Что же такое звук?
Говоря о звуке просто, можно представить его в виде уплотнения среды, перемещающегося прямолинейно в направлении прочь от источника колебаний. Второе сравнение – морская волна. Подобно звуку, волну можно рассмотреть как некоторое «уплотнение» среды, перемещающееся в пространстве с определенной скоростью. Так же, как и звук, морская волна теряет свою «уплотненность» с расстоянием, постепенно угасая. Угасание звука намного интенсивнее, чем у морской волны. Оно обратно пропорционально квадрату расстояния от источника звука.
Скорость распространения звука в газах зависит от природы газа, плотности среды, температуры и статического атмосферного давления. Для жидких и газообразных сред – в основном от природы среды. Так, в воздухе эта величина составляет от 330 до 345 м/с при изменении температуры от 0 до 20 градусов по Цельсию, в воде – около 1 500 м/с, в стали – 6 000 м/с. Рекордсменом по скорости распространения звука является металлический бериллий – 12 500 м/с.
Сравним все эти скорости со скоростью света и заметим, что они ничтожно малы. В вакууме скорость света составляет около 300 000 000 м/с. Становится понятным, отчего взрыв, произошедший вдалеке от нас, слышен не сразу. Приблизительно каждые 330 метров от нас до источника звука добавляют 1 секунду к разнице между картинкой визуальной и звуковой. То же относится и к вспышке молнии. Засекая время от момента вспышки до первых звуков раската, вы с легкостью определите, на каком расстоянии от вас она произошла. Просто разделите количество секунд на три – и получите расстояние до ближайшей к вам точки вспышки в километрах.
Рассмотрим механизм возникновения звуковых волн и их распространения в пространстве. Представьте себе динамик с колеблющейся мембраной. Наверняка, каждый из вас видел дрожание этой мембраны. Каждое движение мембраны по направлению к нам создает уплотнение воздуха, последующее движение мембраны от нас создает разрежение в воздухе. Частота такого «дрожания» определяет частоту (высоту) звука, а амплитуда дрожания мембраны, т.е., расстояние, на которое она смещается – громкость звука. Последовательность таких уплотнений-разрежений передвигается со скоростью, указанной выше, к нашему уху. Следует отметить, что скорость звука не зависит от его частоты.
Интересной особенностью звука является изменение его частоты в случае, когда источник движется с постоянной скоростью. Звук сирены приближающейся пожарной машины, движущейся по направлению к нам, выше, чем у стоящей на месте, а от удаляющейся – соответственно ниже. Прочтя рассуждения ниже, можно представить себе причину такого явления.
Для тех, кто любит визуализировать все, с чем сталкивается, изобразим звук графически. Система координат: амплитуда (вертикальная ось, ордината) – время (горизонтальная ось, абсцисса). Под амплитудой можно понимать:
а) положение колеблющейся мембраны динамика относительно положения покоя, когда она не издает никаких звуков (это определение амплитуды, близкое к реальности, введем для облегчения понимания);
б) значение избыточного (недостаточного) давления, создаваемого мембраной в среде в результате своих колебаний (более точное определение). В этом случае мы подбираемся к общепринятому термину звуковое давление.
Чистый звук определенной частоты на таком графике будет выглядеть синусоидой. Увеличение громкости звука приведет к растяжению этой синусоиды по вертикальной оси, увеличение частоты – к сжатию по горизонтальной. Принцип работы всех источников звука приблизительно одинаков, будь то уже упомянутый динамик или голосовые связки лектора. Наше ухо, в силу постоянства скорости звука при одинаковых условиях, воспринимает такую последовательность колебаний как однородный гул, звон, писк. Однако если источник звука движется на нас, частота появления пиков максимума на графике увеличится, приводя к повышению частоты звука. По аналогии, при движении машины от нас, частота звука уменьшится.
Остается лишь добавить, что человеческое ухо может воспринимать колебания воздуха частотой от 16 до 20 000 Герц (колебаний в секунду). Диапазон частот человеческого голоса также довольно обширен – от 70 до 9 000 Гц. Верхний предел в 20 кГц смогут уловить лишь единицы из нас, поэтому иногда указывают цифру порога слышимости в 16 кГц. Все звуки с частотой вне указанного диапазона относятся к инфразвукам (ниже 16 Гц), либо ультразвукам (выше 20 кГц). Это отнюдь не означает, что такие звуки не может услышать никто. К примеру, считается, что дельфины способны слышать звуки частотой от 100 вплоть до 200 000 Гц, а кошки и собаки обладают порогом восприятия в 60 и 40 кГц соответственно. Возможно, именно звуками, нам недоступными, можно объяснить порой неординарное поведение наших домашних любимцев.
Восприятие звуков человеком.
Похоже, мы уже определились, что же собой представляет звук в воздухе. Это сплошной поток уплотнений воздуха, причем степень их уплотненности говорит о громкости, а частота – о высоте звука. Как же наш организм распознает эти потоки?
Механизм слухового восприятия и биомеханика процесса восприятия звука была полностью воссоздана лишь в конце 50-х прошлого века. Колоссальную роль в этом сыграл ученый Георг Бекеши (Bekesy, Georg Von), родом из Венгрии. Началом его исследований еще в 20-х стал один из вечных двигателей прогресса – рекламации.
Все дело в том, что едва установленная в те годы, телефонная сеть Венгрии служила промежуточным звеном в европейской сети. Нужно ли говорить о том, что любые неполадки легче всего было списать на неотлаженность венгерских линий? Вот тогда-то молодой Георг и получил задание от руководства научно-исследовательской лаборатории министерства связи Венгрии – разобраться и установить причину. Со временем Георг расставил все по местам. В большинстве случаев причиной рекламаций являлось несовершенство телефонных аппаратов, мембраны которых искажали голос до неузнаваемости. Судьбоносное заключение повлекло за собой начало исследований Георгом строения органов слуха.
Результатом исследований стало полное раскрытие сути процесса восприятия звука ухом, последовавший за этим прорыв в области медицины и вполне заслуженная Нобелевская премия в области физиологии и медицины в 1961 году. Благодаря Георгу Бекеши мы сможем свободно и уверенно, хотя и вкратце, рассмотреть строение и механизм функционирования уха.
Ухо человека состоит из трех отделов.
Первый – самый простой – носит название наружного уха. Его строение и функции понятны. Они целиком направлены на улавливание звука. Завершается наружное ухо барабанной перепонкой.
Второй отдел – среднее ухо. Колебания от барабанной перепонки передаются на сложную систему из трех косточек, носящих красивые названия «молоточек», «наковальня» и «стремечко». Их функция – гасить амплитуду колебаний, увеличивая их силу. Это нужно для того, чтобы точно передать колебания в звукопринимающий отдел уха – внутреннее ухо. Усиление колебаний происходит благодаря рычажному механизму работы слуховых косточек. Примечательно, что среднее ухо снабжено защитным механизмом: при очень высоком уровне громкости, т.е, звукового давления, специальные мышцы натягивают барабанную перепонку, тем самым гася амплитуду колебаний передаваемых ею на слуховые косточки и, как следствие, предохраняя от повреждения крайне чувствительное внутреннее ухо.
Основным органом внутреннего уха является улитка. Напоминая представителя фауны по форме, улитка имеет сложное строение. Вкратце скажем, что основными органами улитки являются мембрана и волосковые клетки, являющиеся звуковыми рецепторами. Колебания от слуховых косточек проходят путь через столб жидкости до поверхности мембраны, вызывая ее колебания. Существует несколько теорий объяснения дальнейшего развития событий. Согласно теории Бекеши, поверхность разных участков мембраны обладает разными физическими свойствами. Поэтому колебания различной частоты вызывают колебания различных ее участков. То есть, низкие частоты вызывают колебания одного участка мембраны, а высокие – совершенно другого. Вот эти колебания и передаются волосковым клеткам, контактирующим с мембраной. Теория объясняет как частотное различение звука, так и разделение по громкости. Чем громче звук – тем, естественно, сильнее колеблется мембрана и волосковые клетки получают более интенсивный сигнал.
Дальнейшее прохождение преобразованного звукового сигнала – задача нервной системы. Стоит добавить, что существуют два вида проводимости звука: воздушный и костный. В обычных условиях преобладает первый путь передачи звука. Костный путь начинает играть роль, скажем, при погружении человека под воду. И, если при воздушном способе передачи путь звука лежит через наружное и среднее ухо, то в случае костного звуковые колебания передаются через кости черепа непосредственно в улитку.
Из особенностей человеческого уха стоит отметить наибольшую его чувствительность к звукам частотой от 1000 до 3000 Гц, что лежит в области частот человеческой разговорной речи. Это означает, что колебания с такой частотой ухо воспринимает при сравнительно малых уровнях звукового давления.
Следующей замечательной особенностью слуха человека является его бинауральность. Это означает свойство, возникающее из парности слухового органа. Благодаря бинауральности, мы можем определить направление, в котором находится источник звука. Исключительная чувствительность и идеальная настройка звукового анализатора позволяет уловить разность во времени между звуковыми сигналами, пришедшими в левое и правое ухо, несмотря на то, что это время составляет десятитысячные доли секунды. В дополнение к этому, левое и правое ухо при несимметричном положении источника звука слышат его с различной громкостью.
Автор материала: Сергей
