Только привычка пользоваться своим слухом да недостаточная осведомленность мешают нам удивляться подлинному чуду — устройству нашего уха.
Наше ухо — очень точный прибор. Мы легко определяем, сравнивая два звука, какой из них громче и какой обладает большей энергией, даже если их интенсивности близки. А слышать мы можем и шелест листьев, и тиканье часов, и раскаты грома, и грохот водопада. Каждый из этих звуков воспринимается органом слуха, который оценивает его громкость.
Зависимость между энергией воспринимаемого звука и тем ощущением громкости, которое он производит, установлена опытным путем. При этом выяснилось, что изменение громкости звука при изменении потока энергии звуковой волны проще всего оценивать с помощью логарифмов.
Принято считать, что громкость звука изменится на единицу, если его энергия увеличится или уменьшится в 10 раз. Единица громкости— бел (б). Однако для практических оценок громкости звука оказалось удобнее пользоваться десятой частью этой единицы — децибелом (дб).
Если энергия первоначального звука Е0 возрастет в 10 раз, т. е. окажется равной 10 E0, то громкость воспринимаемого звука увеличится на 10 дб; энергия вырастет в 100 раз, громкость повысится на 20 дб; в 1000 раз — на 30 дб. Всему необъятному диапазону в изменениях энергии звука, который доступен нашему уху, т. е. изменение примерно в 10 триллионов раз, соответствует изменение в ощущении громкости всего на 13 б, или на 130 дб.
Мать, спящая возле больного ребенка, сразу же просыпается в тревоге, если его дыхание изменится. Она чутко слышит и из всех других шумов выделяет изменения в чуть слышных звуках детского дыхания. И то же самое ухо переносит без особого для себя вреда чудовищные раскаты грома, когда человек попадает в центр сильной грозы.
Поток энергии самого слабою звука, который воспринимают люди, обладающие особой остротой слуха, поразительно ничтожен: можно
услышать звук с энергией, равной 10-12 вт/м2. А перестает слышать наше ухо только те звуки, поток энергии которых превышает 10 вт/м2. Звук такой интенсивности непереносим — он вызывает ощущение нестерпимой боли.
Способность воспринимать звуки, интенсивность которых различается в 1013 раз, — это уже совершенно замечательное и удивительное свойство нашего уха! Измерительная техника не знает такого прибора, которым можно было бы определять величины, различающиеся в десять триллионов раз (10 000 000 000 000). На весах с таким диапазоном чувствительности можно было бы взвесить и камень в один килограмм и небольшую планету.
Движение в виде волн встречается почти во всех областях физических явлений. Звуковые волны, как и волны в любых других физических явлениях, оказывают переменное во времени давление на предмет, стоящий на их пути.
Благодаря звуковому давлению мы и можем слышать звук. Оно ничтожно. Мы легко улавливаем чуть слышный шорох, хотя его звуковое давление на барабанную перепонку уха равно всего лишь 3•10-5 н/м2, т. е. в 3•1010 раз меньше давления атмосферного. Такое давление соответствует нагрузке примерно трем десятимиллионным грамма на 1 см2. Наше ухо гораздо чувствительнее, чем самые точнейшие химические весы!
Такая чувствительность уха уже сама по себе загадочна. Физиологи рассчитали, исходя из физической упругости барабанной перепонки, на какую величину она смещается под давлением самого слабого звука, который можно еще отчетливо услышать. И получилась трудно понимаемая величина: такой слабый звук прогибает барабанную перепонку на расстояние меньше, чем... размеры атома! Науке еще не вполне ясно, как осуществляется в нашем ухе передача и восприятие столь слабых звуков.
В органе слуха различают наружное, среднее и внутреннее ухо. Наружное ухо — это ушная раковина и начало слухового прохода до барабанной перепонки. За ней — область среднего уха: полость, заполненная воздухом, и три слуховые косточки. Первая из них, молоточек, одним концом сочленена с барабанной перепонкой, другим — со второй косточкой — наковальней. Наковальня соединена с третьей косточкой — стременем, которое упирается в перепонку, отделяющую среднее ухо от внутреннего. Молоточек, наковальня и стремя — это своеобразный рычажный механизм, передающий колебания барабанной перепонки во внутреннее ухо. Внутреннее ухо (лабиринт)— это полость, свернутая улиткой и наполненная жидкостью. Внутри лабиринта есть мембрана, соприкасающаяся cо слуховыми нервами.
При тишине давление воздуха с обеих сторон барабанной перепонки одинаково и она находится в состоянии покоя. Когда же в наружном ухе давление воздуха увеличивается, барабанная перепонка прогибается внутрь. При этом воздух, находящийся в среднем ухе, сжимается. Если давление воздуха в наружном ухе уменьшается, упругий воздух в среднем ухе прогибает барабанную перепонку в область наружного уха.
Любое периодическое изменение акустического давления в пределах от 16 гц до 20 кгц приводит к периодическим колебаниям барабанной перепонки.