При по­мо­щи на­бо­ров аку­сти­че­ских ре­зо­на­то­ров можно уста­но­вить, какие тоны вхо­дят в со­став дан­но­го звука и ка­ко­вы их ам­пли­ту­ды. Такое уста­нов­ле­ние спек­тра слож­но­го звука на­зы­ва­ет­ся его гар­мо­ни­че­ским ана­ли­зом.

Рань­ше ана­лиз звука вы­пол­нял­ся с по­мо­щью ре­зо­на­то­ров, пред­став­ля­ю­щих собой полые шары раз­но­го раз­ме­ра, име­ю­щих от­кры­тый от­ро­сток, встав­ля­е­мый в ухо, и от­вер­стие с про­ти­во­по­лож­ной сто­ро­ны. Для ана­ли­за звука су­ще­ствен­но, что вся­кий раз, когда в ана­ли­зи­ру­е­мом звуке со­дер­жит­ся тон, ча­сто­та ко­то­ро­го равна ча­сто­те ре­зо­на­то­ра, по­след­ний на­чи­на­ет гром­ко зву­чать в этом тоне.

Такие спо­со­бы ана­ли­за, од­на­ко, очень не­точ­ны и кро­пот­ли­вы. В на­сто­я­щее время они вы­тес­не­ны зна­чи­тель­но более со­вер­шен­ны­ми, точ­ны­ми и быст­ры­ми элек­тро­аку­сти­че­ски­ми ме­то­да­ми. Суть их сво­дит­ся к тому, что аку­сти­че­ское ко­ле­ба­ние сна­ча­ла пре­об­ра­зу­ет­ся в элек­три­че­ское ко­ле­ба­ние с со­хра­не­ни­ем той же формы, а сле­до­ва­тель­но, име­ю­щее тот же спектр, а затем это ко­ле­ба­ние ана­ли­зи­ру­ет­ся элек­три­че­ски­ми ме­то­да­ми.

Один из су­ще­ствен­ных ре­зуль­та­тов гар­мо­ни­че­ско­го ана­ли­за ка­са­ет­ся зву­ков нашей речи. По темб­ру мы можем узнать голос че­ло­ве­ка. Но чем раз­ли­ча­ют­ся зву­ко­вые ко­ле­ба­ния, когда один и тот же че­ло­век поет на одной и той же ноте раз­лич­ные глас­ные? Дру­ги­ми сло­ва­ми, чем раз­ли­ча­ют­ся в этих слу­ча­ях пе­ри­о­ди­че­ские ко­ле­ба­ния воз­ду­ха, вы­зы­ва­е­мые го­ло­со­вым ап­па­ра­том при раз­ных по­ло­же­ни­ях губ и языка и из­ме­не­ни­ях формы по­ло­сти рта и глот­ки? Оче­вид­но, в спек­трах глас­ных долж­ны быть какие-то осо­бен­но­сти, ха­рак­тер­ные для каж­до­го глас­но­го звука, сверх тех осо­бен­но­стей, ко­то­рые со­зда­ют тембр го­ло­са дан­но­го че­ло­ве­ка. Гар­мо­ни­че­ский ана­лиз глас­ных под­твер­жда­ет это пред­по­ло­же­ние, а имен­но: глас­ные звуки ха­рак­те­ри­зу­ют­ся на­ли­чи­ем в их спек­трах об­ла­стей обер­то­нов с боль­шой ам­пли­ту­дой, при­чем эти об­ла­сти лежат для каж­дой глас­ной все­гда на одних и тех же ча­сто­тах не­за­ви­си­мо от вы­со­ты про­пе­то­го глас­но­го звука.

Ме­ха­ни­че­ские ко­ле­ба­ния, рас­про­стра­ня­ю­щи­е­ся в упру­гой среде,  — газе, жид­ко­сти или твер­дом теле  — на­зы­ва­ют­ся вол­на­ми или ме­ха­ни­че­ски­ми вол­на­ми. Эти волны могут быть по­пе­реч­ны­ми либо про­доль­ны­ми.

Для того, чтобы в среде могла су­ще­ство­вать по­пе­реч­ная волна, эта среда долж­на про­яв­лять упру­гие свой­ства при де­фор­ма­ци­ях сдви­га. При­ме­ром такой среды яв­ля­ют­ся твер­дые тела. На­при­мер, по­пе­реч­ные волны могут рас­про­стра­нять­ся в гор­ных по­ро­дах при зем­ле­тря­се­нии или в на­тя­ну­той сталь­ной стру­не. Про­доль­ные волны могут рас­про­стра­нять­ся в любых упру­гих сре­дах, так как для их рас­про­стра­не­ния в среде долж­ны воз­ни­кать толь­ко де­фор­ма­ции рас­тя­же­ния и сжа­тия, ко­то­рые при­су­щи всем упру­гим сре­дам. В газах и жид­ко­стях могут рас­про­стра­нять­ся толь­ко про­доль­ные волны, так как в этих сре­дах от­сут­ству­ют жест­кие связи между ча­сти­ца­ми среды, и по этой при­чи­не при де­фор­ма­ци­ях сдви­га ни­ка­кие упру­гие силы не воз­ни­ка­ют.

Че­ло­ве­че­ское ухо вос­при­ни­ма­ет как звук ме­ха­ни­че­ские волны, име­ю­щие ча­сто­ты в пре­де­лах при­бли­зи­тель­но от 20 Гц до 20 кГц (для каж­до­го че­ло­ве­ка ин­ди­ви­ду­аль­но). Звук имеет не­сколь­ко ос­нов­ных ха­рак­те­ри­стик. Ам­пли­ту­да зву­ко­вой волны од­но­знач­но свя­за­на с ин­тен­сив­но­стью звука. Ча­сто­та же зву­ко­вой волны опре­де­ля­ет вы­со­ту его тона. По­это­му звуки, име­ю­щие одну, впол­не опре­де­лен­ную, ча­сто­ту, на­зы­ва­ют­ся то­наль­ны­ми.

Если звук пред­став­ля­ет собой сумму не­сколь­ких волн с раз­ны­ми ча­сто­та­ми, то ухо может вос­при­ни­мать такой звук как то­наль­ный, но при этом он будет об­ла­дать свое­об­раз­ным «окра­сом», ко­то­рый при­ня­то на­зы­вать темб­ром. Тембр за­ви­сит от на­бо­ра ча­стот тех волн, ко­то­рые при­сут­ству­ют в звуке, а также от со­от­но­ше­ния ин­тен­сив­но­стей этих волн. Обыч­но ухо вос­при­ни­ма­ет в ка­че­стве ос­нов­но­го тона зву­ко­вую волну, име­ю­щую наи­боль­шую ин­тен­сив­ность. На­при­мер, одна и та же нота, вос­про­из­ве­ден­ная при по­мо­щи раз­ных му­зы­каль­ных ин­стру­мен­тов (на­при­мер, рояля, тром­бо­на и ор­га­на), будет вос­при­ни­мать­ся ухом как звуки од­но­го и того же тона, но с раз­ным темб­ром, что и поз­во­ля­ет от­ли­чать «на слух» один му­зы­каль­ный ин­стру­мент от дру­го­го.

Еще одна важ­ная ха­рак­те­ри­сти­ка звука  — гром­кость. Эта ха­рак­те­ри­сти­ка яв­ля­ет­ся субъ­ек­тив­ной, то есть опре­де­ля­ет­ся на ос­но­ве слу­хо­во­го ощу­ще­ния. Опыт по­ка­зы­ва­ет, что гром­кость за­ви­сит как от ин­тен­сив­но­сти звука, так и от его ча­сто­ты, то есть при раз­ных ча­сто­тах звуки оди­на­ко­вой ин­тен­сив­но­сти могут вос­при­ни­мать­ся ухом как звуки раз­ной гром­ко­сти (а могут и как звуки оди­на­ко­вой гром­ко­сти!). Уста­нов­ле­но, что че­ло­ве­че­ское ухо при вос­при­я­тии звука ведет себя как не­ли­ней­ный при­бор  — при уве­ли­че­нии ин­тен­сив­но­сти звука в 10 раз гром­кость воз­рас­та­ет всего в 2 раза. По­это­му ухо может вос­при­ни­мать звуки, от­ли­ча­ю­щи­е­ся друг от друга по ин­тен­сив­но­сти более чем в 100 тысяч раз!

Рис. 1

В 1946 году со­вет­ские уче­ные при про­ве­де­нии ис­сле­до­ва­ний в Япон­ском море об­на­ру­жи­ли очень ин­те­рес­ное яв­ле­ние. Зву­ко­вые волны от взры­вов (под­ры­ва­лись про­ти­во­ло­доч­ные мины на глу­би­не 100 мет­ров) рас­про­стра­ня­лись без за­мет­но­го ослаб­ле­ния на очень боль­шие рас­сто­я­ния  — на мно­гие сотни ки­ло­мет­ров. Было вы­яс­не­но, что это про­ис­хо­дит из-за свое­об­раз­ной за­ви­си­мо­сти ско­ро­сти звука в оке­а­не от его глу­би­ны.

Ско­рость звука в мор­ской воде, во­об­ще го­во­ря, ме­ня­ет­ся с из­ме­не­ни­ем тем­пе­ра­ту­ры, со­ле­но­сти и гид­ро­ста­ти­че­ско­го дав­ле­ния. Во время работ в Япон­ском море со­ле­ность из­ме­ня­лась с глу­би­ной не­зна­чи­тель­но, и ее вли­я­ние не ска­зы­ва­лось. При по­гру­же­нии с по­верх­но­сти до глу­би­ны при­мер­но 300 мет­ров ско­рость звука умень­ша­лась из-за па­де­ния тем­пе­ра­ту­ры. При даль­ней­шем по­гру­же­нии тем­пе­ра­ту­ра из­ме­ня­лась мало (всего лишь на 0,3-0,5 °C). Од­на­ко по мере уве­ли­че­ния глу­би­ны (мак­си­маль­ная глу­би­на в Япон­ском море около 3700 м) су­ще­ствен­но росло гид­ро­ста­ти­че­ское дав­ле­ние. Это при­во­ди­ло к воз­рас­та­нию ско­ро­сти звука. В ре­зуль­та­те фор­ми­ро­ва­лась слож­ная за­ви­си­мость ско­ро­сти звука от глу­би­ны (см. рис. 1). Как видно из гра­фи­ка, ми­ни­мум ско­ро­сти звука со­от­вет­ству­ет глу­би­не 300 м. Выше и ниже этого уров­ня ско­рость звука боль­ше. К чему при­во­дит такой про­филь ско­ро­сти звука?

Ответ на дан­ный во­прос можно найти с по­мо­щью оп­ти­че­ской ана­ло­гии. Из за­ко­на пре­лом­ле­ния света сле­ду­ет, что в среде с из­ме­ня­ю­щим­ся по­ка­за­те­лем пре­лом­ле­ния (т. е. при из­ме­не­нии ско­ро­сти света в среде) све­то­вой луч ис­крив­ля­ет­ся. Точно по та­ко­му же за­ко­ну про­ис­хо­дит ис­крив­ле­ние «зву­ко­вых лучей» при рас­про­стра­не­нии звука в не­од­но­род­ной среде, в ко­то­рой ско­рость звука ме­ня­ет­ся. Част­ный слу­чай такой среды и пред­став­ля­ет собой вода в море.

На рис. 2 изоб­ра­жен ход не­сколь­ких «зву­ко­вых лучей», вы­хо­дя­щих в на­прав­ле­нии мор­ско­го дна из из­лу­ча­те­ля (И), по­ме­щен­но­го на глу­би­не 100 м. Лучи по­па­да­ют в при­ем­ник (П), ко­то­рый на­хо­дит­ся на глу­би­не 300 м на рас­сто­я­нии 184 км от из­лу­ча­те­ля. Вслед­ствие не­пре­рыв­но­го «пре­лом­ле­ния» в воде зву­ко­вые лучи ис­крив­ля­ют­ся  — они снова и снова воз­вра­ща­ют­ся к го­ри­зон­таль­но­му уров­ню, ко­то­рый со­от­вет­ству­ет ми­ни­му­му ско­ро­сти звука. При этом целое се­мей­ство зву­ко­вых лучей (как по­ка­за­но на рис. 2) не до­сти­га­ет дна, где зву­ко­вые сиг­на­лы могли бы по­гло­тить­ся, и не вы­хо­дит на вол­ну­ю­щу­ю­ся по­верх­ность воды, на ко­то­рой они могли бы рас­се­ять­ся. В ре­зуль­та­те звук при­хо­дит в при­ем­ник, все время рас­про­стра­ня­ясь в толще воды, или, как го­во­рят, по «под­вод­но­му зву­ко­во­му ка­на­лу» (со­кра­щен­но  — ПЗК) почти без за­ту­ха­ния. Это поз­во­ля­ет ре­ги­стри­ро­вать зву­ко­вые сиг­на­лы за мно­гие ты­ся­чи ки­ло­мет­ров от ис­точ­ни­ка звука.

Рис. 2

На­ли­чи­ем ПЗК и объ­яс­ня­ет­ся яв­ле­ние «сверх­даль­не­го» рас­про­стра­не­ния звука, на­блю­дав­ше­е­ся в 1946 году в Япон­ском море. Ока­зы­ва­ет­ся, ПЗК может воз­ни­кать в любом море или оке­а­не при усло­вии их до­ста­точ­ной глу­би­ны.

С дав­них вре­мен и по сей день на мор­ских и реч­ных судах ко­ман­ды с ка­пи­тан­ско­го мо­сти­ка в ма­шин­ное от­де­ле­ние пе­ре­да­ют­ся при по­мо­щи так на­зы­ва­е­мой пе­ре­го­вор­ной трубы. За­ту­ха­ние звука в воз­ду­хе при рас­про­стра­не­нии по такой трубе очень мало. Пе­ре­го­вор­ная труба яв­ля­ет­ся ярким при­ме­ром аку­сти­че­ско­го вол­но­во­да  — ка­на­ла, в ко­то­ром зву­ко­вые волны рас­про­стра­ня­ют­ся в опре­де­лен­ном на­прав­ле­нии прак­ти­че­ски без ослаб­ле­ния.

Ока­зы­ва­ет­ся, ана­ло­ги таких вол­но­во­дов при опре­де­лен­ных усло­ви­ях могут воз­ни­кать в морях и оке­а­нах. Уче­ные на­зва­ли такие «вол­но­во­ды» «под­вод­ны­ми зву­ко­вы­ми ка­на­ла­ми» (со­кра­щен­но  — ПЗК). Рас­про­стра­ня­ю­щи­е­ся по таким ка­на­лам зву­ко­вые волны могут быть при­ня­ты за ты­ся­чи ки­ло­мет­ров от их ис­точ­ни­ка.

Каков же ме­ха­низм об­ра­зо­ва­ния та­ко­го вол­но­во­да, и что в нем слу­жит от­ра­жа­ю­щи­ми гра­ни­ца­ми? По­верх­ность оке­а­на и его дно слу­жить та­ки­ми гра­ни­ца­ми не могут из-за того, что звук на них силь­но рас­се­и­ва­ет­ся или по­гло­ща­ет­ся. Ис­сле­до­ва­те­ли вы­яс­ни­ли, что гра­ни­ца­ми ги­гант­ско­го под­вод­но­го вол­но­во­да слу­жат слои воды, ко­то­рые на раз­ных глу­би­нах об­ла­да­ют раз­ны­ми свой­ства­ми, бла­го­да­ря чему ско­рость звука в оке­а­не за­ви­сит от глу­би­ны.

С глу­би­ной уве­ли­чи­ва­ет­ся гид­ро­ста­ти­че­ское дав­ле­ние, что, в свою оче­редь при­во­дит к росту ско­ро­сти звука. При по­ни­же­нии тем­пе­ра­ту­ры ско­рость звука убы­ва­ет. В оке­а­не тем­пе­ра­ту­ра воды сна­ча­ла до­воль­но быст­ро па­да­ет по мере уда­ле­ния от по­верх­но­сти, а на боль­шой глу­би­не тем­пе­ра­ту­ра воды ста­но­вит­ся прак­ти­че­ски по­сто­ян­ной. Сов­мест­ное вли­я­ние этих фак­то­ров при­во­дит к слож­ной за­ви­си­мо­сти ско­ро­сти звука от глу­би­ны, ко­то­рая по­ка­за­на на гра­фи­ке.

Вна­ча­ле вб­ли­зи по­верх­но­сти оке­а­на пре­об­ла­да­ю­щее вли­я­ние ока­зы­ва­ет быст­рое па­де­ние тем­пе­ра­ту­ры  — по­это­му в верх­них слоях воды ско­рость звука с умень­ша­ет­ся с ро­стом глу­би­ны z. По мере по­гру­же­ния тем­пе­ра­ту­ра ме­ня­ет­ся все мед­лен­нее, а гид­ро­ста­ти­че­ское дав­ле­ние про­дол­жа­ет воз­рас­тать. На не­ко­то­рой глу­би­не zm вли­я­ние этих двух фак­то­ров урав­но­ве­ши­ва­ет­ся  — на дан­ной глу­би­не ско­рость звука ми­ни­маль­на. При даль­ней­шем по­гру­же­нии ско­рость звука на­чи­на­ет воз­рас­тать за счет роста гид­ро­ста­ти­че­ско­го дав­ле­ния.

Чтобы по­нять, как рас­про­стра­ня­ют­ся зву­ко­вые лучи в оке­а­не, об­ра­тим­ся к оп­ти­че­ской ана­ло­гии. Из за­ко­на пре­лом­ле­ния света сле­ду­ет, что в среде с из­ме­ня­ю­щим­ся по­ка­за­те­лем пре­лом­ле­ния (т. е. при из­ме­не­нии ско­ро­сти света в среде) све­то­вой луч ис­крив­ля­ет­ся. Точно по та­ко­му же за­ко­ну про­ис­хо­дит ис­крив­ле­ние «зву­ко­вых лучей» при рас­про­стра­не­нии звука в не­од­но­род­ной среде, в ко­то­рой ско­рость звука ме­ня­ет­ся. Част­ный слу­чай такой среды и пред­став­ля­ет собой вода в море.

Пред­по­ло­жим, что ис­точ­ник звука на­хо­дит­ся на глу­би­не zm. Луч, иду­щий вдоль го­ри­зон­та­ли z  =  zm, будет пря­мо­ли­ней­ным. А те лучи, ко­то­рые вы­хо­дят под не­ко­то­ры­ми уг­ла­ми j к этой го­ри­зон­та­ли, будут ис­крив­лять­ся со­глас­но за­ко­ну пре­лом­ле­ния. Это яв­ле­ние на­зы­ва­ют ре­фрак­ци­ей звука. По­сколь­ку и выше, и ниже уров­ня zm ско­рость звука воз­рас­та­ет, зву­ко­вые лучи будут (в со­от­вет­ствии с за­ко­ном пре­лом­ле­ния) ис­крив­лять­ся в на­прав­ле­нии го­ри­зон­та­ли z  =  zm. В какой-то мо­мент луч ста­нет «па­рал­лель­ным» этой го­ри­зон­та­ли, и, «от­ра­зив­шись», по­вер­нет об­рат­но к ней.

Итак, ре­фрак­ция звука в море при­во­дит к тому, что не­ко­то­рые зву­ко­вые волны, ис­пус­ка­е­мые ис­точ­ни­ком, могут рас­про­стра­нять­ся, не вы­хо­дя на по­верх­ность воды и не до­хо­дя до дна. А это и озна­ча­ет, что в такой среде ре­а­ли­зу­ет­ся вол­но­вод­ный ме­ха­низм рас­про­стра­не­ния звука  — под­вод­ный зву­ко­вой канал. Роль «сте­нок» этого вол­но­во­да вы­пол­ня­ют слои воды на тех глу­би­нах, где про­ис­хо­дит «по­во­рот» зву­ко­во­го луча.

Люди из­дав­на стре­ми­лись если не со­хра­нить звук, то хотя бы как-то его за­фик­си­ро­вать. И когда 12 ав­гу­ста 1877 года Томас Эди­сон про­пел «Mary Had A Little Lamb…» («Был у Мэри ма­лень­кий ба­ра­шек…»), мир из­ме­нил­ся: ведь песня про ба­раш­ка стала пер­вой в ми­ро­вой ис­то­рии фо­но­грам­мой  — за­пи­сан­ным и вос­про­из­ве­ден­ным зву­ком. Бла­го­да­ря воз­мож­но­сти за­пи­сы­вать и вос­про­из­во­дить звуки по­яви­лось зву­ко­вое кино. За­пись му­зы­каль­ных про­из­ве­де­ний, рас­ска­зов и даже целых пьес на грам­мо­фон­ные или па­те­фон­ные пла­стин­ки стала мас­со­вой фор­мой зву­ко­за­пи­си.

На ри­сун­ке 1 дана упро­щен­ная схема ме­ха­ни­че­ско­го зву­ко­за­пи­сы­ва­ю­ще­го устрой­ства. Зву­ко­вые волны от ис­точ­ни­ка звука (певца, ор­кест­ра и т. д.) по­па­да­ли в рупор 1, в ко­то­ром была за­креп­ле­на тон­кая упру­гая пла­стин­ка 2, на­зы­ва­е­мая мем­бра­ной. Под дей­стви­ем зву­ко­вой волны мем­бра­на на­чи­на­ла ко­ле­бать­ся. Ко­ле­ба­ния мем­бра­ны пе­ре­да­ва­лись свя­зан­но­му с ней резцу 3, острие ко­то­ро­го остав­ля­ло при этом на вра­ща­ю­щем­ся диске 4 зву­ко­вую бо­розд­ку. Зву­ко­вая бо­розд­ка за­кру­чи­ва­лась по спи­ра­ли от края диска к его цен­тру. На ри­сун­ке 2 по­ка­зан вид зву­ко­вых бо­роз­док на пла­стин­ке, рас­смат­ри­ва­е­мых через лупу и при боль­шем уве­ли­че­нии.

Диск, на ко­то­ром про­из­во­ди­лась зву­ко­за­пись, из­го­тав­ли­вал­ся из спе­ци­аль­но­го мяг­ко­го вос­ко­во­го ма­те­ри­а­ла. С этого вос­ко­во­го диска галь­ва­но­пла­сти­че­ским спо­со­бом  — сни­ма­ли мед­ную копию (клише): ис­поль­зо­ва­лось оса­жде­ние на элек­тро­де чи­стой меди при про­хож­де­нии элек­три­че­ско­го тока через рас­твор ее солей. Затем с мед­ной копии де­ла­ли от­тис­ки на дис­ках из пласт­мас­сы. Так по­лу­ча­ли грам­мо­фон­ные пла­стин­ки. При вос­про­из­ве­де­нии звука грам­мо­фон­ную пла­стин­ку ста­вят под иглу, свя­зан­ную с мем­бра­ной грам­мо­фо­на, и при­во­дят пла­стин­ку во вра­ще­ние. Дви­га­ясь по вол­ни­стой бо­розд­ке пла­стин­ки, конец иглы ко­леб­лет­ся, вме­сте с ним ко­леб­лет­ся и мем­бра­на, при­чем эти ко­ле­ба­ния до­воль­но точно вос­про­из­во­дят за­пи­сан­ный звук.

Рис. 1

Рис. 2

Про­филь зву­ко­вой до­рож­ки на фо­но­гра­фе при боль­шом уве­ли­че­нии