Б. Суслов - Звук и слух

Итак, звук рождается колебательным движением тел. Однако далеко не всякое колебание сопровождается звуком. Тело издаёт звук, воспринимаемый ухом, только в том случае, если оно колеблется не меньше 16 и не больше 20 000 раз в одну секунду. Однако неверно было бы думать, что тело, колеблющееся с частотой, скажем, 10 или 30 000 раз в секунду, не звучит. Медленно колеблющийся маятник тоже звучит, как звучат тела и при ста тысячах колебаний в секунду. Только мы этих звуков не слышим. Звуки с частотой меньше 16 называют инфразвуками, а с частотой больше 20 000 — ультразвуками. В этой книге мы будем говорить главным образом о звуках слышимых.

Чем же отличаются друг от друга звуки, имеющие различные частоты? Сделайте такой простой опыт. Возьмите обыкновенную пилу и тонкую дощечку. Проведите медленно дощечкой по зубцам пилы (рис. 4); вы услышите отдельные удары — стуки доски о зубцы. Проведите несколько быстрее, и вы услышите низкий, густой звук. Чем быстрее водить дощечкой по зубцам, тем выше будут звуки. Вспомните, как пронзительно воет электрическая дисковая пила, когда она разрезает полено. Всё это убеждает нас в том, что чем больше частота, то есть чем больше колебаний в секунду совершает тело, тем выше издаваемый им звук.

Рис. 4. Опыт получения звука с пилой и дощечкой

Интересно отметить, что при возникновении звука определенной высоты совершенно безразлично, какое тело колеблется и что является причиной колебаний. Любые тела, колеблющиеся, например, 500 раз в секунду, всегда дадут звук одной и той же высоты, будет ли это струна гитары, колокольчик или свисток. И наоборот, если мы слышим звук данной высоты, то можем уверенно сказать: звучащее тело колеблется 500 раз в секунду. Так по высоте звука может определяться частота колебаний тела.

Эта закономерность часто помогает нам в жизни. Например, наливая в тёмную посуду жидкость, мы по изменению высоты звука определяем, когда она наполнится.

Когда автомобиль идёт по ровной дороге, гул работающего мотора имеет одну высоту; если же на пути встречается подъём, мотор снижает число оборотов, машина замедляет ход, и гул становится другим, более низким. Прислушиваясь к этим звукам, шофёр своевременно переводит регулятор скорости. Мотор снова увеличивает обороты, и высота гула приближается к прежней.

По высоте звука без труда можно определить, идёт ли тяжёлый танк с дизельным мотором или танк лёгкого типа, снабжённый бензиновым мотором. Звук последнего, как правило, более высокий.

Как же доходит до нашего уха возникший где-нибудь звук?

Бросьте в воду камень. По её поверхности тотчас же разойдутся круговые волны, уходящие всё дальше и дальше от места падения камня. На первый взгляд кажется, что вместе с волной уходят и отдельные частицы воды. Но если бросить на поверхность воды лёгкую щепку, то можно увидеть, что щепка только покачивается вверх и вниз; она в точности повторяет движение окружающих её частиц воды. Когда волна набегает, щепка поднимается вверх — на гребень; волна прошла — и щепка снова возвращается на прежнее место. Она не движется по направлению движения волны, не следует за волной. Значит, и частицы воды, образующие волну, не уходят с ней, а только колеблются вверх и вниз.

На рис. 5 показано, как частицы одна за другой приходят в колебательное движение, образуя волну.

Распространение звука можно сравнить с распространением волны по воде. Только вместо брошенного в воду камня имеется колеблющееся тело, а вместо поверхности воды — воздух.

Рис. 5. Схематическое изображение водяной волны. Стрелками показано направление движения отдельных частиц воды

Пусть источником звука будет камертон. Это — небольшой стальной изогнутый стержень с ножкой на изгибе (рис. 6). Камертоном часто пользуются при настройке музыкальных инструментов. Лёгким ударом по камертону можно заставить его звучать. В первое мгновение после удара ветвь камертона отклоняется, допустим, вправо; при этом она толкает вправо и прилегающие к ней частицы воздуха. Тогда в каком-то маленьком пространстве около камертона воздух окажется сгущённым. Но в таком состоянии частицы воздуха оставаться не могут. Стараясь разойтись, они потеснят своих соседей справа, и сгущение очень быстро передастся от одного слоя воздуха другому. Но и ветвь камертона не останется в покое. В следующий момент она уже отклонится влево и потеснит частицы воздуха с левой стороны. А справа воздух окажется теперь разрежённым. Это разрежение так же, как и сгущение, быстро сообщится всем слоям воздуха.

Рис. 6. Камертон

При следующем колебании повторится та же картина. Таким образом, каждое колебание ветви камертона создаст в воздухе одно сгущение и одно разрежение. Чередование таких сгущений и разрежений и есть звуковая волна. Сколько колебаний совершает камертон, столько отдельных сгущений — «гребней» и разрежений — «впадин» посылает он в воздух. Когда такая волна достигает уха, мы её и воспринимаем как звук.

Однако между водяными и звуковыми волнами есть существенная разница. Водяные волны распространяются кольцеобразно и только по поверхности. Звуковые же волны заполняют всё пространство около звучащего тела. Кроме того, в водяной волне колебания отдельных частиц совершаются вверх и вниз поперёк направления волны, а в звуковой волне частицы колеблются вперёд и назад вдоль волны. Поэтому волны на поверхности воды называются поперечными, а звуковые — продольными.

Но какая бы волна ни была, частицы вещества, участвующие в колебательном движении, никогда не перемещаются вместе с волной. И сама волна — это только передача движения от одной колеблющейся частицы другой.

Понять это ещё лучше помогут кости домино. Поставьте все их в ряд, недалеко друг от друга, и толкните первую кость (рис. 7). Падая, она увлечёт за собой вторую кость, вторая — третью и так далее. Через короткое время все кости будут лежать. Каждая из них осталась на своём месте, а передалось по всему ряду только движение.

Рис. 7. Падающие кости домино напоминают распространение звуковой волны

Точно так же из уст говорящего человека частицы колеблющегося воздуха не летят в уши слушающего, а передаётся лишь движение частиц, образующих отдельные сгущения и разрежения.