Кто открыл звуковые волны

История. Звук

Звуки начали изучать ещё в далёкой древности. Первые на­блюдения по акустике были проведены в VI веке до нашей эры. Пифагор установил связь между высотой тона и длиной струны или трубы издающей звук.

В IV в. до н.э. Аристотель первый правильно представил, как распространяется звук в воздухе. Он сказал, что звучащее тело вызывает сжатие и разрежение воздуха и объяснил эхо отражением звука от препятствий.

В XV веке Леонардо да Винчи сформулировал принцип незави­симости звуковых волн от различных источников.

В 1660 году в опытах Роберта Бойля было доказано, что воздух является проводником звука (в вакууме звук не распро­страняется).

Ньютон дал первый расчет длины волны звука и пришел к выводу: для любой открытой трубы длина волны испускаемого звука равна удвоенной длине трубы.

К математиче­скому рассмотрению задачи о колеблющейся струне в 1715 г. приступил английский математик Брук Тейлор. Но наиболее существенный вклад внес Эйлер. Он создал полную теориию колебаний струны. В частности, из теории Эйлера вытекало, что скорость распространения волны по струне не зависит от длины волны возбуждаемого звука.

Фактическое объяснение эха также принадлежит Хладни, по крайней мере в существенных частях. Ему мы обязаны и новым экспериментальным определением верхней границы слышимости звука, равной 20 000 колебаний в секунду. Эти измерения, многократно повторяемые физиками до сих пор, весьма субъективны и зависят от интен­сивности и характера звука. Но особенно известны опыты Хладни в 1787 году по исследованию колебаний пластин, при которых образуются красивые «акустические фигуры», носящие названия фигур Хладни и получающиеся, если посыпать колеблющуюся пластинку песком.

Также, в 1787 году Хладни, основоположник экспериментальной аку­стики открыл продольные колебания струн, пластин, камертонов и колоколов. Он первый достаточно точно измерил скорость распространения звуковых волн в различных газах. Доказал, что в твёрдых телах звук распространяется не мгновенно, а с конечной скоростью, и в 1796 году определил скорость звуковых волн в твёрдых телах по отношению звука в воздухе.

В 1800 году английский учёный Томас Юнг открыл явление интерференции звука и установил принцип суперпозиции волн: в линейных средах волны распространяются независимо друг от друга, то есть волна не изменяет свойства среды, и другая волна распространяется так, будто первой волны нет. Это позволяет вычислять итоговую волну как сумму всех волн, распространяющихся в данной среде.

В 1877 году американский учёный Томас Алва Эдисон изобрёл устройство для записи и воспроизведения звука, который потом сам же в 1889 году усовершенствовал. Изобретённый им способ звукозаписи получил название «механический».

Подробнее. Звук

Звук — это волна. Но и свет — это волна, и рентгеновские лучи тоже. Их отличает частота! Частота — число колебаний за единицу времени. Еденицы измерения звуковых волн – герцы (Гц).Как любую мех волну звук можно характеризовать амплитудой, частотой, длиной волны, скоростью распространения. С объективными характеристиками звука можно сопоставить субъективные ощущения наблюдателя. Так, амплитуда звуковой волны определяет громкость звука, частота — высоту звука, наличие в звуковых колебаниях волн с кратными частотами — тембор звука.

Звук является не просто волной, которую, скажем, нам может выдать любой звуковой генератор. Как правило, звук представляет собой сложный сигнал, который является следствием наложения сразу нескольких волн с разными частотами. Этот набор называется аккустическим спектром. Спектр — это то, какие частоты в себя включает звук. Эти частоты различаются количеством герц . Если в каком-то звуке присутствуют колебания всех частот в определённом диапазоне, например от 10-100 Гц, то такой спектр называется сплошным. В природе таких звуков не бывает. Если спектр звука состоит из колебаний всего нескольких частот (обертонов) из данного диапазона, то он называется линейчатым. Такой звук воспринимается с более-менее определённой высотой. Такой звук принято называть тональным.

Высота звука определяется наименьшей частотой спектра. Она называется основной в данном спектре.

Окраску звука, его тембр, определяет интенсивность обертонов. Мы отличаем ноту взятую на скрипке от ноты, взятой на фортепиано. Дело именно в обертонах — частотах, которые сопровождают основную частоту и располагаются близко к ней. Большое значение имеет также их интенсивность.

Ещё одним важным свойством звука является его скорость.

В воздухе при норм атм давлении и температуре звук распространяется со скоростью 340 м/с. Чем выше упругость среды, тем больше скорость: в каучуке- 50, в воздухе- 330, в воде- 1450, а в стали — 5000 метров в секунду.

Если звук распространяется в среде от 2-х источников с одинаковыми частотами, то наблюдается явление интерференции звуковых волн . Интерференция звука- это сложение в пространстве двух или нескольких звуковых волн, при котором в разных точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны. Т.е. усиление или ослабление звука.

Энергия, которую несут в себе звуковые волны очень мала. Если предположить, что стакан с водой полностью поглощает падающую на него энергию звуковой волны с уровнем громкости в 70 дБ, то для того, чтобы нагреть воды от комнатной температуры до кипения в этом стакане, потребуется порядка 200000 лет! Диапазон звуковых частот (те волны, которые мы слышим) лежит в пределах приблизительно от 16 Гц до 20 кГц. Волны с частотой менее 16 Гц называются инфразвуком, а с частотой более 20 кГц – ультразвуком.

Инфразвук определённой частоты может вызывать у человека тревожность и беспокойство, головную боль, снижать внимание и работоспособность, даже нарушать функцию вестибулярного аппарата и вызывать кровотечение из носа и ушей. Инфразвук частотой 7 Гц смертелен. Из-за слабого поглощения в толще Земли и её атмосфере инфразвук используется для предсказаний цунами, огромных морских волн, вызванных землетрясениями в море.

По мнению выдающегося физика и биолога Г. Гельмгольца человеческий слух не реагирует на акустические колебания звуковых волн, с частотой менее 20 Гц. Но с точки зрения современной биологии под инфразвуком, вероятнее всего, надо полагать колебания частотой ниже 50 Гц. Это связано с тем, что расшифрованный Б.Я. Фрайманом механизм действия инфразвука на организм действителен для частот свыше 20 Гц, а как показали эксперименты с инфразвуковым генератором, типа , подавляющее число современных людей не слышат акустические колебания частотой ниже 40 Гц.

Ультразвук же имеет такие свойства, как высокая проводимость, интенсивная энергетика. Его применяют для гидролокации, дефектоскопии, мед диагностики…

Это основные понятия касательно явления звук, известные почти всем, кто изучал физику в школе. но существуют интересные факты, которые скрыты глубже. такие как инфразвуковые аномалии.

Историческая справка

Звуки начали изучать ещё в далёкой древности. Первые на­блюдения по акустики были проведены в VI веке до нашей эры. Пифагор установил связь между высотой тона и длиной струны или трубы издавающей звук.

В IV в. до н.э. Аристотель первый правильно представил, как распространяется звук в воздухе. Он сказал, что звучащее тело вызывает сжатие и разрежение воздуха и объяснил эхо отражением звука от препятствий.

В XV веке Леонардо да Винчи сформулировал принцип незави­симости звуковых волн от различных источников.

В 1660 году в опытах Роберта Бойля было доказано, что воздух является проводником звука (в вакууме звук не распро­страняется).

В 1700 — 1707 гг. вышли вышли мемуары Жозефа Савёра по акустике, опубликованные Парижской Академией наук. В этих мемуарах Савёр рассматривает явление, хорошо известное конст­рукторам органов: если две трубы органа издают одновременно два звука, лишь немного отличающиеся по высоте, то слышны периодические усиления звука, подобные барабанной дроби. Савёр объяснил это явление периодическим совпадением колеба­ний обоих звуков. Если, например, один из двух звуков соот­ветствует 32 колебаниям в секунду, а другой — 40 колебаниям , то конец четвёртого колебания первого звука совпадает с концом пятого колебания второго звука и, таким образом проис­ходит усиление звука. От органных труб Савёр перешёл к экcпи­рементальному исследованию колебаний струны, наблюдая узлы и пучности колебаний (эти названия, существующие и до сих пор в науке, введены им), а также заметил, что при возбуждении струны наряду с основной нотой звучат и другие ноты, длина волны которых составляет 1/2, 1/3, 1/4, . от основной. Он назвал эти ноты высшими гармоническими тонами, и этому назва­нию суждено было остаться в науке. Наконец, Савёр первый пытался определить границу восприятия колебаний как звуков: для низких звуков он указал границу в 25 колебаний в секунду, а для высоких — 12 800.

За тем, Ньютон, основываясь на этих экспериментальных ра­ботах Савёра, дал первый расчет длины волны звука и пришел к выводу, хорошо известному сейчас в физике, что для любой открытой трубы длина волны испускаемого звука равна удвоенной длине трубы. «И в этом состоят главнейшие звуковые явления».

После экспериментальных исследований Савёра к математиче­скому рассмотрению задачи о колеблющейся струне в 1715 г. приступил английский математик Брук Тейлор, положив этим начало математической физике в собственном смысле слова. Ему удалось рассчитать зависимость числа колебаний струны от её длины, веса, натяжения и местного значения ускорения силы тяжести. Эта задача сразу же стала широко известна и при­влекла внимание почти всех математиков XVIII века, вызвав долгую и плодотворную дискуссию. Ею занимались среди прочих Иоганн Бернулли и его сын Даниил Бернулли, Риккати и Даламбер. Последний нашел уравнения в частных производных, определяющие малые колебания однородной струны, и проинтегри­ровал их методом, применяемым и поныне. Но наиболее существенный вклад внес Эйлер. Ему мы обязаны полной теорией колебаний струны, начало построению которой было положено в 1739 году в его труде «Опыт новой теории музыки» и продолжа­лось в многочисленных последующих докладах. В частности, из теории Эйлера вытекало, что скорость распространения волны по струне не зависит от длины волны возбуждаемого звука. Эйлер производил также теоретические исследования колебаний стерж­ней, колец, колоколов, но полученные результаты не совпали с результатами экспериментальной проверки, предприня­той немецким физиком Эрнестом Флоресом Фридрихом Хладни, которого считают отцом экспериментальной акустики. Хладни первым точно исследовал колебания камертона и в 1796 году установил законы колебаний стержней.

Фактическое объяснение эха, явления довольно капризного, также принадлежит Хладни, по крайней мере в существенных частях. Ему мы обязаны и новым экспериментальным определением верхней границы слышимости звука, соответствующей 20 000 колебаний в секунду. Эти измерения, многократно повторяемые физиками до сих пор, весьма субъективны и зависят от интен­сивности и характера звука. Но особенно известны опыты Хладни в 1787 году по исследованию колебаний пластин, при которых образуются красивые «акустические фигуры», носящие названия фигур Хладни и получающиеся, если посыпать колеблющуюся пластинку песком. Эти экспериментальные исследования поста­вили новую задачу математической физики — задачу о колебаниях мембраны.

Хладни начал исследования продольных волн в твердых телах и сопоставил продольные и поперечные колебания стержня при различных способах возбуждения (ударом, трением и др.). Исследование продольных волн были продолжены экспериментально Саваром, а теоретически — Лапласом и Пуассоном.

В XVIII веке было исследовано много других акустических явлений (скорость распространения звука в твердых телах и в газах, резонанс, комбинационные тона и др.). Все они объясня­лись движением частей колеблющегося тела и частиц среды, в которой распространяется звук. Иными словами, все акустиче­ские явления объяснялись как механические процессы.

В 1787 году Хладни, основоположник экспериментальной аку­стики открыл продольные колебания струн, пластин, камертонов и колоколов. Он первый достаточно точно измерил скорость распространения звуковых волн в различных газах. Доказал, что в твёрдых телах звук распространяется не мгновенно, а с конечной скоростью, и в 1796 году определил скорость звуковых волн в твёрдых телах по отношению звука в воздухе. Он изобрёл ряд музыкальных инструментов. В 1802 году вышел труд Эрнеста Хладни «Акустика», где он дал систематическое изложение акустики.

После Хладни французский учёный Жан Батист Био в 1809 году измерял скорость звука в твёрдых телах.

В 1800 году английский учёный Томас Юнг открыл явление интерференции звука и установил принцип суперпозиции волн.

В 1816 году французский физик Пьер Симон Лаплас вывел формулу для скорости звука в газах.

В 1827 году Ж. Колладон и Я. Штурм провели опыт на Женев­ском озере по определению скорости звука в воде, получив значение 1435 м/с.

В 1842 году австрийский физик Христиан Доплер предположил влияние относительного движения на высоту тона (эффект Доп­лера). А в 1845 году Х. Бейс-Баллот экспериментально обнару­жил эффект Допплера для акустических волн.

В 1877 году американский учёный Томас Алва Эдисон изобрёл устройство для записи и воспроизведения звука, который потом сам же в 1889 году усовершенствовал. Изобретённый им способ звукозаписи получил название механического.

В 1880 году французские учёные братья Пьер и Поль Кюри сделали открытие, которое оказалось очень важным для аку­стики. Они обнаружили, что, если кристалл кварца сжать с двух сторон, то на гранях кристалла появляются электрические заряды. Это свойство — пьезоэлектрический эффект — для обна­ружения не слышимого человеком ультразвука. И наоборот, Если к граням кристалла приложить переменное электрическое напря­жение, то он начнёт колебаться, сжимаясь и разжимаясь.

В МИРЕ ЗВУКОВ. КАК ДОБЫВАЕТСЯ ИСТИНА.

Титульный лист труда И. Ньютона «Математические начала натуральной философии» с пометками автора. В этой книге великий физик попытался вывести теоретическую формулу для определения скорости звука. К сожалению, формула оказалась не вполне корректной.

Немецкий ученый Эрнст-Фридрих Хладни в начале XIX века установил верхнюю границу частотного диапазона человеческого слуха.

В конце XVIII века французский математик Жан-Батист-Жозеф Фурье, занимаясь теорией теплообмена, для описания непериодических процессов применил интеграл, названный впоследствии его именем.

Колебания произвольной формы можно разложить на гармонические составляющие. Но существует и обратный процесс, когда, складывая различные гармоники, получают сигнал нужной формы. На этом принципе работают музыкальные синтезаторы.

Музыкальные инструменты различаются не только спектром, но и высотой звучания. Диапазоны основных тонов отмечены сплошной заливкой, а обертоны — штриховкой.

Солист норвежской группы «a-ha» Мортен Харкет (крайний слева) обладает уникальным голосом с диапазоном в пять октав.

Современные домашние музыкальные театры воспроизводят весь диапазон как основных тонов, так и высших гармоник голосов и музыкальных инструментов с достаточной для комфортного восприятия громкостью.

Диаграмма направленности человеческого уха показывает, что звуки с частотой менее 1 кГц (красная линия) мы слышим практически одинаково со всех сторон.

Слух теперь можно проверить с помощью специального компакт-диска.

Для проверки слуха в диапазоне частот до 20 000 Гц применяются приборы аудиометры, которые работают совместно с компьютерами.

Звуковой «градусник» показывает, сколько времени человек может выдерживать громкие звуки без опасности для здоровья.

История не сохранила имени наблюдателя, который первым заметил, что звук распространяется с меньшей скоростью, чем свет. Но известно, что первые попытки измерить скорость звука предпринимались во Франции в XVII веке. Звуковыми «генераторами» служили огнестрельные орудия (мушкеты и пушки). В 1630 году известный в то время физик и математик М. Мерсенн (1586-1648), заметив вспышку, подсчитывал удары пульса или отмечал по часам время, когда до него доносился звук выстрела. По результатам экспериментов скорость звука у него получилась равной 448 м/с.

Через пять лет, в 1635 году, другой ученый, П. Гассенди (1592-1655), по похожей методике попытался определить, есть ли разница в скорости распространения звука от более звонкого ружейного выстрела и более глухого пушечного. Оказалось, что скорость звука от его частоты не зависит.

Первую математическую формулу для расчета скорости звука предложил великий английский физик и математик И. Ньютон (1643-1727). В знаменитой работе «Математические начала натуральной философии» он на основании недавно открытого закона Бойля — Марриотта о неизменности произведения объема на давление при постоянной температуре вывел значение скорости звука как квадратного корня из отношения атмосферного давления к удельному весу (плотности) воздуха. Для нормальных условий скорость звука получалась равной 298 м/с.

Ньютон понял, что его формула некорректна после того, как сам экспериментально проверил результат. Он измерял время эха от хлопка в ладоши, стоя между двумя параллельными стенами, находивши мися на расстоянии 200 м одна от другой, и получил скорость звука около 340 м/с.

В 1738 году члены Парижской академии наук решили повторить опыт Мерсенна, выбрав для этого холм Монмартр (Холм мучеников), находившийся тогда в пригороде Парижа. Световые вспышки с возвышения видны с большего расстояния; после выстрела звуковая волна движется к наблюдателю дольше, и измерение скорости звука получается с меньшей погрешностью. При температуре 20 о С была зафиксирована скорость звука 337,3 м/с, а при температуре 0 о С скорость звука составляла 332 м/с.

В 1816 году французскому математику и астроному П. С. Лапласу (1749-1827) удалось обнаружить, в чем была ошибка Ньютона. Тот полагал, что колебания частиц в атмосфере происходят без изменения температуры (в изотермических условиях). Однако при движении звуковой волны в воздухе возникают области сжатия и разрежения, где воздух соответственно нагревается (скорость молекул возрастает) и охлаждается (скорость молекул уменьшается).

В 1822 году измерениями скорости звука занялся цвет французской науки. Члены Комиссии мер и весов и Парижской академии наук Д. Араго (1786-1853), Ж. Гей-Люссак (1778-1850), А. Гумбольдт (1769-1859) и другие, чтобы компенсировать влияние ветра на измерения, распорядились установить вблизи Парижа артиллерийские пушки на расстоянии 18 613 м, а исследователи, разбившись на две группы, дежурили у обеих. Пушки стреляли по очереди с интервалом 5 мин. Усредненное время прохождения звуковых сигналов при температуре 20 о С составило 54,6 с, что соответствовало скорости звука 340,9 м/с. Проведенные измерения подтвердили правильность теоретических выкладок Лапласа.

В ХХ веке для измерения скорости звука стала применяться электронная аппаратура. Метод измерения скорости звука прост и доступен даже радиолюбителям. Нужны два микрофона, осциллограф и усилитель низкой частоты с динамиком. Громкоговоритель и микрофоны один за другим располагают по прямой линии. На усилитель подается электрический импульс, и на осциллографе фиксируется время прохождения звукового сигнала между микрофонами.

По последним данным, скорость звука при температуре 20 о С и нормальном атмосферном давлении на уровне моря равна 344 м/с (1238 км/ч); при температуре 30 о С — 349 м/с; при 10 о С — 337 м/с; при 0 о С — 331,45 м/с; при -10 о С — 325,2 м/с.

Интересно рассмотреть распространение звука от источника, расположенного на открытой движущейся платформе. Если источник поместить посредине платформы, а два приемника на ее концах, то частота сигнала, принимаемая передним источником, будет выше, чем у излучаемого сигнала. Задний источник зафиксирует частоту ниже излучаемой. Хотя приемники неподвижны, из-за встречного потока воздуха возникает своеобразный доплеровский эффект.

Первым попытался определить частотные границы человеческого слуха французский ученый Ж. Савер (1653-1716). По его данным, опубликованным в Трудах Парижской академии наук в 1707 году, человек слышит звуки частотой от 25 до 12 800 кГц. Спустя почти 100 лет, в 1802 году, немецкий физик Э. Хладни (1756-1827) привел более точные данные и указал, что верхняя граница слышимых звуков составляет 22 000 Гц. Кстати, он же ввел в научный обиход термин «акустика» от греческого слова, означавшего «способность слышать».

Во второй половине XIX века среди врачей отоларингологов сложилось устойчивое мнение, что взрослый человек слышит звуки в частотном диапазоне 20-20 000 Гц.

Находились и исключения: известный немецкий физик и врач Г. Гельмгольц (1821-1894) сообщал о пациентах, слышавших писк с частотой 40 000 Гц. В настоящее время установлено, что звуки частотой 25-34 кГц способны слышать некоторые дети в возрасте до 7 лет.

Человеческая речь и звучание музыкальных инструментов, раскаты грома и шум моторов — все это колебания воздуха, у которых могут меняться форма, амплитуда, частота. На осциллограммах различные звуки выглядят похожими, но человеческое ухо легко узнает их источник. Дело в том, что каждый звуковой сигнал имеет свой спектр.

Немецкий физик Г. Ом (1787-1854), открывший известный закон, связывающий электрический ток, напряжение и сопротивление, в 1843 году опубликовал статью, в которой утверждал, что сложные звуки представляют собой комбинации простых (гармонических) колебаний с кратными частотами и их математически можно анализировать с помощью рядов Фурье. В 1862 году ту же мысль высказал в своей работе «Учение о слуховых ощущениях» Г. Гельмгольц.

Практическая потребность изучения спектрального состава звуков возникла в 20-х годах ХХ века, когда появились электронные усилители звуковой частоты, а также электрические микрофоны, наушники и громкоговорители. Проблема состояла в определении минимальной полосы пропускания канала, чтобы качество звучания на выходе позволяло однозначно распознать источник звука. Оказалось, что речь достаточно хорошо передается при ширине полосы пропускания до 2,5 кГц; для воспроизведения музыки была необходима полоса шириной не менее 6 кГц, поскольку основные тоны высоко звучащих инструментов (флейты или скрипки) составляют 3-5 кГц. Правда, при этом звук кажется «плоским», поскольку в нем отсутствует большая часть обертонов. И это на себе ощущали радиослушатели, когда основные трансляции шли на длинно- и средневолновом диапазонах с амплитудной модуляцией (кстати, и по сей день люди, не слишком искушенные в музыкальном искусстве, при прослушивании программ предпочитают «заваливать» область высоких частот, ограничивая полосу воспроизведения верхней границей 6 кГц). Естественного звучания музыкальных инструментов можно добиться при ширине полосы 14-20 кГц.

Сейчас звуковые спектры можно получать практически в режиме реального времени благодаря компьютерам, которым достаточно мгновения, чтобы разложить колебание произвольной формы в ряд Фурье.

Такая техника может стать хорошим подспорьем при обучении певцов и при изготовлении музыкальных инструментов, когда субъективное восприятие звука дополняется беспристрастным математическим анализом.

Если бы человеческий глаз мог воспринимать сигнал той же энергии, что и ухо, то мы видели бы свет 10-ваттной лампочки на расстоянии 100 км. Высокой чувствительности нашего органа отчасти помогает строение ушной раковины, напоминающей рупор. Она имеет не- круговую диаграмму направленности, поэтому человек лучше слышит звуки от источников, находящихся впереди на уровне головы. Звуки, идущие сверху и сзади, воспринимаются хуже, особенно в области высоких частот. Поэтому фронтальные звуковые колонки должны быть такой высоты, чтобы СЧ- и ВЧ-головки находились примерно на уровне глаз слушателя, а тыловые колонки могут быть попроще и вообще не иметь ВЧ-головок.

С возрастом острота слуха уменьшается. У пожилых людей не только растет порог слышимости, но и ухудшается восприятие высоких частот, то есть сокращается частотный диапазон.

Когда-то проверить слух можно было простым способом. В эпоху ламповых и транзисторных телевизоров аппарат вскоре после включения начинал издавать негромкий тонкий свист: это начинал работать генератор строчной развертки, частота которого составляла 15 625 Гц. Этот звук слышали не все, но, если слышали, это означало, что слух в норме.

Сейчас телевизоры работают молча, но появились другие доступные средства контроля слуха. Например, на Западе продаются специальные компакт-диски, звуковые файлы можно найти и на многих сайтах в Интернете. Разумеется, слух можно проверить в поликлиниках и специализированных аудиоцентрах. Если в хозяйстве есть обыкновенный звуковой генератор, то слух можно проверить и с его помощью.

На остроту слуха отрицательно влияет и длительное воздействие громких звуков. Например, среди работниц ткацких фабрик многие страдают профессиональной тугоухостью. Шум и грохот угнетающе действуют также на нервную систему.

Напоследок несколько курьезных советов, которые должны помочь меломанам получать полноценное удовольствие от любимых произведений благодаря тонкому и острому слуху. Оториноларинголог Н. И. Кудряшова в своей книге «Слух», изданной в 2000 году, указывает на связь слуха и состояния ног. Оказывается, слух обостряется, если ступни остаются сухими. Поэтому нужно чаще мыть ноги холодной водой и не пользоваться синтетическими и хлопчатобумажными носками, которые быстро намокают от пота. Желательно носить носки из шелка или льна, причем белые, поскольку некоторые красители в контакте с потом образуют вредные химические соединения.

Читайте в любое время

Журнал добавлен в корзину.
Оформить заказ
Детальное описание иллюстрации

В конце XVIII века французский математик Жан-Батист-Жозеф Фурье, занимаясь теорией теплообмена, для описания непериодических процессов применил интеграл, названный впоследствии его именем. Периодические процессы, к которым относится звук, описываются частным случаем этого интеграла, называемым рядом Фурье.
Диаграмма направленности человеческого уха показывает, что звуки с частотой менее 1 кГц (красная линия) мы слышим практически одинаково со всех сторон, а звуки с частотой более 1 кГц (синяя линия) лучше доносятся от источников, расположенных справа или слева.

Личность и звук: Герман Людвиг Гельмгольц – от фундаментальной физики до физиологии слуха и психоакустики

Этой статьёй я начну очередной биографический цикл, посвященный ученым, благодаря которым мы знаем о физической природе звука действительно много.

Мой выбор не случаен, так как Герман Гельмгольц заложил фундаментальные основы таких областей научного знания как: акустика, электродинамика, физиология слуха, психоакустика. Вклад этого ученого в физику в целом и в акустику в частности сложно переоценить. Относительно звуковой аппаратуры и музыкальных инструментов, сложно представить что-либо, где не используются открытия и исследования этого человека.

Гельмгольц впервые создал электромеханический прообраз синтезатора звука, описал механизм слуха, построил модель человеческого уха, обосновал волновую природу звука. К заслугам ученого относится первое, и одно из самых стройных определений тембра (по мнению профессора Алдошиной, на 100 лет предопределило исследования звука в этой области), создание резонатора, подробные исследования колебания струн. Как истинный сын своего времени, Гельмгольц занимался не только акустикой, среди работ исследователя – исследования в области математики, природы электричества, психологии, термодинамики, оптики, физиологии, медицины, метеорологии.

Иными словами Гельмгольц занимался всем, что в его время можно было назвать инновационным, всем, что было авангардом науки и прогресса. Именно Гельмгольц был одним из лидеров физического сообщества Германии в середине – конце 19 века. Не случайно именно его именем названо крупнейшее объединение немецких научно-исследовательских центров.

Детство гения: сын гуманитария-националиста, посредственный гимназист

Герман Гельмгольц родился 31 августа 1821 года, в семье профессора филологии Фердинанда Гельмгольца, преподавателя немецкого языка, субректора Потсдамской гимназии, и домохозяйки Каролины Гельмгольц (в девичестве Пенн), американского происхождения.

Интересно, что отец ученого Август-Фердинанд-Юлиус Гельмгольц изучал в Берлинском университете теологию, позже завершил обучение на факультете немецкой филологии, т.е. был гуманитарием до мозга костей.

Как настоящий националист, грезивший о возрождении Германии, Фердинанд прерывал обучение в университете и как вольноопределяющийся доброволец учувствовал в боевых действиях в 1813-1815 годах. Завершив обучение в 1820 году, Август Фердинанд занимает место учителя гимназии в Потсдаме и в том же году женится на Каролине Пенн. Через год на свет появляется первенец, которому суждено стать гением и изменить (а в ряде случаев сформировать) представления современников о природе огромного количества явлений.

Как ни странно, в детстве Герман Гельмгольц не проявлял признаков гениальности и в принципе не подавал никаких надежд на многообещающее будущее. По воспоминаниям родителей, будущий ученый был очень болезненным и с раннего возраста страдал расстройством памяти, с большим трудом различал правую и левую стороны. Обучаясь в гимназии, в которой преподавал его отец, Герман был крайне посредственным учеником, испытывал проблемы с грамматикой. Последнее обстоятельство особенно странно, учитывая образование отца.

Однако недостатки гуманитарных способностей с лихвой компенсировались склонностью к точным и естественным наукам: физике, биологии и математике. По воспоминаниям самого ученого, он ещё в школьные годы интересовался оптикой, и, будучи гимназистом, сформулировал несколько оптических теорем. Так или иначе, но таланты Гельмгольца не были восприняты учителями гимназии, и в 17-летнем возрасте Герман завершил обучение с не очень впечатляющим аттестатом.

Лучший физик среди врачей

Не смотря на относительно высокий социальный статус семьи будущего ученого, финансовое положение родителей не позволило молодому Гельмгольцу учиться за собственные средства. В качестве альтернативы, по рекомендации родственников, Герман выбирает карьеру военного хирурга. Не исключено, что на выбор молодого человека повлиял успешный опыт военной службы и убеждения отца.

Считается, что выбор был обусловлен возможностью бесплатно получить образование в берлинском королевском медико-хирургическом институте Фридриха-Вильгельма, с обязательным распределением в качестве военного врача на 8 лет. После успешного окончания университета Гельмгольц практиковал на родине в Потсдаме. В уютном «медсанбате» Потсдамских «казарм» врач и физик прозябал вплоть до 1848 года, когда благодаря праведным трудам на научной ниве не получил «досрочное освобождение» от казенного распределения. Нужно отметить, что во время службы Гельмгольц находит время и возможности для исследований. Этот период жизни ученого связан с открытиями в области фундаментальных физических законов.

Досрочное окончание ученым военной службы было связано с ходатайством Гумбольдта, который восхитившись монографией Гельмгольца «Über die Erhaltung der Kraft» — («О сохранении силы»), надавил на начальство физика своим авторитетом великого деятеля европейской науки. В этом фундаментальном труде Гельмгольц поддерживает закон сохранения энергии Майера, формулируя его более точно и не оставляя поводов для споров о его существовании. Позже, теме сохранения энергии в химических процессах ученый посвятит еще несколько работ, и 1881 году сформирует представление о свободной энергии.

В 1848 году после окончания службы Гельмгольц становится преподавателем анатомии в берлинской академии художеств. Однако в этой должности пребывает меньше года. Уже через год слава восходящей звезды немецкой науки приносит ему звание профессора физиологии и патологии, а также место в престижном Кёнигсбергском университете.

Параллельно физике Гельмгольц занимается исследованиями в области физиологии. В фокусе внимания ученого находятся слух и зрение, а также нейрофизиологические процессы и рост нервных волокон. Многие считают ученого одним из «прадедов» современной когнитивной психологии, нейрофизиологии и неврологии. Именно он сделал первую попытку описать влияние бессознательных процессов на восприятие, отметил взаимосвязь психики и мышечных реакций, начал исследования процессов памяти и накопления опыта.

Среди исследований этого периода жизни физика можно выделить открытие скорости распространения нервного импульса. В то же время Гельмгольц активно экспериметирует с оптикой. Активные изыскания приносят плоды, в 1850-1851-м годах ученый изобретает офтальмоскоп и офтальмометр, приборы займут своё место в медицинской и научной практике.

Акустические открытия и изобретения

На протяжении всей своей научной деятельности ученый с большим интересом проводит исследования, связанные с физиологией слуха и психоакустикой. В 1849-1850-м годах ученый открывает явление акустического резонанса в полости (Резонанс Гельмгольца) и для анализа акустических сигналов создает специальный прибор — резонатор.

Резонатор Гельмгольца — медный сосуд сферической формы с открытой горловиной, изобретённый Гельмгольцем для анализа акустических сигналов, на основе наблюдаемых в нём явлений Гельмгольцем и Рэлеем разработана количественная теория резонанса данного типа.

Сегодня принцип резонатора Гельмгольца активно используется при акустической обработке помещений, создании концертных залов, демонстрационных комнат, звукозаписывающих студий, безэховых камер, а также автомобильных глушителей.

Акустические панели, в котрых применен принцип резонатора Гельмгольца

В 1855 ученый становится руководителем кафедры анатомии и физиологии в Бонне. В этой должности, в 1856 году, плотно занимаясь физиологией ощущений и физическими основами акустики, ученый создаёт модель человеческого уха, позволяющую изучать влияние звука на орган слуха человека. В том же году Гельмгольц исследует комбинационные тоны, закладывает базис для изучения нелинейных искажений звуковых волн. Создавая теорию комбинационных тонов, Гельмгольц первым обращает внимание на нелинейность слухового тракта человека, в частности барабанной перепонки.

В 1858 году ученый опять меняет место работы и становится руководителем кафедры физиологии в Гейдельберге, где продолжает физические, физиологические, психоакустические изыскания. Между 1850 – 1870 годом (о точном времени нет сведений) Гельмгольц разрабатывает один из первых прообразов современного синтезатора, прибор, позволяющий электромеханическим способом получать звук необходимой частоты, при нажатии на соответствующую клавишу. В данный момент аппарат известен как «Большой аппарат Гельмгольца для соединения тембров из 10 гармоник» или синтезатор Фурье.

В процессе изучения характеристик звука именно Гельмгольц дает первое научное определение тембра, на которое исследователи этого свойства звука будут опираться в течение десятилетий.

«Тембр – это разница в музыкальном качестве тона (тембре) зависит только от присутствия и силы парциальных тонов (обертонов), и не зависит от разности фаз, с которой эти парциальные тоны вступают в композицию».

Дополнить стройную концепцию тембра смогут только в 70-е годы 20-го столетия.

В многочисленных трудах по акустике и физиологии слуха Гельмгольц неопровержимо доказывает, что ощущения, в том числе слух имеют физическую природу. Тогда как господствующая доктрина того времени трактовала ощущения и восприятие на основе теологического подхода, как непостижимый духовный акт.

Мировое признание и закат солнца немецкой науки

В 1870 году ученый становится членом Прусской академии наук, где заведует первой физической кафедрой, а позже руководит физическим институтом. В этот период Гельмгольц концентрируется на изучении электродинамики. Ученый до конца своей жизни продолжает активные научные изыскания. Современников поражает плодовитость и неутомимость коллеги, который совмещает исследования с активной преподавательской деятельностью.

Хочу отметить, что акустика занимала ученого не меньше, а некоторые периоды даже больше, чем другие области физического знания. При этом прижизненное признание в мировой научной среде, ученый получает в первую очередь за исследования в области фундаментальной и математической физики. Понимание и значимость акустических исследований Гельмгольца приходит значительно позже, когда исследования находят практическое применение.

Среди учеников и партнёров Гельмгольца по исследованиям имена таких ученых как: В. Вундт, Г. Герц, Л. Больцман, И.М. Сеченов, Д. А. Лачинов, А.Г. Столетов, К.А. Тимирязев. Должности, которые занимал ученый, красноречиво говорят о его значимости для мировой и немецкой науки: директор Физического института, ректор Берлинского университета, президент имперского физико-технического института. О международном признании свидетельствует членство Гельмгольца в Британской, Пражской и Петербургской академиях наук.

В конце жизни ученый испытывает всё больше проблем с памятью, которые были знакомы ему с детских лет, но с маниакальным упорством продолжает работать и преподавать. Смерть настигла гения в Берлине в сентябре 1894 г.