Звук с давних пор считался одним из самых загадочных явлений природы. В самом деле, что порождает звук? Что заставляет его неведомыми путями распространяться и достигать нашего слуха? Почему звук, едва родившись, так быстро замирает? Эти вопросы издавна волновали пытливый ум человека.
Ничего не зная о природе звука, человечество на протяжении тысячелетий пользовалось им. Люди очень давно подметили некоторые закономерности в этом явлении, выделив из массы звуков отдельные комбинации их, производившие приятное впечатление на слух. Это было одной из причин зарождения музыки, старейшего из искусств.
Наши отдалённые предки установили чисто практическим путём основные закономерности построения музыкальных инструментов. Они знали, например, что лира или арфа обладают хорошим тоном лишь в том случае, если их струны по своей длине и толщине подобраны с соблюдением некоторых числовых соотношений. Только в этом случае каждая струна даёт звук определённого тона. Правильное сочетание этих тонов является основой музыкальной гармонии.
Однако, почему все это происходит, причину явления, древние мастера музыкальных инструментов объяснить не могли.
Первый, кто математически исследовал числовые соотношения тонов в музыкальных инструментах, был великий математик древности Пифагор, живший в VI в. до н. э. Рассказывают, что однажды учёный, проходя мимо кузницы, заметил интересное явление: удары молотов о наковальню воспроизводили звуки музыкальных тонов — кварту, квинту и октаву. Пифагор стал искать причины столь необычайной музыкальности кузнечных инструментов. В этот период Пифагор разрабатывал свою теорию числа как основы всего существующего. Надеясь и здесь найти числовые соотношения, которые помогли бы объяснить превращение кузнечных инструментов в музыкальные, учёный решил взвесить молоты. Оказалось, что веса меньших молотов составляют три четверти, две трети и половину веса большого. Тогда Пифагор попросил кузнецов взять другие молоты, веса которых не соответствовали бы найденным пропорциям. Однако новые молоты уже не давали музыкальных тонов.
 |
| Пифагор, VI век до нашей эры. Музыкальная гармония основана на пропорциях. |
Этот случай послужил Пифагору поводом для постановки целой серии опытов. При помощи несложных приборов знаменитый геометр обнаружил, что высота тона струны зависит от её длины и степени натяжения. Кроме того, исследованиями учёного было установлено, что в правильно настроенном музыкальном инструменте длины струн должны находиться в тех же отношениях, какие были найдены при изучении музыкально звучащих молотов.
Открытый Пифагором закон давал объяснение только одному частному явлению из области звука. Более глубокие причины найденной закономерности, так же, как и вообще природа звука, по-прежнему оставались загадкой.
О природе и причинах распространения звука древние натурфилософы выдвигали много предположений. Кое-кто уже тогда высказывал смелую догадку о колебательной природе звуковых явлений. Эти идеи нашли наиболее верное и полное обобщение в сочинениях римского писателя Сенеки, жившего в I в. н. э. Его семь книг, объединённых под общим заглавием «Естественные вопросы», были своеобразной энциклопедией естествознания, которая сохранила научную ценность почти до конца Средневековья. В этих книгах, написанных весьма живо и убедительно, Сенека рассказывает о самых разнообразных проблемах естествознания, в том числе и о звуке. Вот что пишет он о природе звуковых явлений:
«Что такое звук голоса, как не сотрясение воздуха ударами языка? Какое пение было бы возможно слышать, не будь этой упругой воздушной жидкости? Разве звуки рожка, трубы и гидравлического органа не объясняются все той же упругой силой воздуха?»
 |
| Сенека, I век. Звук голоса - это сотрясение воздуха ударами языка. |
Сенека очень близко подошёл к современным взглядам на природу звука. Правда, это были только предположения, не подкреплённые опытными, практическими исследованиями.
Последующие полторы тысячи лет очень мало прибавили к тому, что было известно людям о природе звука. В XVII в. Френсис Бэкон, основатель опытного метода в науке, считал, что звук может распространяться не иначе, как при посредстве некоторой «упругой жидкости», которая, по его мнению, входит в состав воздуха. Это неверное утверждение Бэкона повторяло по существу отвлечённые рассуждения древних натурфилософов.
 |
| Френсис Бэкон, 1620 г. Звук распространяется только при посредстве упругой жидкости, растворенной в воздухе. |
Между тем к этому времени уже зарождалась опытная наука о звуке. В итальянском городке Флоренции великий учёный Галилей получал музыкальные звуки, быстро проводя ножом по краю монеты, пиастра. Галилей нашёл, что когда число зазубрин на монете велико, то получается высокий тон. Отсюда учёный сделал вывод, что высота тона зависит от частоты толчков.
 |
| Галилей, 1639 г. Проводя ножом по краям пиастра, я получил музыкальные звуки. |
Опыты Галилея послужили основой для работ французского учёного, монаха Мерсенна. В 1636 г. Мерсенн выпустил книгу, в которой описал свои исследования. Он хотел проверить закономерность музыкальных звуков, найденную Пифагором, и объяснить причины её. После длительных исследований и кропотливых изысканий Мерсенн выяснил, что высота тона зависит исключительно от частоты колебаний звучащего тела. Он установил также закон колебания струн, согласно которому число колебаний обратно пропорционально длине струны и квадратному корню из её веса и прямо пропорционально квадратному корню из степени натяжения её. Подобный же закон оказался справедливым и в отношении длины труб. Чем короче труба, тем большее число колебаний она даёт, тем выше её звук.
 |
| Мерсенн, 1636 г. Высота тона зависит исключительно от числа колебаний. |
Эти опыты пролили свет на природу звука. Исследования Мерсенна доказали, что звук есть не что иное, как колебания частиц воздуха, вызываемые звучащим телом. Музыкальные молоты, поразившие Пифагора и положившие начало его исследованиям, порождали звук, ударяясь о наковальню. Понятно теперь, что более лёгкие молоты вызывали быстрые, т. е. частые, колебания, а тяжёлые — медленные. Числа колебаний молотов были пропорциональны их весам.
Работы многочисленных учёных подтвердили основную идею Мерсенна. Было установлено, что всякое колеблющееся тело с числом колебаний от 20 до 20 тыс. в секунду порождает в воздухе волны, воспринимаемые ухом в виде звука.
*
Когда была выяснена колебательная природа звука, возник вопрос: какова же скорость распространения звуковых волн? Издавна было известно, что звук распространяется гораздо медленнее, чем свет. Многим приходилось наблюдать, как удар (например, молотом о наковальню или топором дровосека о дерево), производимый на некотором расстоянии от наблюдателя, воспринимается ухом несколько позже, чем глазом. Это происходит потому, что звуку требуется известное время, чтобы дойти до наблюдателя, в то время как свет распространяется практически мгновенно.
Первое определение скорости распространения звука в воздухе было произведено французским физиком и философом Пьером Гассенди в середине XVII в.
В то время многие считали истиной утверждение Аристотеля, будто высокие тона распространяются быстрее низких, Гассенди решил проверить это. Его опыт заключался в следующем. На определённом расстоянии от наблюдателя производились одновременно выстрелы из ружья и пушки. При этом измерялся промежуток времени между появлением вспышки пороха и звуком выстрела, доходившим до наблюдателя. Опыт показал, что звуки обоих выстрелов распространяются с одинаковой скоростью. Попутно Гассенди определил скорость распространения звука; по его расчётам, она оказалась равной 449 метрам в секунду.
 |
| Гассенди, 1640 г. Скорость звука в воздухе - 1473 парижских фута. |
Несмотря на неточность результата, опыт Гассенди имел очень большое значение для дальнейших исследований. Он давал метод, которым воспользовались впоследствии многие учёные. Применив более совершенные приборы, они нашли истинную скорость звука в воздухе. При этом было обнаружено, что она не остаётся постоянной, а изменяется в зависимости от температуры и давления: в тёплый летний день она меньше, чем в холодный, зимний, а, например, при 0° скорость звука составляет около 332 метров в секунду.
В 1667 г. знаменитый исследователь, соотечественник и сподвижник Ньютона, Роберт Гук произвёл серию опытов, раскрывших новые свойства звука. До этого времени многие учёные, подобно Бэкону, считали воздух единственной средой, в которой звук способен распространяться. А между тем в обыденной жизни встречались явления, говорившие о другом. Было известно, например, что, припав ухом к земле, можно услышать конский топот. Точно так же, нырнув в воду, можно явственно слышать шум прибоя, плеск весел движущейся лодки, удары камней друг о друга. Гук знал, конечно, об этих фактах. Он решил опровергнуть неправильное утверждение Бэкона и его последователей.
 |
| Роберт Гук, 1667 г. Не только воздух, но и многие другие тела могут служить проводниками звука. |
Проведя серию очень интересных и оригинальных опытов, учёный пришёл к результатам, которые записал в своём лабораторном журнале: «До сих пор никто ещё не занимался вопросом о том, при посредстве каких других сред, кроме воздуха, звук может быть воспринят человеческим ухом. Я утверждаю, что с помощью вытянутой проволоки я передавал звук на значительное расстояние, и притом со скоростью если не равной скорости света, то во всяком случае несравненно более значительной, нежели скорость звука в воздухе».
Гук проделывал весьма любопытный опыт. Он прикладывал скрипку к медной пластинке с припаянной к ней проволокой. Эта проволока выходила через окно в сад и на значительном расстоянии от дома оканчивалась небольшой мембраной. Человек, находившийся у мембраны, мог явственно слышать игру на скрипке, которая происходила в закрытой комнате.
Дальнейшие исследования доказали, что скорость распространения звука в различных твёрдых телах неодинакова. Из всех металлов железо обладает наибольшей звукопроводностью. Скорость звука в нем равна 5 тыс. метров в секунду, а, например, в свинце звук распространяется со скоростью всего 1200 метров в секунду.
После работ Гука и других учёных физики решили исследовать, распространяется ли звук в жидкостях.
В 1827 г. французский геометр и физик Штурм вместе с швейцарским физиком и инженером Колладоном решили определить скорость распространения звука в воде. Опыты были проведены на Женевском озере, глубина и чистота которого делали его особенно пригодным для этой цели. На одном конце озера, близ местечка Роль, на якоре стояла лодка, в которой поместился Штурм. Он должен был давать одновременные световые и звуковые сигналы при помощи особого механизма. Механизм действовал таким образом, что одновременно с ударом молоточка о находящийся под водой колокол вспыхивала небольшая кучка пороха. Появление света в этот момент служило сигналом отправления звука.
 |
| Колладон и Штурм, 1827 г. Скорость звука в воде - 1431 метр в секунду. |
Колладон отъехал от Штурма на 12 километров. Здесь он принимал световые и звуковые сигналы с другого конца озера. В одной руке учёный держал слуховую трубу, конец которой был опущен в воду, в другой — секундомер. Определяя время, прошедшее между появлением светового сигнала от вспышки пороха и гулом колокола, Колладон вычислял скорость распространения звука в воде. Этот опыт был повторен несколько раз. Оказалось, что скорость звука в воде почти в четыре раза больше, чем в воздухе. При температуре воды в 8° она равна 1431 метру в секунду.
*
К концу XVIII в. колебательная природа звука уже ни у кого не вызывала сомнений.
Знаменитый английский математик, физик и астроном Исаак Ньютон первый произвёл блестящий математический анализ волнового и колебательного движений. Он дал формулу, по которой можно было теоретическим путём вычислить скорость звука в различных средах. Исследования Ньютона продолжал Лаплас и другие математики. Их теоретические работы вполне совпали с результатами многочисленных опытов. Так, например, скорость распространения звука в воздухе и других средах, вычисленная на основании математических формул, вполне совпадала с опытными данными. Казалось бы, все, что можно знать о звуке, уже известно. Но вот в 1787 г. в Лейпциге вышла книга молодого немецкого физика Хладни. В этой книге описывались невероятные вещи. Если верить исследователю, то, оказывается, звук можно не только слышать, но и видеть.
Эрнст Хладни всю свою научную деятельность посвятил изучению звуковых явлений, Ему были известны работы Даниила Бернулли и Леонарда Эйлера о вибрациях прута и струи. Это были исследования простейших звучащих тел. Но как ведут себя более сложные звучащие тела, вроде, например, колокола? На этот вопрос современная Хладни наука не давала ответа. О том, что не только струны, но и многие другие предметы — бокалы, трубки, пластинки — можно заставить звучать, проводя по ним смычком, было известно давно. Учёный решил применить смычок к исследованию звучащих тел. Лаборатория исследователя наполнилась многочисленными предметами самой неожиданной формы и назначения. Бокалы, стаканы, чашки, металлическая посуда, пластинки, прутья и стержни из стекла и металла — каждый отвечал своим «голосом» на прикосновение магического смычка.
Конечно, все это не было простой забавой. Вскоре учёный подметил интересное явление. Он налил в чашку воды, желая проверить, одинаково ли звучат пустая чашка и чашка, наполненная жидкостью. Как только Хладни провёл смычком по краю чашки, на поверхности воды появилась мелкая зыбь, вызванная дрожанием стенок сосуда. Эта зыбь была слишком мелка, чтобы её можно было изучать, к тому же она быстро пропадала. Исследователь задумался над тем, как бы сделать эту зыбь более устойчивой.
Хладни взял медный кружок и, закрепив стержень, на котором был укреплён кружок, провёл смычком по краю кружка. Кружок начал вибрировать, давая звук низкого тона. Когда звук прекратился, исследователь посыпал кружок песком. После этого он опять провёл смычком по краю кружка. Можно представить удивление и радость учёного, когда на звучащем кружке появились чёткие линии. Песок соскакивал с вибрирующих частей кружка и собирался там, где движения совсем не было. Теперь стал виден характер вибрации звучащего тела. Чем выше был тон кружка, тем сложнее получались песчаные фигуры.
 |
| Хладни, 1787 г. Звуковые колебания модно сделать видимыми. |
Известие об опытах Хладни быстро облетело весь учёный мир. Физики всех стран тщательно изучали загадочные Хладниевы фигуры. Эти опыты имели громадное значение не только для изучения звука, но и для популяризации акустики вообще. Опыты Хладни и в наше время служат прекрасной демонстрацией колебательной природы звуковых явлений.
Впоследствии были найдены и другие способы делать звук видимым. Можно, например, приделать к мембране острие, которое упирается в закопчённую пластинку. Когда около этого простого прибора ведётся разговор, мембрана колеблется, и дрожание её передаётся острию. В это время пластинке сообщают поступательное движение. Острие чертит на закопчённой поверхности зигзагообразную линию. Характер этой линии меняется в зависимости от характера звуков, воспринимаемых мембраной.
Перед учёными встала новая заманчивая задача. Надо было найти способ фиксирования звуковых колебаний, чтобы потом можно было по полученным следам воспроизвести записанный разговор.
Эту задачу блестяще разрешил знаменитый американский изобретатель Томас Эдисон. В 1876 г. он устроил приспособление к телеграфному аппарату Морзе, позволяющее чисто механическим путём передавать телеграмму, полученную с одной линии, на другую. Этот прибор состоял из металлического цилиндра с винтовой нарезкой. При вращении цилиндра по нарезке ходил металлический штифт. Между цилиндром и штифтом помещался лист бумаги. Во время приёма телеграммы штифт прорезал бумагу соответственно принимаемым сигналам.
Однажды Эдисон пустил свой аппарат с необычайной быстротой. Когда скорость возросла до того, что телеграфные сигналы уже нельзя было различить, изобретатель заметил, что аппарат издаёт музыкальный тон. Этот тон менялся в зависимости от характера передаваемых сигналов. У Эдисона возникла мысль заменить телеграфные сигналы Морзе следами, оставляемыми человеческой речью. Неутомимый исследователь немедленно же осуществил свою идею. Он сделал диафрагму, натянув на рамку промасленную бумагу. К центру диафрагмы был приделан острый стальной штифтик. Вместо бумаги телеграфный цилиндр был обернут оловянной фольгой. Затем Эдисон начал медленно вращать цилиндр, одновременно произнося над диафрагмой различные слова. Звуковые колебания вызывали дрожание диафрагмы, а вместе с ней и штифтика, который, вдавливаясь в фольгу, оставлял на ней след в виде канавки неравномерной глубины. Так впервые был записан человеческий голос. Оставалось воспроизвести его. Эдисон снял первую диафрагму я поместил над цилиндром другую, снабжённую тонким и гибким острием. Цилиндр снова был приведён во вращательное движение. Острие, встречая на своём пути возвышения и углубления, вычерченные штифтом на оловянном листе, передавало эти колебания диафрагме. Машина заговорила: фонограф увидел свет.
 |
| Эдисон, 1876 г. Звук можно записать и сохранить на долгие времена. |
Изобретение Эдисона учёные встретили по-разному. Одни восхищались, другие недоверчиво качали головой, третьи считали, что здесь какой-то очень ловкий обман. Трудно было отвыкнуть от привычного мнения о звуке, как о материи лёгкой, подвижной и неуловимой; трудно было поверить, что звук можно поймать, зафиксировать и заставить повторяться сколько угодно раз. По отзывам современников, «фонограф поражал тех, кто его понимает, столько же, если не больше, чем тех, для которых он непонятен».
Фонограф Эдисона оказался родоначальником целого ряда акустических приборов.
Развитие техники в наши дни выдвигает ряд новых проблем перед акустикой. Постройка радиостудий, борьба с уличным шумом, строительство больших аудиторий и концертных зал требуют знания законов поглощения звука.
В одном американском университетском городке была построена большая аудитория. Архитектор, проектирующий её, не учёл законов распространения и поглощения звука. Это привело к неожиданным результатам: присутствующие слышали одновременно и речь оратора, идущую непосредственно с кафедры, и звуки, отражённые от потолка. Все это, сливаясь вместе, создавало невообразимый звуковой хаос. Чтобы исправить ошибку архитектора, пришлось спустить с потолка на канатах большой брезент, который упорядочил акустику зала.
Строительство величайшего здания нашей эпохи — Дворца Советов — также выдвинуло ряд совершенно новых задач по акустике. Большой зал Дворца Советов будет вмещать 22 тыс. человек. Высота этого зала составит 100 метров. Советским учёным и инженерам нужно было разработать такую конструкцию купола, которая обеспечила бы полное поглощение всех звуков, доходящих до него. Нужно было создать своего рода «искусственное небо»: ведь под открытым небом все звуки, идущие вверх, замирают в высоте, обратно не возвращаясь. Задача осложнялась отсутствием материалов, которые обеспечили бы очень сильное поглощение звука. Теоретически этот вопрос был также совершенно не разработан. Советские учёные блестяще разрешили эту трудную задачу. На основе разработанной теории были найдены материалы, обладающие звукопоглощающими свойствами. По своей акустике Большой зал Дворца Советов будет лучшей аудиторией в мире.
*
Так развивается наука о звуке, в которой последнее слово принадлежит советским учёным.
Комментариев нет:
Отправить комментарий