Ми живемо в світі звуків.
Де б ми не знаходилися, що б не робили - нас усюди супроводжують найрізноманітніші звуки. Кожен наш рух викликає звук - шерех, шелест, скрип, стук. Правда, ми звикаємо до звичайних звуків і часто не помічаємо їх. Так, часом людина не чує, як поряд цокає годинник, а при русі трамвая «пропускає повз вуха» навіть гуркіт вагона. Ми просто не зосереджуємося на цих звичних звуках, і часто буває так, що тільки раптово наступила тиша звертає нашу увагу на звуки, раніше вислизають від слуху.
Для сприйняття звуків людина має найтонший апарат - вухо. Вухо може сприймати найрізноманітніші звуки. Воно може виділяти з багатьох доносяться одночасно звуків тільки ті, які нас цікавлять. Дуже часто ми керуємося в своїх діях слуховими відчуттями. По звуках людина часто дізнається різні предмети і визначає, де вони знаходяться. Слух допомагає знайти дорогу темної ночі або в густому тумані. Шофер по шуму мотора судить про його справності. Робочий на слух контролює роботу машини. Будь-який з нас по звуку визначить, коли в чайнику закипить вода. По голосу можна не тільки дізнатися знайомої людини, але часто і визначити його настрій, але ж для цього вухо має бути чуйним до найменших відтінків звуків. А яку неоціненну послугу надає звук розвіднику! Потрапляючи в зону розташування противника, він іноді тільки по одним звуків може зібрати багато цінних відомостей. Але для необережного розвідника звук може зіграти і зрадницьку роль. Тріск сухого сучка під ногами, стук приклада автомата об камінь або тверду землю і інші випадково викликані звуки можуть виявити місце знаходження секрету.
Після деякого тренування по звуку можна навчитися відрізняти літаки і танки противника від своїх, а в деяких випадках навіть вдається визначити їх тип і приблизну кількість.
Слух відіграє величезну роль і в житті тварин. Він допомагає звірам і птахам вистежувати свою здобич, попереджає їх про небезпеку.
Як же виникає і поширюється звук? Як влаштовано наше вухо і які звуки воно може чути? Чи можете ви пояснити, чому при вітрі виють дроти і шумить ліс? Чи завжди за вітром звук краще чути, ніж проти вітру?
На ці та багато інших питань читач знайде відповіді в нашій книжці.
I. Народження звуку
1. Рух особливого роду
Не можна розібратися в звукових явищах, які не склавши собі чіткого уявлення про те, що таке звук. Перш за все подивимося, як він виникає і поширюється.
Відтягніть, а потім відпустіть струну балалайки або гітари. Струна завагається, і ви почуєте звук. Ви відчуєте коливання струни, якщо торкнетеся її пальцем. Потримайте палець на струні - коливання струни припиняться, а разом з ними зникне і звук. Дзвіночок також перестане звучати, якщо до нього доторкнутися. Значить, тільки що коливаються тіла породжують звук.
Але що таке коливання?
Подивіться, як рухається маятник настінного годинника. Він весь час гойдається вправо і вліво (рис. 1). Дійшовши до крайнього, наприклад, правого положення, маятник на мить зупиняється і потім йде вліво. Швидкість його збільшується до тих пір, поки він не дійде до середнього положення. Потім рух маятника починає сповільнюватися, і в крайньому лівому положенні він знову зупиняється. У наступну мить маятник знову починає рухатися - тепер уже вправо. Половина розмаху маятника або відстань від середнього положення його до одного з крайніх називається амплітудою коливання.
Подібно до маятника годин, будь підвішений вантаж може здійснювати таке ж рух. З подібним рухом ми часто зустрічаємося в природі і називаємо його коливальним рухом.
Якби повітря не чинив опору маятнику і не було тертя в місці його підвісу, то було б досить штовхнути такий маятник один раз, і він вагався б вічно. Але в природі так не буває. Тертя уповільнює швидкість руху маятника, відстань між крайніми положеннями його поступово зменшується, і рано чи пізно маятник зупиняється.
Тепер виконайте такий досвід. Затисніть один кінець сталевої лінійки в лещата, а інший відігніть в сторону і відпустіть. Лінійка почне коливатися (рис. 2). При цьому виникає звук, що нагадує дзижчання. Чому ж маятник коливається беззвучно, а коливання лінійки супроводжуються дзижчанням? Виявляється, між цими коливаннями є істотна різниця. Лінійка в одну секунду робить набагато більше коливань, ніж маятник. Число коливань в одну секунду називають частотою. Таким чином, частота коливань лінійки більше частоти коливань маятника. Ми чуємо звук при коливаннях лінійки тому, що вона коливається з більшою частотою.
Мал. 2 Лінійка, затиснута в лещатах, вагаючись, народжує звук
Таких прикладів, коли тверді тіла, вагаючись, звучать, можна навести дуже багато.
А чи можуть звучати рідини і гази?
Так, можуть. Для цього треба змусити їх коливатися. Звуки гудків, сирен, свистків і музичних духових інструментів є не що інше, як результат коливального руху газів або парів. Коли ж ви чуєте шльопання дощових крапель по калюжі, шум води, що стікає по жолобу, або плескіт хвилі, це - звуки, що викликаються хитається рідиною.
Природно поставити питання: а що ж коливається, коли людина говорить або співає? Виявляється, голос виникає завдяки коливанню двох м'язових пружних перетинок - голосових зв'язок. Вони знаходяться у верхній частині дихального горла - в гортані (рис. 3).
Мал. 3. Схема пристрою голосового апарату
Коли ми дихаємо, голосові зв'язки розсунуті так, що утворюють трикутний отвір, і повітря вільно проходить через нього в легені і з легких. Коли ж ми вимовляємо який-небудь звук, особливі м'язи зближують пружні голосові зв'язки, і щілина стає вузькою. Рух повітря тепер утруднено, і при видихання його перетинки починають коливатися. Тут-то і виникає звук. Все розмаїття звуків нашої мови створюється вже далі - на шляху від гортані через порожнини рота і носа.
Отже, звук народжується коливальним рухом тел. Однак далеко не всяке коливання супроводжується звуком. Тіло видає звук, що сприймається вухом, тільки в тому випадку, якщо воно коливається не менш 16 і не більше 20 000 разів в одну секунду. Однак невірно було б думати, що тіло, що коливається з частотою, скажімо, 10 або 30 000 раз в секунду, не звучить. Повільно коливається маятник теж звучить, як звучать тіла і при ста тисячах коливань в секунду. Тільки ми цих звуків не чуємо. Звуки з частотою менше 16 називають інфразвуками, а з частотою більше 20 000 - ультразвуками. У цій книзі ми будемо говорити переважно про звуках чутних.
Чим же відрізняються один від одного звуки, які мають різні частоти? Зробіть такий простий досвід. Візьміть звичайну пилку і тонку дощечку. Проведіть повільно дощечкою по зубців пилки (рис. 4); ви почуєте окремі удари - стуки дошки про зубці. Проведіть кілька швидше, і ви почуєте низький, густий звук. Чим швидше водити дощечкою по зубців, тим вище будуть звуки. Згадайте, як пронизливо виє електрична дискова пилка, коли вона розрізає поліно. Все це переконує нас у тому, що чим більше частота, тобто чим більше коливань в секунду робить тіло, тим вище видається їм звук.
Мал. 4. Досвід отримання звуку з пилкою і дощечкою
Цікаво відзначити, що при виникненні звуку певної висоти абсолютно байдуже, яке тіло коливається і що є причиною коливань. Будь-які тіла, що коливаються, наприклад, 500 раз в секунду, завжди дадуть звук однієї і тієї ж висоти, чи буде це струна гітари, дзвіночок або свисток. І навпаки, якщо ми чуємо звук даної висоти, то можемо впевнено сказати: звучить тіло коливається 500 раз в секунду. Так за висотою звуку може визначатися частота коливань тіла.
Ця закономірність часто допомагає нам у житті. Наприклад, наливаючи в темну посуд рідина, ми зі зміни висоти звуку визначаємо, коли вона наповниться.
Коли автомобіль йде по рівній дорозі, гул працюючого мотора має одну висоту; якщо ж на шляху зустрічається підйом, мотор знижує число оборотів, машина уповільнює хід, і гул стає іншим, більш низьким. Прислухаючись до цих звуків, шофер вчасно переводить регулятор швидкості. Мотор знову збільшує обороти, і висота гулу наближається до колишньої.
За висотою звуку без праці можна визначити, чи йде важкий танк з дизельним мотором або танк легкого типу, забезпечений бензиновим мотором. Звук останнього, як правило, більш високий.
Як же доходить до нашого вуха виник десь звук?
3. Звукові хвилі
Киньте в воду камінь. За її поверхні негайно ж розійдуться кругові хвилі, що йдуть все далі і далі від місця падіння каменя. На перший погляд здається, що разом з хвилею йдуть і окремі частинки води. Але якщо кинути на поверхню води легку тріску, то можна побачити, що тріска тільки погойдується вгору і вниз; вона в точності повторює рух оточуючих її частинок води. Коли хвиля набігає, тріска піднімається вгору - на гребінь; хвиля пройшла - і тріска знову повертається на колишнє місце. Вона не рухається у напрямку руху хвилі, не слід за хвилею. Значить, і частинки води, що утворюють хвилю, не йдуть з нею, а тільки коливаються вгору і вниз.
На рис. 5 показано, як частинки одна за одною приходять в коливальний рух, утворюючи хвилю.
Поширення звуку можна порівняти з поширенням хвилі по воді. Тільки замість кинутого у воду каменя є тіло, що коливається, а замість поверхні води - повітря.
Мал. 5. Схематичне зображення водяний хвилі. Стрілками показано напрямок руху окремих частинок води
Нехай джерелом звуку буде камертон. Це - невеликий сталевий вигнутий стрижень з ніжкою на вигині (рис. 6). Камертоном часто користуються при налаштуванні музичних інструментів. Легким ударом по камертону можна змусити його звучати. В першу мить після удару гілка камертона відхиляється, припустимо, вправо; при цьому вона штовхає вправо і прилеглі до неї частки повітря. Тоді в якомусь маленькому просторі близько камертона повітря виявиться згущеним. Але в такому стані частки повітря залишатися не можуть. Намагаючись розійтися, вони потіснять своїх сусідів справа, і згущення дуже швидко передасться від одного шару повітря іншому. Але і гілка камертона не залишиться в спокої. В наступний момент вона вже відхилиться вліво і потіснить частки повітря з лівого боку. А справа повітря виявиться тепер розрідженим. Це розрідження так само, як і згущення, швидко сполучиться всім верствам повітря.
При наступному коливанні повториться та ж картина. Таким чином, кожне коливання гілки камертона створить в повітрі одне згущення і одне розрідження. Чергування таких згущень і розрідження і є звукова хвиля. Скільки коливань здійснює камертон, стільки окремих згущень - «гребенів» і розрідження - «западин» посилає він в повітря. Коли така хвиля досягає вуха, ми її і сприймаємо як звук.
Однак між водяними і звуковими хвилями є істотна різниця. Водяні хвилі поширюються кільцеподібне і тільки по поверхні. Звукові ж хвилі заповнюють весь простір біля звучить тіла. Крім того, в водяній хвилі коливання окремих частинок відбуваються вгору і вниз поперек напрямку хвилі, а в звуковій хвилі частинки коливаються вперед і назад вздовж хвилі. Тому хвилі на поверхні води називаються поперечними, а звукові - поздовжніми.
Але яка б хвиля не була, частинки речовини, які беруть участь в коливальному русі, ніколи не переміщаються разом з хвилею. І сама хвиля - це тільки передача руху від однієї коливається частки іншої.
Зрозуміти це ще краще допоможуть кістки доміно. Поставте все їх в ряд, недалеко один від одного, і штовхніть першу кістку (рис. 7). Падаючи, вона захопить за собою другу кістку, друга - третю і так далі. Через короткий час все кістки будуть лежати. Кожна з них залишилася на своєму місці, а передалося по всьому ряду тільки рух.
Мал. 7. Падіння кістки доміно нагадують поширення звукової хвилі
Точно так же з вуст людини, що говорить частки коливається повітря не летять у вуха слухача, а передається лише рух частинок, що утворюють окремі згущення і розрідження.
Артилерійські постріли ми чуємо на відстані багатьох кілометрів також завдяки коливальним рухам окремих частинок повітря.
Передача звуку на відстань вимагає витрати певної роботи. Адже для того, щоб виникла звукова хвиля, необхідно розгойдати частки повітря. Однак розмах коливань частинок в звуковій хвилі мізерно малий. Тиск, який утворюється в місцях згущення хвилі, не перевищує навіть в самому сильному звуці 0, 5 грама на квадратний сантиметр, а в слабкому звуці це тиск багато менше тиску, що чиниться комаром, що сів на голову людини! Звідси зрозуміло, що і робота, що йде на створення звукової хвилі, дуже невелика. Якби мільйон чоловік одночасно говорили протягом півтори години, то вся енергія звукових хвиль, створюваних мільйоном голосів, була б достатня тільки для того, щоб закип'ятити один стакан води!
Читач може запитати: чому ж тоді для отримання звуку доводиться витрачати значну роботу? Спробуйте дути деякий час в свисток, - ви переконаєтеся, що заняття це не таке вже легке. У сиренах і гудках часто застосовується стиснене повітря або пар з тиском в кілька разів більше тиску атмосферного повітря. І, не дивлячись на таку велику витрату енергії, що отримується звук поширюється на порівняно невелику відстань.
Виявляється, у всіх джерелах звуку тільки маленька частина витрачається роботи переходить в енергію звуку.
Якби вся енергія гудків і сирен витрачалася лише на створення звуків, то вони були б чутні на сотні кілометрів! Більшість музичних інструментів перетворює в звукову енергію не більше однієї тисячної частки енергії, що витрачається при грі. Людина при розмові або співі перетворює в енергію звуку тільки близько однієї сотої частини здійснюваної роботи. Решта 99 частин пропадають, переходячи головним чином в теплову енергію.