Удивительный мир звука - И Клюкин

Число делений линейной шкалы интенсивностей звука п будет, следовательно, равно

n=(1014J0-J0)/(1,25J0-J0)=4 1014.

Если деления линейной шкалы взять равными 1 миллиметру, то протяженность (в километрах) линейной шкалы воспринимаемых ухом интенсивностей звука составит n/106 = 400 миллионов километров, то есть заметно больше, чем расстояние от Земли до Солнца.

Поразительный все-таки инструмент человеческое ухо, оно стоит того, чтобы продолжить о нем разговор.

ОСТРОВОК СЛЫШИМОСТИ В ОКЕАНЕ

НЕВОСПРИНИМАЕМЫХ ЗВУКОВ

Итак, уже изображение в линейном масштабе диапазона воспринимаемых человеком звуковых энергий потребовало космической шкалы. В действительности же область могущих существовать звуков еще больше. Взгляни, читатель, на этот график -- карту "акустического океана". На ней, как и положено на морской карте, нанесена сетка широт и долгот. Акустические широты -- это уровни звукового давления, долготы -- частоты звуковых колебаний.

Вот он, островок слышимости, именуемый по-научному "область слухового восприятия человека". Для животных он может быть расположен в другом месте, чаще всего правее ("восточнее") островка человека.

Обследуем берега, границы острова, определим, далеко ли от них могут располагаться какие-нибудь массивы, похожие на географические материки. Нижняя, южная граница "острова слышимости". Уже упоминалось, что человек назвал ее "порогом слухового восприятия". Как видим, эта граница довольно сильно искривлена. Ниже всего она опускается в области частот 1--5 килогерц, это и есть частотная область максимальной чувствительности слуха. Хотя у некоторых животных она может располагаться еще ниже, но, в общем, и человека природа одарила достаточно щедро. Тишайший шепот влюбленных, легкий вздох человека, шорох ползущего по стенке жучка -- вот звуки, близкие по интенсивности и приближающиеся к этой границе.

Остров слышимости в океане звуков.

Для любителей количественных данных укажем, что амплитуда звуковых колебаний в воздухе на пороге слухового восприятия лишь немногим больше атома водорода, а мощность звука, поглощаемая ухом, не превышает микрокосмической цифры 10-30 ватт. Эта микрокосмика хорошо согласуется с теми по-настоящему космическими цифрами, которые упоминались в предыдущей главе.

От границы слышимости ведется отсчет звуковых уровней вверх в децибелах.

Но вот мы сдвинулись влево или вправо по нижней береговой линии от средней части острова. Эта линия пошла вверх и, значит, требуются большие звуковые давления, чтобы звуки были восприняты человеком. Неодинаковость слухового восприятия по частоте потребовала введения еще одной единицы-фона. На частоте 1 килогерц значения децибелов и фонов приняты одинаковыми, а на других частотах они могут сильно отличаться друг от друга.

Прежде чем покинуть "южный берег" острова, вернемся еще раз на его среднюю, наиболее выдвинутую в море часть. Через специальные приборы можно различить, как вдалеке клубится что-то трудно уловимое. Это -- область тепловых шумов среды. Слава природе, что граница нашего острова слышимости достаточно далека от этого материка хаоса, иначе у нас в ушах стоял бы постоянный шум и гул, как у больного тяжелой формой гипертонии.

Теперь направим свои стопы к "северному берегу" острова. Для этого нам понадобится сделать 130-- 140 шагов-фонов. И вот мы подошли к другой границе невосприимчивости звука, именуемой порогом болевого ощущения или порогом осязания. Само название указывает причину невосприимчивости на этом участке. Еще в древнекитайской философии Дао-дэ говорилось: "сильные звуки не слышны". Здесь, выше 130--140 фонов, бушуют акустические бури. Звуки настолько сильны, что слуховой аппарат осязает их как боль и через некоторое время попросту разрушается.

Да что хрупкое человеческое ухо? При этих звуковых уровнях даже у металла возникает "акустическая усталость". Листы обшивки самолетов в районе выхлопа мощного ракетного двигателя могут разрушиться, если не принять специальных мер предосторожности.

Мореплавателям известны "ревущие сороковые" широты. Здесь, в акустике, -- это ревущие сто сороковые. Но как далеко простирается этот все более неистовствующий акустический океан? Еще каких-нибудь 60--70 децибел, и амплитуда звукового давления достигнет статического, атмосферного давления. Прекратится ли рост интенсивности звука? Отнюдь. Один из полупериодов звуковой волны (полупериод разрежения) будет урезаться, но другой -полупериод сжатия -- может быть сколь-угодно большим. Такие сверхмощные нелинейные звуки создаются, например, с помощью сильнейших сирен или в системах звуковых концентраторов. Можно сказать, что границы звукового океана здесь бесконечны...

Левая, "восточная" оконечность острова слышимости. Здесь удивительным образом сходятся пороги слышимости и болевого ощущения. Проникнуть на эту оконечность исследователям оказалось не так-то просто. Дальше начинается пока еще таинственное царство инфразвука, о котором мы поговорим впоследствии.

А здесь сколько долгот (то бишь частот звуковых колебаний) до границ океана? Область слышимости начинается с частот 16--20 герц. До нуля герц, до статики, как будто недалеко. Однако здесь проявляется интересное различие географической и акустической карт. Географические долготы откладываются только в линейном масштабе, акустические же долготы, как и широты, -- в логарифмическом (о причинах этого мы говорили в предыдущей главе). Но нуль логарифмической шкалы лежит в минус бесконечности, и в этом смысле акустический океан в царстве инфразвука также беспределен.

Может быть, более ясно положение на правой оконечности острова, в царстве уже не инфра-, а ультразвука, то есть на частотах более 16--20 килогерц? Здесь человеком достигнуты частоты колебаний не только мега-, но и гигагерц; неизвестно, на каких частотах инерция молекул или иные факторы положат предел возбуждению звуковых колебаний.

Постоянна ли площадь острова слышимости? Увы, для каждого человека этот остров, как шагреневая кожа, имеет тенденцию "съеживаться" к пожилым годам. Уменьшается он больше всего со стороны высоких частот, -- океан неслышимости затапливает его правую часть.

У многих животных и насекомых острова слышимости простираются до более высоких частот. Так, собака может воспринимать не слышимые человеком звуки с частотами 20 и 30 килогерц, летучая мышь, оса, комар -- 50 и 60 килогерц.

А крупные животные? Не так-то просто для них всех определить границы слышимости. Вспоминается история, случившаяся лет двадцать назад. Промысловики заметили, что киты обнаруживают китобойные суда по подводному шуму двигателей и стараются уйти от них. Бюро, проектирующие китобойные суда, запросило один из научно-исследовательских институтов о чувствительности слуховых органов китов. Что оставалось делать исследователям? Они ответили: "Если вам удастся поймать живого кита, привезите его к нам для того, чтобы мы могли в гидроакустическом бассейне определить его чувствительность к подводным шумам".

Не стоит жалеть, впрочем, что эта просьба не была удовлетворена промысловиками: и без того истребление китов приняло поистине чудовищные размеры.

ЗРЕНИЕ ИЛИ СЛУХ (И РЕЧЬ)?

Я всегда считал, что литература существует, по меньшей мере, столько же для уха, сколько для глаза.

Н. Винер. Я -- математик

Что предпочесть в каждом конкретном случае, какой из органов чувств более информативен? Многим этот вопрос покажется праздным или даже схоластическим, но специалисты по инженерной психологии не снимают его с повестки дня.

"Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать"-- гласит народная мудрость, и это, казалось бы, дает исчерпывающий ответ. Обратимся, однако, к данным научных исследований. Американский ученый Дж. Милн провел обстоятельные опыты, целью которых было сравнение информативности слуха и зрения при восприятии простых сигналов. В одном из опытов испытуемым предлагалось различать по частоте звуковые тона в диапазоне от 100 до 8000 герц. Когда воспроизводили два-три тона, -испытуемые не ошибались. При пяти и более тонах количество ошибок резко возрастало. Был сделан вывод, что при звучаний нескольких тонов испытуемые могут принять и передать не более 2--2,5 бита * информации. Примерно такой же результат был зафиксирован при восприятии нескольких тонов одинаковой частоты, но переменного звукового уровня (в пределах от 15 до 110 децибел) .

* Бит -- стандартная двоичная единица информации -- дает указание о том, сколько взаимоисключающих выборок надо сделать, чтобы получить правильный ответ (1оg22=1 бит; 1оg210 = = 3,32 бита).

Результаты опытов со зрительным восприятием немногим отличались от результатов экспериментов со слухом. Когда раздражители, которым подвергались испытуемые, различались по размеру, люди могли пропустить 2,8 бита информации, если же раздражители различались по яркости, то пропускная способность человека не превышала 2,3 бита.