Частота и вибрация звука стоят у истоков нашего акустического мира

Тысячелетия звук и свет гармонично соседствуют в нашем мироощущении. Аристотель объясняет эхо посредством отражения звука, подобно отражению солнечного луча, упавшего на зеркало. Однако в случае с лучом имеет место фотонное отражение, а вибрация – отражение механическое. Но в умах ученых оба явления тесно связаны. Разложение света на семь основных цветов посредством кристаллической призмы или водных брызг каскадного фонтана, пронизанного лучом утреннего солнца, легло в основу нашей гаммы, состоящей из семи нот.

В Средние века слушали песни трубадуров, ходивших от замка к замку и исполнявших свои мелодии. Записей их музыки не сохранилось. В VIII веке монах Павел Диакон из монастыря Монтекассино потерял голос и больше не мог проповедовать. Вместе с голосом он потерял цель в жизни. После долгих молитв он обратился к папе Захарию, и тот его вылечил. Признательности монаха не было границ. Он посвятил ему гимн, сочиненный для праздника святого Иоанна Крестителя, отмечавшегося 24 июня – в день, который тогда считался днем летнего солнцестояния. (Спустя несколько веков в июне, но тремя днями раньше, 21 июня, стали, начиная с 1982 года, отмечать праздник музыки.) Этот гимн дал миру названия (и звуки) нот основной музыкальной гаммы: UT queant laxis/ RE sonare fibris/ MI ra gestorum/ FA muli tuorum,/ SOL ve polluti/ LA bii reatum,/ S ancte I oannes… что означает: «Дабы могли мы воссславить губами нашими, словно натянутыми струнами, твои чудные деяния, избави от греха твоего нечистого служителя, о святой Иоанн».

Прошло два столетия. Около тысячного года Гвидо д’Ареццо ввел окончательный вариант записи наших мелодий на основании принципа сольмизации, которая присваивала каждому звуку свое название, и установил слоговые названия ступеней звукоряда: ut, re, mi, fa, sol, la. Этот бенедиктинский монах, служивший в кафедральном соборе Ареццо, между Сиеной и Флоренцией, был не только знатоком музыки, но и прекрасным педагогом. Он усовершенствовал гамму монаха Павла Диакона и завещал нам музыкальный алфавит, позволивший Баху, Моцарту и Глену Миллеру без помех донести до нас свои мелодии. К нотному стану, состоявшему из четырех линеек, прибавили пятую.

Новая музыкальная нотация произвела настоящую революцию в обучении музыке. Появилась возможность изучать вполне конкретные ноты и мелодии, разбирать и знакомиться с музыкальными произведениями без специального наставника. А раньше пению и музыке можно было обучиться только под руководством мастеров и обучение занимало годы. В 1673 году Бонончини заменил ut на do, а в конце XVI века Ансельм Фландрский назвал последнюю ноту гаммы si. Таким образом, современная гамма выглядит как do, re, mi, fa, sol, la, si. Англичане и немцы в обозначении звукоряда остались верны алфавиту. Do, re, mi, fa, sol, la, si у них – C, D, E, F, G, H, A, B. Но к гамме пришлось добавить небольшой нюанс – особую систему григорианского пения. В ней для ноты B существуют два типа тональностей: «В moll» («В мягкий»), расположенный на полутон выше А, и «В dur» («В жесткий»), расположенный на тон выше А. «В moll» становится просто «bemol» (бемолем). Так, диез повышает ноту на хроматический полутон, а бемоль ее понижает на хроматический полутон.

Акустика голоса

В 1737 году Жан-Жак Дорту де Меран, член Академии наук, вновь указывает на сходство между вибрационной и световой волной. В то же время выдвигается ряд математических теорий, противоречащих друг другу. Разложение света на семь различных цветов уподобляется ступеням звукоряда. Приходится ждать начала XX века, когда будет установлено, что фотонная, или световая, волна распространяется со скоростью 300 000 км/с как в космосе, так и в воздухе. Эта волна пронизывает пространство. Она продолжает будоражить умы исследователей, для которых постоянной основой является созданная Эйнштейном теория относительности с формулой E = mc ². Фотонный луч путешествует в вакууме и в атмосфере. Он существенно отличается от звуковой волны, которой для передачи вибрации необходима какая-нибудь среда. Вакуум не передает звук. В самом деле, поместите громкоговоритель под колокол, создайте там безвоздушную среду, встаньте в нескольких сантиметрах от него – и вы ничего не услышите. Снова пустите под колокол воздух – и вы все прекрасно услышите. Воздух нашей планеты позволил человеку заговорить.

Как распространяется звук?

Звуковая волна состоит из колебаний воздушных микрочастиц, по цепочке оказывающих воздействие друг на друга, по принципу падения костяшек домино. Когда вибрация сформирована, молекулы воздуха перемещаются непрерывными волнами, в зависимости от заданной частоты. Волна может перемещаться в воздухе, в воде, стекле, металле, дереве, но никогда – в вакууме. Скорость ее распространения в воздухе при температуре 16 °C составляет 340 м/с, в водной среде при значительной плотности молекул воды она достигает 1450 м/с. Эти молекулы расположены довольно тесно, поэтому передача осуществляется гораздо быстрее; еще выше скорость распространения волны в железе – 6000 м/с. В костной структуре (черепе) наш голос передается со скоростью 3500 м/с. Когда мы говорим, это свойство не играет особо важной роли, ибо, если с одной стороны наш собственный голос доходит до нашего уха по костям черепа, а с другой стороны поступает из внешней воздушной среды со скоростью всего лишь 340 м/с, то расстояние до барабанной перепонки столь мало, что наш мозг усваивает и интегрирует обе эти информации одновременно, с разницей лишь в несколько тысячных секунды.

Для стимуляции нашей барабанной перепонки необходима минимальная мощность звука (порог слышимости). Она соответствует амплитуде 20 дБ. Амплитуда 100 дБ находится на грани болезненного звука, а амплитуда 160 дБ уже угрожает нашему слуху, ибо столь мощный звук может причинить травму, в результате которой в ушах появится звон или шум, а иногда даже может возникнуть временная или окончательная глухота. Когда в вашей гостиной имеются две акустические установки мощностью 100 дБ каждая, в сумме получается не 200, а всего 104 дБ. В самом деле, децибелы высчитываются в зависимости от атмосферного давления (Ра) и не складываются. Пневматический молот производит звук мощностью 140 дБ, крик младенца измеряется 110 дБ, шепот или тиканье часов – 30 дБ, голос во время беседы – от 40 до 60 дБ.

Частотой называется число колебаний в секунду, единицей ее измерения является герц (Гц). Например, 440 Гц, или 440 колебаний в секунду, соответствуют высоте музыкальной ступени звукоряда в третьей октаве клавиатуры пианино, ля 3. У человека частота голоса при беседе колеблется между 100 и 4000 Гц. Октава разделена на 12 полутонов. Диапазон частот в промежутке между 100 Гц и 200 Гц соответствует одной октаве, как и между 200 и 400 Гц, 400 и 800 Гц и т. д.