О необычных свойствах звука знали еще наши древние предки. Знали – и активно пытались познать природу этого явления.
Первенство в этой сфере принадлежит Пифагору. Проходя мимо кузни, ученый заметил, что при ударах молота о наковальню создаются звуки музыкальных тонов: кварта, квинта и октава. Пифагор задался вопросом: почему рабочие инструменты столь музыкальны?
Он взвесил молоты и выяснил, что малые инструменты по весу составляли 3/4, 2/3, и 1/2 от веса большого. А вот малые молоты, вес которых не отвечал этим пропорциям, никакой музыкальностью не обладали.
Пифагор перенес свои исследования на струнные музыкальные инструменты. Он выяснил, что высота тона струны зависит от ее длины и степени натяжения. А длины струн должны находиться в описанном выше соотношении.
Но природа звука оставалась для Пифагора загадкой. Вплотную этим вопросом задался Сенека. В своих «Естественных вопросах» он рассказывает о многих проблемах естествознания, в том числе об этой. И максимально близко подходит к современному определению звука как волны. «Что такое звук голоса, как не сотрясение воздуха ударами языка? – задает вопрос Сенека. – Какое пение было бы возможно слышать, не будь этой упругой воздушной жидкости?». Правда, размышления ученого были теоретическими, без серьезной практической базы.
Френсис Бэкон в XVII в. также говорил об «упругой жидкости», входящей в состав воздуха. Тем самым повторяя размышления древних натурфилософов – и их ошибки.
Большой вклад в развитие науки о звуке внес Галилео Галилей. Он экспериментировал с различными предметами, в том числе – с монетой, проводя по ее краю ножом. Галилей заметил, что чем больше зазубрин на монете, тем выше тон получаемого звука. А значит, заключил он, высота тона зависит от частоты толчков.
Его вывод подтвердил монах Мерсенн. Он опирался на исследования Пифагора и выяснил, что высота тона зависит от частоты колебаний звучащего тела. Мерсенн вывел закон колебания струн: число колебаний обратно пропорционально длине струны и квадратному корню из ее веса и прямо пропорционально квадратному корню из степени натяжения ее. Этот закон действует и относительно другого музыкального инструмента – трубы. Короткая труба дает большее число колебаний и высокий звук.
Точно так же легкие молоты, которые интересовали Пифагора, вызывали частые колебания. А потому давали более высокий звук, чем тяжелые инструменты.
Таким образом, природа звука была выяснена. И ученые заинтересовались иными его характеристиками. Например, скоростью распространения.
Пьер Гассенди в середине XVII в. решил проверить утверждение Аристотеля, что высокие тона распространяются быстрее низких. Он провел следующий эксперимент: на равном удалении от наблюдателя стреляли из ружья и из пушки. Ученого интересовало время, которое пройдет между тем, как наблюдатель заметит вспышку, и тем, как он услышит звук. Оказалось, что звуки от выстрелов распространяются одинаково. Гассенди даже высчитал скорость распространения звука – 449 м/с.
Этот результат далеко не точен, и позже другие ученые нашли верный показатель скорости. А также выяснили, что он зависит от давления и температуры. Но в основе их исследований лежал труд Гассенди.
В XVII в. Роберт Гук решил доказать, что звук распространяется не только в воздухе, как утверждал Бэкон. Ведь, нырнув в воду, можно услышать и шум прибоя, и плеск лодочных весел.
Он проводил, в том числе, следующий эксперимент: прикладывал скрипку к медной пластинке с проволокой. Проволока выходила через окно и вела к мембране, установленной на большом расстоянии от дома. Оказалось, что стоявший около этой мембраны человек мог слышать игру на скрипке. Это доказало распространение звука через твердые тела. Позже удалось установить и материал с лучшей звукопроводимостью – железо.
Я. Штурм и Ж. Колладон выяснили, как распространяется звук в воде. Ученые расположились на Женевском озере, отъехав друг от друга на 12 км. В одной лодке сидел Штурм, который бил молоточком по расположенному под водой колоколу. Одновременно он поджигал кучки пороха, сигнализируя об отправке звука.
В 12 км от него в другой лодке сидел Колладон, державший слуховую трубу, конец которой был опущен в воду, и секундомер. Он определял, сколько времени проходит между отправкой светового сигнала и получением звукового. Выяснилось, что в воде звук распространяется примерно в четыре раза быстрее, чем в воздухе.
Исаак Ньютон подвел итог этим исследованиям, создав формулу, по которой можно было вычислить скорость звука в различных средах.
Эрнст Хладни подошел к звуку с неожиданной стороны: он решил сделать звуковое колебание видимым! Ученый заметил, что если водить смычком по краю чаши с водой, на поверхности образуется зыбь.
Хладни заменил чашу на медный кружок, а воду – на песок. Проведя смычком по краю кружка, он увидел, как на его поверхности образуется песчаный рисунок. Песок буквально соскакивал с тех участков, которые подвергались колебаниям, и скапливался на неподвижных. Чем выше был тон кружка, тем сложнее были песчаные фигуры.
Апогеем исследования звука можно считать исследования Томаса Эдисона. Он задался вопросом: как можно зафиксировать и воспроизвести звуковые колебания?
Он использовал аппарат Морзе, применяемый для телеграфа. Обернул телеграфный цилиндр вместо бумаги оловянной фольгой и соорудил диафрагму из промасленной бумаги, прикрепив к ее центру стальной штифт.
После чего Эдисон начал медленно произносить над диафрагмой слова, вращая цилиндр. От звуковых колебаний диафрагма дрожала, дрожал и штифт, вдавливаясь в фольгу и образуя на ее поверхности своего рода узор. Так был впервые записан голос человека!
Для его воспроизведения Эдисон использовал другую диафрагму с тонким и гибким острием. При вращении цилиндр острие попадало на возвышения и углубления и передавало эти колебания диафрагме.
Новое устройство получило название «фонограф». Именно оно лежит в основе всех современных аудиоустройств. Его можно считать своего рода итогом многовековых исследований. А настоящим днем его рождения – тот день, когда Пифагор прошел мимо кузни и впервые задался вопросом, что же представляет собой неуловимый звук.