Естественным, адекватным раздражителем звукового анализатора является звук: благодаря эластическим свойствам окружающей нас среды всякое перемещение частиц не остается локализованным, а передается на соседние частицы и дает начало волнообразному процессу, распространяющемуся далеко от места возмущения среды. Если отклонить, например, браншу камертона и затем ее отпустить, то она благодаря упругости быстро дойдет не только до первоначального положения, но по инерции отклонится в другую сторону. Это быстрое движение вызовет сгущение молекул столба воздуха, прилегающего к бранше камертона. В следующие доли секунды произойдет обратное движение бранши, причем в том участке, где только что произошло уплотнение, образуется разрежение воздуха. Участок же сгущения в это время успеет продвинуться на некоторое расстояние. Таким образом возникает последующий ряд сгущений и разрежений воздуха, т. е. звуковая волна.
Чем дальше уходит волна от источника колебаний, тем больше она вследствие трения теряет в силе и, наконец, полностью затухает (сила падает пропорционально квадрату расстояния).
Тела, которые производят соответствующие колебания, называются вибраторами. К ним относятся струны, колокола, голосовые связки — все, что рождает звуки.
Наиболее простым видом колебаний являются гармонические, или синусоидные, колебания. На примере камертона видно, что бранша его, отклоняясь от среднего положения, доходит до крайнего положения, ускоренно движется назад, по инерции проходит через среднее положение, замедленно движется к другому крайнему положению и т. д. Точно так же движется любой маятник, поэтому эти колебания называются маятникообразными.
Промежуток времени, в течение которого совершается одно колебание, называется периодом колебания, а число колебаний в секунду — частотой колебаний, или герц. Амплитуда колебания — это расстояние между средним и крайним положениями колеблющегося тела.
Звуки распространяются в среде с определенной быстротой, зависящей от плотности среды. В воздухе эта скорость (V) составляет 332 м/сек, скорость, которую превосходят современные реактивные самолеты. В воде скорость звука достигает 1450 м/сек.
Различаются поперечные и продольные волны. Поперечные хорошо видны при волнении воды, а также при колебании натянутой веревки. Воздушные звуковые волны — продольные, так как колебания частиц воздуха совершаются вдоль направления распространения волны.
Сила звука может быть определена по давлению, которое звуковая волна оказывает на пластинку, поставленную перпендикулярно к направлению распространения волны. Единицей давления считается бар; это давление 1 дины на 1 см2, оно соответствует примерно одной миллионной доле атмосферного давления.
Интенсивность звука характеризуется также энергией звука, т. е. той работой, которую он производит.
Единицей энергии (эрг) служит работа, которую производит сила, равная 1 дине, на пути в 1 см.
Эрги можно перевести в бары, а также в единицы мощности — ватты (1 бар равен 6,4 эрг, 1 Вт равен 107 эрг).
Важнейшую роль в акустике играют явления резонанса.
Если систему, способную к колебательным движениям, подвергнуть периодически действующей силе, например звуковой волне, то система придет в колебание, причем амплитуда колебаний будет разной для разных частот. Она будет наивысшей, когда собственный период колеблющейся системы совпадает с периодом воздействующей силы. Определяя амплитуду колебаний под влиянием звуков различной частоты, можно построить кривую резонанса. Каждое тело имеет свою кривую резонанса; камертоны дают резонансную кривую, которая очень резко поднимается до максимума и быстро падает. Такие вибраторы обладают острым резонансом; характерным для них является то, что амплитуда колебаний их мало уменьшается со временем, т. е. они дают медленно затухающие колебания.
Наоборот, если ударить по барабану, то его колебания быстро затухают, а кривая резонанса имеет пологий вид (пример тупого резонанса).
Важно, что колебания структур уха, проводящих звук, быстро затухают; благодаря этому внешний звук не искажается, и человек может быстро, последовательно принимать все новые и новые звуковые сигналы. Структуры же внутреннего уха должны обладать острым резонансом, так как этим определяется способность различения двух близко расположенных частот.
Звуки окружающей нас природы, как правило, бывают сложными, т. е. они дают не синусоидную, а более сложную кривую, которая, однако, характеризуется периодичностью, т. е. повторением отдельных периодов. Зависит это от того, что звучащие предметы колеблются не только как целые тела, но и как части их. Например, струна, вибрируя целиком, дает 100 Гц; но колебания совершают и половинки струны, причем эти колебания совершаются в 2 раза быстрее (200 Гц). Колокол колеблется не только целиком, но и отдельными сегментами.
Согласно Фурье, любая сложная кривая, характеризующаяся периодичностью, всегда состоит из суммы синусоид, каждая из которых может быть выделена, изолирована. Наиболее медленное колебание соответствует основному звуку, остальные называются обертонами — гармониками.
Особенно сложным составом обладают звуки человеческой речи.
Следует обратить внимание на то, что вид звуковой кривой при суммации одних и тех же составных синусоид меняется при сдвиге фаз (рис. 18). Для примера возьмем наиболее простой случай, когда сложный звук содержит только основной тон (1) и первую гармонику (2) с двойным числом колебаний.
При сложении этих кривых получается сложная кривая звука, которая имеет другой вид при сдвиге фазы обертона — II (2). Гельмгольц утверждал, что ухо не различает сдвига фаз в сложном звуке; звуки, соответствующие кривым 3 на рис. 18, являются для нас звуками одинаковыми.
Сказанное позволяет заключить, что ухо воспринимает сложный звук, разложенный на составные синусоиды. Поэтому основное требование к любой теории слуха — дать объяснение этому свойству, т. е. раздельному восприятию отдельных составных частей сложного звука.