Михаил Кушнир
Акустика на пальцах
Голова пылает.
А в учебнике физики звук упоминают мельком в теме «Волны». Конечно, волны, не поспоришь. Но в стольких видах и настолько интересно, многогранно, что за «мельком» обидно. Попробуем компенсировать это «мельком». Причем, я абсолютно уверен, что потом будет масса замечаний, что я незаслуженно забыл упомянуть одно, другое, третье… И это будет абсолютная правда, подтверждающая многогранность темы.
Как учил нас Брон – главное надо понять «на пальцах», потом уже можно и формулы нагромоздить. Я так и построил этот текст. Одна формула все же будет, чтобы осмысленно соотносить описываемые явления с окружающей геометрией пространства.
Про иллюстрации
Художник я никакой, а сбор прав на использование существующих в Интернете иллюстраций непрост. В связи с этим в тексте будут ссылки на источники с иллюстрациями. Зато там часто не просто иллюстрации, а тексты на близкие темы. Я оставил для лучшего представления лишь редкие схемы и одну фотографию, сделанную лично, поэтому коллеги и собственные дети стращают провалом в среде современных детей, привыкших к изобилию медиа. Посмотрим. Включайте воображение.
Стартовое напутствие
Лучше читать вместе с кем-то, с кем приятно обсудить или поспорить. Важные понятия выделены в тексте жирным шрифтом. Беглый обзор полезных для понимания понятий и явлений вынесен в конец в виде приложения. Сами решайте, стоит его смотреть или нет, когда смотреть и как – в учебнике это все тоже есть.
Акустика человека
Как мы слышим и дышим
Человек слышит звуки в диапазоне 20 Гц – 20 кГц. Диапазон условный. Верхние частоты до 20 кГц слышат далеко не все, причем с возрастом граница опускается. Неслышимые низкие частоты, до порога слышимости, называют инфразвук. Неслышимые высокие частоты, выше порога слышимости, называют ультразвук. Порог слышимости на разных частотах у человека разный. Лучшая чувствительность человека к звуку в диапазоне от 500 Гц до 5 кГц.
Звук, приходящий снаружи, попадает к нам по воздуху в уши1. Воздух раскачивает барабанную перепонку. К перепонке прижата костная конструкция, которая достукивается до нерва нашего слухового восприятия. Когда что-то не так в ухе, передача колебания перепонкой ухудшается, она плохо раскачивает слуховые косточки.
Наличие двух ушей позволяет нам определять направление на источник звука. Это называется бинауральный эффект. Причем, важнее не различие в громкости, а запаздывание – чем раньше звук достиг одного уха, тем ближе источник к нему. Стереонаушники при электроакустической обработке сигналов могут имитировать движение источника звука вокруг нас. Несимметричность ушей спереди и сзади помогает различать источник звука спереди и сзади. Но уши иногда удается обмануть.
Можете сами провести эксперимент с закрытыми глазами безо всяких наушников. Нужно два ассистента с монетками. Они должны стоять строго на оси между ушами на одинаковом расстоянии спереди и сзади. Попробуйте угадать, кто из них звякнул монетками?
Любопытный эффект с восприятием собственного голоса в записи. Раньше, когда запись голоса была не столь частым явлением, все обращали на это внимание: звук собственного голоса звучит в записи совсем не так, как мы привыкли слышать себя в жизни. Сегодня запись привычна, и мы этого уже не замечаем.
Дело в том, что, когда мы говорим, звук на слуховые косточки идет не снаружи, а изнутри, вибрацией по костям черепа, а не через уши по воздуху. Что-то, конечно, и по воздуху через уши попадает, но внутренний сигнал более существенен – он не теряет мощности при переизлучении звука из воздуха на перепонке. Звукопередача по костям черепа совсем другая, более низкочастотная, потому что высокие частоты гасятся мягкими тканями.
Задание читателю: послушать себя, свой голос, зажимая периодически уши руками – в чем разница?
Музыка для желудка с тростью Бетховена
Генерация звука голоса происходит непросто. Воздух проходит в горле через голосовые связки – специальные мышцы, меняющие просвет для воздуха. На вдохе-выдохе легкие и щель в связках играют роль резонатора, от которого зависит звучание гласных звуков. Другой резонатор образуется в полости рта. Во рту формируются высокочастотные звуки. Чем больше объем, тем ниже резонансные частоты. Согласные звуки формируются вокруг языка и зубов. Проблемы с ними осложняют задачу формирования нужных конфигураций для генерации высокочастотных звуков.
Постановка голоса связана с упражнениями на правильное дыхание и формирование резонаторов в легких и во рту, поддержание нужного тонуса влияющих на звук мышц.
Звук мы воспринимаем не только через слуховой нерв под ушными косточками. В теле большое количество колебательных систем, но отдача сигналов от них в организм биохимическая, она не воспринимается как последствия звука. При разных воздействиях на внутренние органы они выделяют в организм разные вещества, которые приводят к разным эмоциональным состояниям. Если органам комфортно, они формируют хорошее настроение. Если дискомфортно, настроение портится, хотя не всегда понятно, почему именно. Например, я заметил, что плохие сны часто предвосхищают заболевание.
Наиболее жесткие части тела, хорошо передающие вибрацию, – это кости. Участие черепа в передаче звука мы уже обсудили. Но у нас бьется сердце, дышат легкие, упруго подвешены внутренние органы – почки, печень, селезенка…
Так что музыку мы слушаем не только ушами, а всем телом. И она должна нравиться не только голове, но и всем внутренним органам. Скорее даже наоборот – она нам нравится по совокупности отклика всего тела, а уже по звуку мы запоминаем, какая нам нравится. Вероятно, именно поэтому молодежи обычно нравится более громкая и энергичная музыка, а людям в возрасте не слишком громкая и более спокойная.
Некоторые любители тяжёлого рока, если они любят его только в записях, то есть не ходили на живые рок-концерты, не догадываются, что являются неполноценными любителями. На живых концертах обязательно используются мощные низкочастотные сабвуфферы, которые захватывают еще и диапазон инфразвука, поэтому впечатления от живых рок-концертов несопоставимы с прослушиванием рок-музыки в записи.
Это, конечно, не отменяет музыкальной грамотности: чем лучше человек разбирается в сложностях музыки, тем большую роль в его музыкальных вкусах играет голова. А грамотным стоит вспомнить, как глухой Бетховен слушал музыку зубами.