Акустика

Взглянем на одну из веточек «древа механики» (см. рис. 1) — на раздел, предмет изучения которого каждому из нас близок и понятен: на акустику. Что такое звук, как он возникает и распространяется, как воспринимается человеком? На эти вопросы отвечает акустика.

Рисунок 1. Разделы классической механики

Чтобы мы могли услышать звук, должны присутствовать три фактора:

1. источник звука: колеблющееся тело,
2. упругая среда, передающая эти колебания и доносящая их до приемника,
3. приемник звука: ухо, микрофон.

Колеблющееся тело — это и струна, которую ущипнули, и воздух в органных трубах, и стол, по которому ударили кулаком...

Упругая среда — это и воздух, и вода, и любое твердое тело. Все они обладают общим свойством: если сместить частицы среды в одном месте, со стороны соседних участков возникают силы, стремящиеся вернуть смещенные участки в прежнее положение.

Колеблющееся в воздухе тело создает вокруг себя попеременные сжатия-разряжения воздуха, которые распространяются всё дальше от источника, подобно кругам на воде. При этом сами массы воздуха не перемещаются: каждая частичка воздуха лишь колеблется туда-сюда и заставляет колебаться соседние частицы (см. рис. 2).

Рисунок 2. Колебания струны

Бегущая звуковая волна — это процесс распространения колебаний, создаваемых источником звука, в упругой среде. Нет среды — не будет слышно звука; к примеру, вы не услышите взрыва на Луне (разве что приложите ухо к лунной поверхности).

Достигая уха, звуковая волна вызывает колебания барабанной перепонки, которые запускают определенные физиологические процессы, и мы слышим звук.

Частоты колебаний должны укладываться в звуковой диапазон: от 16 до 20 000 колебаний в секунду, то есть герц (эти цифры относятся к молодым людям). По мере приближения к границам диапазона слышимости чувствительность уха ослабевает.

С возрастом частотный диапазон слышимости сужается. Так, после 50 лет он обычно составляет от 30 герц до 12 000 герц.

Колебания с частотой менее 16 герц создают инфразвук. Инфразвуковые колебания с частотой 5-10 герц могут вызывать вибрацию внутренних органов и влиять на работу мозга. Они рождают чувство тревожности, усиливают ноющие боли в костях и суставах у больных людей. Источниками инфразвука являются автомобили, вагоны, гром от молнии, шум приближающегося шторма и т.д.

Почему одни звуки мы воспринимаем как красивые, музыкальные, а другие — как шум? Разгадка кроется в физическом понятии спектр колебаний. Дело в том, что практически не бывает так, чтобы частицы тела колебались с одной определенной частотой, даже если это струна музыкального инструмента. Всегда возникает целый набор колебаний с разными частотами. Спектр показывает, как распределяется энергия колебаний по разным частотам.

Если все частоты кратны одной основной частоте (например, частоты 100, 200, 300, 400... герц кратны основной частоте 100 герц), то звук будет музыкальным. Основную частоту мы воспринимаем как высоту тона (к примеру, как нота до первой октавы). Кратные частоты называют обертонами.

Мы отличаем на слух ноту «до», взятую на рояле и на скрипке. Каким образом? У каждого музыкального инструмента свой неповторимый спектр обертонов, он-то и придает звуку окрас, то есть определяет тембр звука.

Если же в спектре звука присутствуют абсолютно все частоты некоторого диапазона (такой спектр называют непрерывным), то мы воспринимаем этот звук как шум. Тела сложной формы, если возбудить их колебания ударом, создают шум. А «простые» тела типа струн или воздушных столбов в органных трубах рождают музыкальные звуки. Резонаторы музыкальных инструментов усиливают одни группы обертонов и ослабляют другие, создавая узнаваемый тембр звучания.

Опираясь на законы акустики, можно «подделать» звучание любого инструмента или голоса, открыть тайны волшебных певческих голосов, обеспечить идеальную акустику помещений и многое другое.

«Шумовое загрязнение», характерное сейчас для больших городов, сокращает продолжительность жизни людей сильнее, чем курение.

Научно доказано, что музыка может укреплять иммунную систему, улучшать обмен веществ, повышать или понижать содержание гормонов в крови. В 2003 году Минздрав признал музыкотерапию официальным методом лечения. Самым мощным и универсальным лекарством считается музыка Моцарта.