Дамы и господа, аудиофилы и меломаны, здравствуйте. Добро пожаловать на Dzen канал магазина Demograf AE, посвященный аудиотехнике.
Сегодня у нас сборная очередная, интересная статья.
Напоминаем Вам, что ознакомиться с нашей аудиотехникой вы можете на сайте audio-tube.ru
Отдельно отмечаем, что мнение Demograf Audio может не совпадать с мнением автора статьи.
Источник (автор): Г. Микаэлян. Журнал Аудиомагазин.
Итак, поехали!
Физические процессы проходят по-разному. В одних случаях наблюдается возрастание какой-либо величины (так увеличивается скорость свободно падающего тела), в других уменьшение (в проколотой шине автомобиля уменьшается объем воздуха). Существуют также процессы, которые без всякого вмешательства извне протекают то в сторону уменьшения, то в сторону увеличения. Такие процессы называются колебательными, и именно они порождают звук.
Каждый хотя бы раз бывал на концерте оркестра и, наверное, без труда может вспомнить, что барабаны, колокола, цимбалы возбуждаются ударом (их так и называют ударные); гитара, арфа, скрипка и другие струнные щипком или смычком; саксофон, флейта, дудочка вдуванием воздуха. Стало быть, для возбуждения звука всегда требуется приложить силу, т. е., передать энергию. Попробуем разобраться в колебательных процессах на примере струны гитары. Оттянув струну, гитарист затрачивает некоторую энергию на преодоление силы упругости струны.
Когда он отпускает струну, сила упругости стремится вернуть ее в первоначальное положение, и струна начинает двигаться сначала медленно, потом быстрее. Спустя некоторое время она оказывается в том положении, в котором она была изначально. Назовем это положение «нулевой линией», или «линией покоя струны». Но струна не останавливается, а продолжает двигаться, потому что энергия упругой деформации теперь переходит в кинетическую. Скорость струны постепенно снижается, и, сместившись от «нулевой» линии на некоторое расстояние, она останавливается: истрачена кинетическая энергия. Но струна вновь деформирована! И сила упругости начинает снова двигать струну обратно к «нулевой» линии, и так далее. Немного погодя мы заметим, что поведение струны изменилось: она меньше отклоняется от нулевой линии». Естественно, струна не может колебаться вечно. В процессе колебания часть энергии тратится на то, чтобы преодолеть силу трения воздуха, внутреннее трение. в самой струне и т. п. Запасы ее постепенно иссякают, энергия превращается в тепло, которое уходит в окружающее струну пространство. Со временем колебания струны вовсе прекращаются, поэтому их называют затухающими.
Итак, мы были свидетелями свободных колебаний. Их причиной является обмен энергией между двумя накопителями: силой упругости движением. Упругая деформация стремится вернуть струну на прежнее место, отдавая ей кинетическую энергию, а кинетическая энергия, в свою очередь, стремится изогнуть струну запасти в ней энергию в виде упругой деформации.
Свободные колебания очень распространенный в природе вид движения. Свободные колебания, как правило, протекают по гармоническому закону, т. е. по закону синуса или косинуса. Колебания имеют циклический характер.
Промежуток времени, за который колеблющееся тело возвращается в то положение или состояние, в котором оно было в момент начала отсчета этого промежутка, называют периодом, а количество периодов (т. е. колебаний) в какой-либо определенный отрезок времени - частотой. В физике частоту принято измерять в герцах (Гц). 1 Гц это одно колебание в секунду, 100 Гц сто колебаний в секунду, и т.д.
Максимальное смещение колеблющегося тела из положения покоя (например, смещение струны с «нулевой линии») называется амплитудой колебания тела. Амплитуда чаще всего обозначается буквой «А».
Период и частота колебаний зависят от того, насколько быстро накопители обмениваются энергией. Эксперименты показали, что частота колебаний струны а) обратно пропорциональна ее длине, 6) прямо пропорциональна квадратному корню из величины силы натяжения струны, в) обратно пропорциональна ее диаметру и г) обратно пропорциональна квадратному корню из величины плотности материала. Всякая струна обладает определенной частотой собственных колебаний. С какой бы силой ли, она будет колебаться с одной и той же частотой собственных колебаний. Изменить эту частоту можно только изменив длину или натяжение струны. Частоту собственных колебаний имеет вообще любое тело.
Колеблющаяся струна издает звук. Каким же образом звук доходит до наших ушей? Как он передается? Роберт Бойль в 1660 году проделал интересный опыт. Он поместил часы в стеклянный сосуд и выкачал из него воздух, т.е. создал в сосуде вакуум. Внимательно вслушиваясь, он убедился, что не слышит тиканья часов. Так было доказано, что для передачи звука необходима материальная среда. Если вам приходилось нырять и при этом поблизости находилась моторная лодка с работающим двигателем, вы наверняка знаете, что вода передает звук. Приложите ухо к стене и постучите по ней: вы убедитесь, что твердые тела тоже передают звук. Причем жидкости являются лучшими проводниками звука, чем газы, а твердые тела, как правило, передают звук еще лучше.
Но как можно представить себе передачу звука через воздух? Может быть, колеблющееся тело с каждым движением отбрасывает молекулы воздуха, как бы разбрызгивая их? Но тогда мы пере ставали бы слышать звук, зайдя за угол. Кроме того, в этом случае звук не были бы способны передавать твердые тела, ведь молекулы в них не могут свободно перемещаться. А может быть, спросите вы, звук передается подобно волне, образованной брошенным в воду камнем? Совершенно верно.
Вообразим, что мы сидим в лодке на тихом и спокойном озере. Неподалеку проплывает катер, и волны от него бегут в направлении нашей лодки. Добежав, они начинают нас раскачивать, причем лодка остается на месте, не перемещается вдоль поверхности воды. Раз лодка, встретившись с волной, качается вверх и вниз, то, очевидно, частицы воды совершают колебания подобного типа. Катер передал им энергию, которая через волны дошла до нашей лодки и раскачала ее.
Похожим образом и звук, представляющий собой возмущение воздуха колеблющимся телом, доходит до нашего уха. Как наше ухо распознает звук, мы рассмотрим чуть позже, а пока проанализируем, каким образом колеблющееся тело возбуждает звуковые волны в воздухе.
Представим себе, что источник звука - пульсирующий шар. Шар регулярно расширяется и сжимается так, что каждая точка его поверхности колеблется вдоль его радиуса. Такой шар - это физическая абстракция. Дело в том, что реальные источники звука, будь то струна, кожа барабана, столб воздуха в трубе и т.п., совершают более сложные колебания, которые будут проанализированы позже. А пока, даже когда речь идет о реальных источниках звука, будем считать, что они совершают простые гармонические колебания, описываемые синусоидой.
Когда шар расширяется, он заставляет воздух вокруг себя сжиматься, как бы сближает его молекулы друг с другом. Вокруг шара образуется сферический пояс, в котором плотность и давление выше нормальных. Это область сгущения. В следующий момент шар сжимается, оставляя у своей поверхности сферическую область, в которой плотность и давление ниже нормальных, область разрежения. Молекулы, образовавшие сгущение, устремляются теперь в область разрежения близ поверхности шара и попадают там в то положение, из которого они опять будут вытолкнуты при очередном расширении шара. Движение молекул у поверхности шара передается молекулам, расположенным все дальше и дальше, хотя сами по себе молекулы совершают лишь колебательные движения к источнику и от него. Передающееся по воздуху чередование сгущений и разрежений молекул среды называется звуковой волной. Как мы уже заметили, молекулы воздуха колеблются вдоль распространения звуковой волны; это продольные колебания в отличие от поперечных колебаний, которые совершают частицы воды (вспомним, как мы раскачивались в лодке вверх-вниз: молекулы воды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны).
Расстояние от точки, расположенной в сгущении, до соответствующей точки в ближайшем сгущении или расстояние от некоторой точки в разрежении до соответствующей точки в следующем разрежении называют длиной волны и обозначают греческой буквой 2 (лямбда»). Иными словами, длина волны есть расстояние между двумя последовательными точками одинакового состояния колебаний. Молекулы воздуха колеблются, а значит, смещаются из своих исходных положений в воздухе. Максимальное смещение называют амплитудой звуковой волны, а число волн, проходящих через какую-либо точку пространства за одну секунду, частотой звука. Частота звука обычно равна частоте колебаний источника. Время, в течение которого волна проходит через какую-либо точку пространства за одно колебание, называют периодом волны.
А теперь представим себе, что звуковая волна, идущая от свободно колеблющегося источника, натолкнулась на какую-нибудь струну. Область повышенного давления двинет струну вперед, затем область пониженного зад, и так далее. Следовательно, источник звука, колеблющийся с определенной частотой, заставит колебаться струну-приемник с этой же частотой, т.е. с частотой звука. Колебания струны-приемника называются вынужденными, т. к. она колеблется с той частотой, которую ей навязывает звуковая волна, исходящая от источника.
А что если частота собственных колебаний струны-приемника окажется равной частоте источника звука? Сделаем небольшое отступление.
В начале века в Петербурге был цепной мост через Фонтанку. Он назывался Египетским. Через него проходил эскадрон гвардейской кавалерии. Лошади, обученные стройному церемонному маршу, шли в ногу, отлично отбивая шаг. Вдруг цепи моста лопнули, и он обрушился в воду; погибло чуть ли не сорок человек. Что же случилось? Оказалось, что частота собственных колебаний моста совпала с частотой шага кавалерии. Колебания моста настолько усилились, что конструкция не выдержала и цепи оборвались.
Явление резкого увеличения амплитуды колебаний возникает при совпадении частоты собственных колебаний тела с частотой другого колеблющегося тела, каким-либо образом передающего первому свою энергию. Если частота собственных колебаний струны-приемника окажется равной частоте источника звука, то амплитуда колебаний струны-приемника сразу намного увеличится. И тогда достаточно даже очень слабого звука, чтобы сильно «раскачать» струну-приемник. Это явление называется резонансом.
С какой же скоростью распространяется звуковая волна в воздухе? В разные времена ученые опытным путем получали разные значения от 328 до 337 м/с. Тщательные измерения установили, что скорость звука зависит от температуры, упругости и плотности вещества, в котором он распространяется. Чем больше эти величины, тем выше скорость звука. Так, скорость распространении звука в воздухе при 0°С и одной атмосфере давления близка к 332 м/с. С повышением температуры на один градус скорость звука увеличивается приблизительно на 0,6 м/с. К примеру, при 20°С она составляет уже 344,4 м/с. Когда повышается атмосферное давление, увеличиваются плотность и упругость воздуха, а следовательно, и скорость звука. Для простоты условимся, что скорость звука равна приблизительно 330 м/с. Между скоростью распространения звуковой волны Vзв., длиной волны λ и частотой f (или периодом Т, равным 1/f) существует следующая зависимость: λ = Vзв. * T = Vзв. / f
Запасы энергии звуковой волны обычно характеризуются величиной звукового давления и силой (интенсивностью) звука. Звуковое давление, как мы уже заметили, постоянно меняется, поэтому можно говорить о его амплитуде и мгновенном и эффективном значениях. Чаще всего используют характеристику «эффективное значение звукового давления» (при гармоническом колебании оно составляет 70% от величины давления, создающегося при максимальной амплитуде). Единица давления равна единице силы (веса), отнесенной к единице площади. В системе СИ это паскаль (Па). Он соответствует одному ньютону на квадратный метр (Нм2) (1 Н приблизительно равен 102 г). 1 Па по нашим житейским масштабам очень небольшая величина. Однако звуковое давление в 1 Па может создавать невыносимо громкий звук. Измерять звуковое давление в паскалях начали сравнительно недавно, до этого его измеряли в барах (эта единица и до сих пор встречается в литературе). Бар в десять раз меньше, чем паскаль, т. е. 1 бар = 0,1 Па = 0,1 Н/ м2, или 1 Па = 10 бар.
Сила, или интенсивность, звука указывает мощность, которую проносит звуковая волна через единичную поверхность, и измеряется в ваттах на давление и сила звука связаны квадратичной зависимостью: при увеличении звукового давления в десять раз сила звука возрастает в сто раз. Интенсивность звука зависит от амплитуды колебаний источника звука и от его площади: чем больше амплитуда и площадь, тем интенсивнее звук.
Нам еще предстоит разобраться, как устроено наше ухо, почему звук бывает «густым» или «прозрачным», и во многих других интересных вещах. Но обо всем этом мы расскажем позже, в следующих номерах. А сейчас пора включать аудиосистему и слушать музыку.
Самые важные органы человеческого слуха - среднее и внутреннее ухо.
Из ушной раковины звуковые волны проходят по извилистому туннелю длиной 2-3 см и, достигнув барабанной перепонки, вынуждают ее колебаться с частотой звука. Эти колебания через систему косточек (молоточек, наковальня, стремечко) передаются в главный отдел внутреннего уха - улитку и там преобразуются в серии нервных импульсов, которые по нервным волокнам поступают в слуховой нерв, а по нему в слуховые отделы головного мозга. Та часть внутреннего уха, где происходит преобразование механических колебаний в нервные импульсы, называется органом Корти. Нижняя его часть похожа на ленту, состоящую из огромного - порядка 30 000 - количества тонких волосков. Лента эта расширяется, а волоски, соответственно, становятся все длиннее и длиннее. В самой узкой части длина волосков около 0,1 мм, а в самой широкой - около 0,5 мм. Долгое время считали, что волоски распознают звук на основе резонанса. Помните, как струна-приемник реагировала на звук, частота которого совпадала с частотой ее собственных колебаний? Если перед роялем с открытой крышкой (правая педаль должна быть нажата, чтобы специальная конструкция не демпфировала струны) вы будете пропевать разные ноты, то заметите, что сильно откликаются именно те струны, которые соответствуют этим нотам. Они входят в резонанс со звуком, который вы издаете. Предполагалось, что наше ухо определяет сложный звук, состоящий из набора разных частот, таким же образом. Роль резонирующих струн отводили волоскам: они имеют разную длину, а значит, разные резонансные частоты. Однако от такой простой модели слуха пришлось отказаться. Во-первых, оказалось, что волоски не натянуты, в отличие от струн рояля, во-вторых, разница в их длине настолько мала, что не позволила бы кортиеву органу охватить весь частотный диапазон слышимых человеком звуков, действуй он по принципу резонанса. Значит, дело в другом. Несмотря на то, что строение уха, казалось бы, давно изучено, до сих пор точно не известно, как звуковые колебания преобразуются в нервный импульс.
Каков же частотный диапазон звуков, которые способно воспринять человеческое ухо? У разных людей он различен. Нижняя граница слышимых звуков - около 16 Гц, а верхняя - 18000-22000 Гц (18-22 кГц). Встречаются люди, которые слышат звуки частотой до 30 000 Гц и даже выше, но они являются исключением. С возрастом чувствительность слуха к высоким частотам падает. Нередко пожилые люди слышат лишь звуки частотой до 9-10 кГц. На практике обычно пользуются усредненным значением диапазона слышимых человеческим ухом частот: от 20 Гц до 20000 Гц. Звук, частота которого ниже 20 Гц, называют инфразвуком, а звук частотой выше 20 000 Гц - ультразвуком.
Что же касается диапазона воспринимаемых ухом звуковых давлений, то он огромен. Считается, что самый тихий звук, который может уловить человеческий слух, имеет интенсивность 10-12 Вт/м2 (при частоте 1000 Гц). Эта граница восприятия называется порогом слышимости. Если характеризовать его через звуковое давление, то он будет равен 2 х 105 Н/м2 (при частоте 1000 Гц). Если постепенно увеличивать силу звука, то при некотором ее значении возникнет неприятное ощущение, а затем боль в ушах. Максимально допустимое значение силы звука, превышение которого вызывает болевое ощущение, называется болевым порогом, при частоте 1000 Гц оно равно 100 Вт/м2. Как видим, интенсивность звука на пороге слышимости отличается от интенсивности звука болевого порога в 1014 степени раз!
Поэтому было бы очень неудобно постоянно пользоваться такими величинами, как интенсивность звука или звуковое давление. Куда практичнее пользоваться относительным сравнением звуков. Иначе говоря, мы хотим знать, насколько данный звук сильнее или слабее того, который нам уже знаком. Поэтому была принята единица, выражающая отношение интенсивностей или давлений звука и названная белом в честь Александра Грэхема Белла, имя которого часто упоминается в связи с изобретением телефона. При увеличении интенсивности в десять раз уровень звуков в белах возрастает на одну единицу. На практике и эта единица оказалась слишком большой, поэтому сейчас пользуются дробной единицей - децибелом (дБ), составляющим 0,1 бела.
Единицей «децибел» пользуются и в акустике, и во многих других областях науки: она позволяет не оперировать громадными числами, а применять сравнение в логарифмическом масштабе.
Напомним, что десятичный логарифм (lg) какого-либо числа это показатель степени, в которую надо возвести 10, чтобы получить данное число. Например, математическое выражение lg100=2 означает, что если возвести 10 в квадрат (во вторую степень), то как раз получится 100. Поэтому значение логарифма увеличивается всего на 2 единицы, скажем с 2 до 4, если само число увеличивается в 100 раз (lg100=2:Ig10000=4). Следовательно, большое изменение логарифмируемого числа приводит к сравнительно небольшому изменению логарифма. Такая зависимость называется логарифмической зависимостью. Использовать логарифмическую шкалу удобно еще и потому, что изменение чувствительности слуха подчиняется зависимости, близкой к логарифмической.
К примеру, если интенсивность одного звука равна I(1), а другого I(2), то считают, что один звук интенсивнее другого на К дБ, и вычисляют это к по формуле: K = 10 lg I(1) / I(2).
Так как интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, то число децибел К, на которое отличаются величины звукового давления первого звука Р1 и второго звука Р2, определяется формулой: К = 10 lg P12 / P22 = 20 lg P22 / P12
Например, если интенсивность одного звука в 1000 раз больше другого (зависимость I(1)/I(2)) это означает, что первый звук на 30 дБ интенсивнее, чем второй, а если звуковое давление одного звука в 1000 раз больше звукового давления другого (зависимость Р1/Р2), значит, по звуковому давлению первый звук превышает второй на 60 дБ.
Чтобы сделать яснее связь между числом децибел и отношением звуковых интенсивностей I1/I2 или звуковых давлений Р1/Р2, приведем следующую таблицу:
Вы, конечно, заметили, что до сих пор Мы пользовались такими выражениями: «один звук интенсивнее другого» или «по звуковому давлению один звук превосходит другой в два раза, то есть на 6 дБ» и т. п. Вы спросите, а почему не использовать слово «громче»? Все дело в том, что громкость - величина субъективная, и оценивает она меру слухового ощущения. Не случайно чуть выше, говоря о пороге слышимости и болевом пороге, мы сделали оговорку - при частоте 1000 Гц: чувствительность слуха в большой степени зависит от частоты воздействующего сигнала. Звуки разной частоты с одинаковыми уровнями интенсивности или звукового давления человеческим слухом воспринимаются с различной громкостью. Наиболее чувствительно человеческое ухо к частотам 3000-4000 Гц. Выше и ниже этой области частот чувствительность слуха падает.
В акустике для оценки уровня громкости применяется метод сравнения измеряемого звука с некоторым эталоном. Чтобы выяснить, как же меняется ощущение громкости в зависимости от частоты звука, было проведено множество экспериментов. Упрощенно эксперимент заключается в следующем. Два генератора синусоидального сигнала через специальный переключатель подсоединяются к акустической системе. Генератор А воспроизводит последовательно синусоидальные сигналы от 16 Гц до 20 кГц с некоторым шагом. Генератор воспроизводит только синусоидальный сигнал частотой 1000 Гц, принятый за эталонный. Система настроена так, что звуковое давление, создаваемое акустической системой при работе генератора А, при любой частоте остается одинаковым. Эксперимент начинают со значения звукового давления, равного порогу слышимости при частоте 1000 Гц, а именно 2 х 10-5 Н/м2. Прослушав сигнал частотой 16 Гц, наблюдатель переключается на генератор В и, изменяя уровень громкости эталонного сигнала частотой 1000 Гц в ту или другую сторону, устанавливает его таким, чтобы звук частотой 16 Гц, подаваемый с генератора А, и звук частотой 1000 Гц, подаваемый с генератора В, казались ему равногромкими. Устанавливаемое наблюдателем значение звукового давления, которое создается генератором В, заносится в график. Затем генератор А подает сигнал частотой 20 Гц, создавая то же значение звукового давления, и эксперимент повторяется. Затем - 30 Гц, и т. д.
На основании этих экспериментальных данных строится кривая, которую можно назвать частотной характеристикой слуха на пороге слышимости. Или, точнее, кривой равной громкости на пороге слышимости: если звуки разных частот прослушивать так, чтобы их звуковое Давление менялось в соответствии с полученной кривой, то они будут казаться одинаково громкими. Когда кривая построена, звуковое давление увеличивают так, чтобы оно превышало звуковое давление порога слышимости при частоте 1000 Гц, допустим, на 20 дБ. Эксперимент повторяется. Затем - на 30 дБ, и т. д. В результате получается ряд кривых, которые характеризуют чувствительность слуха к разным частотам при различных звуковых давлениях. Их называют кривыми равной громкости
Из графика видно: для того чтобы, к примеру, звук частотой 1000 Гц и звук частотой 50 Гц воспринимались человеком как одинаково громкие, давление звука частотой 50 Гц должно быть больше, чем давление звука частотой 1000 Гц, причем эта разница давлений меняется с изменением общего уровня громкости.
Если помните, порог слышимости при частоте 1000 Гц соответствует звуковому давлению 2 х 10-5 Н/м2. Но при этом же звуковом давлении тон частотой 50 Гц вообще не слышен, порог слышимости тона такой частоты на 42 дБ выше, чем порог слышимости тона 1000 Гц. На высоких уровнях громкости эта разница будет значительно меньше.
До сих пор мы говорили о звуке как о простом колебании воздуха, поведение которого можно математически описать синусоидой. Но реальный звук - что он собой представляет? Почему мы даем ему такие характеристики, как музыкальный», «немузыкальный», «высокий», «низкий», «деревянный», «стеклянный», «мягкий», «жесткий», «сухой», «густой», «тусклый», «прозрачный» и проч.,
Начнем с определений «музыкальный» и «немузыкальный». Немузыкальные звуки обычно называют шумом. Чем шум отличается от музыкального звука?
Каждый из нас из любого количества звуков выделит тот звук, который воспринимает как музыкальный. Можно определить музыкальный звук как такой, который вызывает положительный эмоциональный отклик. Поэтому, нужно честно признать, довольно сложно установить четкую границу между музыкальным звуком и шумом. Эмоциональный отклик на звук слишком индивидуален, а значит, и представления о «музыкальности» тоже могут очень отличаться: поспрашивайте у знакомых, как они расценят паровозный гудок, звон хрусталя, хлопанье пробки, вылетающей из бутылки... Это касается не только отдельных звуков, но даже и музыкальных произведений. Кто-то полагает, что рок совершенно немузыкален, что он больше похоже на шум, для других «диско» и «техно» музыкальны, а симфония и опера не отвечают их пониманию музыки. С точки зрения третьих, джаз - BOT единственная настоящая музыка, все остальное - шум. Однако большинство согласится, что звуки, издаваемые музыкальными инструментами или голосовыми связками певца, музыкальны, а скрип дверей и шарканье шлепанцев являются все же шумом, хотя и могут использоваться в музыкальных произведениях и вписываться туда очень даже музыкально.
На самом деле любой музыкальный звук, как правило, не свободен от шумового сопровождения. Внимательно вслушиваясь в звук органа, можно услышать свист потока воздуха, который сопровождает каждую звучащую ноту, слушая фортепьяно, заметим стук молоточков его механизма. Когда играет гитарист, часто можно слышать скольжение его пальцев по струнам, и звук этот является, скорее, шумовым, однако не воспринимается нами как совсем уж немузыкальный. Очень интересное толкование «музыкальности» и «немузыкальности» дал лорд Рэлей (1842 - 1919) в своей книге «Теория звука» (рус. пер.: М., 1955):
Хотя шумы иногда и не являются целиком немузыкальными, а ноты обычно не вполне свободны от шумов, нетрудно все же установить, какое из этих двух явлений является более простым. Музыкальные ноты отличаются тем, что имеют ровный и непрерывный характер; кроме того, заставив звучать несколько нот сразу - например, при одновременном ударе по нескольким соседним клавишам фортепьяно, Мы получим некоторое подобие шума, между тем как никакая комбинация шумов никогда не смогла бы слиться в музыкальную ноту.
Нам целесообразно направить свое внимание главным образом и в первую очередь на музыкальные звуки. Эти звуки естественным образом располагаются в определенном порядке соответственно высоте качество, которое до известной степени может оценивать каждый...» Ну что ж, замечательно! Давайте оценивать.
Если мы дернем верхнюю толстую струну гитары, а потом нижнюю тонкую, то услышим два разных звука. Наверное, каждый скажет, что верхняя толстая струна издает звук более низкий, чем нижняя тонкая. Иными словами, звук этих струн различается по высоте: один «высокий», другой «низкий». Но откуда такие «пространственные» определения? Оказывается, что Музыкальные звуки вызывают в нас, кроме всего прочего, пространственные представления. Вспомним звучание большого оркестра. Звуки тарелок как бы сыплются на нас сверху. Проникновенное пение скрипок располагается чуть ниже. Литавры со своим гулким голосом подпугивают нас снизу. А вот рояль, звуки которого по высоте имеют большой диапазон, уверенно прогуливается вверх и вниз, по всему пространству от звонких тарелок до грозных литавр.
Некоторые люди по-другому характеризуют высокие и низкие звуки как «тонкие» и «толстые». Тоже неплохо. Однако физики скажут однозначно: звуки различаются по высоте из-за частоты колебаний, у высоких звуков частота колебаний выше, чем у низких.
Но почему звук, взятый, например, на гитаре, отличается от звука точно такой же высоты, издаваемого балалайкой? Все дело в своеобразной окраске звука, т. е. тембре, скажете вы - и будете правы. Но что такое тембр? Если есть у вас гитара, давайте проведем опыт. Оставив свободной самую толстую (шестую) струну, заглушите остальные проденьте между ними, скажем, медиатор. Давайте найдем середину струны: это примерно над порожком, разделяющим двенадцатый и тринадцатый лад. Теперь дерните струну и, пока она звучит, быстро прикоснитесь к ней именно над двенадцатым порожком (не прижимая струну), а потом сразу отпустите ее. Прислушайтесь! Струна продолжает звучать, но гораздо тише и выше, на языке музыкантов - выше тоном.
Снова проделаем то же, но теперь уже над седьмым порожком, а затем над четвертым, пятым, девятым. Каждый раз звук будет все выше и слабее. Оказывается, звучащая струна колеблется не только вся целиком, но и своими частями: каждой половинкой, третью, четвертью и т. д. Когда вы прикоснулись к струне посередине, то заглушили целую струну, но продолжают колебаться половинки, трети, четверти и пр. - их-то вы и слышали. Коснувшись струны над седьмым порожком, вы заглушили и половинки, остались звучать трети, четверти, и так далее.
Такова природа упругих колебаний. Тело, колеблющееся под действием сил упругости, колеблется не только целиком, но и своими частями. И столб воздуха, находящийся в трубе духового инструмента, и голосовые связки человека колеблются по этому же закону. Причем частота колебаний половинок колеблющегося тела вдвое выше, чем всего тела, частота колебаний третей - втрое выше. Например, если частота колебаний всей струны 100 Гц, то половинок ее 200 Гц, третей - 300 Гц, четвертей 400 Гц, и т. д. Эти-то колебания частей создают дополнительные призвуки, которые музыканты называют обертонами, а физики и математики - гармониками. Неповторимое сочетание интенсивностей гармоник придает индивидуальную окраску звучанию каждого инструмента и вообще всему, что звучит. Однако человечески слух, независимо от интенсивности различных обертонов, определяет высоту по самой низкой частоте, присутствующей в звуке; в случае струны - частота колебаний всей струны. Ее и называют тоном или высотой тона. А по-физически» это всего лишь первая гармоника. У музыкантов частоты тонов стандартизованы и называются нотами. Следовательно, любая нота, издаваемая музыкальным инструментом, содержит не только частоту основного тона, но и кратные ему частоты, которые не разделяются слухом на самостоятельные ноты. Для слуха это лишь призвуки, но они определяют тембр. Вы, конечно, догадались, что, к примеру, тембр гитары определяется не только соотношением амплитуд колебаний различных частей струны. Ведь гитара имеет корпус, который, по-разному «откликаясь» на различные по частоте колебания, придает звучанию именно тот характер, по которому мы гитару и узнаем. Но так как нет на свете совершенно одинаковых корпусов и струн, то нет и совершенно одинаково звучащих гитар. А теперь давайте вспомним звук, сопровождающий испытательную таблицу, которую транслируют по телевидению перед началом программ. Как его можно описать? Наверное, как холодный, скучный, бездушный.... Это звук, создаваемый громкоговорителем при помощи «чистого» синусоидального сигнала частотой 1000 Гц. У него нет обертонов. Его специально «синтезирует» электронный генератор частот для настройки радиоаппаратуры. Однако любой «живой» звук не может не иметь обертонов. Поэтому, хотя испытательный сигнал частотой 1000 Гц, по определению лорда Рэлея, является музыкальным, вы согласитесь, что от музыкальности он далек.
А что нам известно о диапазоне музыкальных нот и почему названий нот только семь? Для чего черные клавиши на рояле? Об этих и многих других интересных вещах мы поговорим в следующий раз.