Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

В МИРЕ ЗВУКОВ. КАК ДОБЫВАЕТСЯ ИСТИНА...

В. МЕРКУЛОВ.

СКОРОСТЬ ЗВУКА

Титульный лист труда И. Ньютона "Математические начала натуральной философии" с пометками автора. В этой книге великий физик попытался вывести теоретическую формулу для определения скорости звука. К сожалению, формула оказалась не вполне корректной.
Титульный лист труда И. Ньютона "Математические начала натуральной философии" с пометками автора. В этой книге великий физик попытался вывести теоретическую формулу для определения скорости звука. К сожалению, формула оказалась не вполне корректной.
Немецкий ученый Эрнст-Фридрих Хладни в начале XIX века установил верхнюю границу частотного диапазона человеческого слуха.
Немецкий ученый Эрнст-Фридрих Хладни в начале XIX века установил верхнюю границу частотного диапазона человеческого слуха.
В конце XVIII века французский математик Жан-Батист-Жозеф Фурье, занимаясь теорией  теплообмена, для описания непериодических процессов применил интеграл, названный  впоследствии его именем.
В конце XVIII века французский математик Жан-Батист-Жозеф Фурье, занимаясь теорией теплообмена, для описания непериодических процессов применил интеграл, названный впоследствии его именем.
Колебания произвольной формы можно разложить на гармонические составляющие. Но существует и обратный процесс, когда, складывая различные гармоники, получают сигнал нужной формы. На этом принципе работают музыкальные синтезаторы.
Колебания произвольной формы можно разложить на гармонические составляющие. Но существует и обратный процесс, когда, складывая различные гармоники, получают сигнал нужной формы. На этом принципе работают музыкальные синтезаторы.
Музыкальные инструменты различаются не только спектром, но и высотой звучания. Диапазоны основных тонов отмечены сплошной заливкой, а обертоны - штриховкой.
Музыкальные инструменты различаются не только спектром, но и высотой звучания. Диапазоны основных тонов отмечены сплошной заливкой, а обертоны - штриховкой.
Солист норвежской группы "a-ha" Мортен Харкет (крайний слева) обладает уникальным голосом с диапазоном в пять октав.
Солист норвежской группы "a-ha" Мортен Харкет (крайний слева) обладает уникальным голосом с диапазоном в пять октав.
Современные домашние музыкальные театры воспроизводят весь диапазон как основных тонов, так и высших гармоник голосов и музыкальных инструментов с достаточной для комфортного восприятия громкостью.
Современные домашние музыкальные театры воспроизводят весь диапазон как основных тонов, так и высших гармоник голосов и музыкальных инструментов с достаточной для комфортного восприятия громкостью.
Диаграмма направленности человеческого уха показывает, что звуки с частотой менее 1 кГц (красная линия) мы слышим практически одинаково со всех сторон.
Диаграмма направленности человеческого уха показывает, что звуки с частотой менее 1 кГц (красная линия) мы слышим практически одинаково со всех сторон.
Слух теперь можно проверить с помощью специального компакт-диска.
Слух теперь можно проверить с помощью специального компакт-диска.
Для проверки слуха в диапазоне частот до 20 000 Гц применяются приборы аудиометры, которые работают совместно с компьютерами.
Для проверки слуха в диапазоне частот до 20 000 Гц применяются приборы аудиометры, которые работают совместно с компьютерами.
Звуковой "градусник" показывает, сколько времени человек может выдерживать громкие звуки без опасности для здоровья.
Звуковой "градусник" показывает, сколько времени человек может выдерживать громкие звуки без опасности для здоровья.

История не сохранила имени наблюдателя, который первым заметил, что звук распространяется с меньшей скоростью, чем свет. Но известно, что первые попытки измерить скорость звука предпринимались во Франции в XVII веке. Звуковыми "генераторами" служили огнестрельные орудия (мушкеты и пушки). В 1630 году известный в то время физик и математик М. Мерсенн (1586-1648), заметив вспышку, подсчитывал удары пульса или отмечал по часам время, когда до него доносился звук выстрела. По результатам экспериментов скорость звука у него получилась равной 448 м/с.

Через пять лет, в 1635 году, другой ученый, П. Гассенди (1592-1655), по похожей методике попытался определить, есть ли разница в скорости распространения звука от более звонкого ружейного выстрела и более глухого пушечного. Оказалось, что скорость звука от его частоты не зависит.

Первую математическую формулу для расчета скорости звука предложил великий английский физик и математик И. Ньютон (1643-1727). В знаменитой работе "Математические начала натуральной философии" он на основании недавно открытого закона Бойля - Марриотта о неизменности произведения объема на давление при постоянной температуре вывел значение скорости звука как квадратного корня из отношения атмосферного давления к удельному весу (плотности) воздуха. Для нормальных условий скорость звука получалась равной 298 м/с.

Ньютон понял, что его формула некорректна после того, как сам экспериментально проверил результат. Он измерял время эха от хлопка в ладоши, стоя между двумя параллельными стенами, находивши мися на расстоянии 200 м одна от другой, и получил скорость звука около 340 м/с.

В 1738 году члены Парижской академии наук решили повторить опыт Мерсенна, выбрав для этого холм Монмартр (Холм мучеников), находившийся тогда в пригороде Парижа. Световые вспышки с возвышения видны с большего расстояния; после выстрела звуковая волна движется к наблюдателю дольше, и измерение скорости звука получается с меньшей погрешностью. При температуре 20о С была зафиксирована скорость звука 337,3 м/с, а при температуре 0о С скорость звука составляла 332 м/с.

В 1816 году французскому математику и астроному П. С. Лапласу (1749-1827) удалось обнаружить, в чем была ошибка Ньютона. Тот полагал, что колебания частиц в атмосфере происходят без изменения температуры (в изотермических условиях). Однако при движении звуковой волны в воздухе возникают области сжатия и разрежения, где воздух соответственно нагревается (скорость молекул возрастает) и охлаждается (скорость молекул уменьшается).

В 1822 году измерениями скорости звука занялся цвет французской науки. Члены Комиссии мер и весов и Парижской академии наук Д. Араго (1786-1853), Ж. Гей-Люссак (1778-1850), А. Гумбольдт (1769-1859) и другие, чтобы компенсировать влияние ветра на измерения, распорядились установить вблизи Парижа артиллерийские пушки на расстоянии 18 613 м, а исследователи, разбившись на две группы, дежурили у обеих. Пушки стреляли по очереди с интервалом 5 мин. Усредненное время прохождения звуковых сигналов при температуре 20о С составило 54,6 с, что соответствовало скорости звука 340,9 м/с. Проведенные измерения подтвердили правильность теоретических выкладок Лапласа.

В ХХ веке для измерения скорости звука стала применяться электронная аппаратура. Метод измерения скорости звука прост и доступен даже радиолюбителям. Нужны два микрофона, осциллограф и усилитель низкой частоты с динамиком. Громкоговоритель и микрофоны один за другим располагают по прямой линии. На усилитель подается электрический импульс, и на осциллографе фиксируется время прохождения звукового сигнала между микрофонами.

По последним данным, скорость звука при температуре 20о С и нормальном атмосферном давлении на уровне моря равна 344 м/с (1238 км/ч); при температуре 30о С - 349 м/с; при 10о С - 337 м/с; при 0о С - 331,45 м/с; при -10о С - 325,2 м/с.

Интересно рассмотреть распространение звука от источника, расположенного на открытой движущейся платформе. Если источник поместить посредине платформы, а два приемника на ее концах, то частота сигнала, принимаемая передним источником, будет выше, чем у излучаемого сигнала. Задний источник зафиксирует частоту ниже излучаемой. Хотя приемники неподвижны, из-за встречного потока воздуха возникает своеобразный доплеровский эффект.

ЧАСТОТНЫЙ ДИАПАЗОН

Первым попытался определить частотные границы человеческого слуха французский ученый Ж. Савер (1653-1716). По его данным, опубликованным в Трудах Парижской академии наук в 1707 году, человек слышит звуки частотой от 25 до 12 800 кГц. Спустя почти 100 лет, в 1802 году, немецкий физик Э. Хладни (1756-1827) привел более точные данные и указал, что верхняя граница слышимых звуков составляет 22 000 Гц. Кстати, он же ввел в научный обиход термин "акустика" от греческого слова, означавшего "способность слышать".

Во второй половине XIX века среди врачей отоларингологов сложилось устойчивое мнение, что взрослый человек слышит звуки в частотном диапазоне 20-20 000 Гц.

Находились и исключения: известный немецкий физик и врач Г. Гельмгольц (1821-1894) сообщал о пациентах, слышавших писк с частотой 40 000 Гц. В настоящее время установлено, что звуки частотой 25-34 кГц способны слышать некоторые дети в возрасте до 7 лет.

СПЕКТР

Человеческая речь и звучание музыкальных инструментов, раскаты грома и шум моторов - все это колебания воздуха, у которых могут меняться форма, амплитуда, частота. На осциллограммах различные звуки выглядят похожими, но человеческое ухо легко узнает их источник. Дело в том, что каждый звуковой сигнал имеет свой спектр.

Немецкий физик Г. Ом (1787-1854), открывший известный закон, связывающий электрический ток, напряжение и сопротивление, в 1843 году опубликовал статью, в которой утверждал, что сложные звуки представляют собой комбинации простых (гармонических) колебаний с кратными частотами и их математически можно анализировать с помощью рядов Фурье. В 1862 году ту же мысль высказал в своей работе "Учение о слуховых ощущениях" Г. Гельмгольц.

Практическая потребность изучения спектрального состава звуков возникла в 20-х годах ХХ века, когда появились электронные усилители звуковой частоты, а также электрические микрофоны, наушники и громкоговорители. Проблема состояла в определении минимальной полосы пропускания канала, чтобы качество звучания на выходе позволяло однозначно распознать источник звука. Оказалось, что речь достаточно хорошо передается при ширине полосы пропускания до 2,5 кГц; для воспроизведения музыки была необходима полоса шириной не менее 6 кГц, поскольку основные тоны высоко звучащих инструментов (флейты или скрипки) составляют 3-5 кГц. Правда, при этом звук кажется "плоским", поскольку в нем отсутствует большая часть обертонов. И это на себе ощущали радиослушатели, когда основные трансляции шли на длинно- и средневолновом диапазонах с амплитудной модуляцией (кстати, и по сей день люди, не слишком искушенные в музыкальном искусстве, при прослушивании программ предпочитают "заваливать" область высоких частот, ограничивая полосу воспроизведения верхней границей 6 кГц). Естественного звучания музыкальных инструментов можно добиться при ширине полосы 14-20 кГц.

Сейчас звуковые спектры можно получать практически в режиме реального времени благодаря компьютерам, которым достаточно мгновения, чтобы разложить колебание произвольной формы в ряд Фурье.

Такая техника может стать хорошим подспорьем при обучении певцов и при изготовлении музыкальных инструментов, когда субъективное восприятие звука дополняется беспристрастным математическим анализом.

ГРОМКОСТЬ

Если бы человеческий глаз мог воспринимать сигнал той же энергии, что и ухо, то мы видели бы свет 10-ваттной лампочки на расстоянии 100 км. Высокой чувствительности нашего органа отчасти помогает строение ушной раковины, напоминающей рупор. Она имеет не- круговую диаграмму направленности, поэтому человек лучше слышит звуки от источников, находящихся впереди на уровне головы. Звуки, идущие сверху и сзади, воспринимаются хуже, особенно в области высоких частот. Поэтому фронтальные звуковые колонки должны быть такой высоты, чтобы СЧ- и ВЧ-головки находились примерно на уровне глаз слушателя, а тыловые колонки могут быть попроще и вообще не иметь ВЧ-головок.

С возрастом острота слуха уменьшается. У пожилых людей не только растет порог слышимости, но и ухудшается восприятие высоких частот, то есть сокращается частотный диапазон.

Когда-то проверить слух можно было простым способом. В эпоху ламповых и транзисторных телевизоров аппарат вскоре после включения начинал издавать негромкий тонкий свист: это начинал работать генератор строчной развертки, частота которого составляла 15 625 Гц. Этот звук слышали не все, но, если слышали, это означало, что слух в норме.

Сейчас телевизоры работают молча, но появились другие доступные средства контроля слуха. Например, на Западе продаются специальные компакт-диски, звуковые файлы можно найти и на многих сайтах в Интернете. Разумеется, слух можно проверить в поликлиниках и специализированных аудиоцентрах. Если в хозяйстве есть обыкновенный звуковой генератор, то слух можно проверить и с его помощью.

На остроту слуха отрицательно влияет и длительное воздействие громких звуков. Например, среди работниц ткацких фабрик многие страдают профессиональной тугоухостью. Шум и грохот угнетающе действуют также на нервную систему.

Напоследок несколько курьезных советов, которые должны помочь меломанам получать полноценное удовольствие от любимых произведений благодаря тонкому и острому слуху. Оториноларинголог Н. И. Кудряшова в своей книге "Слух", изданной в 2000 году, указывает на связь слуха и состояния ног. Оказывается, слух обостряется, если ступни остаются сухими. Поэтому нужно чаще мыть ноги холодной водой и не пользоваться синтетическими и хлопчатобумажными носками, которые быстро намокают от пота. Желательно носить носки из шелка или льна, причем белые, поскольку некоторые красители в контакте с потом образуют вредные химические соединения.


Случайная статья


Другие статьи из рубрики «Наука. Поиск истины»

Детальное описание иллюстрации

В конце XVIII века французский математик Жан-Батист-Жозеф Фурье, занимаясь теорией теплообмена, для описания непериодических процессов применил интеграл, названный впоследствии его именем. Периодические процессы, к которым относится звук, описываются частным случаем этого интеграла, называемым рядом Фурье.
Диаграмма направленности человеческого уха показывает, что звуки с частотой менее 1 кГц (красная линия) мы слышим практически одинаково со всех сторон, а звуки с частотой более 1 кГц (синяя линия) лучше доносятся от источников, расположенных справа или слева.