Буравчик на звуковых волнах. Что мы слышим, и как это звучит?

Издано при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям в рамках Федеральной целевой программы «Культура России (2012–2018 годы)»

© Насретдинов А.А., 2014

© Наумова М.И., иллюстрации, 2014

© ООО «Бослен», издание на русском языке, оформление, 2014

Обращение к читателям, или Когда автор был маленьким

Вы взяли в руки мою книжку «Буравчик на звуковых волнах».

Зачем я ее написал? Думаете, я знаю? Не знаю.

Когда я был маленьким, но уже немножко большим и учился в школе, у меня была куча вопросов. Да и сейчас куча не меньше. Но сейчас я хоть примерно представляю себе, как эту кучу разгребать. А тогда?..

С точки зрения взрослых, вопросы были глупые. Почему бывает радуга и зачем? Откуда взялся первый звук? Почему скрипка звучит «так», а орган «не так»? Почему музыка звучная? Как устроено ухо? Зачем нужны черные клавиши? И множество других вопросов.

Я учился в музыкальной и физико-математической школах, вокруг были умные взрослые, но ни родители, ни учителя то ли не хотели, то ли просто не умели отвечать на подобные вопросы.

Став взрослым и почти умным, я понял, что глупых вопросов не бывает, бывают только глупые ответы. И «детские» вопросы – одни из самых интересных для настоящих ученых.

Вот мы и попробовали собрать реальные «детские» вопросы детей 1–5-х классов. Вопросы получились бессистемными, что понятно, зато честными – взрослые за детей их не придумывали. И именно на них я постарался ответить в этой книжке.

Хотим поблагодарить за помощь в создании этой книги:

ГБОУ СОШ № 967, средняя общеобразовательная школа (Москва),

МБОУ Школа-интернат среднего (полного) общего образования (Чукотка, п. Провидения).

Так уж получилось, что тут собрались вопросы о музыке и физике. Ну и что? Это ведь очень интересно.

Читайте эту книжку вместе со взрослыми, если вы ребенок; или вместе с детьми, если вы уже стали взрослым; или читайте самостоятельно, если сами не знаете, кто вы. Я вот, например, не знаю.

Какая разница, большой вы или маленький? Главное, у вас есть вопросы, а у меня – ответы на них. И вместе нам очень интересно!

Очень важное знакомство. Писатель и звук

Почему собственный голос в записи – «противный»?

Буравчик и Босленка шли домой из школы. Уже хотелось кушать. Но до дома еще далеко, метров пятьсот, наверное.

По дороге они, как обычно, обсуждали прожитый, правда, еще не до конца, день.

– Почему нас рассадили, Босленка? Не правы они, – рассуждал Буравчик.

– Ты же болтаешь на уроках!

– Ничего я не болтаю, только ногами. Чего у них стулья такие высокие?

– Это не стулья высокие, а кто-то очень любопытный, не знаешь кто?

– Кто?

– Ты!

– Так учительница говорит все время – ей можно? Вот и я говорю. Я даже меньше говорю, чем она. Просто она громко говорит, и мне тоже приходится громче говорить.

– А я из-за этого ничего понять не могу – ни что учительница говорит, ни что ты говоришь.

Так они беседовали, приближаясь к дому.

Буравчик, мужчина младшего школьного возраста, действительно был очень любопытным и дотошным. Его интересовало все. Почему деревья растут? Почему они растут вверх, а не вниз, ведь все падает вниз, если отпустить? Почему дует ветер и куда он дует? Почему есть девочки и мальчики? И еще сотни самых разных вопросов.

Босленка, маленькая рассудительная соседка Буравчика по парте и по дому, дружила с ним, ужасным непоседой, потому что с ним было невероятно интересно. Босленка училась музыке, играла на скрипке. Она тоже была любопытной, но она была девочкой, а девочки часто бывают более воспитанными, и это вредит любопытству.

А еще у Буравчика был страшный секрет. Он переписывался с настоящим писателем, сам переписывался. Ни папа, ни мама Буравчика даже не были знакомы с писателем.

Однажды мама Буравчика взяла его в библиотеку. Маме нужно было найти там какие-то важные документы: она была бухгалтером и постоянно работала с документами. Как можно работать с документами, Буравчик не очень понимал, но мамину работу уважал. В библиотеке мама пошла в читальный зал, а Буравчика туда не взяла, ведь в читальном зале у всех сосредоточенные лица и там очень тихо. А Буравчик не умел делать сосредоточенное лицо, по крайней мере надолго, и тихим он быть просто не умел. Поэтому мама посадила его в соседнем зале. Там шла встреча творческой молодежи и творческих взрослых с настоящим взрослым писателем. Творческие личности задавали писателю очень умные и важные вопросы:

– Какие ваши творческие планы?

– Какова ваша целевая аудитория?

– Какие тиражи вы считаете приемлемыми с финансовой точки зрения?

Буравчик ничего не понимал в этих вопросах; наверное, они были очень интересными, но писатель все время пытался зевнуть. Не выспался, что ли?

– Вы что, не выспались? – неожиданно спросил Буравчик писателя.

В аудитории зашикали на мальчика, задавшего неумный вопрос. Но писатель вдруг улыбнулся и сказал:

– Не выспался. Пытался фотографировать Луну с балкона, но ничего не получилось, туман был.

– А почему бывает туман? – спросил Буравчик.

На Буравчика опять зашикали: «Спросишь у папы дома, не отвлекай писателя». Но писатель, наоборот, приободрился и обрадовался «неумному» вопросу.

– Я тебе расскажу, молодой человек, после встречи. Как тебя зовут? Буравчик? Какое замечательное имя! Не уходи, скоро мы закончим и поговорим.

Читательская аудитория еще немного попытала писателя вопросами, но надолго их не хватило. А Буравчик ёрзал на стуле и никак не мог дождаться окончания творческого вечера.

– Ну, молодой человек, откуда ты такой взялся-то? – спросил писатель Буравчика.

– Мама говорит, что они с папой меня задумали.

– Это, конечно, правда, а где твои родители?

– Мама в читалке, а папа лимонад делает.

– Как это?

– Ну, это сложный процесс, я сам еще до конца не понимаю. Что-то там он подыскивает, кажется, ингредиенты. А вы хорошо в школе учились?

– Нормально, – улыбнулся писатель. – А ты компьютером пользоваться умеешь?

– Конечно! У меня есть планшетник! Мне его дядя подарил на день рождения!

– Отлично! Ты мне очень понравился, мне кажется, мы могли бы быть полезными друг другу.

– А какая от меня польза?

– Ну, ты очень любопытный, а мне нужен свежий взгляд на вещи, про которые я пишу, и нет ничего лучше детских вопросов. А ты можешь мне в любое время задавать вопросы, самые разные, самые глупые. Конечно, ты понимаешь, глупых вопросов не бывает, бывают только глупые ответы.

– Ух ты! Правда, можно вам писать?

– Правда, правда. Вот мои контакты в Интернете, пиши, Буравчик. Ну, пока.

Буравчик спрятал визитную карточку писателя в портфель и пошел искать маму. Мама уже поработала с документами и шла навстречу Буравчику.

– Мама, а я с писателем познакомился! – сказал Буравчик.

– Фантазер ты мой, пойдем домой быстренько, ужинать пора.

И они пошли домой. А Буравчик все думал, какой же вопрос задать писателю? Какой-нибудь умный, вроде: «Какие у вас творческие планы?»

Вечером Буравчик лежал в кровати и все думал. Он часто так делал, почти всегда. Думал он, например, о том, почему только учительнице на уроках можно говорить? И почему Босленка не поняла, о чем говорила учительница, а главное – о чем болтал Буравчик, ведь он-то старался говорить громче? И вообще, что такое «говорить»? Это вот мы с помощью рта всякие звуки издаем, разные. А зачем мы их издаем? И чем? И что такое звук?

Вопросы мучили Буравчика, он не утерпел, тихонечко достал планшетник из портфеля и написал свой первый вопрос писателю:

Ответ писателя пришел быстро, Буравчик даже заснуть не успел.

Привет, Буравчик! Молодец, что написал! Что такое звук? Точного ответа не существует. Физики говорят одно, музыканты – другое, поэты – третье, а тибетские монахи… Хорошо бы привести мнения всех людей о том, что такое звук, но ограничимся взглядом физиков. Ведь из всех перечисленных подходов только физика является наукой.

Звук – это то, что мы слышим. Физики говорят, что звук образуется тогда, когда что-то колеблется, какое-нибудь тело. Когда что-то меняет свою форму. Так как мы, люди, живем в воздушной среде, самые привычные звуки для нас те, что распространяются в воздухе.

Звук – это волна. Ты видел волны в реке или на море? Такие же волны распространяются и в воздухе.

Частички воздуха, рождая звук, колеблются. Но воздух прозрачен, и мы не видим его колебаний.

Зато наше ухо может воспринимать колебания плотности и изменение давления воздуха.

К изменению плотности воздуха, то есть к возникновению звука, приводит любое движение твердого тела. Это могут быть колебания голосовых связок – и тогда мы слышим речь человека, или колебания натянутой струны – и тогда мы слышим звучание музыкального инструмента.

Однако не все волны одинаковы. Важно, с какой частотой[1] колеблется струна, сколько колебаний в секунду она совершает. Если с высокой частотой – мы слышим высокий звук, а с низкой – низкий звук, конечно, до определенного предела, но мы с тобой еще об этом поговорим. Звук может быть громче или тише. Если амплитуда колебаний больше – звук громче, если меньше – звук тише.

В природе, в мире постоянно что-то происходит. Светят звезды, кусаются комары, пищат летучие мыши, мама шуршит документами, вулкан извергается. Все эти явления что-то да производят: свет, звук, тепло, запах. И все эти вещи объективно существуют в природе. Но мы, люди, не можем воспринимать все явления в природе, мы можем чувствовать только часть из них. Для этого-то у нас и есть зрение, слух, обоняние и другие. Например, мы не слышим писк летучих мышей, они пищат очень тонко, издавая ультразвуки. Мы не видим рентгеновские лучи, которыми пользуются медики. Нюх у нас гораздо хуже, чем у собак.

Что я хочу сказать, Буравчик? То, что у нас, у людей, есть несколько датчиков, несколько органов чувств. И слух – функция одного из них. И чувствуем мы не все, многое, что есть в мире, совсем не замечаем.

Итак, про звук и слух. Как звук попадает в ухо? Как мы слышим? Звук в воздушной среде достигает барабанной перепонки уха, заставляя ее колебаться чисто механически, как маленький барабан. Далее звук проходит через цепь приспособлений внутри уха (молоточек, наковаленка, стремечко, улитка, нервные клетки) и воспринимается человеком как образ. Но звук поступает в слуховой аппарат человека не только через барабанную перепонку. Через колебания костей черепа он попадает непосредственно в среднее ухо и в искаженном виде добавляется к звуку, проходящему через барабанную перепонку. Когда мы сами говорим, это особенно заметно. Вот почему восприятие собственного голоса «напрямую» в голове сильно отличается от восприятия голоса, записанного через внешний микрофон. Более того, свой голос в записи воспринимается человеком как «противный».

Также не всегда человек воспринимает звук только через воздушную среду. Якуты, бушмены прикладываются ухом к земле, чтобы заранее услышать приближающиеся стада оленей и бизонов. Некоторые особо любопытные рыбаки берут в зубы конец толстого деревянного шершавого весла, опущенного в воду, чтобы слышать звуки подводного мира.

Известно, что скрипачи и настройщики, у которых с возрастом снижается слух, дотрагиваются зубами до вибрирующего смычка или другого твердого предмета, прислоненного к резонатору инструмента, для того чтобы лучше слышать музыкальный звук.

Итак, звук – это колебание воздуха, которое создается колебанием твердого или жидкого тела. Понял, Буравчик?

Возьми струнный музыкальный инструмент: гитару, домбру, скрипку. Дерни за струну. Ты услышишь звук. Струна будет колебаться и создавать колебания воздуха, вот ты их и услышишь, это и будет – звук. Причем музыкальный звук. В нем есть одна основная частота звука. Такой звук можно напеть.

Подойди к крану с водой. Открой его. Ты услышишь шум. Это вода бьется о поверхность раковины, создавая колебания самой разной частоты. Поэтому ты услышишь не музыкальный звук, а шум. Но шум – это тоже звук, хотя его напеть уже не получится. Увидеть звуковые колебания в воздухе непросто, ведь воздух прозрачный.

Подойди к большому дому, но не очень близко. Желательно, чтобы было тихо. И похлопай в ладоши или покричи. Ты услышишь, что звук, отраженный от здания, запаздывает. Это происходит потому, что скорость звука не такая уж и большая – 340 метров в секунду. Если расстояние до дома 500 метров, то ты услышишь возвращенный к тебе звук где-то через 2–3 секунды, это заметно.

Хорошо, скажем, издалека наблюдать за игрой в большой теннис. Удар ракеткой по мячу ты видишь, а звук приходит позже. Та же история и с молнией. Ты видишь вспышку молнии, а гром, звук от нее, может прийти только через несколько секунд. Теперь ты понимаешь, что скорость звука в воздухе хоть и больше скорости автомобиля, но гораздо меньше скорости света.

Голос Буравчика, Босленки и других

Буравчик возвращался домой из школы. Он думал: «Почему я должен ходить в школу? Мама и папа же не ходят в школу? И почему в школе учатся одиннадцать лет, а не семь или не тринадцать? Кто так придумал?» Потом возникли еще и другие вопросы: «Почему в школе мы все сидим за партами, ведь в детском саду и дома, когда мама меня учила читать, мы не сидели за партами? Или парта помогает учиться?» Потом пришло еще несколько мыслей: «Почему учительница говорит на уроке? И вообще, что такое “говорить”? Почему одни люди говорят так, а другие не так?»

У подъезда Буравчик встретил соседскую девочку Босленку. Она училась с Буравчиком в одном классе, но сегодня в школу не ходила. У нее был концерт. В музыкальную школу, где Босленка училась играть на небольшой скрипке, приезжал большой музыкант Юрий Башмет. Он играл для детей и преподавателей, а потом рассказывал, как это у него получилось стать великим музыкантом. Играл он на альте. Альт похож на скрипку, только немного больше по размеру, и звук у него не такой писклявый. Юрий Башмет возился с маленькими скрипачами и альтистами, учил их правильно держать инструмент и смычок и рассказывал, рассказывал, рассказывал. В общем, Босленка была под впечатлением.

– Он такой классный, Буравчик, – щебетала Босленка. – Он и играет здорово, и рассказывает так интересно. А еще голос у него такой! Я прямо заслушивалась, не понимала, что он говорит, просто слушала, как он говорит. Такой музыкальный голос!

– А что он рассказывал-то? – спросил Буравчик.

– Да не помню я, не важно. Он такой, такой!..

«Девчонка», – подумал Буравчик.

Но Босленка нравилась Буравчику. Нравился ему и внешний вид Босленки, и внутренний ее мир. Внешний вид состоял из пары коротких косичек, курносого носа и больших зеленых глаз. Внутренний мир был гораздо более воспитанным, чем у Буравчика. Буравчик постоянно что-то забывал, его интересовали тысячи самых разных вопросов и дел, и ему трудно было сосредоточиться на чем-то одном. А Босленка все делала аккуратно и последовательно. Очень трудно учиться музыке маленькому человеку. Нужно играть дома каждый день часа по два на скрипке. Еще нужно ходить в музыкальную школу, там петь в хоре, заниматься сольфеджио и еще чем-то. Буравчик думал, что у него не получилось бы учиться музыке. А у Босленки получалось. За это он ее сильно уважал, и даже немного любил.

А Босленка все тараторила и тараторила своим тоненьким девчачьим голосом. У Буравчика уже начала болеть голова.

Что-то подсказывало ему, что задавать эти вопросы маме, когда она готовит еду для него, не имеет смысла. И он задал их писателю:

Задал до обеда. И написал, что ждет его ответов после обеда. И вообще – приятного аппетита.

Ответ писателя:

Буравчик… ты задаешь такие простые вопросы! «Что такое голос?» Очень простой вопрос. И очень непросто на него ответить. Давай попробуем разобраться с тем, как это все работает… Если что-то тебе будет непонятно, спроси папу или учительницу в школе. Они умные.

Помнишь, я рассказывал тебе, что звук – это куча волн, которые распространяются в воздухе. И у этих волн есть какая-то частота (высота звука) и громкость. Одновременно мы слышим десятки, сотни различных звуков, и нашему уху и голове, где эти все звуки анализируются, непросто.

Звуки, как ты понимаешь, могут издавать совсем разные предметы: скрипка Босленки, трактор, папин принтер, мамина сковородка на плите, душ. Но кроме маминой сковородки звуки может издавать и сама мама, с помощью рта. И эти звуки, которые издает мама, что-то да означают: «Иди домой!», «Кушай пельмени!», «Ложись спать!» Эти звуки, мамина речь, хорошо понятны тебе. Даже если не всегда хочется делать то, что говорит мама.

Ты сам легко можешь произнести много разных звуков, из которых состоит наша речь: звуки «а», «о», «м» и другие. Все звуки разные. Но чем же они отличаются? Давай вначале посмотрим, как устроено то, с помощью чего мы можем говорить, а петух, например, кукарекать.

Посмотри в зеркало на свою голову. Можешь даже пощупать ее. На голове ты найдешь лицо. На нем ты обнаружишь рот и нос. Если откроешь рот, то там видны язык и зубы. Вот, пожалуй, и все, что ты можешь увидеть, не разрушая свою голову и шею. Не надо их разрушать, пригодятся еще.

Язык у нас, у людей, располагается в большой полости, во рту. Эту полость видно, когда открываешь рот. Выше этой полости есть нёбо и носовая полость, их не видно, но они тоже важны для нашей речи. За языком расположена глотка. Глотка связана гортанью с легкими, которыми мы дышим. Ну и еще с разными штуками. Вот в гортани-то и расположены самые важные для произнесения звуков приспособления, которыми нас снабдила природа, – голосовые связки, или, как более правильно их называть, голосовые складки.

Голосовые связки – это самый настоящий музыкальный инструмент. Очень хороший. К тому же он у нас всегда под рукой. Когда мы выдыхаем воздух из легких и произносим звуки типа «а», «о» и подобные им, наши голосовые связки колеблются. Примерно так, как колеблется струна у гитары, когда мы ее тронем. Мы можем издавать звуки выше или ниже, мы особыми мышцами меняем натяжение голосовых связок. Но звуки речи при этом не меняются! Папа твой говорит низким басом, и ты его слова понимаешь. Босленка говорит высоким голоском, но ты ее речь тоже распознаешь. Значит, звуки речи не зависят от того, высоким голосом ты их произносишь или низким. Чем-то они другим отличаются, не высотой звука. Чем же? Тембром.

Понять, что такое тембр, не очень просто. Звуки делятся на две большие группы: музыкальные и немузыкальные. И те и другие состоят из множества простых звуков с разной высотой и громкостью. Если бы у нас не было такой сложной головы, с носом, ртом и гортанью, то мы слышали бы звуки от голосовых связок напрямую. Но вот говорить, произносить разные звуки речи у нас бы не получилось – тембр был бы примерно одним и тем же. Как у гитары: мы можем брать звуки разной высоты, играть мелодию, но тембр звука будет примерно одинаковым. Разговаривать с помощью гитары не получится.

Как же мы отличаем речь одного человека от речи другого? Посмотри на рисунок. От голосовых связок идет простой музыкальный звук. Но этот звук проходит еще долгий путь, гортань, глотку, ротовую полость, пока не выйдет из нашего рта и не станет звуком речи. Размеры гортани и ротовой полости у людей примерно одинаковые… и все же немного разные, поэтому и голоса у людей разные.

В гортани и ротовой полости часть дополнительных звуков, простых звуков теряет свою громкость, затихает, а часть – не теряет. Это связано с тем, что гортань, ротовая полость и носовая полость работают как резонаторы. Мы еще поговорим про резонаторы. А сейчас просто вспомни: у гитары одна форма, у рояля другая – и звук у гитары и рояля совсем разный, разный тембр, так как форма инструментов и резонаторов у них разная. Форму гитары или рояля мы не можем менять в процессе игры, мы можем менять только высоту звука. А человек с помощью мышц шеи, лица и языка может менять форму резонаторов. И тембр у звуков речи получается совсем разный.

Каждый раз, произнося разные звуки речи, мы меняем форму языка, губ, ротовой полости и других полостей в голове и горле. Когда мы меняем их форму, мы меняем форму внутренних резонаторов звука, мы как бы создаем новый музыкальный инструмент со своим уникальным тембром – свой голос. Какие-то дополнительные звуки мы усиливаем, какие-то – ослабляем. Вот соотношение громкостей этих дополнительных звуков – обертонов – и определяет тембр звука нашего голоса. Снова взгляни на рисунок (стр. 25) – и ты заметишь, как по тембру отличаются звуки «и», «а», «у». Ты можешь увидеть пики громкости при звуках определенной высоты. Такие пики называются «форманты». Вот по формантам-то наши уши и наш мозг и отличают звуки друг от друга. А уж какой смысл будет в этих звуках – какова будет наша речь, – совсем отдельный вопрос.

Просто выдохни воздух, не напрягаясь.

Ты или ничего не услышишь, или услышишь слабый шум.

Теперь скажи звук «а» и потяни его: «аааа».

Что ты слышишь? Примерно то же, что слышал, когда тронул струну гитары. Музыкальный звук. Голосовые связки у нас в горле примерно так же колеблются, как и струна гитары. Поэтому мы и получаем музыкальный звук. С помощью звуков «а», «о» и подобных им можно напеть мелодию.

Теперь скажи звук «ш». Это шумовой звук. Он слегка похож на шум воды, падающей в раковину. С помощью шумовых звуков «ш», «х», «ф» и других ты не сможешь напеть мелодию, так как это не музыкальные, не звонкие, а шумовые, шипящие звуки.

Буравчик и два его уха

Почему в самолете

«закладывает» уши?

Вчера Буравчик прочитал ответ писателя на вопросы «Что такое голос? Что такое речь?». Ответ оказался неожиданно сложным. Что-то смог объяснить папа, что-то мама. Нужно еще поспрашивать учительницу. Но Буравчик понял, кажется, зачем дети так долго учатся в школе. За один раз, за один вечер не получится понять, как все устроено. Буравчика порадовало, что и папа всего не знает. Это было здорово. Значит, Буравчик сможет узнать что-то такое, чего папа пока еще не знает, и потом рассказать ему.

Теперь Буравчику стало понятно, как он произносит разные звуки. И он очень гордился, что у него есть гортань и ротовая полость. Рот перед зеркалом изучать было очень интересно, видны были зубы, язык, а чуть глубже – гланды. Нос тоже виден хорошо. А вот, то, чем мы слышим звуки, – уши – было тяжело рассмотреть. Если мы уж о чем-то говорим, то ведь не просто же так? Затем, чтобы кто-то смог это услышать.

Но тут у Буравчика возникли сомнения. Казалось бы, понятно, как мы говорим, – с помощью языка. Но писатель рассказал, что это не совсем так. Конечно, язык нужен, но не меньше важны голосовые связки, всякие полости в голове, нёбо… Может быть, и с ушами не все так просто?

Сидя на стульчике, который стоит на балконе, Буравчик написал свой вопрос писателю:

Ответ пришел почти сразу.

«Привет, Буравчик, я сейчас немного занят, беги в школу, вечером прочитаешь мой ответ».