Свет гукаў! Як ён разнастайны і непаўторны! Хіба можна зблытаць шум марскога прыбоя і шчабятанне птушак, воклічы балельшчыкаў на стадыёне і шолах лісця, выццё рэактыўнага самалёта падчас узлёту і мяўканне кацяняці. Так жа проста адрозніць гульню сімфанічнага аркестра ад гульні ансамбля гітарыстаў. Прыкладаў такіх мы маглі б прывесці мноства. Бо ўспрыманне гукаў - гэта не што іншае, як адчуванне, ўздзейнічае на слухача.

Што ж такое гук?

Каб адказаць на гэтае пытанне, давайце здзейснім невялікую экскурсію ў свет гукаў.

Цяпер усе ведаюць, што гук ёсць вагальны працэс. У папярэдняй чале мы распавялі аб фізіцы Юнге, упершыню зафиксировавшем сляды гукаў. І ўдалося гэта яму таму, што ён усталяваў: гук - гэта працэс ваганні паветра. А раз гук - вагальны працэс, то яго можна зафіксаваць. Сканструяваны ім для гэтага прыбор цалкам пацвердзіў здагадкі вучонага, а 1807 год стаў годам адкрыцця гэтага з'явы.

З механічнымі ваганнямі цвёрдых целаў вы, відавочна, падрабязна пазнаёміліся ў школе. Нагадаем ўсё ж сцісла аб вагальным працэсе, каб дапамагчы вам зразумець сутнасць гукавых ваганняў.

Класічным прадстаўніком трапятаньня цела з'яўляецца ківач. Успомніце вопыт, які звычайна дэманструюць на ўроках фізікі. Калі грузік, падвешаны на нітцы, адвесці ад становішча раўнавагі, то ён пачне здзяйсняць паўтараюцца руху, кожны раз вяртаючыся ў зыходную кропку і двойчы праходзячы праз становішча раўнавагі. Такім чынам, вагальны рух ёсць рух паўтаральнае ці, як кажуць, перыядычнае. А у тэхніцы перыядычныя ваганні называюць яшчэ і гарманічнымі. Адна з найважнейшых характарыстык такога працэсу - гэта перыяд ваганні, або проста перыяд, які абазначаецца літарай Г Перыяд ваганні паказвае, за які час колеблющееся цела здзяйсняе поўны цыкл руху. Для ківача перыядам ваганні будзе час, за якое ён здзейсніць адно вагальны рух і вернецца ў зыходную кропку. Іншая важная характарыстыка перыядычнага ваганні - амплітуда ваганні, або проста амплітуда. Для ківача гэта будзе адлегласць ад пункту раўнавагі да зыходнай кропкі, або найбольшае адхіленне ад становішча раўнавагі. А цяпер давайце паспрабуем «разгарнуць» вагальны рух ківача. Для гэтага да ківачу прымацаваў кавалачак грыфель ад алоўка і змесцім пад ківачом ліст паперы. Калі папера нерухомая, грыфель на ківачы будзе прочерчивать прамую лінію. Але варта пачаць раўнамерна перарухаць паперу ў кірунку, перпендыкулярным да плоскасці ваганні ківача, як грыфель прочертит крывую лінію, паўтаральную столькі разоў, колькі ваганняў зробіць ківач. Гэтая крывая лінія паказана на малюнку. Называецца яна сінусоіда.

Праробім яшчэ адзін вопыт з ківачом. Адвядзіце грузік, падвешаны на нітцы, і дайце яму магчымасць свабодна вагацца. Вы заўважыце, што гэтыя ваганні ківача будуць працягвацца даволі доўга, а чым цяжэй грузік, тым даўжэй будзе вагацца ківач, прычым яго ваганні ў пачатковым перыядзе будуць мець нязменную амплітуду. Цяпер гэты ж грузік отвяжите ад ніткі і прымацуеце да дошчачцы, а ў яе процілеглым ад грузіка канцы прасвідруеце адтуліну. Уставіўшы ў адтуліну цвік, мы зноў атрымаем вагальны сістэму, але цяпер ужо некалькі змененага выгляду. Прывёўшы ў рух гэты маятнік, мы пераканаемся, што ён даволі хутка спыняе свае ваганні, а іх амплітуда паступова памяншаецца. Параўноўваючы паміж сабой абодва вагальных працэсу, можна зрабіць выснову, што існуюць два выгляду ваганняў, адно з якіх мае пастаянную амплітуду і працягваецца даволі доўга (можна сказаць - бясконца), а іншае мае паступова меншаюць амплітуду і хутка спыняецца. Першае з гэтых ваганняў называецца незатухающим, а другое - затухае.

Гаворачы аб ваганнях ківача, мы ні словам не абмовіліся аб асяроддзі, у якой ён здзяйсняе свой рух. А бо асяроддзе не можа застацца абыякавай да любога руху, у тым ліку і да вагальных, і яе часціцы пры гэтым будуць, сціскаючыся, перамяшчацца з аднаго становішча ў іншае, найбліжэйшы пласт асяроддзя будзе ўплываць на больш аддалены пласт, той, у сваю чаргу, будзе ўплываць на наступны пласт і г. д. Руху часціц асяроддзя будуць падобныя да руху вады, калі яна разыходзіцца кругамі ад кінутага ў яе каменьчыка. Такія ваганні асяроддзя называюць гукавымі, хоць не ўсе яны могуць быць пачутыя. У фізіцы паняцце «гукавыя ваганні» выкарыстоўваецца ў больш шырокім сэнсе.

Гукавыя ваганні могуць узнікаць у любой асяроддзі, здольнай сціскацца. Вывучэннем такіх ваганняў займаецца навука, званая акустыкай. Але нас цікавяць не ваганні наогул, а толькі ваганні ў паветры, якія выклікаюць слыхавыя адчуванні.

Такім чынам, падчас гукавых ваганняў элементарная часціца паветра, застаючыся на месцы, будзе здзяйсняць ваганні каля становішча раўнавагі. Як і ў выпадку з ківачом, такія ваганні характарызуюцца амплітудай і перыядам ваганні. Аднак у тэхніцы звычайна карыстаюцца велічынёй, зваротнай перыяду, якую называюць частата. Яна паказвае колькасць ваганняў у адзінку часу. Частата, пры якой за 1 секунду адбываецца адзін цыкл перыядычнага працэсу, атрымала пазначэнне герц (Гц). Напрыклад, пераменны ток у электрычнай сеткі мае 50 ваганняў у секунду. Але мы звычайна кажам, што частата пераменнага току ў электрычнай сеткі 50 герц.

Каб мець поўнае ўяўленне аб гукавым ваганні, нагадаем яшчэ аб адной фізічнай велічыні, характарызавалай перыядычныя ваганні. Пры гукавых ваганнях паветра ў кожнай кропцы асяроддзя адбываюцца перыядычныя чаргавання сціску і разрэджання, якія ў любой кропцы асяроддзя ствараюць нешта большае, то меншае ціск па параўнанні з тым, якое было да пачатку гукавога ваганні, гэта значыць, калі асяроддзе (паветра) была ў спакойным стане. Гэта залішняе (або недастатковае) ціск і называюць гукавым. За адзінку ціску, у тым ліку і гукавога, прыняты паскаль (Па), які паказвае ціск сілай у 1 ньютан (Н), раўнамерна размеркаваны па паверхні плошчай 1 квадратны метр (1 По = Н/м2).

Гукавое ціск па параўнанні з нармальным атмасферным ціскам складае зусім невялікую велічыню. Напрыклад, гучны размова ў пакоі будзе развіваць гукавое ціск у мільён разоў менш атмасфернага. Дык чаму ж пры такой нязначнай ціску мы чуем гук? Успомніце, што гукавое ціск атрымліваецца шляхам сціску і разрэджання паветра. Такім чынам, наша вуха рэагуе не на абсалютная ціск, а менавіта на залішняе ці недастатковае, то ёсць на змены ціску. Каб пацвердзіць гэта, спашлемся на такі прыклад. Пры спуску з другога паверха на першы пастаянна дзеючае на наш арганізм атмасферны ціск змяняецца ўсяго на 0,2 сваёй велічыні, і, натуральна, вуха яго не заўважае. Але аналагічнае па велічыні гукавое ціск, якое дзейнічае на барабанную перапонку вуха (а менавіта такое гукавое ціск развівае шум ад працы рэактыўнага рухавіка самалёта на адлегласці ў некалькі метраў), здольна выклікаць болевыя адчуванні.

А які ж інтэрвал гукавых ціскаў здольна адрозніваць наша вуха? Разбярэмся па парадку.

Сінусоідна змяняецца ў часе гукавое ціск будзе ўздзейнічаць на вуха і ўспрымацца намі як гук у тым выпадку, калі яно не занадта мала і не занадта вяліка, а частата яго не занадта малая і не занадта вялікая. Колькі абмежаванняў адразу! Як жа іх разумець?

З паступовым памяншэннем гукавога ціску чутны намі гук будзе станавіцца ўсё цішэй і цішэй, пакуль нарэшце не перастане быць чутным. Гэта гукавое ціск (або адпаведнае яму значэнне сілы гуку) прынята называць парогам чутнасці. Для тоны частатой 1000 Гц парога чутнасці адпавядае гукавое ціск у 2 х 10^-5 Па або прыкладна двух десятимиллионным долям грама. Гэтак малое ціск наўрад ці адзначаць лепшыя микровесы.

Калі цяпер не памяншаць, а наадварот, паступова павялічваць гукавое ціск, то пры пэўным яго значэнні мы ўжо не зможам адрозніваць гук, бо з'явяцца болевыя адчуванні. Гэтая другая кропка ўспрымання гуку называецца парогам болевага адчуванні, а адпаведнае яму гукавое ціск будзе ў некалькі мільёнаў разоў больш гукавога ціску, адпаведнага парога чутнасці. Паміж гэтымі крайнімі кропкамі і ляжыць тая вобласць гукавых ціскаў, якія ўспрымае чалавек з нармальным слыхам. А каб прадставіць сабе, як вялікая гэтая вобласць, давайце працягнем аналогію з вагамі. Дык вось, гукавое ціск парога чутнасці так ставіцца да гукавога ціску парог болевага адчуванні, як вага мухі ставіцца да вагі слана. Ці знойдуцца ў свеце такія шалі, з дапамогай якіх можна было б вызначыць вага мухі і вага слана? Думаем, што наўрад ці. А слых нармальнага чалавека здольны адрозніваць такія ціску.

А каб навочней прадставіць сабе, наколькі нязначная велічыня такога гукавога ціску, дадамо, што пры такім гукавым ціску амплітуда зрушэння часціц паветра ледзь дасягае дзесятай долі радыусу малекулы. І, натуральна, пачуць такі гук можа толькі чалавек з нармальным слыхам і ў поўнай цішыні.

Зараз аб частаце гуку. Што азначае выраз: «не занадта малая і не занадта вялікая»? Навукоўцы на шэрагу досведаў ўсталявалі здольнасць чалавека ўспрымаць «на слых» гукавыя ваганні з частотамі прыкладна ад 30 да 16000 Гц. Чаму прыкладна? Па-першае, таму, што гэты ўчастак частот (спецыялісты такі ўчастак называюць дыяпазонам) не сталы і змяняецца з узростам. Устаноўлена, напрыклад, што дзеці чуюць гукі з частатой аж да 20000 Гц, а людзі сталага ўзросту толькі да 12 000 - 14 000 Гц. Па-другое, гэта тлумачыцца будынкам чалавечага вуха. Але пра гэта мы распавядзем ледзь пазней.

Мал. 5. «Сямейства» равнослышимых крывых, званых «крывымі роўнай гучнасці», паказвае, як змяняецца суб'ектыўнае ўспрыманне гучнасці гуку ў залежнасці ад вышыні яго тоны.

Аналізуючы здольнасць чалавека ўспрымаць розныя па частаце гукі, навукоўцы ўсталявалі цікавую асаблівасць: адчувальнасць слыху да розных частот не аднолькавая. Найбольшая адчувальнасць слыху ляжыць у дыяпазоне частот ад 2500 да 4000 Гц і ў абодва бакі ад яго паступова памяншаецца. Акрамя гэтага, пры ціхіх гуках залежнасць адчувальнасці вуха ад частаты гукавых ваганняў больш, чым пры гучных гуках. На аснове гэтых даследаванняў былі складзеныя так званыя крывыя роўнай гучнасці, паказаныя на малюнку. Разглядаючы гэты графік, вы, напэўна, звярнулі ўвагу на не сустракаўся раней адзінку вылічэння, адкладзены па вертыкальнай восі і пазначаную літарамі дБ. Гэта беспамерная лагарыфмічная адзінка, званая бел (Б). Аднак бел даволі вялікая адзінка, і ў практычнай дзейнасці звычайна карыстаюцца яе дзесятай часткай, званай дэцыбел (дБ). Дэцыбел паказвае стаўленне якіх-небудзь аднайменных фізічных велічынь. Паглядзеўшы яшчэ больш уважліва на гэты графік, вы, несумненна, выявіце, што і частоты на гарызантальнай восі таксама адкладзеныя ў лагарыфмічнай маштабе. Ці выпадкова гэта? Аказваецца, няма. І справа тут у суб'ектыўнай ацэнцы гучнасці, якая ўзрастае прыблізна прапарцыйна лагарыфму гукавога ціску. Але гэта не адзіная прычына. Аказваецца, адчуванне вышыні тону, то ёсць частоты гуку, таксама падпарадкоўваецца логарифмическому законе, і значна больш дакладна, чым суб'ектыўная ацэнка гучнасці гуку. Таму любое павелічэнне частаты гуку ў два разы заўсёды стварае слыхавое адчуванне павышэння тоны на адну актаву, незалежна ад таго, якім па частаце быў першапачатковы тон. Да гэтага варта дадаць, што ў фізіцы, так і ў тэхніцы, часта звяртаюцца да логарифмическому маштабе ў тым выпадку, калі на адным графіку трэба паказаць велічыні, якія маюць паміж сабой вельмі вялікую розніцу. А бо розніца ў гукавых цісках паміж парогам чутнасці і парогам болевага адчуванні вельмі вялікая. Калі велічыню гукавога ціску, адпаведную парога чутнасці, выказаць адрэзкам у адзін міліметр, то велічыня гукавога ціску, адпаведная парога болевага адчуванні, выкажацца дарагі ў некалькі кіламетраў. Такі графік накрэсліць немагчыма. Гэта дазваляе зрабіць толькі лагарыфмічны маштаб, так як пры узрастанні якой-небудзь велічыні ў 10, 100, 1000 і г. д. раз яе лагарыфм павялічваецца на 1, 2, 3 і г. д.

Некалькі слоў пра саміх гуках. Гукі з малой частатой называюць нізкімі, а гукі з вялікай частатой - высокімі. Нізкія частоты, якія ляжаць за парогам чутнасці (да 20 Гц), называюць инфранизкими або инфразвуковыми, а высокія частоты, таксама якія ляжаць за парогам чутнасці (вышэй 20 000 Гц), называюць ультравысокими або ўльтрагукавымі. Навука акустыка вывучае як чутныя гукі, так і инфранизкие і ультравысокія. Навукоўцы адкрылі, напрыклад, што рыбы «размаўляюць» паміж сабой инфранизкими частотамі. Лятучыя мышы, наадварот, выкарыстоўваюць ультравысокія гукавыя частоты. Даследуючы лад жыцця і звычкі лятучых мышэй, навукоўцы ўсталявалі вельмі шмат цікавага і карыснага. Аказваецца, напрыклад, каб лятучая мыш магла лётаць ноччу, у поўнай цемры, прырода забяспечыла яе дасканалым ультрагукавым эхолокатором, якія працуюць наступным чынам. Пры палёце лятучая мыш пасылае ў прастору кароткія імпульсы з частатой 25 000 - 50 000 Гц і працягласцю 10 - 15 тысячных дзеляў секунды, якія, трапляючы на перашкоду, адлюстроўваюцца ад яго і вяртаюцца назад. Слыхавыя органы лятучай мышы здольныя ўспрыняць адлюстраваны сігнал нават у тым выпадку, калі ён будзе ў 2000 разоў слабей пасланага. Больш таго, лятучая мыш валодае здольнасцю адрозніваць свой адлюстраваны сігнал сярод старонняга шуму, нават калі гэты шум у тысячы разоў пераўзыходзіць па сіле рэха пасланага ёю сігналу. А адлегласць да перашкоды лятучая мыш вызначае (зразумела, інстынктыўна) па часу, якое праходзіць з моманту пасылкі сігналу да яго вяртання.

Ультрагукавыя ваганні наогул вельмі шырока выкарыстоўваюцца ў навуцы і тэхніцы, і пра іх можна было б расказаць шмат цікавага. Але мы крыху адцягнуліся ад тэмы нашай размовы і зрабілі гэта толькі для таго, каб паказаць, якое вялікае значэнне маюць гукавыя ваганні і нашага жыцця і навакольнага нас прыродзе.

Працягнем наш размова аб гукавых ваганнях. Вы, вядома, ведаеце, ды і мы пра гэта казалі вышэй, што гукавыя ваганні распаўсюджваюцца не імгненна, а паступова, то ёсць аб'ёмы паветра прыходзяць у рух па чарзе, як бы падхопліваюцца хваляй, якая ідзе ад крыніцы гуку. Калі ў гэтым руху вылучыць адну вагальную часціцу, і прасачыць за яе паводзінамі, і параўнаць з іншымі часціцамі, якія ляжаць на лініі распаўсюджвання гукавога ваганні, то мы заўважым, як суседняя часціца прыйдзе ў вагальны рух некалькі пазней першай. Наступная часціца прыйдзе ў вагальны рух яшчэ пазней. Гэта запазненне будзе паступова нарастаць, пакуль мы не выявім часціцу, вагальную ў такт з першай часціцай. Аказваецца, гэтая часціца адстала ад першай на цэлы перыяд. Такія дзве часціцы можна параўнаць з бегунамі на стадыёне, калі адзін з іх адстаў ад лідэра на цэлы круг і адначасова з ім праходзіць лінію фінішу. Адлегласць паміж двума вагальнымі ў такт часціцамі называюць даўжынёй хвалі дадзенага ваганні і абазначаюць грэцкай літарай л (лямбда). Колькасна даўжыню хвалі можна выказаць формулай: л = V x Т = V/f, дзе V - хуткасць распаўсюджвання гуку ў дадзенай асяроддзі (для паветра, гэтая хуткасць роўная 330 м/с), Т - перыяд ваганні і f - частата.

Графічнае малюнак хвалевага працэсу вельмі падобна на малюнак разгорткі вагальнага працэсу, паказанае на мал. 4. І ў тым і ў іншым выпадку графікі ўяўляюць сабой сінусоіду. Але паміж імі ёсць і істотнае адрозненне. Калі пры разгортцы вагальнага руху мы па гарызантальнай восі адкладалі прамежкі часу, то пры малюнку хвалевага працэсу па той жа восі мы адкладаем адлегласць (шлях). Ведаючы частату гуку і хуткасць яго распаўсюджвання ў дадзенай асяроддзі, можна лёгка вызначыць даўжыню яго хвалі. Гэта нам вельмі спатрэбіцца пры аповедзе аб некаторых асаблівасцях магнітнай запісу гуку.

Зараз некалькі слоў аб будове нашага органа слыху і прынцыпе яго працы. Вуха чалавека прынята дзяліць на тры часткі: вонкавае, сярэдняе і ўнутранае вуха. Вонкавае вуха складаецца з вушной ракавіны, улавливающей паток гукаў, і вонкавага слыхавога канала, па якім гукавая хваля накіроўваецца да унутраным частках вуха. У склад сярэдняга вуха ўваходзяць барабанная паражніну і слыхавыя костачкі, якія атрымалі назвы: малаточак, кавадла і стрэмя. Вонкавае вуха аддзеленае ад сярэдняга барабаннай перапонкай. У склад ўнутранага вуха ўваходзіць слімак, злучаная са слыхавымі костачкамі. Менавіта яны і ставяцца да органу слыху. Слімак мае форму спіралі і ўтварае 2,5 завітка. Ўнутры слімакі, запоўненай адмысловай вадкасцю, ёсць некалькі мембран, здольных вагацца. На асноўнай мембране размешчаны так званы юрыст, орган, слыхавыя клеткі якога (а іх бывае ад 16 да 24 тысяч) маюць валасінкі, падобныя на струны. Да слыхавым клетак падыходзяць адчувальныя заканчэння нервовых валокнаў слыхавога нерва, які злучае вуха з скроневай доляй вялікіх паўшар'яў галаўнога мозгу.

Гукавыя ваганні ўздзейнічаюць на барабанную перапонку. Тая, у сваю чаргу, перадае гэтыя ваганні праз слыхавыя костачкі мембранах слімакі, якія прымушаюць вагацца валасінкі кортиева органа. Менавіта тут пад уздзеяннем ваганняў вадкасці ўнутранага вуха і адбываецца пераўтварэнне механічных раздражненняў слыхавых клетак у нервовыя імпульсы, якія ўсведамляюцца намі як сэнсавае спалучэнне гукаў.

Хоць «механізм» працы нашага вуха вывучаны даволі дэталёва, некаторыя пытанні да гэтага часу яшчэ застаюцца загадкай для навукоўцаў. Сапраўды, як можа нармальны чалавек чуць гукі з частатой ад 30 да 16000 Гц? Калі прыняць хуткасць гуку ў паветры, роўнай 330 метраў у секунду, то даўжыня хвалі самага нізкага гуку будзе роўная 11 метраў і самага высокага гуку - 2 сантыметраў, а слімак ўнутранага вуха ўяўляе сабой канал даўжынёй усяго ў некалькі сантыметраў. Ці, напрыклад, такое пытанне. Навукоўцы ўсталявалі, што на розныя па частаце гукавыя ваганні рэагуе тая ці іншая частка слімакі„а на ўздзеянне адказвае адразу вялікая колькасць слыхавых клетак. Нягледзячы на гэта, чалавек (асабліва ў дзіцячым узросце) здольны адрозніваць нікчэмнае змена гуку па частаце. Навукоўцы спрабавалі стварыць механічную мадэль вуха, якая магла б гэтак жа добра адрозніваць гукі па частаце, але іх спробы пакуль не ўвянчаліся поспехам. Можа быць, у далейшым і атрымаецца сканструяваць кибернетическое вуха, якое дапаможа вырашыць гэтыя загадкі. А пакуль мы можам толькі канстатаваць, што вырашальную ролю тут гуляе аналіз раздражненняў ў нашым мозгу.