[На главную] [К оглавлению тома]

О звуковых колебаниях

Звуком, в узком смысле слова, называются колебания окружающей нас среды, при которых возникают слуховые ощущения. В широком смысле звуковым колебанием можно считать всякое более или менее периодическое волнообразное движение в твердом, жидком или газообразном теле. В последнем смысле можно говорить о звуках, доступных нашему восприятию и недоступных. Среди звуков различают музыкальные тоны и шумы. Если посредством регистрирующих приборов записать музыкальный тон, то получится очень неправильная кривая линия. По формуле Fourier эту кривую можно разложить на ряд более простых линий, которые представят собой не что иное, как графическое изображение компонентов данного музыкального тона. Линия одного компонента музыкального тона обычно представляется в виде кривой - синусоиды, т.е. в виде изображения правильного, простого гармонического периодического колебания звучащей массы. В природе простых гармонических колебаний не встречается, но их можно искусственно получить посредством особых камертонов с нагрузкой (камертоны Bezold - Edelmann'a).

Каждая частица такого камертона, вибрируя около положения своего равновесия подобно маятнику, удаляется от него на некоторое расстояние, в каждый данный момент зависящее от времени, прошедшего от начала колебания. Отклонение колеблющейся частицы -от положения покоя равняется синусу дуги, возрастающей пропорционально времени, протекшему от начала "колебания. На этом основании графическое изображение отклонения колеблющейся частицы за известное время и называется синусоидой. Чистые тоны отличаются между собой: 1) амплитудой, определяющей силу звука, и 2) частотой колебаний, определяющей высоту звука. Музыкальные инструменты, человеческий голос и т.д. не дают чистых тонов, а образуют сложные звуки, представляющие собой большей частью комплекс чистых тонов. Образование сложных звуков обусловлено способностью звучащих тел колебаться не только в целом (образование основного тона), но и своими частями, которые, в свою очередь, образуют звуки разной силы и высоты. Эти звуки, называемые призвуками, обертонами или гармониками, наслаиваясь на основной тон, придают слуховому ощущению особый характер, называемый тембром или окраской звука. Шум отличается от тона тем, что здесь мы имеем дело с неправильными, не периодическими звуковыми вибрациями. Шум играет роль в физиологии речи, обусловливая характеристику разных звуков алфавита (типичный образец - звук "ш"). Разновидностями шумов является свист ("с"), жужжание ("ж"), грохот, дребезжание и др.

Ощущение тонов слагается из ощущений высоты, силы и тембра. Ощущение тембра понятно из приведенной выше резонансной теории, на способности же человека различать высоту и силу звука следует остановиться несколько подробнее.

Ощущение высоты звука. Человеческое ухо воспринимает звуки разных высот. Посредством камертонов Bezold - Edelmann'a, монохорда Struycken'a и свистка Galton'a установлено, что ухо начинает различать тоны приблизительно с 10 кол./сек. (так наз. нижняя граница слуха), а тон с меньшим числом колебаний вызывает только тактильное чувство вибраций бравшей камертона; с другой стороны, очень частые колебания, а именно более 21000 кол./сек. (верхняя граница слуха), также перестают восприниматься ухом. В промежутке между этими двумя границами все тоны без исключения различаются нормальным ухом, и их расположение в ряд называется непрерывной тонскалой (см. стр. 253). Восприятие очень низких и высоких звуков индивидуально колеблется, поэтому установить точную границу нормального человеческого слуха не удается.

Звуки от 10 до 30 кол./сек. называют областью нижней границы нормального слуха и от 16384 до 21000 кол./сек. - областью верхней границы. Если человек не слышит звуков области нижней границы, то говорят о повышении нижней границы и, наоборот, при отсутствии восприятия звуков области верхней границы говорят о понижении верхней границы.

Непрерывная тонскала

Такая картина слуха наблюдается обычно в патологических случаях. У пожилых людей верхняя граница понижена в связи с общим ослаблением слуха. Часто старые люди не слышат вовсе высоких звуков стрекотания кузнечиков, цикад и т.n. Способность восприятия звуков верхней границы объясняется двояко. Предполагают, что крайние волокна основной мембраны в основном завитке могут резонировать на частоты в 15000 кол/сек. По мере повышения тона и отдаления частоты его от резонанса с собственным периодом крайних волокон колебание этих волокон, все же, происходит, но в степени, недостаточной для раздражения соответствующих окончаний кохлеарного нерва. Но все - таки, чтобы слышать частоты более 15000, необходимо усилить колебание струны, что может быть получено усилением звука. По наблюдениям Гильдемейстера, для повышения верхней границы на полтона (1000 кол./сек.) необходимо усилить звук в 25 раз. Верхний предел слуха может быть объяснен и иначе. Из анатомии известно, что барабанная перепонка сильно напряжена, стоит под углом к слуховому проходу и имеет небольшую поверхность. Лазарев полагает, что при частоте в 20000 кол./сек., с длиной волны в 0,6 см вся волна укладывается на барабанную перепонку, и отдельные ее части будут испытывать противоположные воздействия, вследствие чего движение барабанной перепонки не может передаться слуховым косточкам. Это предположение не подтверждается клиникой. Известны случаи, когда при полном отсутствии барабанной перепонки верхняя граница слуха остается сохраненной. Ржевкин не исключает той возможности, что верхняя граница обусловлена действием обеих приведенных выше причин.

Опытами с маскировкой звука Вегель и Лэн выяснили, на каких участках основной мембраны происходит восприятие звуков разных высот. Оказывается, что крайние волокна близ геликотремы воспринимают частотно не ниже 100 кол./сек. С другой стороны, было уже указано, что нижняя область слуха простирается от 10 до 30 кол./сек. и, таким образом, казалось бы, нижняя граница слышимости является трудно объяснимой. Однако Fletcher и Helmholtz и этому факту приводят соответствующие физические объяснения. Fletcher считает, что низкий звук легко вызывает ощущение субъективных обертонов, т.е. тонов, которых не существует в исходном колебании. Так, тон в 16 кол./сек. сам по себе, вероятно, не воспринимается ухом из-за отсутствия соответствующих волокон основной мембраны, зато образуемые им обертоны в 32, 48 и т.д. кол./сек. уже в состоянии вызывать соколебания волокон, и совокупность этих раздражений дает ощущение некоторого низкого звука. Таким образом, тоны области нижней границы слуха воспринимаются постольку, поскольку они возбуждают субъективные обертоны. Helmholtz теоретически доказал, что такие субъективные обертоны могут образоваться на самой барабанной перепонке; вследствие особенностей ее строения низкие звуки, имеющие большую силу (энергию), могут производить несимметричные перемещения перепонки внутрь и кнаружи, что и приводит к образованию субъективных обертонов. Итак, на основании сказанного, можно предположить, что образование субъективных обертонов возможно как на основной мембране, так и на барабанной перепонке, и эти обертоны, повидимому, возбуждают ощущение своего основного низкого тона, "анатомически" отсутствующего на основной мембране. Способность распознавания разных частот колебаний у человека может быть изощрена до чрезвычайно высокой степени; например, если один тон дает 1000 кол./сек., а другой 1001 кол./сек., то даже эта 1/1000 доля достаточна, чтобы различить один тон от другого. Такая острота слуха относится к средним тонам музыкального регистра (128-1024 кол./сек.). При более низких тонах для ясного различения высоты требуется прибавление не менее 2-3 вибраций в секунду. В области высоких тонов изменение их даже на 50-100 вибраций в 1 сек. может оказаться недостаточным для распознавания изменения высоты тона.

Рис. 3. Область слухового восприятия (по Вегелю и Лэну).

Ощущение силы звука. Человеческое ухо на протяжении всей тонскалы не одинаково чувствительно к разным частотам. Опыты Лэна показывают, что наибольшая чувствительность относится к тонам от 4000 до 14000 кол./сек., а выше начинает резко падать; например, чтобы услышать тон в 19000 кол./сек., приходится этот звук сделать в миллион раз интенсивнее, чем звук в 14 000 кол./сек. (следовательно, на интервал в 19000/14000 = 1,35, т.е. около одной трети октавы, чувствительность падает в 106 раз). По данным М. Wien'a чувствительность, слуха достигает максимума при 2300 кол./сек. Это согласуется с данными Helmholtz'a, считавшего наивысшей чувствительностью уха к тонам в области 2000 - 3000 кол./сек. и объяснявшего это резонансом слухового прохода. По новейшим исследованиям, при изменении частоты от 50 до 2 000 кол./сек. чувствительность увеличивается от 500000 до миллиона раз. Таким образом, за максимум чувствительности слуха можно признать область частот в 2000 - 3000 кол./сек., а выше и ниже этих частот чувствительность уха заметно ослабевает, причем в отношении повышающихся тонов ослабление чувствительности напоминает критическое падение, а в отношении понижающихся - литическое. Графическое изображение чувствительности уха к разным тонам дает рис. 3, на котором нижняя кривая представляет собой величину порога восприятия в зависимости от величины тона,1 а верхняя - величину порога ощущения давления, когда при нарастании энергии звука - кроме звука, ощущается боль. Продолжения кривых, представленные в виде пунктира, относятся к частотам, наименее изученным в смысле чувствительности к ним. Из рисунка видно, что для едва заметного ощущения тона в 2000 кол./сек. достаточно энергии звука в 10-9 эргов, между тем как для тона в 200 кол./сек. необходимо применить 10-6 эргов. Таким образом, чувствительность уха к разным частотам колебаний является величиной, обратно пропорциональной порогу восприятия. (Определение чувствительности слуха имеет большое значение в деле профилактического профессионального отбора - радисты, телеграфисты, шоферы, музыканты и т.n. Для этой цели пользуются аудиометрами, построенными по принципу катодных генераторов звука). Помимо основных качеств слуховой функции - именно определения высоты, силы и тембра звука - не лишены интереса еще и другие свойства слуха:

  1. Способность восприятия биения звука, происходящего от комбинации двух тонов при небольшой разнице числа их колебаний. Биения воспринимаются как периодические ослабления и усиления звука.
  2. Способность слышать так называемые комбинационные тоны (тоны Sorge-Tartini), когда при одновременном звучании двух тонов в ухе образуется новый, субъективный, тон с высотой, равной разности или сумме первых двух объективных тонов (разностный и суммарный тон).
  3. Способность анализа сложных звуковых колебаний, когда некоторые индивидуумы могут узнавать составные части аккордов.
  4. Способность музыкального слуха, заключающаяся в определении интервалов (разницы высоты колебаний между двумя звуками), Эта способность свойственна не всем людям, обычно она может быть развита посредством музыкальных упражнений. Степень музыкальной чувствительности может определяться наибольшей разницей в числе колебаний, при которой два тона кажутся одинаково высокими. Если при произведении звука той или иной высоты ухо человека не чувствует ошибки в 1/4 тона (поющий, напр., повышает или понижает звук), то такой субъект может считаться безусловно не музыкальным. Музыкальные качества слуха не связаны с остротой слуха в общепринятом смысле и поэтому плохо слышащие музыканты могут, тем не менее, сохранять свои музыкальные качества и только в редких случаях заболевания dlplacusis dysharmonica занятие музыкой становится затруднительным.
  5. Способность абсолютного слуха, выражающаяся в возможности определения абсолютной высоты тона без сравнения его с другим тоном известного уже числа колебаний. Чаще всего эта способность бывает в отношении звуков, богатых обертонами и при наличии хорошей звуковой памяти (Хилов).
  6. Способность определения локализации слышимого звука (oto-topica), объясняемая тремя возможными причинами: 1) благодаря тому, что ухо, повернутое к источнику звука, получает более интенсивный звук, чем противоположное ухо; 2) благодаря восприятию разности фаз, ощущаемой вследствие неодновременного прихода звука к одному и другому уху, и 3) благодаря фиксации промежутка времени между приходом одинаковых фаз в оба уха (Ржевкин, Перекалин). По Белоголовову, для правильного определения направления слышимого звука требуется симметрия слуха.

1 Порогом слухового восприятия называется сила или интенсивность звука, при минимальной энергии звуковых колебаний (в эргах), протекающей в одну секунду через площадку в один квадр. сантиметр и вызывающей ощущение едва слышимого звука.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

[к оглавлению]