Акустика на пальцах

Михаил Кушнир, 2023

Цель книги– компенсировать неоправданно ограниченное отражение акустики в школьном курсе физики. Мир на Земле упруг и поэтому богато озвучен, он весь пронизан упругими волнами, поэтому воспринимаем мы их не только ушами, как это не покажется кому-то странным. Стиль изложения научно-популярный с минимумом формул и расчетов: только одна простая формула, которая позволяет лучше представлять волновые проявления в увязке с окружающей нас геометрией пространства. Поэтому книга доступна любому школьнику, которого интересует, как устроен мир. Возможно, книгу сочтут полезной учителя физики, которые любят выходить за рамки учебника. С акустикой связано много видов профессиональной деятельности, поэтому описание самых разных акустических проявлений и вариантов работы с ними можно рассматривать под углом зрения профессиональной ориентации.

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.

Страшный инфразвук

Один из механизмов, которым объясняют беспричинные страхи человека, является попадание его в зону заметного по мощности инфразвука. Если он по частоте совпадает с собственной частотой внутренних органов, то возникает резонанс. И тогда орган начинает колебаться слишком сильно и выделяет биохимический сигнал «караул». Известен эксперимент Роберта Вуда, когда он установил за кулисами сцены излучатель инфразвука, после чего довольно примитивная пьеса в соответствующих сценах при включенном излучателе привела к очень серьезным реакциям в зале.

Считается, что это частоты вокруг 7 Гц. У каждого они слегка отличаются. Если тема инфразвука заинтересовала, можно подробнее поискать в Интернете. Мне показалась любопытной публикация Анатолия², в которой он ссылается на курсовую работу Дарьи Молчановой³.

Наверное, доводилось слышать про «Летучий голландец» — корабль-призрак⁴ без матросов, предвещающий беду кораблю, на котором его увидели. Одна из версий, что в местах зарождения штормов, глубинных землетрясений, выходов газа генерируется инфразвук. Он прекрасно распространяется в воде и мощность его в природных явлениях может быть весьма велика. Из воды в воздух он плохо выходит, т.к. волновые сопротивления воды и воздуха слишком сильно отличаются. Но он может неплохо передаваться в вибрацию корпуса корабля, на котором находятся люди. Они начинают испытывать беспричинный страх и могут массово бросаться в море в стадном порыве, оставив пустой корабль.

Пустой корабль сам вряд ли долго плавает в море. Значит, это произошло недавно. Значит, природный катаклизм, который где-то произошел, может вскоре более весомо о себе заявить, чем дошедший первым инфразвук. Если за секунду звук в воде уходит на 1,5 км, то через минуту он предупредит о шторме примерно за 100 км…

Примечания

1

Схема строения уха на странице Новокузнецкого диспансера с подробным описанием слухового аппарата https://nvkz-tub.ru/blog/preddverie-stenki-preddveriya-vnutrennego-uha.html

2

Блог Анатолия http://www.decoder.ru/list/all/topic_105

3

Курсовая работа Молчановой https://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=520390

4

Истории, легенды и изображения «Летучего голландца» https://www.vse-strani-mira.ru/supplemental-information/304-niderlandi/2688-korabl-prizrak.html