Полицейский свисток производит так называемый краевой звук (краевой тон). Струя воздуха направляется на край отверстия, при этом поток разбивается на вихри, те срываются с края отверстия и порождают звуковые волны. Частота звука определяется резонансными частотами полости полицейского свистка подобно тому, как частота свиста через вытянутые трубочкой губы определяется собственными частотами полости рта. Но американский полицейский свисток устроен сложнее: в его внутренней полости скачет маленький шарик, он меняет ее конфигурацию (и, следовательно, резонансную частоту). Иногда он на мгновение затыкает отверстие, через которое полицейский выдувает воздух, и тогда поток воздуха прерывается. В результате свисток издает трели — и частота, и громкость свиста то нарастают, то спадают.

Подобным же образом издает звук флейта. Флейтист вдувает в нее воздух, и поток проносится через отверстие, огибая его край. Образовавшиеся вихри создают звук внутри камеры флейты, главным образом на резонансных частотах камеры. Часть энергии этих резонансных волн перекачивается обратно и идет на образование новых вихрей, так что вихри продолжают образовываться, резонанс — поддерживаться, и звук, который мы слышим, не прекращается.

Одно из самых любопытных устройств, издающих свист, — перуанская свистящая бутылка — керамическая бутылка для воды, которая изготавливалась перуанскими индейцами до прихода испанских завоевателей в 1532 году. В коллекциях сохранилось всего несколько экземпляров, однако ныне подобные устройства изготавливаются массово — в качестве сувениров. Бутылка состоит из двух камер, трубки, выходящей из одной из них, а также свистка. В одной из камер находится вода, и, если наклонить устройство, вода переливается в другую камеру, вытесненный воздух проходит через свисток и мы слышим свист. При этом вихри входят в резонанс с собственными колебаниями малой воздушной камеры.

Самые громкие свисты издают сирены, предупреждающие об опасности. Они до сих пор используются на некоторых автомобилях экстренных служб, их можно увидеть и в городе, на крышах домов. В современных полицейских автомобилях предупреждающий звуковой сигнал обычно создается с помощью электронных устройств, а вот на некоторых пожарных машинах до сих пор устанавливаются механические сирены, поскольку они издают очень громкие и пугающие звуки. Во время Второй мировой войны для предупреждения населения о воздушных налетах и во время холодной войны при проведении учений применялись специально сконструированные для этого мощные сирены. (Если вы встанете рядом с такой сиреной, громкость звука может превысить болевой порог.) Хотя существует множество разных видов сирен, большинство из них издают звук отверстия, продувая сжатый воздух сквозь две цилиндрические соосные сетки, одна из которых вращается вокруг общей оси. Сирена издает звук, когда отверстия на двух сетках совпадают. Частота звука, издаваемого сиреной, зависит от скорости вращения сетки.

Каким образом вы говорите и поете? Что нужно сделать, чтобы произнести что-то шепотом? Почему так трудно разобрать слова, когда арию на сцене исполняет сопрано?

ОТВЕТ • Звук производится с помощью мускулов, которые называются голосовыми связками и находятся в гортани. Сначала связки с противоположных сторон горла сжимаются, и горло остается перекрытым, пока давление воздуха в легких возрастает. В какой-то момент связки мгновенно раздвигаются, воздух из легких проходит через них, в результате возникает турбулентность, которая заставляет связки колебаться. Эти колебания меняют давление воздуха, в результате чего вверх, в вокальный тракт, включающий в себя гортань, рот и носовую полость, поступают звуковые волны. Частоты этих звуковых волн соответствуют колебательным частотам голосовых связок. Самая низкая частота называется фундаментальной, или основной, частотой голосовых связок. Другие частоты получаются умножением основной частоты на целое число. Например, если основная частота равна 70 Гц, другие частоты будут равны 2 × 70 = 140 Гц, 3 × 70 = 210 Гц и так далее.

Вокальный тракт представляет собой трубку, у которой один конец закрыт (со стороны гортани), а другой открыт (со стороны рта и ноздрей). Если звуковая волна имеет правильную частоту, в этой трубке может возникнуть резонанс. Эта частота называется частотой форманты, или просто формантой. Однако форманты — это не одиночные частоты, каждая из них — это участок спектра, в центре которого лежит частота, получаемая умножением самой низкой частоты на нечетное число. Например, если центр самой низкой форманты лежит на частоте 500 Гц, центры других формант будут лежать на частотах 3 × 500 = 1500 Гц, 5 × 500 = 2500 Гц и так далее.

Когда звук от голосовых связок поступает в вокальный тракт, колебания голосовых связок могут возбудить там какие-то форманты. Это означает, что звуковые волны на частоте формант внутри вокального тракта усиливаются настолько, что та их часть, которая покинула вокальный тракт, имеет достаточную мощность и ее можно услышать. По сути, вокальный тракт работает как фильтр на пути всех частот, генерируемых голосовыми связками. Этот фильтр можно перенастроить, изменив положение языка, открывая и закрывая рот, зажав нос или изменив высоту гортани по отношению к горлу, — все это изменяет частоту формант. Профессиональные оперные певцы не любят менять положение гортани, поскольку это мешает контролировать натяжение голосовых связок. Обычно они учатся удерживать гортань на месте с помощью мышц. Можно изменить частоту звуковых волн, направляемых в вокальный тракт, изменив натяжение голосовых связок: чем больше натяжение, тем выше частота. На первый взгляд это кажется сложным, хотя большинство из нас проделывает это уже в двухлетнем возрасте без всякой специальной подготовки.

Многие животные также могут извлекать звуки с помощью своей гортани. Некоторые даже умудряются контролировать частоту и амплитуду издаваемого ими звука, управляя мышцами гортани или размером вокального тракта. Некоторые, например говорящие попугаи и скворцы, могут столь мастерски управлять мышцами гортани, что им удается подражать человеческому голосу. Но только человек способен издавать такую богатую гамму звуков.

При шепоте голосовые связки расслаблены, так что поток воздуха проходит, не вызывая в них колебаний. Легкая турбулентность потока приводит к образованию звуков, которые возбуждают некоторые форманты в вокальном тракте. Для того чтобы говорить шепотом, нужно контролировать вокальный тракт и менять его размер и форму, главным образом с помощью языка и губ.

Чтобы сопрано, исполняющую арию в сопровождении оркестра, могли услышать в большом концертном зале, она должна громко петь на частотах значительно выше обычной нижней форманты ее вокального тракта. (Ей необходимо издавать звуки в том диапазоне частот, где оркестр обычно звучит тише, а человеческое ухо слышит лучше всего.) Конечно, она может напрячь свои голосовые связки, чтобы извлечь звук на высокой частоте, и потом подстроить эту частоту под высокочастотную форманту своего вокального тракта, но при этом громкого звука не получится.

И громкость будет выше, и тембр пения богаче, если певица сдвинет нижнюю форманту в сторону более высоких частот и уже затем возбудит эту форманту. Для того чтобы сдвинуть форманту, она опускает нижнюю челюсть, открывает рот и раздвигает губы как будто в улыбке. Это эффективно уменьшает длину вокального тракта, то есть увеличивает частоту форманты, и тогда более высокие частоты из гортани могут возбудить первую форманту в вокальном тракте, что означает, что певица сможет петь громко на более высоких частотах. Однако за это придется заплатить: певица уже не сможет артикулировать определенные звуки, и поэтому слушателям будет непросто разобрать слова арии.