Физика и музыка

В спектре мощного баса на основной тон приходится обычно ничтожная доля всей звуковой энергии. Иногда спектр вовсе не фиксирует основного тона, который между тем слышен великолепно. Выходит, что певец складывает нижний тон из тонкозвучного хора высших обертонов. Словно женская капелла поет своими заливистыми сопрано рокочущую арию Кончака. Из сотни высоченных «жердей» складывается одно коротенькое «полено»! Удивительное явление!

А между тем, как вы прочтете в следующей главе, оно уже объяснено наукой. Разгадка пришла, когда особенности человеческого голоса глубже сопоставили с особенностями человеческого слуха, где заключены многие секреты восприятия музыкальных звучаний.

Да и всю физику музыки невозможно осмыслить без знания физики слуха.

УХО ВНОСИТ ПОПРАВКИ

Некогда в одной из радиостудий шла репетиция фантастического спектакля с участием марсиан, роботов и прочих таинственных персонажей. Актеры выбивались из сил, стараясь придать своим репликам «неземное» звучание. Ничего у них не выходило. «Нечеловеческие» голоса не получались. Но вот к режиссеру подошел многоопытный звукооператор и дал дельный совет:

— Пусть ваши «роботы» кричат в открытый рояль, нажав правую педаль.

Попробовали. И остались довольны.

Оказалось, что незажатые демпферами рояльные струны отзываются на человеческий голос и повторяют его со своеобразным металлическим, звенящим призвуком.

С тех пор радиорежиссеры, ставящие фантастические пьесы о космических полетах и далеких мирах, частенько пользуются этим приемом. Каждый наш читатель может проверить его — прокричать в открытый рояль. Тот будто услышит ваш голос и ответит звоном струн, довольно отчетливо повторяя гласные «а», «о», «у», «е».

А сто лет назад в рояль усиленно кричал основоположник музыкальной акустики Герман Гельмгольц. Возможно, это занятие и натолкнуло его на идею анализа музыкального звука. Ведь рояль тут выступал как типичный анализатор: струны резонировали лишь те тоны, которые звучали во «встряхивающей» их «звуковой смеси» — человеческом голосе. И, быть может, тот же рояль-«анализатор» подсказал ученому его интереснейшие идеи о природе человеческого слуха.

РОЯЛЬ В НЕДРАХ УХА

Гельмгольц, по образованию врач, был в одинаковой степени и физиком и физиологом. Он с увлечением копался в препарированных и заспиртованных органах слуха человека и животных. Цель была очень заманчива: понять, чем и как ухо слышит.

Поиски шли трудно. Поначалу ученый ошибся — принял подсобное за главное. Весь первый вариант «резонансной теории слуха» пошел насмарку. Гельмгольц скрепя сердце вынужден был отказаться от своих первоначальных выводов. Но руки у него не опустились. И в конце концов настойчивость взяла верх.

В недрах внутреннего уха ученый разыскивал нечто замечательное: крошечное подобие рояля с двадцатью тысячами «струн»—упругих волоконец разной длины. По «струне» на каждую частоту слышимых колебаний! Этот живой резонатор-анализатор спрятался в извилистой костяной трубке, наполненной особой жидкостью. И называется он основной мембраной.

Звуковые волны бегут в жидкости поперек «струн» — волокон, те мгновенно отзываются на них резонансными колебаниями, возбуждают многочисленные окончания слухового нерва, который и передает полученную информацию в мозг.

Позднее ученые чуть-чуть изменили понимание механизма слуха. Вероятно, резонансными свойствами наделена не только мембрана, но и вся жидкость в извилистой трубке — «лабиринте» уха. Эта трубка — вроде «музыкальной посуды» духового инструмента. Наполняющую ее жидкость пронизывают длинные и короткие волны. Они замыкаются дугами и бьют по разным местам мембраны, как пальцы пианиста по фортепьянным клавишам.

Правда, такое объяснение — лишь приближение к действительности. Подробности физиологии слуха выясняются лишь сегодня. Этот процесс необычайно сложен, связан с биоэнергетикой, механохимией, электроникой, кибернетикой. И столь же сложны его тонкие особенности, о которых надо поговорить особо.

ЗВУКИ-"ПРИЗРАКИ"

В XVIII веке падуанский скрипач Джузеппе Тартини сделал любопытное наблюдение. Как-то, готовясь к выступлению, он отрабатывал двойные звуки — вел смычком сразу по двум струнам. Чуткий слух музыканта был настороже и придирчиво следил за пением скрипки. И, когда громкость была велика, ухо улавливало непонятный посторонний призвук: к двум тонам почему-то примешивался третий, более низкий. Будто между двумя струнами приютилась третья, натянутая слабее. «Что еще за струна-невидимка? — удивился Тартини. — Или уши у меня не в порядке — слышат то, чего нет?»

Примерно тогда же странные призвуки, сопровождающие парные звуки, заметил гамбургский органист Зорге. Вскоре эти «комбинационные тоны» различали многие музыканты, считавшие свои уши вполне нормальными. Физики подсчитали, что частота «незаконнорожденного» басистого «ребенка» равна разности частот «отца» и «матери». Встал вопрос: как же возникает, откуда берется эта добавка?

Верный ответ дал опять-таки Гельмгольц.