Техника - молодёжи 1937-04, страница 57

Работы Гельмгольца о волнах также получили обширные приложения в технике, метеорологии и геофизике.

В 1857 г. Гельмгольц перешел на кафедру физиологии в Гейдельберг. Помимо прекрасного местоположения, Гей-дельберг притягивал Гельмгольца тем, что там профессорами .были знаменитые его друзья Кирхгоф и Бунзен; имело большое значение и то, что профессура в Гейдель-берге не была связана с обязательством читать анатомию, что совершенно не интересовало Гельмгольца.

Период пребывания в Гейдельберге является самым блестящим периодом научной жизни Гельмгольца. Здесь он закончил свои замечательные акустические работы, охватившие физику звука, слуховые ощущения, образование звуков в гортани и, наконец, музыкальную акустику. Работы эти были объединены в большой книге, остающейся классической до сего времени и носящей название «Учение о слуховых ощущениях как основе физиологической теории музыки».

Свою книгу Гельмгольц начинает с изучения физической стороны явления.

Звук, воспринимаемый ухом, представляет собой колебания воздушных (или жидких) масс, доводящих до уха попеременно сжатие и разрежение воздуха. Число таких сжатий и разрежений в секунду определяет первое из качеств звука — его высоту. Чем число сжатий и разрежений воздуха в секунду больше, тем звук выше. Сжатия « разрежения воздуха зависят от колебаний слоев воздуха, и число сгущений воздуха в секунду равно числу колебаний его слоев и, следовательно, "числу колебаний инструмента, дающего звук. Высота зависит, таким обра» зом, от числа колебаний звука.

Второе качество звука —его сила, его интенсивность — зависит от величины сгущений и разрежений воздуха, или, иначе говоря, от величины колебаний воздушных слоев. Чем сгущение (или колебание) больше, тем сильнее звук. Это все было известно до Гельмгольца.

Третье качество звука — его тембр, его оттенок — было объяснено только работами Гельмгольца. Звуки, производимые разными инструментами, будучи одной высоты и давая, следовательно, одно и то же число колебаний в секунду, будучи на слух одной и той же силы, могут давать для уха разное впечатление. Мы легко отличаем звуки одной высоты и силы, если они производятся кларнетом, скрипкой, корнет-а-пистоном и т. д. От чего же яавигит эта специфическая окраска, этот тембр?

Фиг. 4. А — резонатор, S—• камертон, настроенный на тон резонатора. Оба они дают один и тот же тон. Изменяя расстояние звучащего камертона и резонатора, можно изменить силу звука, издаваемого резонатором. Имея ряд подобных приборов, можно изучать синтез, сложение звуков из простых тонов. При опытах колебания 'камертона поддерживают электромагнитным способом.

Гельмгольц показал, что простейшим видом колебаний является колебание камертона и даваемый им звук есть звук простой, или тон. Каждое сложное колебание состоит из ряда простых тонов, причем число колебаний самого низкого тона — основного — равно числу колебаний исследуемого звука.

Следующие тоны, так называемые обертоны, имеют число колебаний вдвое, втрое, вчетверо и т. д. больше, чем число колебаний основного тона. Подобрав основной тон и соответственные обертоны и придав им определенную интенсивность, можно получить тембр любого музыкального инструмента. Интересно, что анализ тонов, произведенный Гельмгольцем при помощи так называемых резонаторов, выделяющих из сложного звука простые тоны, позволяет произвести и обратное сложение — синтез любых звуков, заставив камертоны, снабженные резонаторами, усиливающими их звук, звучать с определенной

силой, причем необходимо выбрать такие колебания для основного тона и обертонов, которые по анализам, произведенным при помощи резонаторов, встречаются в изучаемом звуке. ,

Можно привести простой пример, который покажет, в чем тут дело. Если мы возьмем для опытов открытую органную трубу, то анализ издаваемого ею звука, точно так же как и чисто теоретические соображения, покажут существование в ней основного тона и всех обертонов. Если труба будет ' давать, например, 1 /тыс. колебаний в секунду, то в звуке, издаваемом ею, будут иметься тоны в 1 тыс. колебаний, в ,2, 3, 4 тыс. и т. д. Если мы возьмем закрытую трубу, дающую звук той же высоты, как и открытая труба, то, как показывает теория и подтверждает опыт анализа звука трубы, мы не будем иметь всех обертонов. Будут наблюдаться основной тон в 1 тыс. колебаний, второй обертон в 3 тыс. колебаний, четвертый обертон в 5 тыс. колебаний и т. д., словом, числа колебаний обертонов в открытой трубе будут относиться к основному тону, как ряд натуральных чисел (1, 2, 3, 4, В); числа же колебаний основного тона и обертонов в закрытой трубе будут относиться как 1 к 3, к б и т. д., словом, как ряд нечетных чисел. Замечательные работы Гельмгольца по акустике были завершены анализом звуков, даваемых человеческим голосом, и затем синтезом гласных человеческого голоса.

Фиг. б. R — резонатор, имеющий отверстие О, обращенное к источнику звука, и узкую трубочку А, вставляемую в ухо. Воздух резонатора начинает колебаться, и ухо слышит звук, если в окружающей среде имеется тон с числом колебаний резонатора. В окружающей среде могут быть тоны самых различных высот, слагающиеся в звуки. Резонатор из них выделит тот тон, который соответствует тону резонатора.

Как оказалось из исследований Гельмгольца, гласные человеческого голоса отличаются от звуков, даваемых музыкальными инструментами, тем, что наряду с гармоническими обертонами, числа колебаний которых относятся к основному тону, как 2, 3, 4 и т. д., в гласных человеческого голоса имеются всегда обертоны определенной высоты, характерной для каждой гласной. Наиболее низкий тон дает обертон гласной «у», более высокий обертон имеется у гласной «о», еще более высокий обертон у гласной «а», гласные «е» и «и» имеют самые высокие обертоны. Образование обертонов постоянной высоты зависит от формы полости рта и, главным образом, формы губ, так I на простом опыте показать образование глас-

Глазное зеркало по Гельмгольцу.