Физические характеристики звуковых колебаний

Звук — это колебания частиц упругой среды, распространяющих­ся в виде волн, при которых возникают слуховые ощущения. Про­странство, в котором происходит распространение этих волн, на­зывают звуковым полем.

Упругие свойства среды обусловлены взаимодействием ее мо­лекул. Если одну молекулу или группу молекул среды вывести из состояния равновесия, это повлечет за собой изменение положе­ния или смещение других молекул. Передачу колебаний через ча­стицы среды называют волной.

Звуковая волна может распространяться как в твердой и жид­кой, так и в газообразной среде, что крайне важно для понима­ния сущности физиологических явлений в слуховом анализаторе. При распространении механических волн происходит изменение

состояния среды, т.е. передача энергии осуществляется без пере­носа частиц среды. Последние только смещаются относительно положения равновесия. Так, например, если в воздухе или воде локально возбудить звуковые колебания, то они начнут распро­страняться практически во все стороны путем передачи колеба­ний от одной молекулы к другой. Передача колебаний молекулам или частицам среды требует затрат как энергии, так и времени.

Распространение колебаний происходит благодаря упругим связям между молекулами, в результате которых движение каж­дой из них как бы повторяет движение предыдущей. Передача ко­лебаний требует затраты времени, поэтому движение молекул в точке наблюдений происходит с некоторым запаздыванием во времени по отношению к движению молекул в зоне возбуждения колебаний. При этом звуковые колебания распространяются со ско­ростью, которая определяется физическими свойствами среды.

В газах и жидкостях звуковые волны распространяются в виде объемных волн растяжения и сжатия. Скорость звука для различ­ных сред неодинакова. В твердых материалах она больше, чем в жидкостях и газах.

От скорости звука следует отличать скорость движения частиц среды, т. е. колебательную скорость. Последняя характеризует ско­рость, с которой в возвратно-поступательном движении переме­щаются элементарные объемы газов, частицы твердого тела или жидкости. Колебательная скорость, как и скорость распростране­ния звука, является векторной величиной. Направления этих двух векторов определяют тип звуковых волн. Колебательная скорость значительно меньше скорости звука и зависит как от возбуждаю­щей силы, так и от частоты звука.

Колебания звучащего тела часто называют маятникообразны-ми. Действительно, как и в движении маятника, в колебании зву­чащего тела можно выделить четыре фазы: из исходного до край­него положения, от крайнего назад до исходного, по инерции — до другого крайнего положения и, наконец, назад до исходного. Время, в течение которого совершается одно полное колебание, называется периодом колебания. Период может быть большим и меньшим. Если тело колеблется медленно, то период его колеба­ния будет большим; если же тело колеблется быстро, то период его колебания будет меньшим.

Звук и его виды

Колебания звукообразующего тела в воздушной среде, хотя и возникают на одном месте, не остаются локализованными, а пе­редаются на соседние участки воздушной среды. В силу маятнико-образного колебания в воздушной среде образуются сгущения, чередующиеся с участками разрежения (рис. 15, А, Б}. Попере-

Среда

Приемник

Источник (камертон)

менное образование участков сгущения и разрежения создает звуковую волну. При этом час­тицы воздуха не перемещаются по распространению волны, а, находясь в состоянии колеба-ния, возвращаются в исходное положение.

Рис. 15. Звуковая волна: А — участок сгущения; Б — участок разрежения

В зависимости от величины плотности и упругости окружа­ющей среды звуковая волна имеет различное распростране­ние и различную скорость. В воде скорость распространения зву­ковой волны в четыре раза больше, чем в воздухе. Характерной особенностью звуковой волны является ее шарообразность, т. е. кон­центрическое распространение во все стороны от источника зву­ка. Одинаковые состояния звуковой волны — участки сгущения и разрежения — образуют фазы. Расстояние между одинаковыми фазами называется длиной волны. У низких звуков фазы отстоят далеко друг от друга, т. е. длина волны большая, у высоких — фазы расположены близко, т. е. длина волны маленькая.

В современных теориях слуха большое значение придается дли­не звуковой волны. С длиной волны связано одно из важнейших понятий, характеризующих звук, — частота колебаний. Частотой колебания называется количество повторных сжатий и следующих за ними разрежений, проходящих через определенную точку наблюде­ния в одну секунду.

Расстояние между средним и крайним положениями колеблю-щегося^тела составляет амплитуду колебаний, от которой в значи­тельной степени зависит сила и интенсивность звука.

Одним из условий оптимального слуха является правильная работа трансформационного механизма уха, благодаря которому происходит преобразование звуковых колебаний с большой амп­литудой и относительно малой силой в звуковые колебания с ма­лой амплитудой, но с относительно большим давлением.

По характеру колебательных движений звуки делятся на три группы: чистые тоны, сложные тоны и шумы.

Если при колебании звучащего тела через определенные про­межутки времени повторяются одинаковые фазы (X) звуковой вол­ны, то такое колебание называется гармоническим, ритмичным или периодическим. Его графическое изображение выражается в виде синусоиды (рис. 16).

Звук, возникающий в результате периодического колебания и распространяющийся в виде синусоидальной волны, называется тоном. Правильная синусоида включает только одну частоту ко-

V/ \У \У

Рис. 16. Синусоидальная волна

ллллллл

Рис. 17. Сложная синусоидальная волна, ^з Звук Р разложен на составляющие его синусоидальные компоненты Л~Д Д (по Г. Кобраку)

лебания и дает в результате чистый, или простой, тон. Примером искусственно воспроизводимого чистого тона является звук камер­тона. Окружающие нас звуки — сложные. Они дают не правиль­ную, а сложную синусоиду, которая, по теории французского ма­тематика Ж.Б.Фурье (1822), представляет собой сумму простых синусоид, каждая из которых может быть в отдельности (рис. 17).

Выделенные из сложного звука синусоидальные компоненты представляют собой простые тоны, различающиеся по частоте и амплитуде. При этом звук самой низкой частоты является основ­ным и характеризует высоту звука, все остальные — добавочные к нему, или обертоны. Каждый следующий обертон отличается от основного тона по частоте в целое число раз: I обертон — в два раза, II — в три, III — в четыре и т.д. Например: I обертон тона 128 будет 128-2 = 256 Гц; II обертон - 128-3 = 384 Гц; III обер­тон — 128-4 = 512 Гц и т.д.

Звуки, не имеющие периодического характера и состоящие из смеси тонов самых разных частот, соотношение между которыми выражается не целыми, а дробными числами и в них невозможно выделить основной тон, называются шумами. Шумы и шорохи постоянно присутствуют в окружающем нас звуковом фоне. С ними мы сталкиваемся в виде шума ветра, деревьев, моря, городского транспорта, в виде грохота грома и шелеста страниц книги. Слух человека в процессе онтогенетического развития формировался под влиянием шумов. В течение всей своей жизни человек нахо­дится в среде, насыщенной различного рода шумами. Поэтому, как пишет Лангенбек (1954), человек с детства должен трениро­ваться, чтобы слышать определенные звуки, несмотря на шум.

«Белый шум», или «шум Гаусса» — по имени ученого, впервые описавшего его свойства, — отличается от простого шума тем,

что в его состав входят в одинаковой степени все частоты, вос­принимаемые человеческим ухом. Свое название он получил по аналогии с «белым светом», который состоит только из частот видимого спектра. «Белый шум» нашел широкое применение в ряде аудиометрических исследований.

Звуковая волна, как уже было отмечено выше, распространя­ется от источника звука шарообразно во все стороны. Однако по мере удаления от звучащего тела энергия волны убывает обратно пропорционально квадрату пройденного расстояния. Потеря энер­гии связана с преодолением сопротивления среды и внутреннего трения самих частиц. Распространению волны мешает целый ряд препятствий, встречающихся на ее пути (в том числе и голова человека), которые волна должна преодолеть. Способность звуко­вой волны огибать препятствия называется дифракцией. Низкие звуки обладают лучшей дифракцией, чем высокие. Этим, напри­мер, объясняется тот факт, что когда группа поющих людей сво­рачивает за угол, то сначала перестают быть слышны высокие го­лоса, а затем уже низкие.

Если на пути распространения волны находится большая по­верхность, то волна отражается от нее. При этом возникает явле­ние, называемое эхом. Звуковое эхо воспринимается ухом раз­дельно от первичного сигнала (короткого звукового импульса) в том случае, если оно запаздывает не менее чем на 0,05 — 0,06 с. С эхом мы часто встречаемся в природных условиях: в лесу, в горах, где отражающими поверхностями являются деревья, кам­ни. Но оно может наблюдаться и в закрытых помещениях, в кото­рых звук отражается от стен, потолка, мебели. Такое явление пос-лезвучания, сохраняющегося после выключения источника зву­ка, обусловленное неодновременным приходом в данную точку от­раженных или рассеянных звуковых волн, называется ревербера­цией. Реверберация оказывает значительное влияние на слыши­мость речи и музыки в помещениях. Она может быть сильной, и тогда мы говорим о «гулкости» помещения, но может быть и, наоборот, слабой — в таком помещении звуки становятся туск­лыми, быстро угасающими. Реверберацию можно ослабить путем покрытия отражающих поверхностей пористыми или губчатыми материалами, занавесями, коврами. Попадающий на них звук бу­дет поглощаться — адсорбироваться. Реверберацию можно также и усилить. Для этой цели создаются помещения специальной фор­мы с «направленным» звуком — концертные залы, эстрадные «ра­ковины» и т.д. Наличие большого количества мебели, оборудова­ния в помещениях, предназначенных для проверки слуха, может резко исказить результаты исследований.

Если в закрытом помещении действие звучащего источника продолжается, то отраженная волна встречает на своем обратном пути первичную волну. При этом возникает явление интерферен-

ции, в результате которого волны могут усиливать или ослаблять друг друга. Интерференция, например, может искажать результа­ты камертонального исследования при неправильном приближе­нии звучащего камертона к уху. Явление интерференции играет определенную роль и при прохождении звука через наружный слуховой проход, в котором происходит усиление звуковой вол­ны в три раза.

Законы отражения и поглощения проявляются и в деятельности звукопроводящей системы органа слуха. Когда звуковая волна уда­ряется в находящуюся на ее пути эластичную мембрану — барабан­ную перепонку, то часть энергии отражается, а часть проходит в барабанную полость и поглощается. Та часть энергии, которая от­ражается, фактически будет определять импеданс (сопротивление) барабанной перепонки. Термин «импеданс» заимствован из элек­тротехники, где он определяет сумму сопротивлений в системе переменного тока. Впервые это явление изучил Трогер (1930). Про­веденные им опыты показали, что импеданс барабанной пере­понки зависит от частоты звука. Так, например, при частоте 800 — 1000 Гц импеданс почти равен 0, т.е. вся звуковая энергия прохо­дит через барабанную перепонку без отражения. В дальнейшем Метц доказал, что различные воспалительные заболевания среднего уха увеличивают импеданс барабанной перепонки в несколько раз.

Конечный участок звукопроводящих путей представляет собой, как известно, жидкую среду. Установлено, что при переходе зву­ковой волны из воздуха в жидкость происходит отражение 99,9 % ее первоначальной энергии и поглощение только 0,1 %, т.е. волна становится в 1000 раз слабее. Такая же большая потеря энергии должна была бы произойти и при переходе звуковой волны из воздушной среды среднего уха в жидкость внутреннего уха. Одна­ко наличие правильно функционирующей трансформационной системы уха спасает положение, значительно уменьшая потерю. Впервые физические законы усиления звуков в среднем ухе раз­работал Э.Г.Вебер (1851).

Большую роль в звукопроведении играет явление/>езоядиса. Бук­вальный перевод этого французского слова означает «отдающий звук». Если на способный колебаться предмет воздействует волна от другого колеблющегося тела, то предмет придет в колебательное движение, т. е. станет резонатором. Резонанс может быть острым и тупым. Острый резонанс появляется тогда, когда собственный период колебаний резонатора совпадает с периодом воздействую­щей силы. При графическом изображении мы получим кривую, показывающую, что при остром резонансе имеют место очень медленно затухающие колебания (рис. 18, а). Примером возник­новения острого резонанса является колебание струны рояля при поднесении к ней соответствующего по частоте звучащего камер­тона. При этом амплитуда колебаний струны будет максимальной.

При тупом резонансе пери­од колебаний резонатора не со­впадает с периодом колебаний воздействующей силы. В отличие от острого резонанса мы полу­чим пологую кривую, показы­вающую, что колебания очень быстро затухают (рис. 18, б).

Острый резонанс Тупой резонанс Рис. 18. Резонансные кривые: а — максимум резонансной кривой при остром резонансе; б — плоская резо­нансная кривая при тупом резонансе

Долгое время барабанную перепонку считали тупым резо­натором, т. е. колеблющимся те­лом, одинаково хорошо реаги­рующим на воздействие любой частоты колебаний. Большин­ство исследователей (Г. И. Грин-

^-^^ 11**^>.\;д\иаа.^л\^К1 \1.. П. 1 рИЦ-

берг, Р. А. Засосов, 1957; Г. Кобрак, 1958, и др.) считают, что барабанная перепонка, действительно хорошо реагируя на раз­личные частоты, тем не менее обладает собственной частотой ко­лебания, равной 800—1000 Гц. Франк и Бромзер в своих исследо­ваниях (1923) показали, что собственная частота колебаний зву­копроводящей системы уха также равна приблизительно 1000 Гц.

Таким образом, частоту в 1000 Гц с полным основанием мож­но назвать «собственным тоном» барабанной перепонки: при воз­действии звуковых колебаний этой частоты отмечается ее наилуч­ший резонанс и наименьший импеданс. Этим можно объяснить тот факт, что большое количество аудиометрических тестов про­водятся на частоте в 1000 Гц. Установлено также, что зоне звуков с частотой в 1000-—2000 Гц на основной мембране улитки соот­ветствует наибольший отрезок, равный 5 мм.

Исследования, проведенные в акустической лаборатории Мос­ковского университета, показали, что в большинстве окружаю­щих человека «приятных» звуков — шуме леса, дождя, моря и т.д. — определяющей является частота в 1000 Гц.

Мы рассмотрели основные физические свойства звукового раз­дражителя, и в первую очередь такие, как частота и сила колеба-4 ний. Однако объективные физические признаки звука, воздействуя! на акустический анализатор, вызывают в нем появление субъек-г тивных физиологических ощущений — высоты, громкости и тем- >' бра звука, к описанию которых мы и переходим.

Закономерно возникает вопрос: каким же образом можно при­вести к «общему знаменателю» объективные физические призна­ки и субъективные физиологические ощущения? Казалось бы, эти величины не только несоизмеримы, но и несовместимы — физи­ка и психофизиология! Между тем еще в прошлом веке Э. Г. Вебер и Г. Т. Фехнер открыли закон, ставший общим для всех органов чувств и для всех видов раздражителей. Сущность этого закона

заключается в следующем: в то время как величина раздражителя увеличивается в геометрической прогрессии, ощущение от этого раздражителя возрастает в арифметической прогрессии. Иными словами, если величина раздражителя А увеличивается в прогрес­сии А, А², А³ и т.д., то величина ощущения возрастает в прогрес­сии А, 2А, ЗА и т.д.

Дальнейшие исследования показали, что закон Вебера—Фех-нера применим для аудиологических исследований лишь отчасти. Так, он не применим в тех случаях, когда вопрос касается край­них степеней раздражения как по частоте, так и по интенсивно­сти. Кроме того, ощущение громкости не только находится в со­ответствии с изменением интенсивности, но и зависит еще от ряда факторов, в том числе от частоты звука, состояния слухово­го анализатора, деятельности центральной нервной системы и т.д. Тем не менее на основании использования закона Вебера—Фех-нера были установлены аудиометрические единицы измерения ин­тенсивности звука — октава и децибел — и в этом его большое практическое значение.

В отличие от ощущения громкости, ощущение высоты звука находится в прямом соответствии с изменением частоты колеба­ний. Примером этого может служить ручная сирена: при медлен­ном вращении ручки она дает низкий звук, с увеличением скоро­сти вращения высота звука повышается.

Установленная международная единица субъективного ощуще­ния высоты звука «мел» не нашла широкого применения, и почти повсеместно оценка высоты звука производится в герцах (по име­ни немецкого физика Генриха Герца) — число колебаний в 1 с.

Диапазон воспринимаемых человеческим ухом частот находится в пределах от 15—16 до 20000 — 22000 Гц. Звуки с частотой коле­баний ниже 15—16 Гц относятся к инфразвукам, с частотой выше 20000 — 22000 Гц — к ультразвукам. Получение ультразвуков и внедрение их в практику были впервые осуществлены французом Полем Ланжевеном в начале XX в. Воздействие этих частот на акустический анализатор не воспринимается как звуковое ощу­щение, хотя и не остается для него бесследным, вызывая измене­ния в молекулярных структурах клеток.

В лаборатории патофизиологии Московского научно-исследо­вательского института уха, горла и носа было установлено, что при костном проведении ультразвук в пределах частотного спект­ра 32 — 200 кГц (32000 — 200000 Гц) вызывает у нормально слы­шащих людей слуховое ощущение (Б. М. Сагалович, 1962).

Инфразвуки, улавливаемые специальной аппаратурой, служат для изучения влияния на организм вибраций.

Весь диапазон воспринимаемых ухом частот может быть разде­лен на несколько частей: тоны до 500 Гц называются низкочас­тотными, от 500 до 3000 Гц — сред нечастотными, от 3000 до

8000 Гц — высокочастотными и выше 8000 Гц — сверхвысокочас­тотными.

Различные части диапазона воспринимаются ухом неравномерно. Лучше всего слышны тоны средних частот, и особенно в зоне 800 — 2000 Гц, хуже — крайние части диапазона: ниже 50 и выше 10000 Гц. Наличие этих пределов оптимального слуха объясняет­ся, по мнению В.Ф.Ундрица, тем, что крайние участки основ­ной мембраны способны реагировать на колебания не ниже 30 — 50 Гц и не выше 10 000—13 000 Гц. Восприятие же звуков, распо­ложенных выше и ниже указанных границ, становится возмож­ным при значительном увеличении их интенсивности, когда иска­жения, появляющиеся в участках основной мембраны, настроен­ных на более низкие тоны, приводят к образованию обертонов. Эти обертоны, по-видимому, и дают ощущение некоего более низ­кого или более высокого тона — унтертона, а иногда и просто шума.

Более ранним обозначением высоты тона кроме частотной ха­рактеристики является октава. Понятие «октава» существует столько же, сколько существует музыкальная грамота. Октава, как известно, состоит из семи нот: до, ре, ми, фа, соль, ля, си. Самый низкий звук нашего диапазона, равный 16 Гц, представляет собой «до» субконтра-октавы (С), самый высокий — около 20000 Гц — «ре-ми» седьмой октавы (Св седьмой степени). Диапазон нашего слуха охватывает более 11 октав. Выше диапазона нашего восприятия находится еще более 16 октав, составляющих область ультразвуков.

Из широкого спектра воспринимаемых звуков диапазон музы­кальной области слуха намного уже всего диапазона воспринима­емых человеческим ухом звуков. Он составляет примерно от 40 до 15000 Гц. При этом зона между 40 и 4000 Гц относится к соб­ственно музыкальной области, а в зоне свыше 4000 Гц располо­жена ультрамузыкальная область. Такая же особенность характер­на и для звуков человеческого голоса. Нижняя граница баса, на­пример, находится около 80 Гц, а верхняя граница самого высо­кого голоса (сопрано) — несколько выше 1000 Гц. Основными частотами, при помощи которых люди общаются друг с другом, используя речь, являются 500 — 4000 Гц. Область этих частот полу­чила в аудиологии название зоны речевых частот.

Исследования, проведенные в 1-м Ленинградском медицин­ском институте им. И. П. Павлова (Л. В. Егоров и др., 1976), пока­зали значительную возрастную вариабельность слуховой чувстви­тельности. При тональной аудиометрии выявлено, что у детей в возрасте 4—10 лет пороги слуховой чувствительности превышают соответствующие пороги взрослых на 6—10 дБ. С возрастом про­исходит постепенное снижение порогов восприятия. Острота слу­ха к 12—14 годам достигает оптимальной величины и даже иног­да превышает эти показатели у взрослых. Наибольшая острота слуха

у взрослых наблюдается в возрасте 20 — 30 лет. Постепенно диапа­зон слышимых частот начинает сужаться, сначала за счет верх­ней, а затем и нижней границы. К 50 —60 годам верхняя граница слуха составляет 13000—15000 Гц, а максимальная чувствитель­ность находится в области 2000 Гц, в то время как до 30-летнего возраста она находилась в области 3000 Гц.

Частотный спектр «голосов» многих представителей животно­го мира располагается в диапазоне слуха человека. Так, например, слоны «разговаривают» в зоне 95—380 Гц, земноводные — 1000 — 3000 Гц, цикады - 3000-8000 Гц, жуки - 5000-8000 Гц, са­ранча — 3000—15 000 Гц. Диапазон звуков, воспринимаемых жи­вотными, намного шире диапазона, воспринимаемого человеком. Опыты показывают, что кошки воспринимают звуки до 40 000 Гц. Это позволяет им реагировать на малейшую звуковую активность. Собаки слышат звуки выше 40 000 Гц. Известны методы дресси­ровки собак ультразвуковыми свистками, которых не слышит сам дрессировщик. Летучие мыши посылают в пространство через рав­ные промежутки времени звуковые сигналы высотой 50000 — 90 000 Гц и воспринимают их отраженными от окружающих пред­метов. Подобно летучим мышам, дельфины также используют свое­образный ультразвуковой радар для «прощупывания» дна моря. Исследования, проведенные над комарами, показали, что «ан­тенны» комаров-самцов вибрируют под влиянием ультразвуков, издаваемых при полете самками, заставляя их лететь на большие расстояния. Такой «брачный призыв» использован в настоящее время для борьбы с комарами, которые находят вместо своих са­мок специальные засасывающие их ультразвуковые аппараты.

Сравнение диапазона слуха человека и животных и выявлен­ное при этом превосходство слуха последних заставили ученых заняться более тщательным изучением особенностей строения слу­хового аппарата животных. Последние годы в этом отношении оз­наменовались значительными успехами. Молодая отрасль науки — бионика, используя полученные данные, оказывает в настоящее время большую помощь ряду специальных лабораторий, занима­ющихся созданием аппаратов, которые дают возможность челове­ку расширить свой слуховой диапазон.

Мы рассмотрели диапазон частот, слышимых человеческим ухом. При этом отмечалось, что восприятие этих частот в виде субъек­тивного ощущения той или иной высоты в значительной мере зависит от силы или интенсивности колебаний звучащего тела. Понятно, что чем больше амплитуда колебания или «размах» ко­леблющегося тела, тем больше энергии посылает данное тело в окружающую среду, тем быстрее передвигаются молекулы этой среды. Величиной этой энергии можно определить силу звука. Еди­ницей энергии является эрг, который равен работе силы в 1 дину на пути в 1 см. Энергию можно выразить и в единицах электриче-

§^281§ § о к ^ш §^ ° *1 Н О О ^о|^оод ой & д ^ ^ ^ж о

 

 

Казалось бы, применяя закон Вебера— Фехнера и получая при этом логарифмические шкалы уровня интенсивности звука, вы-

принимается за нулевую.

затем возводят 10 в степень, равную полученному частному. Пользуясь таким методом расчета, можно составить таблицу (табл. 2), показывающую, во сколько раз звук, имеющий силу в то или иное количество децибел, больше звука, сила которого

звука в децибелах к нулевой количество децибел делят на 10, а

чины, полученные путем сравнения измеряемой интенсивности

измерений используются не абсолютные, а относительные вели-

роговыми величинами колеблется в огромных пределах, чрезвы­чайно затрудняющих вычисление. Поэтому с целью упрощения

других абсолютных единицах (ваттах и эргах) разница между по-

Но величину поля слуха можно выразить и в других единицах измерения, а именно — в эргах или ваттах. Как в барах, так и в

Таблица 1 Сопоставление различных звуков по уровню их интенсивности

Таблица 2 Расчет силы звука относительно нулевого показателя

Сопоставляемые звуки	Уровень интенсивности, дБ
Шепот Шелест листьев	20-30
Тихая речь Покашливание Шум улицы ночью	30-40
Разговорная речь Звуки в жилом помещении учреждении Разрывание бумаги	40-60
Громкая речь Кашель Шум улицы днем	60-70
Оркестр Музыка по радио Шум автомобиля	70-80
Крик Шум поезда мотоцикла	80-90
Шум водопада Ниагара фабричного цеха	90-100
Шум авиационного мотора артиллерийского залпа корабельного цеха	100-120
Шум реактивного двигателя	120-140

ражаемой в децибелах, мы тем самым полностью разрешили про­блему оценки величины субъективной громкости. Однако, как уже отмечалось выше, закон Вебера—Фехнера представляет величину громкости как субъективного ощущения лишь отчасти. Дело в том, что работами ряда авторов (X. Флетчер, Н.Ржевкин и др.) дока­зано, что громкость зависит не только от силы звуков, но и от целого ряда моментов: состояния слухового анализатора, цент­ральной нервной системы и, главным образом, от высоты воз­действующего тона. И если для зоны частот в 1000 — 4000 Гц ин­тенсивность звука почти совпадает с ощущением его громкости, то для частот, расположенных по краям диапазона, громкость звука нарастает намного быстрее.

 

Децибелы	Расчеты	Во сколько раз больше
	20:10=2; 10^2 = 100
	30:10 =3; 10^3 = 1000
	50:10=5; 10^5 = 100000
	60:10=6; 10^6 = 1000000	1 000 000
	80:10 =8; 10^8 = 100000000
	100: 10 = 10; 10^!0= 10000000000

Исследования Христиана Флетчера дали возможность изобра­зить неравномерное нарастание громкости в зависимости от час­тоты звука в виде кривых (что нашло в дальнейшем свое отраже­ние в аудиограммах). С увеличением интенсивности звука ощуще­ние громкости на различных частотах становится различным. Так, например, согласно Флетчеру, для того чтобы один и тот же звук в 40 дБ был слышен одинаково громко одним и тем же ухом на двух частотах — 100 и 1000 Гц, необходимо на частоте 100 Гц дать интенсивность звука в 40 дБ, а на частоте 1000 Гц — в 80 дБ. Такая прибавка является значительной при сравнении низких частот с высокими и очень небольшой при сравнении низких с низкими и высоких с высокими.

Для получения субъективного ощущения равной громкости для звуков разных частот требуется неодинаковая прибавка их интен­сивности в децибелах. А это значит, что децибел не может пре­тендовать на роль единицы, определяющей субъективную гром­кость.

Увеличение уровня громкости не идет параллельно истинно­му восприятию громкости. Существующая непосредственная оцен­ка человеком громкости звуков в виде музыкальных обозначе­ний — форте-фортиссимо, фортиссимо, форте, меццо-форте, меццо-пиано, пиано, пианиссимо, пиано-пианиссимо — пока­зывает, что каждая последующая ступень дает уменьшение или увеличение громкости в два раза. Если учесть, что весь диапазон музыкальных звуков укладывается в громкость до 80 дБ и что всех музыкальных обозначений восемь, а каждая ступень отличается от следующей по громкости в два раза, то можно прийти к вы­воду, что увеличение силы звука на 10 дБ удваивает его гром­кость.

Децибелы считаются общепризнанной единицей для аудиомет-рических исследований. Удобство этой единицы измерения за­ключается в том, что 0 дБ определяет порог слышимости челове­ческого уха, а все последующие возрастающие уровни характери-

зуются простыми числами от 0 до 130, соответственно оцениваю­щими интенсивность возникшего ощущения.

При строительстве музыкальных помещений, при исследова­нии шума в цехах фабрик и заводов, в музыкологии и т.д. в акус­тических расчетах применяются фоны и соны. Фон — единица уровня громкости исследуемого звука и тона 1000 Гц (для чистого тона фон совпадает с децибелом). Сон — единица громкости, 1 сон соответствует уровню громкости 40 фон при частоте 1000 Гц.

Итак, окружающие нас звуки чрезвычайно разнообразны, они отличаются по высоте и громкости. Сочетаний этих двух величин может быть бесчисленное множество, и поэтому воздействующий на орган слуха звуковой фон отличается крайней видоизменчиво-стью. Последнее обстоятельство связано, главным образом, еще с одним свойством звуков — их тембром. Тембр, или особая окрас­ка звуков, зависит от наличия в сложном звуке большого количе­ства добавочных к нему тонов — обертонов, называемых также гармониками, призвуками.

Тон самой низкой частоты сложного звука является основным, а все более высокие тоны, частота которых в целое число раз (2, 3, 4, 5 и т.д.) превосходит частоту основного тона, — обертона­ми. Сочетание основного тона и его обертонов составляет спектр звука.

Обертоны образуются благодаря тому, что звучащее тело ко­леблется не только как целое, но и по частям. Так, например, струна колеблется с частотой 100 Гц, ее половинки — с частотой 200 Гц, четверти — с частотой в 400 Гц и т.д. Наличие обертонов позволяет нам отличать друг от друга два звука, производимых с одной и той же силой на одной и той же высоте. Мы, например, никогда не спутаем «до» 4-й октавы, взятое на скрипке и на гита­ре. Понятно, что наличие в инструментах резонаторных полостей оказывает влияние на их гармонические характеристики. Велико­лепное качество знаменитых скрипок Страдивари в первую оче­редь было связано с оригинальностью их конструкции, придаю­щей инструменту особенную «чистую звучность».

Процесс звукового анализа заключается в том, что наш слухо­вой аппарат может воспринимать как основной тон, так и тембр всего звука, который придают ему обертоны. В то же время мы воспринимаем весь объединенный комплекс звука без разложе­ния его на отдельные гармонические созвучия, благодаря чему воспринимаемый звук становится более эмоциональным и насы­щенным. Однако люди с так называемым музыкальным или абсо­лютным слухом могут производить анализ звука, выделяя его со­ставные обертоны, отличая две рядом расположенные ноты, тон от полутона и т. д. Они могут делать это не только на слух, но и «с листа», т.е. читая ноты. Не подлежит сомнению, что наличие аб­солютного слуха является результатом двух слагаемых: природных

данных и особенно тренировки. Путем тренировки вырабатывает­ся главное качество музыканта — его музыкальная память.

Комбинация обертонов вокруг основного тона имеет большое значение для тембра нашего голоса. Так как число обертонов по­чти бесконечно, а их роль неравнозначна, например, если усиле­ны I и VI, или III и V, или II, VII и IX и т.д., голоса людей разительно отличаются друг от друга. И если нет в мире двух оди­наковых по своей конфигурации ушных раковин, двух похожих отпечатков пальцев, двух абсолютно схожих листочков на одной ветке, то нет в мире и двух одинаковых голосов! Поэтому, даже не видя человека, а разговаривая с ним по телефону, мы узнаем — кто с нами говорит. Известны факты, когда родители различали близнецов только по их голосам. Слушая по радио двух наших известных певцов, оба из которых были лирическими тенорами, т.е. обладали одинаковым диапазоном голоса, часто исполняли одинаковые произведения, мы тем не менее по тембру их голосов узнаем, кто из них Лемешев, а кто Козловский.

Гармонические свойства певческого голоса зависят не только от голосового аппарата певца, но и от состояния резонаторных полостей, в которых образовавшиеся в гортани обертоны усили­ваются, насыщаются, эмоционально окрашиваются. Среди резо­наторных полостей организма, к которым относятся: надгортан­ное пространство, глотка, придаточные пазухи носа и т.д., осо­бенное значение придается состоянию полости носа. Еще В. Г. Ермо­лаев характеризовал носовую полость как своеобразный «фильтр», допускающий или не допускающий развитие певческого голоса до высокой квалификации.

Большое значение как для голоса, так и для нашего слуха име­ет «насыщение» звука высокими обертонами. Певческие голоса, содержащие достаточное количество обертонов, расположенных в диапазоне частот от 2500 до 3500 Гц и выделенных в специальную группу, называемую «высокой певческой формантой», обладают хорошей звучностью. Если эти обертоны выделить в чистом виде, то они будут восприниматься на слух в виде звона серебряного ко­локольчика. Звуки же, лишенные высоких тонов и их обертонов, как доказал еще в 1921 г. Стампф на основании целого ряда экс­периментов, становятся тусклыми, искаженными, непонятными.

Акустический анализатор человека обладает способностью вос­принимать не только периодические колебания внешней среды, но и апериодические колебания давления. Эта способность уха получила название барофункции. Барофункция осуществляется теми же механизмами, что и функция слуховая, т.е. колебания атмо­сферного давления воспринимаются барабанной перепонкой и че­рез проводящую систему среднего уха передаются в лабиринт. Изменяя тонус барабанной перепонки, увеличивая или умень­шая ее физиологическую втянутость, меняя режим внутрилаби-

 

ринтного давления, барофункция оказывает непосредственное влияние на остроту слуха.