Мы охотно слушаем музыку, пение птиц, приятный человеческий голос. Напротив, тарахтенье телеги, визг пилы, мощные удары молота нам неприятны и нередко раздражают и утомляют.

Таким образом, по действию, производимому на нас, все звуки делятся на две группы: музыкальные звуки и шумы. Чем отличаются они друг от друга?

Чистый музыкальный звук всегда имеет определённую высоту. Это как бы организованная звуковая волна. Напротив, в шуме царит полный беспорядок. Прислушайтесь, например, к дневному шуму городской улицы. В нём вы услышите и краткие быстро исчезающие высокие звуки, и длительный низкий гул, и резкий лязг. Шум — это множество самых различных, одновременно несущихся звуков. Чем быстрее и резче изменяются их высота и сила, тем неприятнее на нас действует шум.

Каждый из вас легко обнаружит разницу между звуком рояля и скрипом сапога. Но не всегда можно провести резкую границу между музыкальным звуком и шумом. В шуме очень часто можно уловить музыкальные звуки. В свою очередь, и к музыкальным звукам всегда примешивается шум. От него не свободно даже самое искусное музыкальное исполнение. Попробуйте внимательно прислушаться к игре на рояле, и вы услышите, кроме звуков музыки, и стук клавишей, и удары пальцев по ним, и шелест переворачиваемых нотных листов. Точно так же и к пению всегда примешивается шум дыхания певца. Но обычно мы сосредоточиваем своё внимание на звуках самой музыки и не замечаем этого шума.

Получить чистый звук со строго определённой частотой колебания, даже при полном отсутствии посторонних шумов, очень трудно, и вот почему. Любое колеблющееся тело издаёт не только один основной звук. Его постоянно сопровождают звуки других частот. Эти «спутники» всегда выше основного звука и называются поэтому обертонами, то есть верхними тонами. Однако не стоит огорчаться существованием этих «спутников». Именно они-то и позволяют нам отличать звук одного инструмента от другого и голоса различных людей, если даже они равны по высоте. Каждому звуку обертоны придают своеобразную окраску или, как говорят, тембр. И если основной звук сопровождается близкими ему по высоте обертонами, то сам звук кажется нам мягким, «бархатным». Когда же обертоны значительно выше основного тона, мы говорим о неприятном «металлическом» голосе или звуке.

Причина появления обертонов сложна. Она лежит в физической природе колебания тел, и мы не станем её здесь рассматривать.

Шум вредно отражается на здоровье и работоспособности людей. Человек может работать при шуме, привыкает к нему, но продолжительное действие шума вызывает утомление, часто приводит к понижению остроты слуха, а в отдельных случаях и к глухоте. Поэтому борьба с шумом — очень важная задача.

Развивая технику, человек старается свой мускульный труд заменить работой машины. А применение машин, как иногда представляют себе, влечёт за собой увеличение шума. Неверно, однако, думать, что чем выше техника и чем больше механических средств применяет человек, тем больше он подвергает себя воздействию шума. История развития техники показывает, что с улучшением действия отдельных механизмов снижается или совсем устраняется шум при их работе. Вместе с изобретением новых машин открываются и новые пути борьбы с шумом. Действительно, паровая машина уступает своё место бесшумной турбине, грохочущий локомотив старой конструкции — менее шумному современному паровозу и электровозу. На смену звуковым сигналам, гудкам, свисткам, звонкам, там, где это возможно, приходят световые сигналы. Моторы, машины, дающие много шума, закрываются поглощающими звук оболочками, ставятся на особые фундаменты и т. д. Чтобы ослабить шум внутри помещений, на стены вешают ковры, драпируют двери и окна. Телефонные будки обивают войлоком или прессованными пробковыми плитами.

Но защититься полностью от внешнего шума очень трудно. Ведь звук проникает внутрь зданий не только по воздуху. Он пробирается и через стены, по водопроводным и канализационным трубам, через вентиляторы. Когда нужно полностью устранить всякий шум, например, при граммофонной записи или записи звуковых кинофильмов, строят специальные здания с особым фундаментом. В этих зданиях отдельные комнаты как бы «плавают» на упругих прокладках или пружинах. Двойные стены, изолированные одна от другой, двойные или даже тройные окна и двери, полное отсутствие щелей — вот какие сложные меры приходится применять для полного ограждения от шума.

Звуки музыки вызывают в нас самые различные переживания: чувство радости, бодрости, подъёма сил или же, наоборот, задумчивость и грусть.

Музыка — одно из старейших искусств. Со времён глубокой древности человеку было знакомо наслаждение, вызываемое определёнными музыкальными созвучиями. Музыка с такой необъяснимой силой действовала на человека, что наши далёкие предки считали её даром богов.

Есть прекрасное древнегреческое сказание о певце Орфее. Звуками лиры и своими песнями он усмирял диких зверей, удерживал потоки вод и заставлял следовать за собой скалы и леса.

Историки предполагают, что первые музыкальные произведения были простыми чередованиями нескольких звуков или подражанием крику животных и пению птиц. Музыкальные инструменты возникли из тех хозяйственных предметов, которыми люди пользовались в древности. Человек замечал, что тетива охотничьего лука звенит при пуске стрелы, что обычный охотничий рог может передать несложную мелодию, что при ударе металла о металл часто получаются приятные звуки. Музыкально одарённые люди не проходили мимо этих наблюдений, и певучая тетива выросла в арфу, лиру, скрипку, а охотничий рог — в различные духовые инструменты. Возникли и ударные инструменты: кастаньеты, бубны, барабаны — в них музыкальные звуки вызываются простыми ударами. Взгляните на рис. 8; трудно догадаться, что эта одинокая струна и лук должны изображать скрипку. Много было положено труда и накоплено опыта, прежде чем такая скрипка превратилась в совершеннейший музыкальный инструмент. Размеры и форма скрипки и материал для корпуса и струн подбирались столетиями. У современной скрипки четыре струны. Они изготовляются из кишок овцы; четвёртая басовая струна обвивается проволокой, а первая теперь заменяется стальной струной, дающей более яркий звук. Верхняя часть корпуса скрипки — дека — делается из ели, а нижняя часть и боковые планки — из белого клёна. Без корпуса струны издавали бы очень слабые звуки. Корпус усиливает звуки струн, в точности повторяет их колебания.

Рис. 8. Африканская скрипка

Интересно отметить, что чем больше играют на скрипке, тем более красивые звуки она начинает издавать. Поэтому старые скрипки ценятся очень дорого.

Современная арфа также прошла долгий путь — от неприхотливой негритянской арфы с одной струной — к современному изящному инструменту с несколькими десятками струн.

Предшественники пианино и рояля также были менее совершенными; они имели всего около 20 клавишей и могли издавать звуки лишь одной силы. Только около 200 лет назад появились инструменты, способные издавать звуки разной громкости и имеющие до 90 клавишей.

Несмотря на то, что ухо человека слышит звуки в очень широкой области частот (от 16 до 20 000 колебаний в секунду), музыка не использует всех этих звуков. У рояля, например, самый низкий звук соответствует 27 колебаниям струны в секунду, а самый высокий — примерно 4000.

Звуки человеческого голоса ограничиваются ещё более узкой областью частот. У разных певцов, например, границы частот такие:

У баса … от 80 до 320

У баритона … от 96 до 387

У тенора … от 122 до 488

У контральто (2-й голос) … от 145 до 580

У сопрано (1-й голос) … от 259 до 1034

Для музыкальных звуков имеется особая азбука — ноты. Каждый звук может быть записан по этой азбуке, причём отмечается не только его высота, но и громкость и продолжительность. В этом отношении музыкант, играющий по нотам, получает от музыкального письма указаний больше, чем чтец от страницы книги.

Все музыкальные звуки делятся на 8 участков — октав. Каждая октава, в свою очередь, делится на 7 основных тонов: до, ре, ми, фа, соль, ля, си. Любая нота одной октавы отличается по частоте от такой же ноты соседней октавы в два раза. Если, например, нота ми одной октавы имеет частоту 160, то частота ми предыдущей октавы — 80, а ми последующей октавы — 320. Замечательно, что у всех народов, даже у тех, которые развивались изолированно от других, существует деление музыкальных звуков на октавы. Это объясняется той исключительной тонкостью, с какой ухо человека воспринимает звуки.

Для настройки музыкальных инструментов применяется обычно звук ля с числом колебаний 435. В нотной записи он обозначается так:

Вокруг нас ежесекундно рождаются самые различные звуки.

В жизни природы очень редко бывает полная тишина. Пойдёте ли вы на пустынный берег реки, в поле или лес — вы всегда, прислушавшись, уловите слабые звуки: на берегу реки — чуть слышный плеск, в поле — лёгкий шорох колосьев, в лесу — треск сухой ветки, шелест листьев. Только иногда в знойный полдень царствует в лесу безмолвие. Все животные, истомлённые жарой, прячутся в густую чащу, и не слышно тогда ни пения птиц, ни звона насекомых, и ни одна былинка, ни один сучок не хрустнет в лесу. Но даже и в эти редкие часы вдруг повеет ветерок, зашуршит трава и зашумят листья на деревьях, будто их кто считает, перекладывая с места на место, как листы бумаги.

Но природа изменчива, и покой её не долог. Пройдёт час, и от тишины не останется и следа. Вот появляется откуда-то взявшаяся тёмная туча, закрывая собой солнце. Налетает вихрь, и воздух наполняется сотнями звуков. Блеснёт молния, и от глухих раскатов грома содрогнётся небо. Первые капли дождя, как маленькие молоточки, отрывисто застучат по гладким листьям. Сначала эти удары капель можно считать, но через какую-нибудь минуту они превращаются в сплошной шум водопада.

Но вот прошла туча, стих ветер, и звуки бури снова уступают место тишине. Только молчавшие до грозы ручьи зажурчат, запенятся и весело понесут свою мутную воду между камней. Так за короткое время в природе возникают и снова исчезают самые различные звуки.

Попробуем объяснить некоторые из звуков, рождённых природой.

Почему шумит от ветра лес?

Ветер шевелит листья деревьев; они трутся и ударяются друг о друга. При этом возникают колебания, которые и передаются по воздуху в виде звуковой волны. Шумит лес в разное время по-разному. Весной, когда листья нежные, их шелест низкий и мягкий; с приближением осени листья делаются жёсткими, и шелест их становится более грубым и высоким по тону. Как струны разной длины и толщины звучат по-разному, так и различные породы деревьев дают неодинаковый шум. Так, тополь, у которого листья сидят на длинных черенках, сильнее других деревьев шелестит при ветре. Хвойный лес со своими тонкими иглами всегда рождает шум более высокого тона, чем лиственный.

Перескакивая с камня на камень, бежит ручей. А где и как появляется его журчащий звук? Быстро текущая вода образует около камней водовороты и воронки. В этих водоворотах она как бы заглатывает в себя воздух. Вырваться из воды воздух может только при более спокойном течении. И журчание возникает уже за камнем — там, где из воды выходят пузырьки воздуха. Эти пузырьки, вызывая колебания, создают своеобразный звук бегущего ручья.

Часто мы слышим, как в проводах «воет» ветер. Воет ветер и в обнажённом лесу. Чем вызван этот вой?

Когда ветер слаб, то поток воздуха, встречая на своём пути провод, спокойно его огибает и беззвучно следует дальше. Но если скорость ветра значительна, то у провода возникают воздушные вихри. Порывистые воздушные течения обходят препятствия то с одной, то с другой стороны, тем самым раскачивают его. Провод начинает колебаться и звучать. Тому, кто катался на лодке, подобные колебания хорошо знакомы. При движении лодки опущенное в воду весло дрожит.

Многие из вас, вероятно, наблюдали также, как беспрерывно качаются при быстром течении воткнутые в дно реки тонкие колышки или вехи. Так же при ветре дрожат сучья обнажённого леса. Дрожания эти могут происходить с такой частотой, что возникает слышимый звук.

Часто говорят: «чайник уже шумит, скоро закипит». Каждый знает, что прежде чем закипеть, чайник должен шуметь. Как объяснить это явление? А вот как. Самое горячее место у чайника — его дно, и в первую очередь нагреваются нижние слои воды. В нагретой воде образуются пузырьки пара, которые благодаря своей высокой температуре выдерживают давление воды. Но нагретая вода легче холодной. Она, а вместе с ней и пузырьки поднимаются вверх и, смешиваясь с холодными слоями воды, отдают часть своего тепла. Температура пара в пузырьках падает, а значит, падает и давление внутри их. Теперь они уже не могут противостоять давлению воды и как бы раздавливаются ею. Частички воды со всех сторон устремляются внутрь пузырьков и, сталкиваясь, производят звук удара. Огромное количество таких ударов и создаёт «пение» чайника.

Подобное же явление наблюдается при работе винта парохода или моторной лодки, хотя они издают иной звук. От быстрого вращения лопастей в воде образуются пустоты, в которые со всех сторон летят частицы окружающей воды. Следующие друг за другом удары сливаются в сплошной гул. Кстати сказать, такие удары воды бывают настолько сильны, что иногда приводят к разрушению самого винта.

Рассмотрим ещё один пример — шипение воды, попавшей на раскалённую поверхность, например на горячую плиту. В этом случае нижний слой воды моментально вскипает, превращаясь в пар. Каждая капля воды, переходя в пар, увеличивается в объёме приблизительно в полторы тысячи раз. Этот пар разбрызгивает остальную воду, и мелкие капли её, падая на горячую плиту, вскипают с тем же увеличением своего объёма. Быстрое превращение капель воды в пар вызывает толчки в окружающем воздухе, что и порождает характерный звук шипения.