А. С. Ирисов
Радиолюбитель приложил к уху телефон, настроился на волну 1.010 метров и начал наслаждаться чудными звуками скрипки. Эти звуки сменились звуками рояля. Умолкли и они, а на смену им пришло пение... Радиолюбителю кажется, что поют и играют где-то совсем, совсем близко... и не верится ему, что эти звуки переданы ему из далекой Москвы из Дома Союзов... Сотни верст разделяют исполнителей радиоконцертов от их слушателей... Радиолюбители имеют постоянно дело не только с одними радиоволнами и электромагнитными колебаниями, — им, кроме, того приходится все время сталкиваться со звуком и музыкой. Ради звуков и музыки они отчасти и занялись радио. Но наверное большинство из радиолюбителей не сможет дать ответа на такие самые основные вопросы: что такое звуки, как они получаются, почему один голос не похож на другой, как мы воспринимаем звуки и как отдельные звуки порождают ту музыку, какой мы так любим наслаждаться, как эти звуки передаются по радио?
Вот этим то вопросам, с которыми в радиотехнике приходится сплошь и рядом иметь дело, мы и посвящаем наши беседы.
Мы держим телефон около уха и, когда телефонная мембрана колеблется, слышим звук. В колебательном же движении находятся и все другие звучащие тела. Чтобы зазвучала струна, ее нужно заставить дрожать. Мы этого достигаем или водя по струне смычком, или ударяя ее чем-нибудь.
Рис. 1. Вид звучащей струны.
Присмотритесь внимательнее к дрожащей струне, и вы увидите, что очертания ее стали менее ясными и в середине она сделалась как бы толще. Вид струны изменился от того, что она заколебалась, задрожала между двумя положениями 1 и 2 (см. рис. 1). Колебания струны настолько быстры, что мы не можем следить за ее отдельными движениями, мы замечаем лишь, что она находится где-то между положениями 1 и 2. Если к звучащей струне приблизить конец бумажной полоски, то мы заметим, как полоска будет подпрыгивать от толчков струны. Пока струна колеблется, вы слышите звук, остановите струну — и звук прекращается.
Рис. 2. Запись колебаний звучащего тела; З — зеркальце, прикрепленное к звучащему телу.
Дотроньтесь рукой до большого колокола, когда в него звонят, и вы убедитесь, что колокол тоже дрожит, колеблется. Приставьте руку к вашей груди и горлу, когда вы говорите, и вы обнаружите колебания, появляющиеся вместе с вашим голосом и прекращающиеся, когда вы умолкаете. Таким образом, мы можем сделать общее заключение: когда какое-нибудь тело издает звук, оно всегда находится в колебательном движении.
Колебание звучащих тел оказывается возможным не только обнаружить, но даже записать. Прикрепите на рычажке зеркальце (З) к телефонной мембране. На зеркало направьте пучок сильного света (СВ). Тогда зеркало отбросит зайчик. Поймайте этот зайчик на барабан (Б) Когда мембрана издает звук и колеблется, ее колебания передадутся зеркальцу и вследствие этого зайчик начнет плясать по барабану вверх и вниз. Если мы барабан окутаем чувствительной фотографической пленкой и будем его вращать, то на пленке останется след от зайчика в виде линии. Когда нет звука, и, следовательно, нет колебаний зеркальца, на пленке получится прямая линия. Когда же мембрана звучит (колеблется), вместо прямой линии получается кривая, которая называется графикой нашего звука. На рис. 3. воспроизводится запись разных звуков — камертона, струны и различных гласных. Рассматривая эти графики (кривые линии), мы замечаем, что каждая из них состоит из ряда повторяющихся частей — такие кривые называются периодическими1).
Из всех кривых рис. 3 самая простая — кривая камертона (вторая сверху). Прежде всего мы и познакомимся с ней более подробно. Графики колебаний камертона весьма легко получать следующим образом. Возьмем камертон, к одной из ножек которого прикрепим острие. Во время звучания камертона приведем этим острием по закопченой пластинке. На пластинке мы получим волнистую кривую линию, называемую "синусоидой".
Эта кривая нам может многое рассказать о колебаниях. Обратим внимание, что эта кривая через определенные промежутки повторяется — за горбом идет впадина, а потом снова горб и т. д.
Рис. 3. Графики (кривые) разных звуков.
Мы скажем, что кривая эта — периодическая (повторяющаяся). Так это должно быть, так как она изображает колебательное движение, которое есть тоже периодическое (повторяющееся). По этой кривой легко определить период, т.-е. продолжительность одного полного колебания нашего звучащего тела (камертона). Период кривой у нас, как легко видно из рисунка, равняется расстоянию между двумя соседними горбами, или расстоянию между двумя соседними впадинами. Период же колебания звучащего тела, очевидно, будет равняться времени, в течение которого камертон записал один периодический участок нашей кривой. Для этого же нужно знать относительную скорость движения камертона вдоль закопченой пластинки. Пусть камертон в течение ¹/5 секунды записал на пластинке 24 периода кривой; тогда легко сообразить, что число колебаний или их частота для нашего камертона равняется 24 х 5 = 120 в 1 секунду. Отсюда: одно колебание совершится в 1/120 секунды, это и есть период нашего колебания.
Одной из самых важных характеристик (отличительных черт) музыкального звука является его высота. Скрипка издает звуки более высокие, чем виолончель, бас более низкие, чем тенор, звуки, издаваемые одним и тем же музыкальным инструментом (струнами рояля), бывают одни более высокие, другие более низкие. Возьмем два камертона, дающие звуки разной высоты, и запишем графики их колебаний на закопченой пластинке; мы получим кривые, изображенные на рис. 4. Верхняя кривая получена от камертона, дающего низкий звук, вторая кривая — от камертона с высоким звуком. В первом случае получилась кривая с более редкими горбами и впадинами, во втором — с более частыми. Следовательно, у второго камертона будет большая частота и меньший период, чем у первого. У высокого звука — период колебаний меньший, частота же большая, чем у низкого.
Высота звука зависит от периода, или от частоты колебаний.
Рис. 4. Запись колебаний камертонов: наверху — колебания камертона, дающего низкий звук, внизу — дающего высокий звук.
Наше ухо обладает способностью слышать звуки не любой высоты. Существует предел как для слышания низких нот, так и для высоких. У разных людей эти пределы различны. В среднем мы в состоянии слышать звуки с числом колебаний от 20 до 20.000 в 1 секунду. Для лиц, обладающих исключительным слухом, эти пределы раздвигаются от 16 до 40.000 колебаний в секунду.
Число колебаний звуков средней высоты — порядка сотен колебаний в секунду. В природе звуки, имеющие предельную высоту (40.000 в 1 сек.), мы встречаем в писке комара; писк летучей мыши в два раза ниже.
Звуки, помимо высоты, различаются еще по своей силе. Мы можем заставить звучать струну то сильно, то слабо. Графики колебаний нам расскажут и о силе звука. Посмотрим, как будет изменяться графика колебаний камертона в связи с ослаблением его звука. Заставим камертон звучать и запишем последовательно ряд график его колебаний (рис. 5).
Рис 5. Колебания разной силы: 1 — коле6ания с большой амплитудой (размахом), 2 и 3 — колебания с меньшей амплитудой.
Мы видим, что период в этих графиках не изменился — это так и должно было быть, потому что звук камертона не изменялся по высоте. Но на этих графиках мы видим, что изменилась высота горбов и глубина впадин. У сильного звука — высокие горбы и глубокие впадины, по мере же осла6ления звука горбы и впадины сглаживаются. Высота горбов и глубина впадин зависит от величины размахов звучащего тела. Половина размаха называется амплитудой колебания (на рис. 5 — высота горбов и глубина впадин). Таким образом, с силой звука связана амплитуда колебания: с усилением звука амплитуда растет, с ослаблением — она уменьшается, и, наоборот, чем больше амплитуда колебания, тем сильнее звук; чем она меньше — тем звук слабее.
1) См. также статью Н. Иснева "Шаг за шагом", "Радиолюбитель", №3, 1924 г.
