Звук и слух

Звук является одним из моментов взаимодействия различ­ных тел с различной средой. Природа звука вообще непонятна вне взаимодействия тел и явлений внешнего мира.

Предмет является источником звука постольку, поскольку он приходит в колебательное состояние и движение под дей­ствием движущейся упругой среды, его окружающей. Возник­шая в результате этого взаимодействия звуковая волна рас­пространяется в условиях данной среды, отражая эти условия, равно как и среда отражает звуковые волны тем или иным способом. Лишь благодаря взаимодействию звучащего тела и данной физической среды звук воздействует на слуховой ре­цептор, превращаясь в нем в нервный процесс, а затем в слу­ховом анализаторе в слуховое ощущение.

Слуховые ощущения представляют собой высший анализ звуковых волн различной частоты колебаний (высота звука), амплитуды колебаний (сила звука), формы звуковой волны (тембр звука). Все явления слуховых ощущений, следова­тельно, связаны с особенностями звуковых волн, возникающих вследствие колебаний источника звука в упругой среде. Эти колебания вызывают возмущение этой среды, которое распро­страняется в зависимости от ее природы. Акустика, т. е. раз­дел физики, изучающий природу звука, рассматривает звуко­вую волну как процесс постепенного возмущения в упругой среде, а область пространства, в которой происходит этот про­цесс, называется звуковым полем. Звуковая волна зависит от того, однородна или неоднородна материальная масса тела и среды, т. е. от характера ее молекулярного состава, а следовательно, от плотности и упругости движущихся материальных масс. Меньшая плотность среды является вместе с тем большей ее упругостью, благоприятствующей распространению звуковых волн,

т. е. импульсов колеблющихся (вибрирующих) тел. Упругость, эластичность, гибкость, т. е. подвижность тел и среды способствует передаче звука, так как толчок, пере­данный одному ее концу, скорее передается на другой.

При исследовании скорости распространения звука в дан­ной среде определяющим моментом является соотношение ее упругости и плотности. В твердых и жидких телах скорость звука большая, нежели в газообразных, вследствие более бла­гоприятного соотношения в них упругости и плотности. При относительном постоянстве атмосферного давления упругость остается почти неизменной на определенном уровне, в то время как плотность изменяется в зависимости от темпера­туры. Жидкие и газообразные тела обнаруживают изменения плотности в зависимости от незначительного колебания тем­пературы, расширяясь от повышения ее и сжимаясь от пони­жения температуры. При расширении тела от повышения тем­пературы масса вещества распределится на новый, больший объем, а следовательно, плотность его уменьшится. Поэтому распространение звуковых волн в воздухе зависит от темпера­туры среды. Лишь звукопроводность твердых тел не изменяет­ся под влиянием температурных изменений до тех пор, пока не изменится само состояние вещества.

Из всего этого ясно, в какой степени звуковая волна зави­сит от строения вещества тела и соотношения Плотности и упругости звукопроводной среды. Материальность звука есть производное от материальной природы тела — источника звука и материальной среды.

Это производное, т. е. звуковая волна, изменяется по час­тоте колебаний (длине волн), размаху колебаний и их форме.

При равенстве температурных условий скорость звука остается величиной постоянной. При 0°С звук проходит в 1 сек приблизительно 330 м. С повышением температуры на 1° ско­рость увеличивается на 0,6 м. Постоянной скоростью распро­странения звука принято считать 342 м в 1 сек при темпера­туре в 20°С. Ветер ускоряет или замедляет скорость звука в зависимости от направления. Поэтому, когда скорость ветра складывается со скоростью звука, звуковые волны преломля­ются к земной поверхности, а когда скорость ветра противо­действует скорости звука, звуковые волны отклоняются от земли вверх. Многие явления при передаче звука на большие расстояния объясняются отклонением волн от прямолиней­ного направления вследствие неоднородности атмосферы. Сни­жение слышимости определяется относительным затуханием звуковых волн вследствие внутреннего трения (вязкости газа) и изменения теплопроводности. Вследствие поглощения волн амплитуда их уменьшается по мере распространения (т. е. сила звука уменьшается).

Вместе с вязкостью среды на зату­хание звуковых колебаний оказывает большое влияние изме­нение частоты звуковых волн. По мере возрастания частоты колебаний длина волн, а следовательно, расстояния между сгущениями и разряжением в волне уменьшаются.

Расстояние между двумя сгущениями и разряжением рав­но 342 м, а величина 393 мм называется длиной волны.

Высоким звукам соответствуют более короткие волны, низ­ким звукам — более длинные волны. Длина волны с частотой R. 100 кол/сек равна 340 см, длина волны с частотой в 500 кол/сек равна 69 см, а для частоты 4000 кол/сек будет равна 8,6 см. Чем больше колебаний в секунду, тем короче длина звуковой волны. Следовательно, высота звука опреде­ляется числом колебаний.

Человек ощущает слухом, т. е. адекватно отражает частоту колебаний волн от 16—20 до 20000—22000 колебаний (почти на протяжении 11 октав). Диапазон слухового различения зву­ковых волн значительно больший, чем световых волн. В этом обстоятельстве заложена одна из причин исключительного сигнального значения звуков для эволюции приспособления животных организмов к среде.

Звуковая волна представляет собой периодическое уплот­нение и разряжение воздуха. При этом в поступательном дви­жении воздушной звуковой волны отдельные частицы воздуха совершают полные колебательные движения, передающиеся от одной частицы звуковой волны к другой. Звуковые волны рас­пространяются (расширяются) сфероидально, т. е. шарообраз­но. Поэтому звук можно слышать со всех сторон (сверху, снизу, спереди, сзади, с правой и с левой стороны). Эта форма распространения звука делает звук одним из наиболее силь­ных внешних воздействий на животный организм. Звук принадлежит к числу сильнейших, хотя и кратковре­менно действующих безусловных раздражителей, а именно — раздражителей безусловного ориентировочного рефлекса, вы­зывающего специфическую двигательную реакцию поворота головы, перемещения тела и т. д. Сила звукового раздражителя при прочих равных условиях изучения условнорефлекторной деятельности сильнее действия силы световых раздражителей (Макарычев).

Сила звука заключается в амплитуде колебания источника звука (определенного тела) и соответственно частиц среды, проводящей звук. На число колебаний в единицу времени из­менение амплитуды не влияет. Однако при увеличении ампли­туды колебаний возрастает энергия колебаний, с чем связано большее воздействие их на органы слуха.

Силу звука измеряют количеством энергии, которую при­носят звуковые волны в единицу времени на единицу поверх­ности, перпендикулярную к направлению распространения волны. Единицей силы звука считается 1 эрг/сек см².

Звуковые волны по мере движения в пространстве теряют в интенсивности, так как импульс, вызвавший звуковую волну, обладает определенным запасом энергии, погашаемым сопротивлением среды, в которой он действует. Чем меньше расстояние между источником звука и органом слуха, тем больше амплитуда колебаний воздушных частиц, воздейст­вующих на него (тем сильнее ощущение звука). Характерным именно для звука и его силы является резонанс в двух его разновидностях: совибраций и созвучий.

Вибрации некоторых источников звука не могут передаться настолько большим массам воздуха, чтобы вызвать ощущение звука большой силы. Если эти слабо звучащие тела (напри­мер, слабо звучащий камертон) соединить с большими по­верхностями, которым передаются эти вибрации, то вибра­ции этих больших поверхностей (например, волокон де­ревянного стола) усиливают малые вибрации слабого звуко­вого источника, усиливая его звук. Тела сложной формы и структуры (массы воздуха значительных объемов, твердые тела волокнистого строения и т. д.) способны вибрировать разнообразно, но соответственно звукам раз­личной высоты. Но вибрация не превращается в звуча­ние, а лишь усиливает звучание источника (совибраций). Звучащие резонаторы (струны, пластинки, мембраны, трубки и т. д.) отвечают на вибрации, соответствующие их строю, собственным звучанием. Следовательно, сила звука во многих случаях зависит именно от передачи ви­брации звучащего тела другому вибрирующему или вибриру-юще звучащему телу в окружающей среде.

Резонаторы усиливают энергию звуковой волны, амплитуду ее колебаний, тем самым способствуя усилению слухового ощущения. Сила звука зависит также от преломления звуко­вой волны (при переходе из одной среды в другую, с непарал­лельными плоскостями), от отражения звука (от изогнутой поверхности среды звук отражается подобно свету в условии вогнутого зеркала, т. е. собирается в фокусе данной изогну­той поверхности). В некоторых случаях отраженная волна усиливает самый звук (в больших пустых помещениях) и вы­зывает особую разновидность резонанса, так называемое крат­кое эхо.

Звуки характеризуются, кроме скорости, частоты колеба­ний и длины волны, силы или амплитуды колебаний, также и формой колебаний.

То или другое сочетание частичных колебаний источника звука (род колебаний) определяет форму колебаний, от ко­торой зависит тембр звука. Форма колебаний, следовательно, выражает внутреннее сочетание частичных колебаний всех от­дельных моментов звуковой волны. Когда колебания звуча­щего тела периодичны, т. е. промежутки времени для всех отдельных колебаний неизменно одинаковы, то получается му­зыкальный звук, если же они происходят в неравные проме­жутки времени, то имеет место шум.

Звуковое колебание носит характер синусоиды с периоди­ческим повышением и понижением кривой колебания.

Подобные «простые звуки» входят в состав музыкальных звуков и называются частичными тонами. Взаимодействие периодических колебаний частичных тонов образует тембр музыкального звука или тона. Шумы образуются, напротив, либо из неправильных периодических колебаний, либо из сложной совокупности непродолжительных периодических ко­лебаний.

Основное значение в музыке имеют гармонические частич­ные тоны, число колебаний которых в целое число раз больше числа колебаний первого (исходного) частичного тона. Так, если первый частичный тон имеет 100 кол/сек (или герц), «то второй — 200, третий — 300 и т. д. Если высота звука опреде­ляется частотой колебаний первого тона, то форма колеба­ний, определяющая тембр звука, состоит из соотношения между числом и относительной силой всех частичных гармо­нических тонов данного музыкального звука.

Анализ формы колебаний звука показывает, что внутри отдельного звука имеет место сложное взаимодействие коле­баний отдельных моментов звуковой волны. Тем более слож­ным и определяющим является взаимодействие колебаний при слиянии звуков, различное для разных интервалов («проме­жутков») между расстоянием одного звука до другого по вы­соте, или частоте колебаний в 1 сек. Интервал представляет собой отношение чисел колебаний одного звука к другому. Так, например, на скрипичных струнах звук mi есть вторая ступень от 1а, а интервал между ними соответственно равен 652 1/2: 435, т. е. относится как 3: 2. Это будет отношение числа колебаний, составляющее интервал кварты. Большее число колебаний относится к более высокому звуку. На этом при­мере видно, что в то время, как 1а успевает сделать два коле­бания, mi успевает делать три колебания. Наибольшее слия­ние дают звуки, отношения чисел которых выглядят как 2: 1 (октава) и 3:2 (квинта). Созвучия с наибольшим слиянием называются консонансами, созвучия с меньшей слитностью тонов называются диссонансами, т. е. неблагозвучием.

Взаимодействие звуков выражается, следовательно, в отношении чисел колебаний различных звуковых волн.

Итак, звуковые волны характеризуются скоростью, часто­той колебаний и длиной волны, амплитудой и их формой, а также соотношениями частот колебаний.

Но звуки протекают не только одновременно, в виде аккор­да в данный момент, но, что особенно для них характерно, последовательно друг за другом. Длительность звучания, а также временные промежутки между звуками влияют на про­цесс слушания.

«Если на слух человека падает какой-нибудь звук, напри­мер музыкальный тон, — писал Сеченов, — то человек чрезвы­чайно легко определяет его продолжительность и характери­зует это словами: звук отрывистый, протяжный, очень долгий и пр. Ощущение звука имеет вообще характер тянущийся: это значит, что слух обладает способностью ощущать явление звука конкретно, и вместе с тем он сознает, так сказать, каж­дое отдельное мгновение его. Слух есть анализатор вре­мени». Посредством слухового анализа продолжительности звуковых воздействий происходит дробление отдельных фаз звука, то нарастающего, то снижающегося по силе, то изме­няющего периоды и колебания.

Отражаемые слухом качества становятся сигналами вре­менных признаков и отношений, воздействующих на сложный организм животного и человека звучащих тел и упругой среды распространения звука.

Как мы видели, звук не существует без тела — источника звука — и вибрации окружающей среды. Поэтому звук для животного организма и человека есть признак определенных предметов внешнего мира и определенных свойств звукопроводной среды, является сигналом того или иного явления предметной действительности.

Наконец, нельзя не отметить, что звучащее тело занимает определенное место в материальном пространстве, а распро­странение звука в разных направлениях носит пространствен­ный характер. Слуховые ощущения производят также анализ пространственного положения источника звука и направления движения звуковой волны. По звуку мы судим о местоположе­нии звучащего тела и определяем направление звука.

Подобно тому как свет, освещая предметы внешнего мира, превращает их в сигналы для жизнедеятельности животных и человека, так и звук обнаруживает для организма на извест­ных расстояниях от него существование определенных предме­тов и влияний внешнего мира. Этим предметным и

1 И. М. Сеченов. Избр. философск. и психолог. произв., стр. 127.

временнопространственным характером звука и объясняется его биоло­гическая роль. Первоначально она заключается в том, что звук вызывает безусловный ориентировочный рефлекс живот­ного в виде закономерно повторяющегося движения пово­рота тела к источнику звука, как на это обратил внимание Павлов в самых ранних опытах.

Не случайно подчеркнуто здесь безусловнорефлекторное действие сильных звуков, так как они обладают и наибольшей энергией вибрации, характеризуются и большим механическим давлением вибрирующих масс воздуха на слуховой рецептор.

SO WO ZOO 500 1000 2000 5000 10000 20000 Частота,8г

Рис. 17. Область слуховых ощущений и кривые равной громкости.

Не случайно очень сильные звуки перестают действовать специфически звуковым образом на ухо, т. е. не порождают в нем слуховых ощущений, а, оказывая механическое воздей­ствие на ухо, вызывают в нем осязательно-болевые ощущения.

Напротив, не очень сильные и слабые звуки превращаются в сигналы внешних предметов, необходимых для осуществле­ния пищевого обмена организма с внешней средой.

Развитие слуха у человека определилось условнорефлекторными механизмами замыкания связен между звуковыми свойствами вещей и явлений и основными функциями его жиз­недеятельности как общественного существа.

Как указывалось раньше, человеческий слух характеризует­ся сравнительно большим диапазоном различения частот колебаний звуковых волн. Слышимые человеком звуки зани­мают фундаментальное место среди всех звуков. Границей

слышимых звуков в отношении низких звуков является гра­ница инфразвуков, а в отношении высоких звуков — граница ультразвуков, уже не ощущаемых человеческим мозгом, но оказывающих физиологическое действие на органы человека. Общий «спектр» звукового ряда изображен на рис. 17.

Более важным, нежели широта различения звуков челове­ком, представляется качественный характер этого различения в пределах слышимых звуков. Обращает на себя внимание, что центральное место в диапазонах слышимых звуков зани­мает зона звуков человеческой речи. По мере удаления от этой

10 20 50 100 200 500 1000 2000 5000 20000 100000 кал/сек

Высота тона

Рис. 18. Распределение зон слуховых ощущений в пределах

слышимых звуков.

зоны слуховые ощущения человека становятся менее точными, требуют большей специальной дифференцировки и упражне­ний (рис. 18).

Обращает на себя внимание исключительное положение звуков речи в зоне ясного слышания. Как это ни странно, но долгое время в акустике, физиологии и психологии считалось, что основу культурного развития человеческого слуха состав­ляет музыкальный слух. Действительно, музыкальный слух сыграл и играет исключительную роль в очеловечении слуха, в расширении границ человеческого слуха. В этом смысле Маркс и назвал человеческое ухо «музыкальным ухом», по­зволяющим точно отражать гармонические отношения звуков, овладеть природой звука и эстетически воспроизводить зву­ковые соотношения с целью художественного, образного по­знания объективной действительности.

Но музыкальный слух человека не представляет собой про­стого эволюционного продолжения развития слуха высших

14 Б. Г. Ананьев

животных. В отношении малых интенсивностей звуков, а так­же вычленения частичных тонов из сложного музыкального звука собака оставляет далеко позади себя человека. У быка или тушканчика величина и соотношение частей слухоразличительного органа, так называемой улитки, весьма благопри­ятна для дифференцировки по высоте, т. е. для звуковысотного слуха. Тем не менее у собаки, тушканчика и быка нет музыкального восприятия. Нетрудно установить, что музыкальность человеческого слуха является не причиной, а след­ствием качественно своеобразного характера человеческого слуха, связанного со звуковой природой языка как основного средства общения. Речевой слух, помимо своего прямого, жиз­ненного назначения обслуживать общение между людьми, оказался важнейшей опорой для: а) развития музыкального слуха, б) развития пространственно-предметного слуха и в) различения по звуку временных признаков и отношений между явлениями внешнего мира.

Музыкальный слух человека возник вместе и на основе музыки как формы искусства художественного отображения внешнего мира. В истоках музыки лежит использование воз­можностей человеческого голоса и речи.

Но как бы ни было велико значение музыкального слуха для расширения и уточнения слуховых ощущений человека, музыкальный слух не является первоосновой человеческого слуха, какой является речевой слух, и не исчерпывает всего многообразия и применения человеческого слуха. Ухтомский справедливо отметил, что «более или менее явный пред­рассудок— усматривать в музыкальном восприятии глав­ную функцию слухового рецептора. Это предрассудок чело­века, и в особенности городского человека. В натуральных, условиях работа слуха направлена в особенности на задачу восприятия более или менее низких шорохов и шумов, по ко­торым можно было бы достаточно ориентироваться в расстоя­ниях и направлении источников звучаний»² (курсив наш. – Б. А.). Что именно эта функция распознавания по звукам ка­честв предмета и его упругой среды, расстояния и направле­ния имеет огромное значение, показывает путь развития аку­стической техники, обслуживающей разнообразные нужды производства и других явлений общественной жизни.

Естествоиспытатели лишь «прикладывали» музыкальную акустику к анализу речевого слуха (особенно к гласному со­ставу речи). Между тем сама музыкальная акустики есть про­дукт развития звукового языка, речи и речевого слуха. Лишь в связи с центральным положением речевого слуха в человеческом слухе

2 А. А. Ухтомский. Собр. соч., т. IV, стр. 196.

вообще можно понять исключительную и особую роль слуха в человеческой жизни. Заслугой Ухтомского является выдвижение в центр физиологической акустики именно этого момента. «... Мы можем признать, — писал Ухтомский, — что слух — важнейший из органов чувств чело­века. Именно он в особенности помогает человеку стать тем, что он есть. Дело тут не в музыке, и не в гармониях, и не в психологических «переживаниях» слуховых впечатлений. Ве­ликая область музыки, гармоний и их творческого восприятия человеком составляет...относительно узкую и изысканную провинцию среди обширных, прозаических, суровых и боевых задач акустического восприятия как важнейшего, дальновиднейшего и ведущего органа рецепции и распознавания среды на расстоянии в пространстве, времени и истории. На слух у человека ложится исключительная и ответственейшая прак­тическая задача, уходящая далеко из границ физиологии, за­дача служить опорой и посредником в великом деле Органи­зации речи и собеседования».³

Коренная связь слуха с речью, речевая обусловленность человеческого слуха представляется особо важной для пони­мания механизма слуховых ощущений. Лишь речевой слух и мышечные ощущения речедвигательного аппарата являются одновременно составной частью как первой, так и второй сигнальной систем высшей нервной деятельности человека. Это положение необходимо иметь в виду при специальном изучении слуховых ощущений.