Обычно шум маскирует (скрывает) сигнал — например, на очень шумной вечеринке голос собеседника может потонуть в гуле других голосов. Однако в некоторых ситуациях шум может усилить интенсивность сигнала. Например, если вы слушаете музыку и выставите громкость на минимум, звуки окажутся слишком слабыми, чтобы их услышать. Если вы включите источник шума, издающий абсолютно равномерный звук (например, гудение) и подстроите на нужный уровень громкость источника, то обнаружите, что вновь слышите музыку. Как может шум сделать неслышную музыку слышной?

ОТВЕТ • Музыкальная мелодия образуется звуками разной громкости, но если вы повернете ручку громкости в такое положение, что звук будет приглушен полностью, вы не услышите даже самых громких звуков. Если теперь вы добавите постоянный фоновый шум, уровень шума добавится к уровню звука музыкальной мелодии, и когда зазвучат громкие ноты, добавленный шум усилит громкость этих нот и сделает их слышимыми. Теперь вы сможете уловить ритм музыкального произведения и, возможно, даже услышать некоторые его фрагменты. Вы, конечно, не добьетесь хорошего качества воспроизведения музыки, поскольку не услышите тихие ноты, однако этого может оказаться достаточно, чтобы понять, что именно исполняется.

Звуки, издаваемые пациентом при дыхании через грудь, спину и горло, могут рассказать врачу о том, что с пациентом что-то не так. Очевидно, доктор не сможет услышать эти звуки, просто стоя рядом с пациентом, для этого он использует стетоскоп. Может ли доктор расслышать эти звуки, прижав ухо к груди пациента? Что вызывает эти звуки?

ОТВЕТ • Звуки главным образом возникают при прокачке крови через сердце и воздуха через легкие и горло. Причины возникновения звуков при прохождении воздуха до сих пор до конца не понятны, но считается, что их вызывает турбулентность, приводящая к перепадам давления в потоке воздуха, которые в виде звуковых волн выходят через грудь, спину и горло. И очень высокая турбулентность, и слишком маленькая (отсутствие дыхательных шумов — молчаливая грудь) указывают на проблемы с прокачкой воздуха и непорядок в легких. Шумы и хрипы (длящиеся дольше, чем шумы) могут быть признаками обструкции (сужения) дыхательных путей, а это в свою очередь может быть симптомом астмы, некоторых опухолей и других неприятных ситуаций.

Различные звуки, которые возникают внутри организма пациента, передаются стенкам легких, причем низкочастотные звуки проходят легче. Однако через границу грудь/воздух звук проходит с трудом. Врач может услышать некоторые звуки (это, в первую очередь, биение сердца), плотно прижав ухо к груди пациента, поскольку эти звуки могут войти в резонанс с собственными частотами его слухового канала. На самом деле в недавнем прошлом звуки внутри организма пациента доктора в основном так и прослушивали — прижимая ухо к его груди. Однако при помощи стетоскопа это делать удобнее. Кроме того, поскольку низкочастотные звуки могут войти в резонанс с собственными колебаниями трубок стетоскопа, громкость звуков при прослушивании через него увеличивается.

В традиционных стетоскопах камеры бывают двух разновидностей: одни содержат металлическую диафрагму, другие — резиновый колокол (воронку). Звуки в груди вызывают колебания диафрагмы или воздуха внутри резинового колокола, а это в свою очередь заставляет колебаться воздух в трубках стетоскопа, так что доктор слышит эти колебания. И диафрагма, и колокол шире трубок, так что они могут собрать звуки с довольно большой области груди, но эта площадь не настолько велика, чтобы невозможно было определить положение источника шумов внутри грудной клетки. Экспериментально доказано, что стетоскопы с диафрагмами лучше передают звуки в ухо доктора, чем стетоскопы с резиновыми воронками, но многие врачи все еще предпочитают пользоваться стетоскопами с резиновыми воронками.

Почему, если трогать гитарную струну в определенной точке и одновременно ее натягивать, частота звука увеличивается? Почему, если растягивать резиновую ленту между большим и указательным пальцами и одновременно трогать ее, частота издаваемого при этом звука остается той же самой или даже чуть понижается? Почему гитаристы перед выходом на сцену некоторое время разыгрываются за кулисами?

ОТВЕТ • Когда вы трогаете гитарную струну, вы слышите звуки, так как некоторые волны, распространяющиеся вдоль струны, усиливают друг друга, то есть наступает резонанс. Большинство волн, возбуждаемых в струне, не усиливают друг друга. Усиление означает, что движение струны в воздухе становится заметным, и это вызывает изменения давления воздуха и, соответственно, звуковые волны.

Частота одной из волн, на которой устанавливается резонанс, называется основной частотой, и ей соответствует звук с наименьшей частотой среди всех волн, возбуждаемых в струне. Значение этой частоты зависит от длины струны и скорости, с которой волны бегут по струне, а скорость, в свою очередь, зависит от натяжения струны, диаметра и плотности материала струны. Так что частоту, на которой струна издает звук, определяют ее длина, натяжение, диаметр и плотность материала.

Если натягивать гитарную струну, увеличивается ее натяжение, а остальные параметры существенно не меняются. В результате волна бежит быстрее, и испускаемый звук приобретает большую частоту. А если растягивать резиновую ленту, натяжение тоже увеличивается, но, кроме того, она заметно удлиняется и сужается, а плотность материала не изменяется. В результате скорость волны существенно не меняется, а следовательно, и частота ее колебаний, и частота издаваемого звука остаются почти постоянными.

При игре на гитаре струны колеблются, нагреваются и расширяются, их натяжение падает, падает и частота звука, издаваемого струнами. Исполнитель не хочет, чтобы это случилось на сцене, потому что тогда струны придется перенастраивать на нужный лад. Поэтому гитарист разыгрывается за кулисами до тех пор, пока струны не нагреются, и перед самым выходом подтягивает их еще раз, чтобы настроить гитару как надо.

Почему, когда вы ведете смычком по струнам скрипки, она издает звук? Почему, если вести смычком по середине струны, звука почти не слышно? Если струна все-таки издаст звук, он вряд ли окажется мелодичным. Зачем струны натирают канифолью?

Струна с определенной длиной, натяжением и массой может издавать звуки с несколькими частотами, про которые говорят, что они образуют гармонический звукоряд. Например, самая низкая частота, называемая основной частотой, может составлять 500 Гц. Следующая частота в звукоряде, называемая первым обертоном, будет равна 2 × 500 = 1000 Гц. Можно найти следующие члены звукоряда, умножая 500 Гц последовательно на целые числа (3, 4, 5 и т. д.). Каждое положение смычка и пальца, прижимающего струну (а это положение задает длину отрезка струны, который может колебаться), определяет, какой тон звукоряда в действительности создаст струна. Не все скрипачи знают, что струны можно изготовить таким образом, чтобы в них могли возбуждаться субгармоники, то есть частоты, меньшие основной частоты, например вдвое меньшие. Как скрипач может извлечь из инструмента звуки на частотах субгармоник?