канец Ларсон, исследовавший возбуждение звука в твердых телах при воздействии модулированного лазерного излучения, установил, что это излучение генерирует в среде сильный звук в направлении, перпендикулярном направлению распространения луча лазера. Различными авторами исследовались случаи излучения звука при воздействии на вещество мощных тепловых полей, импульсного электрического напряжения и т. д. По мере повышения частоты, то есть уменьшения длины волны ультраакустических колебаний звуковые волны начинают "замечать" дискретную структуру твердых тел -- кристаллическую ионную решетку. Здесь становятся плодотворными корпускулярные представления. Согласно современной физике, любая волна ведет себя при определенных условиях как частица, и наоборот: любая частица ведет себя при определенных условиях как волна. Один из классиков физики Уильям Брэгг иронически заметил по этому поводу, что каждый физик вынужден считать свет состоящим по понедельникам, средам и пятницам из частиц, а остальные дни недели -- из волн. А вот что пишет по этому поводу в своей замечательной научно-популярной книге "Глаз и солнце" академик С. И. Вавилов*: "Материя, т.е. вещество и свет, одновременно обладает свойствами волн и частиц, но в целом это не волны и не частицы, и не смесь того и другого (курсив С. И. Вавилова -- И. К.). Наши механические понятия не в состоянии полностью охватить реальность, для этого не хватает наглядных образов". С тех пор последовало много работ, подтверждаю щих эквивалентность волновой и квантовой механики. * С. И. Вавилов. Глаз и солнце. Изд. 9-е. М, "Наука", 1976, с. 42. И хотя отдельные противоречия остаются, квантовая механика позволила сделать выдающиеся открытия. Звуковой волне соответствует частица, которая была названа фононом -- квантом звука. Разумеется, полной аналогии здесь нет. Частицы света -- фотоны-- элементарны, то есть не состоят из других частиц. Они единообразны, как единообразны электромагнитные поля, они устойчивы. Параметры фононов не имеют той устойчивости, которая свойственна параметрам элементарных частиц. В процессе распространения звука изменяется характер упругих колебаний, волна из поперечной может переходить в продольную, поверхностную и т. п. Эти процессы надо рассматривать как превращения фононов в другие виды, то есть следует предположить многообразие фононов. Несмотря на отсутствие данных о параметрах фононов для различных видов упругих колебаний, введение квантовых представлений в акустику уже принесло свои плоды. Примером служит создание акустического мазера, подобного электромагнитному мазеру или лазеру. 0x01 graphic Схема и принцип действия фонон-электронного усилителя высокочастотного звука. 1 -- пьезополупроводник, 2 -- источник звука; 3 -- источник света; 4-- источник постоянного электрического напряжения. По мере движения звуковой волны ее амплитуда увеличивается вследствие взаимодействия между электронами Э и фононами Ф. Другой пример -- квантовый усилитель ультразвука. Как ни странно, но прямого усилителя звука пока не существует. Для того чтобы усилить звук, нужно сначала превратить его в электрические колебания (с помощью микрофона, гидрофона, виброметра), а затем, после усиления этих колебаний в электронном усилителе, произвести обратное превращение уже усиленных электрических сигналов в звук посредством соответствующих электроакустических преобразователей. Позвольте, а резонатор? -- спросит читатель. В полости резонатора звуковое давление усиливается вследствие того, что резонатор "отсасывает" звук с довольно большой площади фронта волны и трансформирует в параметры колебательного процесса. Но в резонаторе нет какого-либо постоянного постороннего источника звука, усиливающего колебательный процесс подобно тому, как это происходит в электронном усилителе благодаря наличию постоянного электрического источника питания. Принцип действия фонон-электронного усилителя ультразвуковых колебаний заключается в следующем. В образце пьезоэлектрического полупроводника (например, в кристалле сернистого кадмия) возбуждается звуковая волна высокой частоты. Одновременно кристалл облучается светом, вследствие чего в нем возникают свободные электроны. Эти дрейфующие электроны увлекаются приложенным к кристаллу постоянным электрическим полем. Так как скорость электронов больше скорости звука, то электроны как бы тянут за собой звуковые частицы -- фононы. Это создает дополнительные механические усилия, и, следовательно, звуковая волна по мере распространения по кристаллу будет усиливаться. Уже созданы квантовые усилители ультразвука, в которых на расстоянии 10--15 миллиметров удается получить усиление бегущего ультразвукового импульса в тысячи раз. При непрерывном излучении звука концентрация энергии в относительно малом объеме полупроводника становится настолько велика, что возникает проблема его охлаждения во избежание падения коэффициента усиления. Многочисленные проблемы квантовой акустики регулярно обсуждаются на специальных международных и всесоюзных симпозиумах и конференциях. В 1974 году И. А. Викторову, Ю. В. Гуляеву, В.Л.Гуревичу, В. И. Пустовойту была присуждена Государственная премия СССР за цикл исследований по созданию теоретических основ акустоэлектроники. Фундаментальные, полные интересных идей работы по акустоэлектронике были выполнены безвременно скончавшимся академиком Р. В. Хохловым с сотрудниками, а также В. А. Красильниковым и другими советскими учеными. "Разнопольные" эффекты и взаимодействия, электрон-фононные, фотон-фононные, фонон-фононные процессы -- манящая и увлекательная область физической (а в недалеком будущем, несомненно, и техни-ческой^ акустики, " ЧАСТЬ II Не обладая слухом, мы едва ли много больше интересовались бы колебаниями, чем без глаз -- светом Рэлей Пипин, король Италии, VIII век "Что такое уши?" Флакк Альбин, наставник короля "Собиратели звуков" ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ И БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКУСТИКА МИЛЛИОНЫ УКЛАДЫВАЮТСЯ В ДЕСЯТКИ ... Слуховой орган превращается в руках Гельмгольца в тонкий физический инструмент... И М Сеченов Для начала -- две колонки равенств, по-видимому, не совсем обычных:
30+ 30= 33 70+ 70= 73 100+100=103 30 + 20 р 30 70 + 60 р 70 100 + 90 р 100
Относящийся к этим колонкам вопрос к читателю похож на вопросы из психологических практикумов, публикуемых на страницах журналов: что означают эти равенства и каковы закономерности, характерные для каждой из колонок? Не будем далее интриговать читателя или отсылать его, как это иногда делается, к ответам, написанным в перевернутом виде, либо помещенным где-то через десятки страниц. Скажем сразу, что равенства отображают некоторые зависимости условной алгебры децибелов -- логарифмических единиц, принятых для расчета и измерения уровней звука или вибрации. В названии "децибел" увековечено имя изобретателя телефона Грэхема Белла. Один децибел соответствует едва заметному на слух приросту громкости звука. Но почему децибелы сродни логарифмическому исчислению? В первую очередь потому, что они отражают мудрую особенность слухового (и не только слухового) восприятия живых существ: прирост ощущения пропорционален логарифму раздражения. Человечество не случайно приняло "на вооружение" в науке и технике логарифмические масштабы: зачастую упрощается графическое изображение колебательных процессов, об этом еще будет сказано в дальнейшем. Однако не пора ли вернуться к цифровым колонкам, с которых мы начали разговор? Левая колонка равенств отображает (повторяем, условно) результаты суммирования эффекта действия двух одинаковых источников шума или вибрации, колебательная мощность которых выражена в децибелах. Как видим, вне зависимости от величины колебательного уровня каждого из одинаковых источников, суммарный звуковой уровень двух источников всегда на 3 децибела превышает уровень любого из отдельно взятых источников. А вторая колонка? Она относится к сложению эффектов двух источников с заметно различающимися колебательными мощностями. Видно, что если уровень более слабого источника на 10 (или более) децибел отличается от уровня более мощного источника, то суммарный уровень практически равен уровню отдельно взятого более мощного источника. Своеобразие децибельного исчисления неоспоримо, в чем убеждает и беседа в кабинете главного инженера крупного машиностроительного предприятия, свидетелем и невольным участником которой автору довелось быть. Работники акустической лаборатории завода доложили, что им удалось по требованию заказчика снизить шум одной из выпускаемых машин со 100 до 70 децибел. Они ожидали одобрения, но главный инженер, до этого момента не имевший, видимо, времени или желания ознакомиться детально с акустикой, сухо заметил: -- Рано радуетесь. Подумаешь, снизили шум на 30%. Надо до нуля доводить энергию звука. Он оглянулся на гостя, ища поддержки. Пришлось несколько охладить его: -- Снижение звукового уровня на тридцать децибел соответствует уменьшению звуковой энергии не на тридцать, а на 99,9%. А если, наоборот, увеличить уровень шума с 70 до 100 децибел, то это будет соответствовать увеличению звуковой энергии в 1000 раз, то есть круглым счетом на 100000%. Все это -- особенности логарифмического масштаба, характерного для физиологической акустики. -- А еже какие особенности или преимущества у логарифмической шкалы звуковых энергий? -- спросил главный инженер. -- Она позволяет большой диапазон значений энергий и интенсивностей звука уместить в маленьком графике. ---- А если бы воспользовались линейной шкалой, какой длины она была бы? -- Смотря какой диапазон энергий нас интересует. Может, шкала протянется отсюда до Невского, а может, для этого графика не хватило бы упомянутого Гоголем колдовского стола длиной от Конотопа до Батурина. -- Вот как? А тут, я вижу, мои деятели и частоту отложили в логарифмическом масштабе. Это почему? -- Потому, что равным ощущениям приращения высоты тона соответствует увеличение частоты не на какое-то количество герц, а в какое-то число раз. Например, для увеличения высоты тона в сто герц вдвое требуется повысить его до двухсот герц, т. е. на сто герц, а для увеличения вдвое высоты тона в тысячу герц потребуется увеличить его частоту уже на тысячу герц. А это и есть логарифмический закон. -- И для частот линейная шкала тоже протянется так далеко? -- Нет, тут она будет заметно короче. Если ограничиться диапазоном слышимых частот и откладывать по шкале каждый герц через миллиметр, то длина линейной частотной шкалы уж никак не превысит двадцати метров. -- Тоже многовато, -- усмехнулся главный инженер.-- Да, акустика -- серьезная вещь, -- продолжал он задумчиво. Я ожидал, что он закончит свое резюме словами вроде -- "Надо будет это учесть в дальнейшем". Но он вдруг повернулся к своим сотрудникам и сказал твердо: -- Вы это учтите! Один из них, не растерявшись, заметил как-то между прочим: -- Мы это давно учли... -- Вас понял. И для начала сам учту это, полагаю, в желаемом вами смысле. Думаю, что против увеличения каждому квартальной премии на тридцать рублей -- по рублю за децибел возражать никто не будет? Уж рубли-то в логарифмическом масштабе, как звуковую энергию, извините, не могу исчислять. А вот для выражения благодарности гостю за интересную беседу логарифмический масштаб подойдет. Выйдя после беседы на улицу, автор подумал о том, что неплохо было бы точно рассчитать длину линейной шкалы слышимого диапазона сил звуков. Почему-то никто не удосуживался сделать это. Конечно, здесь все сильно зависит от того, какой масштаб принять за основу. Один децибел, т. е. едва уловимая на слух величина громкости, соответствует приросту звуковой энергии примерно на 25% ее исходной величины. Логично за единицу линейной шкалы принять разность энергий (точнее, интенсивностей ее, т. е. потоков энергии в единицу времени на единицу площади), соответствующую одному децибелу на пороге слышимости. Эта разность будет равна 1,25J0 -- J0. где J0--пороговая интенсивность звука. На другом, "верхнем" пороге -- пороге болевого ощущения -- при стандартной частоте 1000 герц интенсивность звука примерно в 1014 раз больше, чем на пороге слышимости. Таким образом, диапазон воспринимаемых человеком интенсивностей звука равен 1014 J0-J0. 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. 0x01 graphic 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. Таким образом, при восприятии элементарных сигналов пропускная способность органов зрения и -слуха примерно одинакова. Однако способность к нюансировке, к восприятию сложных сигналов у глаза значительно больше, чем у уха. Известна также значительно большая пропускная способность зрительного нерва в сравнении со слуховым, большая площадь участка коры головного мозга, обслуживающего зрение, по сравнению с площадью участка, обслуживающего слух, и т. п. Но как может человек передать, описать ощущение, впечатление от какого-либо воспринятого глазом образа? Глаза сами по себе могут передавать некоторые достаточно сложные движения души, однако для простейшего сообщения о том, что воспринятый его глазом цвет является, скажем, синим, у человека нет парного глазу органа -- передатчика электромагнитных сигналов. Приходится прибегать к излучателю звуковых сигналов -- органу речи (или к движению пишущей руки). "Может быть, эхо умеет передразнивать и зрение, как оно умеет передразнивать голос?" -- вопрошает Карлик в сказке О. Уайльда "День рождения инфанты". Увы, нет, прелесть естественного эха в земных условиях доступна только уху; только звук с его относительно малой скоростью распространения дает достаточно длительную реверберацию. Вот эта-то "парность" органов приема и передачи информации придает им исключительную важность. "Там, где была речь, все совершалось, все познавалось... Поистине не понимают того, кто мыслит мыслью (но не говорит)" -- писали еще брахманы в древней Индии, этой, по выражению Маркса, "колыбели наших языков". И не потому ли мудрый Монтень в главе своих "Опытов", названной им "Об искусстве собеседования", высказался так; "Самое плодотворное и естественное упражнение нашего ума, по-моему, беседа... Вот почему если бы меня принудили немедленно сделать выбор, я, наверное, предпочел бы скорее потерять зрение, чем слух и речь". Мудрому достоин вторить лишь также мудрец. Один из великих материалистов древности Гераклит, констатировавший, между прочим, что... "глаза -- более точные свидетели, чем уши", закончил свое рассуждение словами: "Я предпочитаю то, что можно увидеть, услышать и изучить". Следует полагать, что техническая психология -- наука, которая сейчас еще только зарождается, со временем в результате сложнейших исследований подтвердит интуитивный вывод Гераклита, и вопрос о предпочтительности того или иного органа чувств будет в значительной степени заменен признанием их взаимодополняемости. ЕЩЕ НЕМНОГО О СЛУХЕ Некоторые из российские поэтов-футуристов в начале века утверждали, что в придуманных ими, в сущности, нелепых словах "дыр, бул, щир" больше содержания, чем во всех созданных ранее кем-либо стихотворениях Но, быть может, сочетания подобных бессмысленных слогов могут все же послужить если не поэзии, то науке? Описанное ранее относилось главным образом к оценке слуховым аппаратом громкости разнообразных звуков. Но еще в 30-х годах нашего века ученые-акустики Лэйрд и Койе заметили, что ощущение громкости, в общем, не соответствует утомляющему, травмирующему действию звуков и шумов. Если ощущение громкости достигает максимума где-то в районе от 1 до 3--5 килогерц, то действие звука на нервную систему тем больше, чем выше его частота (вплоть до границы ультразвука). Так родились первые "кривые равной неприятности" звуков. Эти кривые монотонно спадают с частотой, то есть чем выше частота звука, тем меньший звуковой уровень требуется для создания равного по силе раздражающего действия на человека (вид нескольких таких кривых приведен далее -- в главе об инфразвуке). Если же говорить о полном массиве этих кривых в сравнении с изображенным ранее островом слышимости, то можно сказать, что "остров неприятности" будет иметь широкий и отчетливо выраженный мыс в юго-западной, то есть правой нижней части. Эти-то кривые и послужили основой для создания действующих ныне международных нормативов по допустимым звукам различной частоты, силы и продолжительности. Мы еще поговорим о шумовой атаке на человека созданных им в XX веке машин. Здесь упомянем лишь о раздражающем эффекте звуков физиологического, главным образом речевого происхождения: громкой речи, криков детей и т. п. Особенно сильно действует иногда невнятная отдаленная речь, смысл которой бессознательно, автоматически пытаются распознать соответствующие центры в мозгу человека. Подобные воздействия, относящиеся к компетенции психоакустики, пока еще не оцениваются количественно. Маскировка звуков. Это также очень интересное явление, связанное со слуховым аппаратом. Если оперировать формулировкой из учебника по акустике, то можно сказать, что маскировкой называется уменьшение способности слушателя воспринимать один звук в присутствии другого. При этом первый звук называют маскируемым, а второй маскирующим. Эффект маскировки может быть отображен повышением порога чувствительности уха по отношению к маскируемому звуку, то есть понижением чувствительности слуха на частоте (или частотах) маскируемого звука. Нельзя сказать, что маскировка звуков -- открытие физиологической акустики наших дней. О ней говорилось еще... в древнегреческих мифах. Наибольшим маскирующим действием по отношению к звуку I обладает более мощный звук II той же частоты. Сравнительно мощный звук II, частота которого несколько ниже частоты звука I, обладает еще достаточно сильным маскирующим действием. Звук II, частота которого выше частоты маскируемого звука I, обладает сравнительно малым маскирующим действием. Бог богов Кронос (Крон), как известно, был склонен к такому странному занятию, как глотание собственных детей. Эта незавидная участь грозила и кронову последышу -- будущему великому Зевсу. Но находчивая мать Зевса Рея дала Крону проглотить завернутый в пеленки камень, а младенца упрятала в пещеру на Крите. Когда ребенок плакал, то воины, чтобы заглушить его плач, ударяли камнями по своим щитам -- маскировка, поистине, отличная. В наше время этому явлению посвящен целый ряд исследований. Изучалась маскировка: чистого тона чистым тоном различной частоты, чистого тона шумом, речи чистыми тонами, речи монотонным шумом, речи импульсными звуками и т. п. Наиболее отчетливые закономерности получены для случая маскировки чистого тона другими, отдельно взятыми чистыми тонами различной частоты. Как и следует ожидать, наибольший маскирующий эффект имеет место при совпадении частот маскируемого и маскирующего звуков. Если уровень маскирующего звука в достаточной мере превышает уровень маскируемого, то последний полностью подавляется первым. Попробуем отнести частоту маскирующего звука от частоты маскируемого, скажем, вверх на определенный интервал, например, на 200--300 герц. Маскирующее действие резко упало, и стал отчетливо прослушиваться первичный тон. А теперь переместим частоту маскирующего тона на такой же интервал ниже маскируемого. Мы вправе как будто ожидать, что маскируемый тон проявится столь же отчетливо. Но что это? Он слышен теперь значительно слабее, чем тогда, когда действовал маскирующий тон, лежащий на шкале частот выше маскируемого. Итак, выявляется еще одно интересное свойство слухового аппарата человека, которое едва ли можно было предвидеть: низкочастотные тона обладают большим маскирующим эффектом, чем высокочастотные. Найдено и физиологическое объяснение этому явлению: причина кроется в нелинейности восприятия звуков слуховым аппаратом. Как известно из радиотехники, при нелинейной характеристике чувствительности какого-либо аппарата или тракта в нем кроме основного воздействующего тона возникает ряд обертонов, т. е. составляющих более высоких частот. Частота одного из этих обертонов может располагаться близко к частоте маскируемого звука или даже совпадать с ней, что и обусловливает значительную маскировку низкочастотными тонами. Интенсивность обертонов в нелинейной системе возрастает с увеличением интенсивности основного тона. Поэтому мощные звуки, хотя бы и с частотами ниже частоты полезного сигнала, будут обладать особенно сильным маскирующим действием. А теперь -- волнующий корабелов, да и других транспортников вопрос о маскировании речи шумом. Сколько команд, сколько донесений оказались в нужный момент непонятыми из-за шума! Можно себе представить, чем это было или могло быть чревато, особенно в сложных морских условиях. Для определения разборчивости (или, по-иному, артикуляции) речи в условиях помех (либо при наличии искажений в звуковоспроизводящем электроакустическом тракте) пользуются артикуляционными таблицами. Заметим, что различают слоговую, словесную и фразовую артикуляцию. Проще всего определять с помощью подопытных лиц слоговую артикуляцию. Разумеется, это происходит в лаборатории, где искусственно воссоздаются акустические условия, отвечающие будущим натурным условиям. Слоговые артикуляционные испытательные таблицы состоят из 50 слогов, большей частью искусственных и потому распознаваемых с большим трудом, чем известные, привычные слоги. Вот первые два столбца одной из артикуляционных таблиц, входящих в отечественный ГОСТ:
няк пуль
мюф зош
фсен ряй
ек стял
вох жоф
Тут впору вспомнить наш эпиграф. Если футуристы считали крупным вкладом в стихотворчество три бессмысленных слога, то входящие в ГОСТ 50 артикуляционных таблиц по пятидесяти слогов каждая -- это уже целый "катехизис поэзии"! А между тем артикуляционным таблицам не нашлось лучшего применения, как лежать на столе диктора, монотонно читающего слоги и следящего за тем, чтобы испытуемые лица не переговаривались и не засыпали. Число правильно понятых слогов таблицы, усредненное по всем испытуемым, представляет собой процент слоговой артикуляции, с помощью которой по соответствующим кривым можно определить артикуляцию фраз. Так, при слоговой артикуляции 40-- 50% число правильно понятых фраз достигает 90% (вот роль смыслового фактора!). При слоговой артикуляции 70% процент правильно понятых фраз близок к 100, причем смысл фраз улавливается почти без напряжения. Специалисты по физиологической акустике подметили, что для разборчивой речи наиболее важна полоса частот, близкая к области максимальной чувствительности слуха. Максимальные звуковые уровни в спектре женской речи ближе к этой частотной полосе, чем в спектре мужской речи. Поэтому голос женщины-диктора, особенно в условиях низкочастотных помех, может быть несколько более разборчивым, чем голос диктора-мужчины. И естественно, что тот же женский голос, который иногда похож на сладостную трель соловья, может, как более высокочастотный, оказывать при некоторых условиях и более сильное раздражающее действие, чем мужской баритон. Очевидно, тут уже действуют не только или даже не столько факторы физиологической акустики, сколько обычные житейские категории. Можно было бы еще много говорить об удивительном аппарате слухового восприятия: о том, как благодаря бинауральному эффекту двух ушей определяют со значительной точностью направление на источник звука; о разрешающей способности слуха к восприятию двух близких по частоте или интенсивности звуков; об интереснейшем устройстве самого слухового аппарата человека и т. п. Но это вышло бы за рамки нашего краткого повествования об удивительном мире звука. Так что же, неужели у уха совсем нет недостатков? Есть, конечно; упомянем лишь один из них. Он связан все с той же громкостью звуков. Диапазон воспринимаемых слуховым аппаратом громкостей, как мы видели, весьма велик. Но вот в области сравнения громкостей двух даже раздельно создаваемых звуков ухо не столь уж совершенно. Почти каждый человек может сказать, что такой-то звук вдвое или, скажем, втрое громче другого. Установить на слух пяти-шестикратную разницу в громкости двух, хотя бы однородных звуков могут лишь немногие. При большем различии громкостей субъективно сравниваемых звуков пасуют и эти немногие. УДИВИТЕЛЬНЫЙ МИР ЗВУКА ПРЕВРАЩАЕТСЯ В УГРОЖАЮЩИЙ МИР ЗВУКА ...Спит, убаюканная ленью Людской врагини -- тишины. А. Блок Тишины хочу, тишины. Нервы, что ли, обожжены? А. Вознесенский Который же из поэтов прав в этом заочном споре? Оба. Да оба, потому что стихотворение Блока относится к времени, когда человек жил среди полей и глухих лесов, вопль же Вознесенского характерен для современного "машинизированного" образа жизни. Впрочем, вредное влияние шума отмечалось еще в древности Ювеналом и Лукрецием Каром. Раздражают человека производственные шумы, различные бытовые шумы, но, пожалуй, шумовое лидерство в наше время принадлежит транспорту. Проведенное в Каспийском пароходстве медицинское обследование личного состава судов показало, что среди персонала машинных команд 70% страдают теми или иными нарушениями нервной, сердечно-сосудистой и иных систем. У палубных команд процент травматизма был гораздо меньше. Конечно, не последнюю роль в травматизме играют такие факторы, как вредные испарения, высокая температура, но субъективные жалобы на шум и вибрацию стояли на первом месте. Корабли будущего -- суда на воздушной подушке. Здесь мощнейшими источниками шума являются вентиляторы, нагнетающие воздух в "юбку" судна, и воздушные винты, приводящие суда в движение. Английский акустик Трилло опубликовал в "Журнале звука и вибрации" шумовые диаграммы судов на воздушной подушке, совершающих регулярные рейсы между городами Портсмутом и Райдом. Диаграммы имеют вид концентрических кругов с уровнями звука до 100 децибел. Судно тащит с собой эти "круги шумового ада", и жители прибрежных селений задолго узнают о приближении судна. Прибрежные селения. А что же творится на самом судне! Конечно, меры по звукоизоляции принимаются, но полностью избавиться от шума все же не удается. Авиация будущего. Каждый школьник скажет, что это -- сверхзвуковые самолеты, которые сэкономят человеку миллиарды человеко-часов, ускорят перевозку грузов. Все это, конечно, так, но... Сотрудники ЮНЕСКО попробовали представить, что произойдет, если все пассажирские линии Западной Европы будут обслуживаться сверхзвуковыми самолетами. При переходе звукового барьера у корпуса самолета образуется мощная звуковая волна, конусом расходящаяся в стороны на расстояния в несколько десятков километров. Интенсивность ее настолько велика, что существует даже патент (американский), согласно которому эта волна используется (на близком расстоянии) для разрушения легких зданий. Масштабы старушки Европы не столь уж громадны, и если сверхзвуковая авиация действительна утвердится повсеместно, то почти в любой точке Европейского континента каждый житель хоть раз в день подвергнется действию звукового удара. Перспектива, конечно, не из веселых. Но в нашито дни дело до этого еще не дошло, не так ли? Однако что это за демонстрация движется по улицам Парижа? Впереди люди с широкими муаровыми лентами через плечо. Это -- мэры нескольких парижских округов, прилегающих к аэродрому Орли. На транспарантах демонстрантов -- призывы: "Избавьте нас от шума", "Дайте спать!", "Тишину в школы!" Разумеется, парижане не одиноки в своих жалобах на авиационные шумы. Например, педагоги ряда школ Лос-Анджелеса заявили, что они принуждены прерывать учебный процесс один раз в две минуты -- во время, когда пролетает самолет. Перенесемся на момент на другой континент. Фешенебельный пляж Копакабана в Рио-де-Жанейро, неоднократно воспетый в книгах, изображенный в кинофильмах. Мимо пляжа проходит городская автотрасса. Когда-то на нем могли слышать.. шум моря. А теперь? "Прощай, Копакабана", читаем в газетной корреспонденции, на смену райскому уголку пришла грохочущая преисподняя. Непрекращающийся рев моторов и автомобильные гудки доводят уровень шума до 85 децибелов и более. Один врач на конгрессе в том же Рио-де-Жанейро заявил: "Если так будет продолжаться, -- к 2000 году мы все оглохнем". И все это -- только от легковых автомобилей. .. Наш друг автомобиль. Так ласково именуют автомашину в книгах по туристским поездкам. Но если друзей слишком много? Уже сейчас на Садовом кольце в Москве шум в квартирах при открытых окнах (или даже форточках) превышает допустимые нормы, хотя здесь движутся лишь легковые автомобили. Что же тогда говорить о машинах грузоподъемностью 10, 20, 30 тонн, автомотрисах с моторами мощностью в 300--500 лошадиных сил, автопоездах? Водители этих автомастодонтов и жители селений, через которые они проезжают, находятся под воздействием очень мощных шумов. Да что машины-мастодонты! Возьмем так называемую "малую" механизацию. В Ленинграде во многих жилищных хозяйствах применяются небольшие развозные тележки с маленьким, но необычайно трескучим мотором. "Механизация малая, а шум большой",-- говорят горожане, когда мимо них проползает это приземистое желто-красное сооружение. Но довольно о шумах, которые замечают все. Поговорим о безобидных как будто бы "шумиках". Доля интеллектуального труда до мере прогресса человечества непрерывно возрастает, и вот тут-то начинают заявлять о себе "невинные" шумы. Наиболее рельефно это проявляется при творческой работе. Сын Льва Николаевича Толстого Сергей Львович писал в воспоминаниях об отце: "Когда он работал, к нему никто не смел входить, даже моя мать! Ему нужна была полная тишина и уверенность в том, что ни