Занимательное волноведение. Волнения и колебания вокруг нас - Гэвин Претор-Пинней

Произнесенное слово, и вообще любой звук, является слышимой акустической волной. Я подчеркиваю: «слышимой», потому что большинство акустических волн, как это ни парадоксально, не слышны.

Вообще «акустической» можно назвать абсолютно любую волну, которая через что-то проходит, — неважно, твердое это «что-то», жидкое или газообразное — благодаря тому, что это самое «что-то» сжимается и расширяется. Акустические волны отличаются от волн на поверхности воды довольно сильно. Когда приближается гребень акустической волны, вещество, через которое волна проходит, сжимается — возникает область повышенного давления, или плотности. Когда приближается подошва акустической волны, вещество, через которое волна проходит, наоборот, расширяется — возникает область пониженного давления или разрежения, то есть вещество становится не таким плотным, как до этого. Другими словами, среда не поднимается и опускается, как это происходит во время распространения волн через морскую воду, а лишь смещается взад-вперед. Поэтому акустические волны принадлежат к типу продольных волн. Физические движения среды напоминают волнообразные мышечные движения дождевого червя, который вытягивается и сжимается, медленно продвигаясь в почве.

Так в чем же разница между акустическими волнами, которые мы слышим, и акустическими волнами, которые мы не слышим? Дело в том, что слышим мы эти волны только тогда, когда наших ушей достигает целый ряд акустических волн. Иными словами, волна должна быть периодической. Единичное колебание атмосферного давления — одинокий гребень продольной волны — как звук не воспринимается.[17] Но есть еще одно необходимое условие, которое должно быть соблюдено, чтобы акустическую волну было слышно — волна должна колебаться с определенной частотой. Проходящая через воздух в наших ушах волна давления должна заставить барабанные перепонки колебаться с частотой от 20 до 20 000 колебаний в секунду — только тогда звук можно услышать. Колебания медленные, низкочастотные воспринимаются нами как низкие звуки; колебания быстрые, высокочастотные — как высокие. За пределами этого диапазона можете говорить хоть до посинения, только вас никто не услышит.

Нам доступна лишь малая часть всех акустических волн — большую часть последовательностей из сжатий и разрежений наше ухо не воспринимает. Близки к человеческому слуховому порогу низкие инфразвуковые частоты, на которых общаются слоны, находясь далеко друг от друга, а также высокие ультразвуковые частоты, которые используют летучие мыши и дельфины при ориентировании с помощью эхолокации. Эти акустические волны, хотя и вызывают колебания наших барабанных перепонок, ничего для нас не значат.

Например, вы машете рукой кому-то на прощание; хотя ваша рука при этом ни единого звука не издает, акустические волны она порождает. Движения руки вызывают сжатие и разрежение воздуха. Эти локальные перепады атмосферного давления распространяются вовне как акустические волны. Звуковыми мы их не называем — ведь взмахи нам не слышны. Сей факт сыграл роковую роль в судьбе одного бедняги из стихотворения поэтессы Стиви Смит: тонущий посреди прибойных волн безуспешно пытается привлечь к себе внимание загорающих на пляже:

Вы можете подумать: взмахи рукой не слышны, потому что не так уж сильно меняют атмосферное давление, чтобы барабанные перепонки колебания уловили. Но наши барабанные перепонки — штука довольно чувствительная. И если в наружный слуховой канал попадают вызванные перепадами атмосферного давления колебания с определенной частотой, мы слышим их как звук. Даже если перепады эти — вверх-вниз — составляют не больше 0,01%. На самом деле причина «немоты» руки, которой вы машете — вовсе не в объемах сжимающегося и разрежающегося воздуха, а в скорости распространения перепадов давления. Их не слышно только лишь потому, что вы недостаточно быстро машете.

Взять, к примеру, широкие взмахи руки из стороны в сторону и едва заметные взмахи пчелиных крылышек. Жужжание пчелы, подлетающей к вашей компании на пикнике, вы слышите отчетливо — пчела машет крылышками с частотой около 180 раз в секунду. То есть с частотой 180 герц; эта величина названа по имени жившего в девятнадцатом веке немецкого физика Генриха Герца, который впервые доказал существование радиоволн. Итак, пчела возвращается в улей, чтобы поведать о точном местонахождении моего пирога с заварным кремом — ползая среди своих товарок, она принимается вилять брюшком. Ее движения при этом еще менее заметны, чем взмахи крылышек, к тому же частота их повышается до 500 герц. Однако возникающие в результате этих невероятно малых колебаний давления акустические волны слышны довольно четко — они находятся в пределах того самого частотного диапазона (от 20 до 20 000 герц), что доступен нашему слуху. Взмахи крылышек и виляния брюшком вызывают колебания атмосферного давления постоянной частоты — мы даже слышим их, как музыкальные ноты. Чем выше периодичность последовательностей из гребней высокого давления, достигающих нашего уха, тем отчетливей мы различаем в них музыку. Пасечник с абсолютным слухом слышит в более громком жужжании виляющей брюшком пчелы ноту «си». На фортепиано это нота «си» первой октавы.

«Фа-диез» малой октавы

Пожалуй, хорошо, что наши барабанные перепонки обладают такой чувствительностью: ведь суммарная мощность от звуковых волн, порождаемых играющим в полную силу оркестром, равна мощности, потребляемой одной-единственной лампочкой накаливания в 100 Вт. Кстати, стоит помнить, что путь от оркестровой ямы до нашего кресла в зале проделывает не сам воздух — воздух, в общем и целом, остается там, где и был. До нас же доходит энергия в виде локальных колебаний воздуха. Получается, мы слышим вовсе не истинный «ветер» Моцарта.

Устройство нашего слухового аппарата тоже довольно замысловато, ведь звуковые волны от каждого музыкального инструмента проплывают через весь концертный зал и достигают нас, уже слившись в одно целое. Иначе невозможно, потому как все волны распространяются через одну и ту же воздушную среду, которая в каждый момент времени в каждой точке пространства способна сжаться или расшириться единожды. Поэтому волны объединяются в одну цепь колебаний, сложную последовательность из сжатий и разрежений, которая воздействует на наши барабанные перепонки — перепонки начинают колебаться в соответствии с ними. Наш мозг способен распутать эту хаотическую последовательность колебании — мы расшифровываем микроскопические движения тонюсенькой, всего около 6 мм в поперечнике и около 0,05 мм толщиной, пленки кожи настолько точно, что слышим даже кашель второй скрипки в середине второй части произведения. Разве это не истинное чудо?