Звук и слух. Источник звука. Восприятие звуков

Для вас не новость, что необходимыми условиями возникновения и восприятия звука являются: источник звука (колеблющееся тело), среда, в которой распространяется звук, и приемник звука (ухо или другой прибор, воспринимающий звук).

Источник звука — любое колеблющееся тело; если тело колеблется с частотой до 20 гц, то оно излучает инфразвуки; колебания в диапазоне от 20 до 2000 гц называются звуками, а свыше 20 000 гц — ультразвуками.

Звуки называются музыкальными, если колебания периодичны, они могут быть сложными, но обязательно периодичными. К таким звукам относятся звуки музыкальных инструментов, речь человека. В отличие от музыкальных звуков шумы состоят из большого количества апериодических колебаний. Кроме музыкальных звуков и шумов, различают еще звуковой удар. Это одиночная звуковая волна большой интенсивности, возникающая, например, при сильном взрыве.

Восприятие звуков человеком весьма субъективно. Один и тот же звук воспринимается им в различных условиях по-разному: легкое покашливание находящегося рядом человека можно не заметить, если это происходит на стадионе во время футбольного матча, вызвать раздражение, если это в концертном зале, или тревогу, если это покашливание обнаружено у ребенка, и т. д.

Восприятие звуков связано с состоянием человека (субъекта) и зависит от многих внешних факторов. Различные люди по-разному воспринимают звуки: одних шум моря успокаивает, других — раздражает; одни не замечают шума улицы, а у других от него возникает головная боль. Такое восприятие не назовешь объективным, оно, безусловно, субъективно.

Звук имеет и объективные физические характеристики: сила звука (мы воспринимаем ее как громкость), частота (субъективно— высота тона) и гармонический спектр (в восприятии определяющий тембр звука).

Сила звука—это энергия., которую за 1 сек переносит звуковая волна через площадку в 1 м², расположенную перпендикулярно к направлению распространения звуковой волны:

Не всякой силы звук мы можем услышать. Оказывается, что звук силой I_o = 10^-12 вm/м² мы еще можем услышать — эта сила звука называется пороговой (порог слышимости). При увеличении силы звука усиливается громкость. Если же сила звука достигает I_mах = 10 вm/м² мы начинаем чувствовать боль в ушах (болевой порог).

Болевой порог отличается от порога слышимости в 10¹³ раз! Это очень большой интервал сил звуков, которые может воспринимать наш слуховой аппарат.

Как же человек воспринимает такой громадный диапазон сил звуков? Оказывается, что восприятие звуков (и не только звуков — запаха, цвета, боли и т. д.) происходит по логарифмическому закону: если сила звука увеличивается в 1000 раз, то воспринимаемая громкость увеличится в lg1000, т. е. только в 3 раза; увеличение силы звука в миллион раз (10⁶) приводит к увеличению громкости только в 6 раз. Эту зависимость можно выразить формулой:

где L — воспринимаемая громкость (субъективная характеристика); отношение I/I_o показывает, во сколько раз увеличилась сила звука; k — коэффициент пропорциональности. Этот закон не может быть назван физическим, так как L — не физическая, а субъективно воспринимаемая величина; поэтому такие законы называют психофизическими. Следует указать, что этот закон ограничен: он справедлив не для всего диапазона звуковых волн, воспринимаемых человеком.

Приведенную выше формулу удобно использовать для определения единицы измерения громкости. L будет равно единице, если k = 1 и lg I/I_o =1; а это возможно, если I/I_o = 10. Таким образом, громкость изменяется на 1 бел, если сила звука изменится в 10 раз. Чаще пользуются единицей, в 10 раз меньшей,— децибел. Так, шум шагов примерно равен 40 децибелам, крик — 70, шум городской улицы — 90, болевой порог — 130 децибелам.

На субъективное восприятие звука оказывает влияние характер действия раздражителя. При непрерывном действии звуковой волны чувствительность восприятия понижается. Поэтому длительные раздражения умеренной силы, вследствие адаптации нерва, не вызывают неприятных, режущих слух ощущений. Физика этих явлений заключается в следующем. Согласно законам сложения колебаний, форма суммарной волны остается неизменной, если частоты слагаемых колебаний (или периоды) относятся как небольшие целые числа.

Возникающие при этом звуки, называемые консонансами, отличаются длительным равномерным звучанием, что способствует адаптации, снижению чувствительности слухового нерва; такие сочетания звуков приятны уху. Примером могут служить широко известные музыкальные созвучия (аккорды), приведенные в таблице (рис. 17).

Рис. 17. Отношение частот в различных аккордах

Иначе обстоит дело с прерывистыми раздражениями. В этом случае нерв не успевает адаптироваться; при каждом новом импульсе чувствительность восстанавливается, возникают неприятные, режущие слух ощущения.

Сухие цифры порогов, в пределах которых человек воспринимает звуки, не характеризуют высокую чувствительность слухового аппарата, а она поистине фантастична: человек воспринимает звук, если звуковая волна сместила мембрану всего лишь на одну стомиллиардную часть сантиметра! Это расстояние в тысячу раз меньше диаметра атома водорода! Причина столь высокой чувствительности слухового аппарата не раскрыта до настоящего времени. Решение этой проблемы — очень увлекательное и очень трудное дело.

Однако человек не является чемпионом в области слуха. Многие животные способны слышать гораздо более слабые звуки. Не следует считать это большим недостатком, человека. Пожалуй, человеку выгодно слышать меньше, чем больше. Гораздо важнее, что он без особого вреда может переносить довольно сильные звуки, возникающие при звуковом давлении в 300 000 тор. А вот у некоторых животных, например у белых крыс, сильные звуки вызывают судорожные припадки и даже смерть.

Слух человека не только по остроте, но и по другим показателям отстает от слуха многих животных. Во-первых, мы слышим очень узкую полосу частот звуковых колебаний. Звук не воспринимается как непрерывный, тогда частота колебаний составляет 16—18 герц (гц) и исчезает, когда частота колебаний достигает 20 000 гц. Это сравнительно небольшая частота. Собаки способны улавливать звуки частотой до 38 000 гц. Киты и дельфины могут следить за изменением звукового давления, которое происходит с частотой 100— 125 тыс. гц, а летучие мыши — даже до 300 тыс. гц.

Человек и высшие животные обладают бинауральным слухом. Это очень помогает в определении местонахождения источника звука. Звуковые волны не одновременно достигают правого и левого уха. Человек способен заметить, что звук до одного уха доходит всего лишь на 0,0001 сек позже, чем до другого.

У лисицы расстояние между ушами около 10 см, т. е. приход звука в одно ухо по отношению к другому может опаздывать не более, чем на 0,0003 сек. Животные вообще могут очень точно измерять и запоминать величину интервалов между приходом отдельных звуков. Собака легко отличает звучание метронома, производящего 100 ударов в минуту, от метронома, дающего 98 ударов. Даже для изощренных ушей музыкантов-профессионалов звучание обоих метрономов кажется одинаковым.