Мы живём в океане звуков и редко задумываемся, что это такое. Голос собеседника, шум дождя, музыка — всё это одно и то же физическое явление: быстрые колебания давления, которые передаются от частицы к частице. Понять его нетрудно, а следствия у него на удивление разнообразные.
Волна сжатий
Ударим по струне — она начнёт колебаться и толкать прилегающий воздух. Там, куда струна подалась, воздух чуть сжимается, с другой стороны — разрежается. Сжатый слой толкает следующий, тот — дальше. По воздуху бежит череда сгущений и разрежений. Сами частицы воздуха при этом никуда не улетают: они лишь качаются вперёд-назад около своих мест, как колосья в поле, по которому идёт волна от ветра.
Звуку нужна среда. В пустоте передавать толчки нечему, поэтому в космосе царит тишина. В воздухе при комнатной температуре звук проходит около 340 метров в секунду, в воде — примерно полтора километра в секунду, в стали — ещё в несколько раз быстрее. Чем жёстче связаны частицы, тем скорее они передают толчок.
Высота, громкость, тембр
У звука есть три свойства, которые мы различаем на слух.
- Высота определяется частотой — числом колебаний в секунду. Её измеряют в герцах. Низкий гул — десятки герц, писк комара — сотни и тысячи. Молодой человек со здоровым слухом воспринимает частоты примерно от двадцати герц до двадцати тысяч; с возрастом верхняя граница опускается.
- Громкость связана с размахом колебаний давления. Ухо справляется с огромным диапазоном: самый громкий переносимый звук несёт в триллионы раз больше энергии, чем самый тихий различимый. Поэтому для громкости придумали особую шкалу — децибелы, где каждые десять единиц означают десятикратный рост мощности.
- Тембр позволяет отличить скрипку от флейты, даже когда они играют одну ноту. Дело в том, что струна или столб воздуха колеблются не только целиком, но и частями, добавляя к основному тону более высокие — обертоны. Их набор у каждого инструмента и каждого голоса свой.
Путешествие звука в ухе
Ушная раковина собирает волну и направляет её в слуховой проход, в конце которого натянута барабанная перепонка. Она колеблется вслед за давлением воздуха. К перепонке примыкает цепочка из трёх крохотных косточек — самых маленьких в теле. Они работают как система рычагов и передают колебания дальше, усиливая давление.
За ними находится улитка — свёрнутый спиралью канал, заполненный жидкостью. Вдоль него тянется упругая перегородка, которая у начала улитки узкая и жёсткая, а к вершине становится шире и мягче. Высокие звуки сильнее всего раскачивают её в начале, низкие — ближе к концу. Так ухо раскладывает сложный звук на составляющие частоты.
На перегородке расположены чувствительные клетки с пучками тончайших волосков. Когда перегородка движется, волоски отклоняются, и клетка посылает электрический сигнал по слуховому нерву. Дальше работает мозг: он собирает из этих сигналов речь, мелодию, определяет, откуда пришёл звук, — в частности, по ничтожной разнице во времени прихода к правому и левому уху.
За пределами слышимого
Колебания с частотой ниже порога слуха называют инфразвуком. Его порождают штормы, землетрясения, извержения, и распространяется он на огромные расстояния. Слоны и киты используют очень низкие звуки для общения.
Колебания выше двадцати тысяч герц — ультразвук. Летучие мыши и дельфины ориентируются с его помощью, улавливая эхо. По тому же принципу устроены эхолоты и медицинские аппараты, которые строят изображение внутренних органов по отражённым волнам.
Беречь то, что не восстанавливается
Волосковые клетки улитки у человека не обновляются: погибшие не заменяются новыми. Их повреждает очень громкий звук, особенно длительный. Поэтому специалисты советуют не слушать музыку в наушниках на предельной громкости и пользоваться защитой в шумных цехах. При заметном снижении слуха или постоянном звоне в ушах стоит обратиться к врачу.
Звук — это всего лишь дрожание воздуха, размах которого на пороге слышимости меньше размеров атома. То, что из него получаются слова и музыка, — заслуга тончайшего прибора в нашем ухе и мозга, который научился его читать.
