Почему охрип Бывалов

Наряду со множеством загадочных процессов, которые происходят в радиоприемнике, есть один, не вызывающий никаких сомнений, — это создание звуковых колебаний. Только очень маленькие дети, ну, скажем, от трех до пяти, могут поверить, что в футляре спрятались человечки, которые поют, играют и разговаривают. Что же касается детей постарше, то им эту сказку рассказывать не стоит. Они понимают, что в приемнике с помощью каких-то специальных устройств удается «подражать» настоящим голосам артистов, воспроизводить звонкие переливы флейты или многоголосье большого оркестра.

Следует прямо сказать, что разместившаяся в приемнике фабрика синтетического звука не так-то проста. Для того чтобы понять, как она работает, надо прежде всего знать, что такое звук и чем отличаются одни звуки от других.

Вы тронули гитарную струну, она пришла в движение и увлекла за собой окружающий воздух. Теперь во все стороны от струны со скоростью около 330 метров в секунду расходятся звуковые волны — непрерывно перемещающиеся области сжатого и разреженного воздуха. Все это немного похоже на обычные волны, которые расходятся по поверхности во все стороны от брошенного камня — участок с наибольшим давлением воздуха чем-то напоминает гребень волны, участок с наименьшим давлением — седловину. Кстати, в толще воды с помощью специальных излучателей можно создать и настоящие звуковые волны сжатия и разрежения, распространяющиеся широким фронтом. Сейчас уже точно установлено, что именно так переговариваются рыбы, обсуждая свои рыбьи дела. Звуковые волны могут возникать в любом твердом, жидком или газообразном веществе — в металле, бетоне, водяных парах, в потоке нефти. Их нельзя создать только в абсолютной пустоте — там просто нет вещества, которое могло бы сжиматься и разрежаться. Если, повторяя известный опыт со звонком, вы поместите приемник под большой стеклянный колпак и откачаете оттуда воздух, приемник ваш замолкнет, хотя все его узлы будут по-прежнему работать исправно.

Важнейшей характеристикой звука является его частота — число колебаний за одну секунду. Единицей частоты служит герц (гц), соответствующий одному колебанию в секунду. Этой единицей пользуются при измерении частоты любых колебаний, независимо от их физической природы. Время, в течение которого происходит полный цикл колебания, называется периодом.

Самая толстая струна гитары колеблется сравнительно медленно — с частотой 144 гц. Она создает такие же медленные, или, как обычно говорят, низкочастотные, звуковые колебания. Последняя, самая тонкая, струна создает значительно более высокий звук, его частота — 576 гц. Прижимая эту струну к грифу, то есть фактически укорачивая ее (чем короче струна, тем быстрее она колеблется), можно еще повысить частоту звука.

Разные люди обладают различными способностями слышать высокие и низкие звуки, однако в большинстве случаев нижняя граница определяется частотами 16–20 гц, а верхняя — 18–20 кгц. За этими границами уже находятся неслышимые звуки — инфразвуки, частота которых ниже 16 гц, и ультразвуки, частота которых выше 20 кгц.

Когда мы сталкиваемся с реальными звуками и, в частности, с музыкой или речью, то частота уже не может служить единственной характеристикой звуковых колебаний. Для того чтобы это стало понятней, вспомните, что одна и та же нота, то есть звук одной и той же частоты, у разных музыкальных инструментов звучит совершенно по-разному. Более того, в ряде случаев вообще невозможно говорить о частоте звука.

Как, например, определить частоту звука человеческой речи? И вообще, что в данном случае нужно понимать под частотой, если разные по высоте мужские и женские голоса одинаково произносят ту или иную букву?

Мы подошли к очень интересной характеристике звука — его спектральному составу, но прежде чем двигаться дальше, нам необходимо будет провести небольшую подготовительную работу — научиться понимать и самим строить графики.

Повесьте за окном термометр, каждый час отмечайте его показания и затем попробуйте рассказать, как менялась температура в течение суток. Рассказ ваш будет выглядеть примерно так: «В семь часов вечера температура была + 2 градуса, в восемь часов повысилась до +3 градусов, а в девять вновь понизилась до +2. Затем понижение температуры пошло быстрее, в десять часов было ноль градусов, в одиннадцать —3 и так далее». Не правда ли, однообразно? А что, если бы таким способом описывать изменение температуры за неделю или за месяц? Нет, это не годится.

Для того чтобы наглядно показать изменения какой-либо величины — электрического тока, температуры, отклонения маятника или годового производства стали, пользуются специальным рисунком-графиком. Его основа — две перпендикулярные линии, названные осями. Горизонтальную ось размечают в единицах времени, и она похожа на развернутый в длину циферблат часов. Вертикальную ось размечают в единицах той величины, изменение которой нужно описать.

Поскольку мы собираемся описывать изменение температуры, то вертикальную ось нужно будет разметить в градусах так, чтобы она напоминала шкалу обычного термометра. Теперь на поле графика можно делать отметки — против каждого деления времени отмечать соответствующее значение температуры. В результате появится целая серия точек, а когда мы соединим их, то получим сплошную линию, которая как раз и покажет, как меняется температура. Эта линия называется кривой. Так и говорят: «Кривая пошла вниз— температура падает» или «Кривая пошла вверх и пересекла ось времени — температура поднялась выше нуля». Посмотрев на график, на ход кривой, можно сразу определить, какова была температура в различные моменты времени, как она менялась, каким был характер этого изменения.

Подобным же образом можно получить своеобразную летопись звука — график, показывающий, как изменяется давление в какой-либо «озвученной» точке пространства, например, вблизи колеблющейся струны. Только не подумайте, что такой график можно построить с помощью карандаша, бумаги и секундомера — даже при низких частотах весь цикл звуковых колебаний длится какие-то тысячные доли секунды. Для регистрации таких быстрых процессов служит специальный прибор — электронный осциллограф. Именно с его помощью удалось рассмотреть графики самых различных звуков.

На рисунке 11,а, б вы видите два графика одного и того же звука — это нота «ля» 1-й октавы (частота 440 гц), «исполненная» на флейте и кларнете. При построении графиков кверху от оси времени откладывались давления больше нормального (сжатие), книзу от этой оси давление меньше нормального (разрежение). Расстояния до излучателей звука были подобраны так, что амплитуды колебаний, то есть наибольшее сжатие или наибольшее разрежение, оказались одинаковыми. Одинаков период колебаний — это мы оговорили в самом начале, а кроме того, это прекрасно видно из самих графиков.

Внимательно посмотрите на графики. Кроме периода и силы звука, вы обнаружите еще одну его важную характеристику. Это — форма кривой, которая показывает, как меняется звук, с какой скоростью звуковое давление растет, насколько резко уменьшается, «уверенно» ли оно изменяется и т. д. и т. п.

Все эти особенности как раз и отличают одинаковые по частоте звуки, придают им, как говорят музыканты, различную тембровую окраску. Взгляните на график двух различных звуков человеческой речи (рис. 11, в, г). Здесь форма кривой самая главная характеристика, так как именно она отличает эти звуки, например «а» от «о».

Вам, наверное, интересно узнать, как наш слуховой аппарат отличает звуки с различными формами кривой. Ведь слушая музыкальные инструменты, мы не вспоминаем ни о каких графиках и вместе с тем прекрасно чувствуем, когда играет рояль, а когда трамбон. Начнем с более простой, но очень похожей задачи.

Представьте, что необходимо точно измерить объем бесформенной гранитной глыбы. Несколько упрощенных методов по какой-то причине не подошли, и вы решили разрезать глыбу на кубики, измерить объем каждого из них, а затем просуммировать все эти объемы. Сначала вы вырежете большой, основной куб, в который войдет основная масса гранита, затем из оставшихся кусков нарежете кубы средней величины и, наконец, не дав пропасть ни одному осколку, ни одной крупинке камня, превратите их в тысячи маленьких кубиков, которые, если их определенным образом сложить, точно воссоздадут сложный рельеф глыбы.

* * *

* * *

Примерно таким же образом в слуховом аппарате человека решается задача анализа звуков сложной формы. Каждый такой звук можно представить себе как сумму каких-то более простых составляющих, своего рода «кубиков», которые, если их сложить, во всех тонкостях воспроизведут определенный сложный звук. Роль таких составляющих могут играть звуки различной частоты и силы, имеющие определенную, желательно, конечно, простую, форму кривой. Но какую форму лучше выбрать для наших составляющих? «Треугольную», «квадратную», «двугорбую»? Ведь для измерения объема гранитной глыбы в качестве составляющих можно было бы использовать шары, параллелепипеды, октаэдры и многие другие формы. Но мы выбрали куб, потому что его объем измерить проще всего. А из чего исходить при выборе формы кривой для звуковых составляющих? Какая форма окажется наиболее удобной?

Решать эту задачу не придется — ее уже решила сама природа. Она выбрала синусоидальную форму.

Синусоида — это кривая, которую легко получить в результате довольно простых тригонометрических построений — она является графиком определенных тригонометрических зависимостей. Но этим не ограничивается значение синусоиды. С ней связан целый ряд важнейших процессов, например таких, как излучение света, колебания маятника, генерирование переменного тока. Если вы построите графики, которые описывают эти, а также многие другие явления, то во всех случаях получите одну и ту же кривую — синусоиду.

Чем же объясняется такая универсальность синусоиды? Какие общие черты различных процессов отражает она?

К сожалению, мы с вами не можем подробно останавливаться на этом интересном вопросе и вынуждены ограничиться лишь общими положениями. Синусоиду называют гармонической кривой, и этим сказано многое. Она действительно очень гармонична, не имеет каких-либо разрывов, скачков, неожиданных изменений или, наоборот, монотонных ровных участков. Вначале кривая резко нарастает, но затем постепенно «устает» и рост ее все заметнее тормозится. Наконец, все силы иссякли — остановка, кривая достигла наибольшего значения. Это так называемая амплитуда, после которой сразу же начинается отступление — кривая идет вниз. Сначала медленно, как бы сопротивляясь, а затем все быстрее и с максимальной скоростью проскочив нулевое значение, попадает в отрицательную область. Здесь все повторяется сначала: постепенный рост (но теперь уже отрицательных значений), амплитуда, отступление и опять переход через нуль в положительную область.

Отмеченное нами на «житейском» языке достоинство синусоиды — ее гармоничность, имеет четкие математические обоснования. Можно строго доказать, что синусоидальный, гармонический характер изменения является наиболее простым, наиболее естественным для самых различных физических процессов, точно так же, как прямая линия определит кратчайшее расстояние между двумя точками в любых ситуациях, на любых геометрических объектах.

В нашем слуховом аппарате имеется довольно сложная система, которая сразу же расчленяет любой звук сложной формы на простейшие синусоидальные, или иначе, гармонические составляющие. Совершенно ясно, что для разных звуков будет получаться различный спектр, или, проще говоря, различный набор этих составляющих, подобно тому, как в предыдущем примере каменные глыбы различной формы должны быть представлены разными наборами кубов и кубиков. В частности, будут получаться синусоидальные составляющие с разными частотами, разным соотношением амплитуд. Вот простой, точнее, сознательно упрощенный пример.

Уже знакомый нам звук «ля», если он исполнен на флейте, содержит гармонические составляющие с частотами 440, 880 и 1320 гц, причем амплитуды этих составляющих имеют следующие соотношения — 1:0, 5:0,1. Последнее означает, что амплитуда второй синусоидальной составляющей в 2 раза, а третьей в 10 раз меньше, чем амплитуда первой. Тот же звук, если его получить от кларнета, состоит из таких же по частоте составляющих, но уже с другим соотношением амплитуд, например 1:0, 2:0,01. Гитара даст более широкий спектр — в нем будет уже 5 составляющих — кроме указанных выше трех частот, можно будет обнаружить еще 1760 и 2200 гц. Короче говоря, главное отличие одних звуков от других точно отражается в их спектре — в количестве синусоидальных составляющих, в их частотах и амплитудах (рис. 11, д, с, ж).

Обратите внимание на то, что в нашем примере частоты синусоидальных составляющих кратны основной частоте — частоте звука «ля». Это весьма типичное явление, с которым можно встретиться в подавляющем большинстве случаев. Составляющие с кратными частотами называют гармониками и нумеруют в зависимости от соотношения частот. Так, частота 440 соответствует первой гармонике, 880 — второй, 1320 — третьей и т. д. Одним словом, номер гармоники показывает, во сколько раз ее частота больше, чем частота основного колебания, то есть того звука, который мы стараемся представить в виде суммы гармоник.

Из всего, что мы говорили, можно сделать очень важный вывод. Для того чтобы создать копию какого-либо звука, нужно создать звук с кривой той же формы, или, иначе, с таким же спектральным составом. Наш слуховой аппарат, куда входит также и «быстродействующая счетная машина», — особый отдел мозга, ведающий слуховыми восприятиями и анализом звуков, не только с высокой степенью точности разделяет любой звук на гармонические составляющие, но и сразу же производит анализ полученного спектра — определяет частоты составляющих и соотношение их амплитуд. Таким образом мы и различаем отдельные сложные звуки.

Для характеристики возможностей нашего слуха приведем несколько цифр. Мы отличаем синусоидальные составляющие уже в том случае, когда их частоты разнятся всего на несколько десятых долей процента. Например, установлено, что при звуке средней громкости человек может отличить частоты 997 и 1003 гц от частоты 1000 гц. Наш слух воспринимает звуки самой различной громкости. В частности, самый сильный звук, который мы в состоянии выдержать и который находится на самом пороге «болевого ощущения», и самый слабый звук, который мы уже едва улавливаем, по своей мощности отличаются один от другого в миллиарды раз. А вот характеристика чувствительности — мы слышим такие слабые звуки, которые создают давление на барабанную перепонку с силой всего 0,00000003 грамма! Под действием этих звуков сама барабанная перепонка колеблется с «размахом» не более одной десяти миллионной доли миллиметра!

Вся эта изумительная по точности и чувствительности система появилась в результате многовековой эволюции. Она позволяет человеку хорошо ориентироваться в окружающем мире, собирать о нем много ценной информации.

И все же несмотря на очень высокую чувствительность нашего звукового приемника, он не позволяет людям поддерживать непосредственную связь друг с другом на расстояниях больше, чем несколько сот метров, а иногда, например возле бурного водопада или на перроне метрополитена, и нескольких десятков сантиметров. Происходит это потому, что звуковые волны по мере продвижения вперед очень быстро затухают, теряют свою энергию. Кроме того, услышать слабый звук нам, как правило, мешают разные посторонние шумы. И, наконец, скорость звука слишком мала даже для масштабов нашей, как сейчас любят говорить, маленькой планеты. Если бы и удалось построить линию дальней акустической связи, то даже короткий разговор по такой линии занял бы несколько дней, а то и несколько месяцев. Так, москвич, разговаривая с жителем Владивостока, мог бы получить ответ на свой вопрос только через двадцать часов.

Когда думаешь о недостатках линий акустической связи, почему-то вспоминается, как охрип Бывалов — один из героев кинокомедии «Волга-Волга». Он пытался с берега разговаривать с пассажирами застрявшего посреди Волги парома и так громко кричал, что очень быстро сорвал голос. Непосредственная звуковая связь уже при сравнительно небольших расстояниях становится невозможной.