В классике тяжелого рока, например в композициях группы «Айрон Баттерфляй» или «Лед Зеппелин», очень важна басовая партия. Однако небольшие динамики конической формы с малым диаметром и глубиной, например автомобильные, не могут воспроизвести басовые аккорды, поскольку в музыке содержится много звуковых волн с большими длинами волн. Но все же музыка и в этих динамиках звучит прилично. Как же мы слышим басовую партию?

ОТВЕТ • Басовые звуки производятся в нашей голове благодаря двум эффектам. Один получил название эффект потери основных частот, который относится к нашему восприятию гармонического звукоряда. Такой звукоряд состоит из самой низкой (основной) частоты и более высоких частот (обертонов, или ступеней звукоряда), которые получаются умножением самой низкой частоты на целые числа. Например, если основная частота равна 500 Гц, ступени звукоряда будут равны 2 × 500 = 1000 Гц, 3 × 500 = 1500 Гц, 4 × 500 = 2000 Гц и т. д. Допустим, динамики в машине воспроизводят частоты выше 800 Гц, но не могут воспроизвести частоты ниже этой. Если этот гармонический звукоряд попадает в динамик, основная частота 500 Гц не может воспроизвестись, но более высокие частоты — могут. Хотя основная частота и не дойдет до ваших ушей, нервная система, ответственная за восприятие звука на этих высоких частотах и за идентификацию их как части гармонического звукоряда, создаст иллюзию того, что в звукоряде присутствует и основная частота. Как именно нервная система делает это, не совсем понятно.

Возможно, что эффект, благодаря которому мы слышим басовые тона, обусловлен нелинейностью слухового механизма. Это означает, что отклик уха на изменение любой звуковой волны искаженный. По-видимому, эта нелинейность нужна для того, чтобы воспринимать звук, громкость которого колеблется в очень широких пределах, а также быть в состоянии различать звуки различных частот. Один из побочных эффектов нелинейности проявляется, когда в ухо приходит звук с двумя частотами — скажем, f1 = 1000 Гц и f2 = 1500 Гц. Если звуковые волны имеют большую амплитуду, во внутреннем ухе появляется волна с частотой, равной разности этих частот (f2 ‒ f1 = 500 Гц). Поскольку эти две частоты являются двумя последовательными ступенями гармонического звукоряда, их разность равна основной частоте. Таким образом, хотя основная частота и не попадает в ухо, она возникает во внутреннем ухе из-за нелинейности слухового аппарата уха.

Можно услышать тон на разностной частоте f2 ‒ f1 и в других ситуациях, когда два источника издают громкие звуки на близких частотах. Они должны быть действительно громкими, чтобы во внутреннем ухе возникло искажение. Например, если одна флейта издает звук на частоте f1, а другая — на частоте f2, вы сможете услышать «флейту-призрак», звучащую на частоте f2 ‒ f1.

Тон, звучащий на разностной частоте, можно услышать и если кто-то сильно дунет в британский полицейский свисток, имеющий два отверстия. Если прикрыть пальцем ближайшее отверстие, получим звук на первой частоте, соответствующей открытому дальнему отверстию. Если закрыть дальнюю дырочку, получим звук на второй частоте, соответствующей открытому ближнему отверстию. Оставляя открытыми оба отверстия, кроме звуков на этих двух частотах получим еще и звук на третьей частоте — разностный тон.

Разностный тон также используется в органах. В принципе, для каждой ноты в органе должна быть своя труба. Но для звука нижнего до на частоте 16 Гц требуется труба длиной целых 10 м — очень большая, тяжелая и дорогая. Однако если использовать одновременно две трубы меньшего размера — одну, издающую звук верхнего до на частоте 32 Гц, и вторую, издающую звук соль на частоте 48 Гц, из-за нелинейности приемника внутреннего уха прозвучит и нижнее до на частоте 16 Гц. Таким образом две более короткие и дешевые трубы восполнят недостающий тон, но чудо рождения музыки произойдет в вашей голове.

Когда в мире началось повальное увлечение рок-н-роллом, многие родители пугали своих детей-подростков тем, что от этого грохота они оглохнут. Первые исследования вроде показали, что это не так. Однако рок распространялся, и когда он зазвучал на концертах и в ночных клубах в многократно усиленном виде (а потом и через наушники), у любителей такой музыки ухудшение слуха стало заметным. И действительно, после многолетнего прослушивания громкой музыки, и во время исполнения ее со сцены, и во время прослушивания записей через студийные наушники у многих ветеранов рока появились серьезные проблемы. Например, Тед Ньюджент оглох на одно ухо, а Ларс Ульрих из группы «Металлика» начал страдать от постоянного звона в ушах (тиннитуса), настолько навязчивого, что это мешало и концентрировать внимание, и спать.

Многие диджеи, работающие на шумных концертах и в ночных клубах, либо временно теряли слух, когда заканчивали работать, либо заработали тиннитус. Вред от наушников начал проявляться и у тех, кто подсел на прослушивание музыки через портативные устройства. Конечно, другие источники громких или резких звуков тоже могут быть вредны, например пылесос для уборки листьев, мощные газонокосилки, фейерверки, запущенные соседом, ружейные выстрелы, отбойные молотки, реактивные двигатели, мотоциклы и гоночные автомобили. Чтобы не оглохнуть, многие люди теперь принимают меры предосторожности. Некоторые используют пассивные беруши (затычки из вспененного материала), которые закрывают ушные отверстия. Другие применяют активные (уменьшающие шумы) наушники и шлемофоны, которые отслеживают любой продолжительный фоновый шум (вроде гула самолетных двигателей) и затем с помощью электроники пытаются ослабить его воздействие, создав противофазные колебания и сложив их с теми, которые надо подавить.

Почему громкий шум вызывает различные проблемы со слухом? Как активные беруши и наушники убирают шум?

ОТВЕТ • Точный механизм временной или постоянной потери слуха из-за громких звуков не вполне ясен. Возможно, временная потеря слуха возникает из-за уменьшения подачи крови во внутреннее ухо в результате сужения кровеносных сосудов. Постоянная потеря слуха может вызываться сгибанием ресничек волосковых клеток в ушной улитке, которые ответственны за преобразование звуковых сигналов в электрические, идущие по нервным волокнам в мозг. Если реснички изначально согнуты и сигналы отличаются от нормальных, мозг может решить, что в ухо идет звуковая волна, в результате в сознании появляется ощущение этого звука и у человека возникает звон в ушах.

Миниатюрное устройство в активных наушниках и шлемофонах отслеживает фоновый шум и производит собственный. Если шум в окружающем пространстве более-менее постоянный, это миниатюрное устройство генерирует звуковую волну с той же частотой и амплитудой. На первый взгляд кажется, что от этого станет только хуже. Однако эта волна генерируется в точности в противофазе с волной, идущей из окружающего пространства, так что во внутреннем ухе эти две волны в результате деструктивной интерференции гасят друг друга. Эффект поистине впечатляет: так, если надеть активный шлемофон, не включая его, шум работающих авиационных двигателей может быть почти непереносимым, а если включить шлемофон, шум тут же упадет до уровня шепота. Впрочем, некоторые исследователи полагают, что пользование такими наушниками может вызвать головную боль.