Акустика человека

Как мы слышим и дышим

Человек слышит звуки в диапазоне 20 Гц – 20 кГц. Диапазон условный. Верхние частоты до 20 кГц слышат далеко не все, причем с возрастом граница опускается. Неслышимые низкие частоты, до порога слышимости, называют инфразвук. Неслышимые высокие частоты, выше порога слышимости, называют ультразвук. Порог слышимости на разных частотах у человека разный. Лучшая чувствительность человека к звуку в диапазоне от 500 Гц до 5 кГц.

Звук, приходящий снаружи, попадает к нам по воздуху в уши¹. Воздух раскачивает барабанную перепонку. К перепонке прижата костная конструкция, которая достукивается до нерва нашего слухового восприятия. Когда что-то не так в ухе, передача колебания перепонкой ухудшается, она плохо раскачивает слуховые косточки.

Наличие двух ушей позволяет нам определять направление на источник звука. Это называется бинауральный эффект. Причем, важнее не различие в громкости, а запаздывание – чем раньше звук достиг одного уха, тем ближе источник к нему. Стереонаушники при электроакустической обработке сигналов могут имитировать движение источника звука вокруг нас. Несимметричность ушей спереди и сзади помогает различать источник звука спереди и сзади. Но уши иногда удается обмануть.

Можете сами провести эксперимент с закрытыми глазами безо всяких наушников. Нужно два ассистента с монетками. Они должны стоять строго на оси между ушами на одинаковом расстоянии спереди и сзади. Попробуйте угадать, кто из них звякнул монетками?

Любопытный эффект с восприятием собственного голоса в записи. Раньше, когда запись голоса была не столь частым явлением, все обращали на это внимание: звук собственного голоса звучит в записи совсем не так, как мы привыкли слышать себя в жизни. Сегодня запись привычна, и мы этого уже не замечаем.

Дело в том, что, когда мы говорим, звук на слуховые косточки идет не снаружи, а изнутри, вибрацией по костям черепа, а не через уши по воздуху. Что-то, конечно, и по воздуху через уши попадает, но внутренний сигнал более существенен – он не теряет мощности при переизлучении звука из воздуха на перепонке. Звукопередача по костям черепа совсем другая, более низкочастотная, потому что высокие частоты гасятся мягкими тканями.

Задание читателю: послушать себя, свой голос, зажимая периодически уши руками – в чем разница?

Музыка для желудка с тростью Бетховена

Генерация звука голоса происходит непросто. Воздух проходит в горле через голосовые связки – специальные мышцы, меняющие просвет для воздуха. На вдохе-выдохе легкие и щель в связках играют роль резонатора, от которого зависит звучание гласных звуков. Другой резонатор образуется в полости рта. Во рту формируются высокочастотные звуки. Чем больше объем, тем ниже резонансные частоты. Согласные звуки формируются вокруг языка и зубов. Проблемы с ними осложняют задачу формирования нужных конфигураций для генерации высокочастотных звуков.

Постановка голоса связана с упражнениями на правильное дыхание и формирование резонаторов в легких и во рту, поддержание нужного тонуса влияющих на звук мышц.

Звук мы воспринимаем не только через слуховой нерв под ушными косточками. В теле большое количество колебательных систем, но отдача сигналов от них в организм биохимическая, она не воспринимается как последствия звука. При разных воздействиях на внутренние органы они выделяют в организм разные вещества, которые приводят к разным эмоциональным состояниям. Если органам комфортно, они формируют хорошее настроение. Если дискомфортно, настроение портится, хотя не всегда понятно, почему именно. Например, я заметил, что плохие сны часто предвосхищают заболевание.

Наиболее жесткие части тела, хорошо передающие вибрацию, – это кости. Участие черепа в передаче звука мы уже обсудили. Но у нас бьется сердце, дышат легкие, упруго подвешены внутренние органы – почки, печень, селезенка…

Так что музыку мы слушаем не только ушами, а всем телом. И она должна нравиться не только голове, но и всем внутренним органам. Скорее даже наоборот – она нам нравится по совокупности отклика всего тела, а уже по звуку мы запоминаем, какая нам нравится. Вероятно, именно поэтому молодежи обычно нравится более громкая и энергичная музыка, а людям в возрасте не слишком громкая и более спокойная.

Некоторые любители тяжёлого рока, если они любят его только в записях, то есть не ходили на живые рок-концерты, не догадываются, что являются неполноценными любителями. На живых концертах обязательно используются мощные низкочастотные сабвуфферы, которые захватывают еще и диапазон инфразвука, поэтому впечатления от живых рок-концертов несопоставимы с прослушиванием рок-музыки в записи.

Это, конечно, не отменяет музыкальной грамотности: чем лучше человек разбирается в сложностях музыки, тем большую роль в его музыкальных вкусах играет голова. А грамотным стоит вспомнить, как глухой Бетховен слушал музыку зубами.

Страшный инфразвук

Один из механизмов, которым объясняют беспричинные страхи человека, является попадание его в зону заметного по мощности инфразвука. Если он по частоте совпадает с собственной частотой внутренних органов, то возникает резонанс. И тогда орган начинает колебаться слишком сильно и выделяет биохимический сигнал «караул». Известен эксперимент Роберта Вуда, когда он установил за кулисами сцены излучатель инфразвука, после чего довольно примитивная пьеса в соответствующих сценах при включенном излучателе привела к очень серьезным реакциям в зале.

Считается, что это частоты вокруг 7 Гц. У каждого они слегка отличаются. Если тема инфразвука заинтересовала, можно подробнее поискать в Интернете. Мне показалась любопытной публикация Анатолия², в которой он ссылается на курсовую работу Дарьи Молчановой³.

Наверное, доводилось слышать про «Летучий голландец» – корабль-призрак⁴ без матросов, предвещающий беду кораблю, на котором его увидели. Одна из версий, что в местах зарождения штормов, глубинных землетрясений, выходов газа генерируется инфразвук. Он прекрасно распространяется в воде и мощность его в природных явлениях может быть весьма велика. Из воды в воздух он плохо выходит, т.к. волновые сопротивления воды и воздуха слишком сильно отличаются. Но он может неплохо передаваться в вибрацию корпуса корабля, на котором находятся люди. Они начинают испытывать беспричинный страх и могут массово бросаться в море в стадном порыве, оставив пустой корабль.

Пустой корабль сам вряд ли долго плавает в море. Значит, это произошло недавно. Значит, природный катаклизм, который где-то произошел, может вскоре более весомо о себе заявить, чем дошедший первым инфразвук. Если за секунду звук в воде уходит на 1,5 км, то через минуту он предупредит о шторме примерно за 100 км…

Акустика на природе

Ударим сверхзвуком

Ударная волна – отличительная особенность упругих волн. Она возникает тогда, когда скорость движения частиц в фронте волны превышает скорость звука. Отличительная, потому что волна света распространяется на предельно возможной скорости, свет обогнать невозможно в рамках физики Эйнштейна. А звук можно.

Самый очевидный пример ударной волны в воздухе – гром от молнии. Молния – это электрический пробой воздуха. В месте пробоя образуется область плазмы (ионизированного воздуха) с зоной повышенного давления, которое разбегается во все стороны существенно быстрее скорости звука в виде ударной волны.

Кажется очевидной связь: удар источника порождает ударную волну. От слова «удар». Молния ударила – породила ударную волну, которую мы называем «гром». Менее очевидный пример – ударная волна от сверхзвукового движения. Многим известен хлопок от самолета. Некоторые заявляют «самолет прошел звуковой барьер». Звучит важно и эффектно, но неправда.

Пока звук распространяется от традиционного источника, это происходит во все стороны. При движении источника звука наблюдается эффект Доплера: изменение частоты звука в приемнике, если приемник ловит звук навстречу источнику или вдогон:

– приемник, на который движется источник, воспринимает частоту звука выше исходной;

– приемник, от которого движется источник, воспринимает частоту ниже.

Отслеживая изменение частоты звука, можно определить скорость движения.

Предложение читателю: понаблюдать за звуком, когда скоростной поезд или самолет пролетают мимо нас (как они слышны на приближении, и как при удалении?)

Если же скорость движения источника звука становится выше скорости звука, то в заднюю полусферу звук идет с нормальной скоростью звука для такой среды, а в переднюю полусферу звук не излучается – не успевает за движением источника. Источник просто гонит перед собой область повышенного давления, оставляя сзади область пониженного давления.

В воздухе, конечно, эту область повышенного давления не видно, но она похожа на волну, которую образует нос корабля на воде. Для корабля эта волна выглядит как треугольник в плоскости поверхности воды, а в воздухе это конус вокруг самолета. Пропорции этого конуса зависят от скорости самолета: фронт ударной волны расходится в боковые стороны от самолета со скоростью звука. Если скорость самолета равна скорости звука (1 Мах), угол основания конуса будет 45 градусов. Чем дальше вбок от источника уходит фронт волны, тем меньше перепад давления между передней зоной повышенного давления и задней зоной пониженного. Ударная волна быстро затухает. Аналогию мы видим по носовой волне корабля⁵.

Когда фронт волны (участок этого расходящегося конуса) пролетит мимо нас, мы услышим хлопок: сначала нас ударит область повышенного давления и сразу же перепонка отскочит назад областью пониженного. Чем выше летит сверхзвуковой самолет, тем дальше он пролетит мимо нас, пока мы услышим хлопок, и тем тише он будет для нас. И только после хлопка мы будем слышать звук от его двигателей. Так что, никакой звуковой барьер он не проходил – он просто летел, пока до нас не дошла ударная волна повышенного давления, которую гонят перед собой его крылья.

Кстати, иногда этот конус ударной волны виден, если воздух влажный: в ближней зоне у самолета, где образуется ударная волна, может сформироваться конденсат⁶.

Менее приятные эффекты с ударными волнами в воздухе известны при взрывных работах, военных обстрелах. Эти эффекты похожи в логике появления на молнию, но они часто рядом (поэтому воздействие сильное), зато более ожидаемы. Надо беречь барабанные перепонки, чтобы их не повредило перепадом давления. Для этого рекомендуют открывать рот. Это облегчает уравнивание давления с внешней и внутренней сторон перепонки. Но каналы до внутреннего уха узкие и довольно длинные, поэтому резкие перепады могут не успеть выравнять давление через рот. Лучше закрывать уши, защищая их от бросков давления ударной волны.