Точно так же из уст говорящего человека частицы колеблющегося воздуха не летят в уши слушающего, а передаётся лишь движение частиц, образующих отдельные сгущения и разрежения.
Артиллерийские выстрелы мы слышим на расстоянии многих километров также благодаря колебательным движениям отдельных частиц воздуха.
Передача звука на расстояние требует затраты определённой работы. Ведь для того, чтобы возникла звуковая волна, необходимо раскачать частицы воздуха. Однако размах колебаний частиц в звуковой волне ничтожно мал. Давление, которое образуется в местах сгущения волны, не превосходит даже в самом сильном звуке 0, 5 грамма на квадратный сантиметр, а в слабом звуке это давление много меньше давления, оказываемого комаром, севшим на голову человека! Отсюда понятно, что и работа, идущая на создание звуковой волны, очень невелика. Если бы миллион человек одновременно говорили в течение полутора часов, то вся энергия звуковых волн, создаваемых миллионом голосов, была бы достаточна только для того, чтобы вскипятить один стакан воды!
Читатель может спросить: почему же тогда для получения звука приходится тратить значительную работу? Попробуйте дуть некоторое время в свисток, — вы убедитесь, что занятие это не такое уж лёгкое. В сиренах и гудках часто применяется сжатый воздух или пар с давлением в несколько раз больше давления атмосферного воздуха. И, несмотря на такую большую затрату энергии, получаемый звук распространяется на сравнительно небольшое расстояние.
Оказывается, во всех источниках звука только маленькая часть затрачиваемой работы переходит в энергию звука.
Если бы вся энергия гудков и сирен тратилась только на создание звуков, то они были бы слышны на сотни километров! Большинство музыкальных инструментов превращает в звуковую энергию не более одной тысячной доли энергии, затрачиваемой при игре. Человек при разговоре или пении превращает в энергию звука только около одной сотой части совершаемой работы. Остальные 99 частей пропадают, переходя главным образом в тепловую энергию.
4. Проводники звука
Звуковая волна может проходить самые различные расстояния. Так, орудийная стрельба слышна на 10–15 километров, паровозный гудок — на 7-10, ржание лошадей и лай собак — на 2–3 километра, а шёпот — всего на несколько метров. Эти звуки передаются по воздуху.
Но проводником звука может быть не только воздух.
Приложите ухо к рельсам, и вы услышите шум приближающегося поезда значительно раньше и на большем расстоянии, чем этот шум донесётся к вам по воздуху. Значит, металл проводит звук лучше и быстрее, чем воздух.
В хорошей проводимости звука металлами нас убеждает ещё один замечательный опыт. Если к роялю прикрепить один конец металлической проволоки, а другой её конец провести в ту часть здания, куда по воздуху звук игры донестись не может, и соединить этот конец со скрипкой, то звук рояля будет хорошо слышен. При этом создаётся впечатление, что он исходит от скрипки.
Давно замечено хорошее распространение звука и по земле. Известный русский писатель Карамзин в «Истории государства Российского» пишет, как перед Куликовской битвой князь Димитрий Донской сам выехал на разведку в поле и, приложив ухо к земле, услышал конский топот приближающихся татарских полчищ.
Нередко можно видеть странную на первый взгляд картину: машинист или шофёр, взяв деревянную палку, прикладывает один её конец к различным частям мотора, а другой конец — к уху, а иногда берёт эту палку даже в зубы. Пользуясь хорошей проводимостью звука деревом, он прислушивается к шуму отдельных движущихся деталей внутри машины и определяет, хорошо ли они работают.
Вода также хорошо проводит звук. Нырнув в воду, можно отчётливо слышать, как стучат друг о друга камни, как шумит перекатывающаяся во время прибоя галька, как работает машина парохода.
Свойство воды — хорошо проводить звук — широко используется в наше время для звуковой разведки на море во время войны, а также для измерения морских глубин.
Приведённые примеры говорят о том, что звуковая волна может передаваться не только по воздуху или вообще по газам, но и по жидкостям и твёрдым телам.
Для звука есть только одна преграда, и её легко обнаружить очень простым опытом. Если завести будильник и накрыть его стеклянным колпаком, звон будет хорошо слышен. Но если из колпака выкачать воздух, звук умрёт. Почему? Потому что звук не может передаваться через пустоту. И это легко объяснимо. Ведь в пустоте нечему колебаться! Звуковая волна — чередование сгущений и разрежений, — встречая на своём пути пустоту, как бы обрывается.
II. Звуки организованные и неорганизованные
1. Шум
Мы охотно слушаем музыку, пение птиц, приятный человеческий голос. Напротив, тарахтенье телеги, визг пилы, мощные удары молота нам неприятны и нередко раздражают и утомляют.
Таким образом, по действию, производимому на нас, все звуки делятся на две группы: музыкальные звуки и шумы. Чем отличаются они друг от друга?
Чистый музыкальный звук всегда имеет определённую высоту. Это как бы организованная звуковая волна. Напротив, в шуме царит полный беспорядок. Прислушайтесь, например, к дневному шуму городской улицы. В нём вы услышите и краткие быстро исчезающие высокие звуки, и длительный низкий гул, и резкий лязг. Шум — это множество самых различных, одновременно несущихся звуков. Чем быстрее и резче изменяются их высота и сила, тем неприятнее на нас действует шум.
Каждый из вас легко обнаружит разницу между звуком рояля и скрипом сапога. Но не всегда можно провести резкую границу между музыкальным звуком и шумом. В шуме очень часто можно уловить музыкальные звуки. В свою очередь, и к музыкальным звукам всегда примешивается шум. От него не свободно даже самое искусное музыкальное исполнение. Попробуйте внимательно прислушаться к игре на рояле, и вы услышите, кроме звуков музыки, и стук клавишей, и удары пальцев по ним, и шелест переворачиваемых нотных листов. Точно так же и к пению всегда примешивается шум дыхания певца. Но обычно мы сосредоточиваем своё внимание на звуках самой музыки и не замечаем этого шума.
Получить чистый звук со строго определённой частотой колебания, даже при полном отсутствии посторонних шумов, очень трудно, и вот почему. Любое колеблющееся тело издаёт не только один основной звук. Его постоянно сопровождают звуки других частот. Эти «спутники» всегда выше основного звука и называются поэтому обертонами, то есть верхними тонами. Однако не стоит огорчаться существованием этих «спутников». Именно они-то и позволяют нам отличать звук одного инструмента от другого и голоса различных людей, если даже они равны по высоте. Каждому звуку обертоны придают своеобразную окраску или, как говорят, тембр. И если основной звук сопровождается близкими ему по высоте обертонами, то сам звук кажется нам мягким, «бархатным». Когда же обертоны значительно выше основного тона, мы говорим о неприятном «металлическом» голосе или звуке.
Причина появления обертонов сложна. Она лежит в физической природе колебания тел, и мы не станем её здесь рассматривать.
