Звук и слух

Многие из вас, вероятно, наблюдали также, как беспрерывно качаются при быстром течении воткнутые в дно реки тонкие колышки или вехи. Так же при ветре дрожат сучья обнажённого леса. Дрожания эти могут происходить с такой частотой, что возникает слышимый звук.

Часто говорят: «чайник уже шумит, скоро закипит». Каждый знает, что прежде чем закипеть, чайник должен шуметь. Как объяснить это явление? А вот как. Самое горячее место у чайника — его дно, и в первую очередь нагреваются нижние слои воды. В нагретой воде образуются пузырьки пара, которые благодаря своей высокой температуре выдерживают давление воды. Но нагретая вода легче холодной. Она, а вместе с ней и пузырьки поднимаются вверх и, смешиваясь с холодными слоями воды, отдают часть своего тепла. Температура пара в пузырьках падает, а значит, падает и давление внутри их. Теперь они уже не могут противостоять давлению воды и как бы раздавливаются ею. Частички воды со всех сторон устремляются внутрь пузырьков и, сталкиваясь, производят звук удара. Огромное количество таких ударов и создаёт «пение» чайника.

Подобное же явление наблюдается при работе винта парохода или моторной лодки, хотя они издают иной звук. От быстрого вращения лопастей в воде образуются пустоты, в которые со всех сторон летят частицы окружающей воды. Следующие друг за другом удары сливаются в сплошной гул. Кстати сказать, такие удары воды бывают настолько сильны, что иногда приводят к разрушению самого винта.

Рассмотрим ещё один пример — шипение воды, попавшей на раскалённую поверхность, например на горячую плиту. В этом случае нижний слой воды моментально вскипает, превращаясь в пар. Каждая капля воды, переходя в пар, увеличивается в объёме приблизительно в полторы тысячи раз. Этот пар разбрызгивает остальную воду, и мелкие капли её, падая на горячую плиту, вскипают с тем же увеличением своего объёма. Быстрое превращение капель воды в пар вызывает толчки в окружающем воздухе, что и порождает характерный звук шипения.

III. Как слышит ухо

1. Устройство уха

Познакомившись с физической природой звука, посмотрим теперь, каким путём он воспринимается.

Для улавливания звука у человека и животных есть специальный орган — ухо. Это — необычайно тонкий аппарат. Мы не знаем другого такого механизма, который отзывался бы с такой поразительной точностью на ничтожно малые изменения давления в воздухе. Ухо преобразует колебательное движение звуковой волны в определённое ощущение, которое и воспринимается нашим сознанием как звук.

С давних пор человека интересует устройство и работа этого удивительного органа. Однако и по настоящее время далеко ещё не всё в этой области выяснено. Строение человеческого уха показано на рисунке 9. Орган слуха делится на три части: наружное, среднее и внутреннее ухо (см. рис. 9).

Рис. 9. Схема устройства человеческого уха

Наружное ухо, или ушная раковина, у разных животных бывает самой различной формы и величины. У большинства из них ушная раковина подвижна. У человека это свойство почти полностью потеряно. Встречаются, правда, люди, способные двигать ушами, но это — редкое исключение, напоминающее об общности всего живого на земле.

От ушной раковины идёт слуховой проход, заканчивающийся барабанной перепонкой. Она служит границей между наружным и средним ухом. Перепонка имеет овальную форму и немного вытянута внутрь. Площадь её — около 0,65 квадратного сантиметра.

Для свободного колебания барабанной перепонки необходимо, чтобы давление воздуха с обеих сторон её было одинаковым. Тогда при малейших изменениях давления наружного воздуха перепонка, не встречая противодействия с другой стороны, легко приходит в колебательное движение.

Вероятно, каждый замечал, что после сильного сморкания мы некоторое время перестаём слышать слабые звуки. Это происходит потому, что в среднее ухо через так называемую евстахиеву трубу попадает из носоглотки воздух (Бартоломео Евстахий — итальянский врач, живший в XIV веке — первый дал описание этой трубы). Конец трубы при этом часто закупоривается слизью, и тогда воздух изнутри давит на барабанную перепонку, и она теряет прежнюю свободу колебаний. Но достаточно, однако, проглотить слюну, чтобы евстахиева труба открылась, излишек воздуха вышел (в ухе при этом ощущается лёгкий треск) и давление с обеих сторон перепонки выравнялось. Нормальный слух вновь восстанавливается. Если почему-либо внезапно изменяется давление окружающего воздуха, то мы слышим в ушах шум, который прекращается опять-таки при глотании слюны.

В среднем ухе находится ряд особых косточек: молоточек, наковальня и стремя. Свои названия эти косточки получили благодаря внешнему сходству с соответствующими предметами. Они очень малы по размерам и все вместе весят около 0,05 грамма. Расположены эти косточки так, что образуют рычаг, который одновременно передаёт колебания барабанной перепонки во внутреннее ухо и преобразует эти колебания в колебания с меньшим размахом, но большим давлением. Молоточек, наковальня и стремя передают всю энергию колебания барабанной перепонки на очень маленькое овальное окно внутреннего уха; таким образом внутреннее ухо получает давление раз в 50–60 больше того, которое испытывает барабанная перепонка.

Устройство внутреннего уха весьма сложно. Основное назначение этого уха — воспринимать только те колебания, которые посылает барабанная перепонка. Никакие другие сотрясения на него не должны действовать. Поэтому оно окружено очень крепкими костями. Во внутреннем ухе есть три полукружных канала (см. рис. 9), не имеющих никакого отношения к слуху. Это — органы равновесия. Головокружение, которое мы испытываем, если станем быстро вертеться, происходит из-за движения жидкости, наполняющей эти каналы. Орган же слухового восприятия заключён в особую оболочку. Взгляните на правую часть рисунка. Что она вам напоминает? Каждый тотчас же ответит, что она похожа на улитку. Улиткой она и называется. Улитка имеет приблизительно 2 3/4 оборота. Вдоль всей длины она разделена перегородкой и наполнена особой студенистой жидкостью. Внутри улитки находится перепонка — основная мембрана. На ней расположены разветвления слухового нерва — 23,5 тысячи мельчайших проводников слухового раздражения, идущих затем по нервному стволу к коре головного мозга.

Процессы, происходящие во внутреннем ухе, очень сложны, и некоторые из них до сих пор точно не изучены.

2. Арифметика звуков

Звуковые волны, проникая в слуховой канал, приводят в колебание барабанную перепонку. Через цепь косточек среднего уха колебательное движение перепонки передаётся жидкости улитки. Волнообразное движение этой жидкости, в свою очередь, передаётся основной мембране. Движение последней влечёт за собой раздражение окончаний слухового нерва. Таков главный путь звука от его источника до нашего сознания.

Однако этот путь не единственный. Звуковые колебания могут передаваться и прямо во внутреннее ухо, минуя наружное и среднее. Каким же путём? Костями самого черепа! Они являются хорошими проводниками звука. Если камертон поднести к темени или к лежащему сзади уха сосцевидному отростку, или к зубам, то можно отчётливо слышать звук, хотя по воздуху слышимых колебаний не доносится. Это происходит потому, что кости черепа, получив колебания от камертона, передают их прямо внутреннему уху, в котором возникают те же самые процессы раздражения слуховых нервов, как и от колебаний, переданных барабанной перепонкой. Вот почему иногда «слушают» работу отдельных частей машины, взяв один конец палки в зубы (см. страницу 14).

Любопытно заметить также, что иногда люди, у которых оперативно удалены барабанная перепонка и косточки среднего уха, способны слышать — хотя и со значительным ослаблением. И в этом случае, по-видимому, колебания звуковой волны передаются непосредственно внутреннему уху.