Можно ли видеть звуки

Нашёл интересную статью в древнейшем номере журнала "Наука и жизнь" за 1893 год. В статье рассказывается о способах визуализации звуковой волны, про опыты Гельмгольца по анализу звука. Кончается статья пророчеством о чудо-машинах, которые будут синтезировать человеческий голос.

Поставленный в заглавии вопрос многих читателей может привести в немалое смущение. Ведь, звуки можно только слышать, скажут они. И тем не менее, это верно.

Ощущение звука зависит от колебаний воздуха, действующих на нашу барабанную перепонку уха и производящих впечатление на наш мозг. Элементарные сведения об этом всем известны. Если натянутую струну привести в дрожание, то мы заметим даже простым глазом, что эта струна колеблется.

При более тщательном изучении вопроса, мы найдем и большие подробности, в роде, например, известных узлов и вспучиваний. Что звук есть результат колебаний воздуха, это ясно доказывает фонограф, записывающий человеческую речь и воспроизводящий ее потом.

Но изо всех способов исследования едва ли не самым оригинальным является способ "Манометрических огней Кёнига", дающий возможность получать изображения звуков. В виду того, что этот способ весьма мало известен, мы приведем его описание, вместе с позднейшими исследованиями.

Опыты с манометрическими огнями легко производить всюду, где есть светильный газ, или где можно получить его. Затем все приспособления чрезвычайно просты.

Главная часть – "манометрическая капсула". Это деревянная коробочка, разделенная по середине тонкою каучуковою перегородкой. Передняя часть соединена с газовым рожком, а задняя с каучуковою трубкой. Если исследуется, например, звук органных труб, то каучуковая трубка прямо с ними соединяется. Если надо исследовать звуки голоса, то конец трубки надевается на воронку (раструб), в которую говорит исследователь (как изображено на прилагаемой гравюре). Перед газовым рожком на оси установлено четырехплоскостное зеркало, устройство коего так же очень просто. Четыре одинаковых зеркала соединяются вместе на раме, укрепленной на оси. Ось снабжена коническим зубчатым колесом; другое такое-же колесо соединено с ручкой. При вращении последней, зеркала будут кружиться более или менее быстро, смотря по быстроте вращения рукоятки. Итак, всё устройство весьма несложно и, следовательно, не дорого.

Манометрическую капсулу легко устроить самому, следующим образом.

Возьмите обыкновенное деревянное пасхальное яйцо, раскрывающееся посередине; затем обыкновенный детский резиновый шар с газом (не мяч, а летающий шар; такие шары всюду разносят разносчики и продают по 5-10 копеек). Выпустив газ из шара, растягиваем тонкую резиновую пленку и натягиваем её на одну половину яйца, после чего надеваем другую половину. Выстоящие края плёнки обвязываем ниткой. Если в месте соединения запустить столярного клею, то обе половины яйца внутри будут разделены тонкою перегородкой. Прикрепляем к одной половине газовый рожок, а к другой гуттаперчевую трубу, - и всё готово. Устроить зеркала так же очень просто.

Было бы весьма интересно испробовать опыты с пламенем не газового рожка, а с иным. Это важно потому, что тогда опыты можно было бы производить всюду, тогда как ныне они возможны лишь там, где есть газ. А в России газ есть лишь в нескольких больших городах. Почему бы не попробовать пламени спиртовой лампы? Для этого стоит только в резервуар со спиртом поместить длинную трубку, и если взять круглый фитиль потолще, то легко приспособить всё. В этом случае, опыты стали бы доступны для всех и всюду.

Теперь перейдем к описанию самого способа производства опытов.

Установив аппарат, как показано на рисунке, открываем кран газовой горелки и зажигаем газ. Если при этом быстро вращать рукоятку, то во вращающихся зеркалах мы увидим огненную полосу. Ширина этой полосы зависит от величины пламени, а последняя – от степени давления, под которым газ выходит.

Соединяем гуттаперчевый рукав от манометрической капсулы, например, с деревянной органной трубой, в стенке которой сделано отверстие. Приводя трубу в звучание, будем вращать систему зеркал. Мы увидим в последних не просто огненную ленту, а зазубренную полосу. Дальнейшие наблюдения дают ряд чрезвычайно интересных результатов, особенно по сравнении с итогами других методов исследования.

Если труба даёт определенных основной тон, то в зеркалах мы видим ряд огненных языков, одной и той же величины и с равными промежутками. Возьмём тон октавой выше (для этого соединяем рукав с другою трубой, основной тон которой на октаву выше). Мы увидим в зеркалах ряд огненных языков, но этих языков вдвое больше на одинаковом протяжении и, следовательно, каждый язык вдвое тоньше.

Этим совершенно наглядно иллюстрируется то, что при увеличении числа колебаний какого-нибудь тона в два раза, получается тон октавой выше. Так например, если тон do имеет 522 колебания в секунду, то do октавой выше будет иметь уже 1044 колебания в секунду.

При этом напомним, что, по неизвестной причине, наш слух требует, чтобы отношением между числами колебаний тонов всегда были некоторые постоянные числа. Ныне употребляются в музыке семь тонов и 14 полутонов. Если принять, что число колебаний для произведения тона do равно единице, то следующие отношения выразятся так:

Тоны do re mi fa sol la si do

Число колебаний 1 9/8 5/4 4/3 3/2 5/3 15/8 2

Как мы видели выше, и способ манометрических огней доказывает то же самое относительно октавы. Весьма любопытны дальнейшие исследования.

Соединяем рукав капсулы с двумя трубами, из которых одна издаёт тон октавой выше против другой. Обе трубы начинают играть одновременно. В зеркалах мы увидим ленту языков, из которых одни будут более высокими и широкими, а другие более узкими и низкими (рис.4).

Берём две трубы в терцию (т.е. одна имеет основной тон do, а другая mi, отношение 4/5). Приводим эти трубы в звучание одновременно (рис. 5). В зеркалах получаем серию огненных языков, постоянно чередующихся из пяти языков, причём четыре постепенно увеличиваются, а пятый немного ниже самого большого и составляет переход к новой серии.

Описанная ранее световая иллюстрация является ещё более интересной при изучении тонов второстепенных. Здесь необходимо напомнить основы учения о второстепенных тонах, или "гармониках", обстоятельно разработанного знаменитым Гельмгольцем.

Всякий тон, издаваемый приведенною в дрожание струной, сопровождается другими, второстепенными, тонами; в предположении, что основной тон есть 1, побочные выразятся рядом натуральных цифр 2, 3, 4, 5 и т.д., причём в диатонической гамме есть пробелы лишь для некоторых чисел, каковы 7, 11 и пр. Поэтому тоны, в одно и то же время издаваемые струной, вместе с основным, например do, будут:

do1, do2, sol2, do3, mi3, sol3 и т.д.

Образование гармонических тонов объясняется тем, что при звучании колеблется не только вся струна, но и её части (1/2, 1/3, 1/4, и т.д.). Кто играет на гитаре, может проверить всё это очень легко, пробуя так называемые "флажолеты". Если привести в дрожание струну, настроенную в do, то, слегка прикоснувшись пальцем её середины, мы получим тон, октавой выше; коснувшись трети, получим sol2 и т.д. Оказывается, что в природе почти не существует звуков не сложных. Изучение человеческого голоса привело к ещё более поразительному заключению: все гласные и согласные звуки суть результат большей или меньшей сложности звуков, и этим открытием мы обязаны Гельмгольцу.

Этот учёный придумал весьма остроумный способ для разложения и составления звуков, - это резонатор. Резонаторы переделывались многократно, но наиболее употребительная форма их – шаровая. Полый медный шар с одной стороны имеет более широкое отверстие, для восприятия звука от звучащего инструмента, с другой – узкое, прикладываемое к уху. Для каждого звука резонатор особый, отзывающийся только на один определённый тон. Если взять несколько резонаторов и дать сложный тон, то отзовутся сразу несколько резонаторов, причем основной тон будет звучать сильнее, а прочие – слабее. От примеси этих побочных тонов, гармоник, зависит и тембр нашего голоса. Чем ниже тон, тем больше резонатор. С помощью последних Гельмгольц не только разлагал звуки, но и слагал их причём получились весьма любопытных результаты. Оказывается, что гласные звуки (и прочие), в сущности, являются лишь известной комбинацией тонов; например, а есть результат сочетания: si1, fa3, re4, fa4, la4#, причём fa3 очень слабое. Гласная у есть сочетание тона si с весьма слабым fa3; гласная и слагается: из весьма слабого тона si2, слабого si1, fa2 и fa3, сильного re4 и очень сильного si3.

Для иллюстрации этого Кениг придумал особый аппарат, представляющий возможность видеть разные комбинации звуков.

Фиг.3 изображает запись, даваемую остриём, при производстве сложных звуков, при помощи фонавтографа Скотта.

Прибор этот, изображённый на грав. 1-й, составлен из восьми резонаторов, из коих один даёт основной тон, а семь прочих – гармонические тоны. Каждый простой тон будет давать отзвук лишь в одном резонаторе. Если же есть сложные звуки, то и резонаторы дают сложные отзвуки.

Каждый резонатор соединен с газовой горелкой, а перед последними опять устанавливаются четыре вращающихся зеркала, в которых и наблюдается ряд огненных языков, или полос (см. рис. 1).

Фиг. 2 представляет вид языков для разных гласных звуков, а именно, для а, о, у, для каждого звука в различных тонах: do, sol, do (do=ut).

Это открытие касается лишь немногих звуков человеческой речи, представляющей сочетание массы гармоник.

Фиг.4 изображает запись острия при звучании камертонов, настроенных в разные тоны. Первая (сверху) пара обозначает запись, когда два тона в октаву (1:2). Вторая пара изображает запись, когда верхняя октава не совсем чиста, т.е. немного выше, или ниже нормальной (1:2+-). Ниже изображены записи при следующих отношениях: 1:3; 2:3; 3:4; 4:5; 5:8; 24:25; 80:81.

Согласные звуки почти вовсе не поддаются анализу до сих пор, а некоторые (ш, с, ф) не могут быть переданы даже фонографом, но это не значит, что сложная человеческая речь никогда не будет разложена на составные части. Наука идёт вперёд, хотя и медленно, но верными шагами. А когда будут открыты анализ и синтез каждого звука, то мы получим блестящую перспективу.

Именно, тогда явится возможность механически воспроизводить человеческую речь. Отчасти этому условию и ныне удовлетворяет фонограф, но он лишь повторяет одно и тоже. В будущем же возможны механические говорящие люди. Когда будут изучены все гармоники и найдены средства для их воспроизведения, то можно будет записывать голос известного лица со всеми оттенками тембра и воспроизводить его механически. Конечно, всё это ныне не осуществимо и рано, или поздно наверное осуществится. В этом отношении будущность акустики – огромная.

В заключении приведём ещё один оригинальный способ иллюстрации звуков, посредством записывания на зачернённой бумаге остриём, прикреплённым к камертону, издающему известный тон. Зачернённая бумажка помещается на поверхности вращающегося цинкового цилиндра. Остриё чертит на бумаге разные кривые, смотря по тону камертона.

Особенно характерны два последние (нижние) ряда означающие весьма тонкую пропорцию между отдельными тонами, едва, или даже почти не уловимую человеческим ухом.

Подобная же анаграмма представлена и на рис. 5. Здесь запись изображена в той же последовательности, но попарно, при следующих отношениях (начиная с верхней пары): 4:5; 2:3; 1:2; 5:6; 5:8; 3:4; 5:6 и т.д.

Все эти тонкости, по-видимому, представляющие лишь очень малый интерес, на самом деле весьма важны. Когда это будет хорошо разработано, могут появиться совершенно диковинные результаты.

Представьте себе не живого человека, а простую машину, в полном совершенстве воспроизводящую голос Патти, со всеми его интонациями. Можно устроить прибор, который будет петь даже много лучше Патти. Результаты этого очевидны и отнюдь нельзя думать, что такие приборы, рано или поздно, не появятся.