3 Истоки науки о звуке — акустики
Истоки науки о звуке — акустики — восходят к VI веку до нашей эры и связаны с именем греческого философа и ученого Пифагора. Именно он и его ученики выявили гармонические сочетания звуков на основе опытов со струнами разной длины. Пифагор не только определил зависимость высоты тона от длины струны, но и количественно описал музыкальные интервалы. Более поздние представления пифагорийцев о гармонии вселенной включали описанные Пифагором численные отношения музыкальных интервалов, соотносимые с расстояниями между планетами. Отголоски этого учения можно найти в трудах знаменитого немецкого астронома И. Кеплера (1604 год). Он писал: «Моя цель заключается в том, чтобы показать, что небесная машина — не какое-то божественное живое существо, а подобна часовому механизму».
Вплоть до XVII века не появилось по существу ничего нового в науке о звуке. В XVII веке вновь зазвучали струны в опытах Г. Галилея, возвестив о том, что экспериментальный подход к изучению колебательных процессов — предтеча будущих исследований в этой области физической науки.
Основоположниками современного учения о звуке стали выдающиеся ученые XIX века Г. Гельмгольц и Д. У. Рэлей. Работы Г. Гельмгольца по теории резонаторов и его учение о слуховых ощущениях являются классическими экспериментально-теоретическими исследованиями, которые не утратили своего значения до настоящего времени. Теория звука и методы количественного измерения его физических характеристик, описанные и разработанные Д. У. Рэлеем, в течение столетия использовались в учебниках и руководствах по акустике. Знаменитый диск Рэлея длительное время был едва ли не единственным физическим прибором для исследования звукового поля и абсолютной градуировки акустических приемников — микрофонов.
4 Возникновение и распространение
Движение и звук — неразлучные спутники. Именно движение рождает колебательный процесс, который в определенном диапазоне частот колебаний воспринимается органами слуха — специализированными приемниками механических смещений, возникшими в процессе биологической эволюции. Звук, существующий в пределах земной атмосферы, — физическое явление столь же древнее, как и сама планета Земля. Звуки природных движений — вой ветра, грохот обвалов, раскаты грома, шум прибоя и т. д. существовали задолго до появления жизни на Земле.
Необходимость восприятия колебательных движений частиц среды как обязательного условия выживания обусловила возникновение даже у самых примитивных представителей животного мира появление специальных органов, способных реагировать на механические колебания. Развитие и совершенствование этих органов привело к возникновению специализированного приемника звуковых волн — органа слуха. Именно благодаря расширению возможностей восприятия колебательных процессов, сигнализирующих об опасности, существенно увеличились шансы на выживание. Постепенно звуки стали оцениваться не только как сигналы об опасности, несущие прежде всего сведения об отношениях хищник—жертва, но и как сигналы общения между особями одного биологического вида.
Но только человек смог в полной мере воспользоваться свойствами звукового окружения как источником информации о внешнем мире и создать уникальную в природе систему звукового общения — мощнейшее средство коммуникации. Устная речь не только стала средством обмена текущим опытом, но и обусловила сохранение и передачу его многим поколениям еще до возникновения письменности. Тем самым речь обеспечила возможность социального наследования культурных и научных ценностей. Человек создал также и другой звуковой «язык», а именно музыку — язык эмоций, чувств, настроений, переживаний.
Для распространения звука необходима среда — твердая, жидкая или газообразная. Колеблющийся предмет непрерывно образует упругие волны, состоящие из последовательных сгущений и разрежений среды. Окружающая атмосфера, образующая воздушный бассейн, трехмерна, и поэтому звуковые волны в воздухе распространяются не в двух, как на поверхности воды, а в трех направлениях — в виде расходящихся; сфер (сферические волны). Два основных свойства среды — инерция и упругость — приводят к возникновению в ней и распространению упругих волн. При появлении сгущения или разряжения в какой- либо точке, т. е. при изменении плотности среды, состояния сжатия или разряжения постепенно передаются от одного слоя среды к другому: любая среда не может расшириться или сжаться мгновенно.
Вопрос о необходимости среды для распространения звуковых волн был предметом исследований и дискуссий еще в середине XV в.
В 1650 г. немецкие ученые А. Кирхер и О. Гюкке помещали звонок под колпак, из-под которого был выкачан воздух. Звук становился ослабленным, однако достаточно хорошо слышимым экспериментаторами. На основании этого опыта был сделан вывод о том, что для распространения звука воздух не является необходимым. Через 10 лет Р. Бойль показал, что распространение звуковых волн в вакууме невозможно. Вывод А. Кирхера и О. Гюкке был обусловлен тем, что изоляция звонка была недостаточной и его звучание передавалось через различные твердые части экспериментальной установки.