухе возникнут область повышенного давления и область пониженного давления, которые удаляются от струны.

Подобным же образом звуковые волны создаются при работе громкоговорителя.

Звуковые волны несут в себе энергию, полученную от колеблющейся струны или диффузора (бумажного конуса) громкоговорителя, и распространяются в воздухе со скоростью около 340 м/сек. Когда звуковые волны достигают уха, они приводят в колебание его барабанную перепонку. В тот момент, когда уха достигает область «сгущения» звуковой волны, барабанная перепонка несколько прогибается внутрь. Когда же до нее доходит область «разрежения» звуковой волны, барабанная перепонка выгибается несколько наружу. Так как сгущения и разрежения в звуковых волнах следуют все время друг за другом, то и барабанная перепонка то прогибается внутрь, то выгибается наружу, т. е. совершает колебания. Эти колебания передаются через сложную систему среднего и внутреннего уха по слуховому нерву в мозг, и в результате мы ощущаем звук.

Чем больше амплитуда колебаний струны и ближе к ней находится ухо, тем более громким воспринимается звук.

Динамический диапазон. При очень больших давлениях на барабанную перепонку, т. е. при очень громких звуках (например, при пушечном выстреле), ощущается боль в ушах. На средних звуковых частотах (см. ниже) болевое ощущение возникает, когда звуковое давление достигает величины примерно 1 г/см2, или 1 000 бар *. Увеличение ощущения громкости при дальнейшем усилении звукового давления уже не чувствуется.

*Бар — единица, применяемая для измерения величины звукового давления.

Очень слабое звуковое давление на барабанную перепонку не вызывает ощущения звука. Наименьшее звуковое давление, 'при котором наше ухо начинает слышать, называется порогом чувствительности уха. На средних частотах (см. ниже) порог чувствительности уха составляет примерно 0,0002 бара.

Таким образом, область нормального ощущения звука лежит между двумя границами: нижней — порогом чувствительности и верхней, при которой возникает болевое ощущение в ушах. Эта область носит название динамического диапазона слуха.

Отметим, что увеличение звукового давления не дает пропорционального увеличения громкости звука. Ощущение громкости возрастает гораздо медленнее, чем звуковое давление.

Децибелы. В пределах динамического диапазона ухо может почувствовать увеличение «или уменьшение громкости простого однотонного звука (при слушании его в полной тишине), если звуковое давление на средних частотах соответственно увеличивается или уменьшается примерно на 12%, т. е. в 1,12 раза. Исходя из этого, весь динамический диапазон слуха разбит на 120 уровней громкости, подобно тому, как шкала термометра между точками таяния льда и кипения воды разделена на 100 градусов. Уровни громкости по этой шкале измеряются в особых единицах— децибелах (сокращенно пишут дб).

В любой части этой шкалы изменение уровня громкости на 1 дб соответствует изменению звукового давления в 1,12 раза. Нуль децибел («нулевой» уровень громкости) соответствует порогу чувствительности уха, т. е. звуковому давлению 0,0002 бара. При уровне свыше 120 дб возникает болевое ощущение в ушах.

Для примера укажем, что при тихом разговоре на расстояни 1 м от говорящего получается уровень громкости около 40—50 дб, что соответствует эффективному звуковому давлению 0,02—0,06 бара; наибольший уровень громкости звучания симфонического оркестра составляет 90— 95 дб (звуковое давление 7—12 бар).

При пользовании радиоприемниками радиослушатели, применяясь к размерам своих комнат, звучание громкоговорителя регулируют так, что при самых громких звуках на расстоянии 1 м от громкоговорителя получается уровень громкости 75—85 дб (соответственно звуковые давления примерно 1—3,5 бара). В условиях сельских местностей вполне достаточно иметь максимальный уровень громкости звучания радиопередачи не свыше 80 дб (звуковое давление 2 бара).
Шкалой децибел в радиотехнике широко пользуются также для сравнения уровней громкости. Чтобы узнать, во сколько раз одно звуковое давление больше другого, когда известна разница между соответствующими им уровнями громкости в децибелах, нужно число 1,12 умножить само на себя столько раз, сколько мы имеем децибел. Так, изменение уровня громкости на 2 (56 соответствует изменению звукового давления в 1,12 • 1,12, т. е. примерно в 1,25 раза; изменение уровня на 3 дб имеет место при изменении звукового давления в 1,12- 1,12 • 1,12, т. е. приблизительно в 1,4 раза. Подобным же образом можно определить, что 6 дб соответствуют изменению звукового давления примерно в 2 раза, 10 дб—приблизительно <в 3 раза, 20 дб — в 10 раз, 40 дб — в 100 раз и т. д.

Период и частота колебаний. Звуковые колебания характеризуются не только амплитудой, но также периодом и частотой. Периодом колебания называется время, в течение которого струна (или любое другое тело, создающее звук, например диффузор громкоговорителя) перемещается из одного крайнего положения в другое и обратно, т. е. совершает одно полное колебание.

Частотой звуковых колебаний называется число колебаний звучащего тела, совершаемых в течение 1 сек. Она измеряется в герцах (сокращенно пишут гц).

Если например, за 1 сек. (происходит 440 периодов колебаний струны (эта частота соответствует музыкальной ноте ля), то говорят, что она колеблется с частотой 440 гц. Частота и период колебаний являются величинами, обратными друг другу, например при частоте колебаний 440 гц период колебаний равен 1/440 сек.; если период колебания равен 1/1 000 сек., то частота этих колебаний 1000 гц.

Полоса звуковых частот. От частоты колебаний зависит высота звука или тона. Чем больше частота колебаний, тем выше звук (тон), а чем меньше частота колебаний, тем он ниже. Самый низкий звук, который может услышать человек, имеет частоту около 20 гц, а самый высокий—около 16 000—20 000 гц. В этих пределах или, как говорят, в этой полосе частот находятся создаваемые человеческими голосами и музыкальными инструментами звуковые колебания.

Заметим, что речь и музыка, а также разного рода шумы представляют собой звуковые колебания с очень сложней комбинацией различных частот (тонов различной высоты), непрерывно изменяющейся в процессе разговора или музыкального исполнения.

Гармоники. Звук, воспринимаемый ухом как тон одной определенной высоты (например, звук струны музыкального инструмента, свисток паровоза), на самом деле состоит из многих разных тонов, частоты которых относятся друг к другу как целые числа (один -к двум, один к трем и т. д.). Так, например, тон с частотой 440 гц (нота ля) одновременно сопровождается дополнительными тонами с частотами 440 • 2 = 880 гц, 440 -3=1 320 гц и т. д. Эти дополнительные частоты называются гармониками (или обертонами). Число показывающее, во сколько- раз частота данной гармоники больше основной частоты называется номером гармоники. Например, для основной частоты 440 гц частота 880 гц будет второй гармоникой, частота 1 320 гц — третьей и т. д. Гармоники всегда звучат слабее основного тона.

Наличием гармоник и соотношением амплитуд различных гармоник обусловливается тембр звука, т. е. его «окраска», отличающая данный звук от другого звука с той же основной частотой. Так, если наиболее сильной будет третья гармоника, звук приобретает один тембр. Если же наиболее сильной будет какая-либо другая гармоника, звук будет иметь другой тембр. Изменение силы звучания различных гармоник приводит к изменению или искажению тембра звука.