Страница:
Животные в городском зоопарке тоже плохо выносят машинные шумы. Противошумовые наушники для этих слонов пришлось изготовлять по специальному заказу.
Коммунальное строительство. Сейчас многие, очень многие люди останавливаются в далеко не фешенебельных, но зато тихих гостиницах, предпочитая их гостиницам в центре, где ежеминутно раздается рев машин, срывающихся с места по зеленому сигналу светофора у соседнего перекрестка, где звучит гул машин, несущихся по соседнему путепроводу, и где, быть может, к тому же еще недостаточно эффективная звукоизоляция между комнатами или этажами.
Мы добрались до последнего, четвертого эшелона звукозащитных средств -средств, контактирующих непосредственно с человеком. Чаще всего это противошумы, специальные противошумовые наушники. Они применяются тогда, когда человек должен входить в шумные помещения или работать у шумного оборудования.
Радикальное ли это средство? К сожалению, нет. Если даже полностью преградить шуму путь в слуховые проходы ушей, человек все же, хоть и в меньшей степени, будет его слышать вследствие так называемой костной проводимости звука. Недаром, когда не было технических средств акустической диагностики, опытные механики определяли, хорошо ли работает машина, приложив к скуле импровизированный стетоскоп -- гаечный ключ, опертый на вибрирующую поверхность.
Поэтому для работы в весьма шумных условиях применяют гермошлемы, похожие на шлемы космонавтов и охватывающие всю голову человека.
Шумы, оказывается, могут затормозить внедрение новой техники. Когда в 1964 году открылся первый участок скоростной железной дороги ("Синкансэн") между Токио и Осакой, общественность ликовала, железнодорожники проливали слезы радости, император произнес хвалебную речь, вся страна была преисполнена чувством гордости. Еще бы, скорости 267 километров в час никто доселе не достигал на железной дороге! Разработали проект внедрения системы "Синкансэн" во всей стране.
Но вот стали поступать все учащающиеся жалобы на шум, производимый сверхскоростными поездами. Некоторые инженеры-железнодорожники заявили, что система "Синкансэн" устареет раньше, чем получит распространение во всей Японии, и что нужны новые, более "чистые" (в данном случае, не создающие большого шума и вибрации) системы.
До сих пор мы говорили о борьбе с шумом, имеющей целью оздоровление среды. Но уменьшение шумовых уровней -- и это очень важно -- увеличивает производительность труда человека. Это отмечают специалисты на любых предприятиях. Так, на московском почтамте уменьшение шума на 10--15 децибел повысило производительность труда при сортировке писем на 18%. Готовая экономия при этом составила круглым счетом 1 миллион рублей.
Но, оказывается, есть предел, дальше которого уменьшение шума становится не только неполезным, но даже нежелательным. Одна из фирм ФРГ обеспечила новое здание конструкторского бюро совершенной звукоизоляцией. Ни один звук с улицы, даже грохот тяжелых грузовиков, не долетал сюда. И что же? Инженеры-конструкторы стали жаловаться на непривычную, неестественную тишину. Пришлось установить электроакустическое устройство, вопроизводящее легкий, совсем легкий гул. Производительность труда и настроение работников сразу поднялось. (Гнетущее влияние "абсолютной" тишины было, впрочем, известно и ранее, из опытов над людьми в сурдокамерах. Очевидно, человек за миллионы лет своего развития привык к определенному уровню природных шумов и не может в короткий срок адаптироваться к абсолютной тишине.)
НОВАЯ ОПАСНОСТЬ ПОЛЗЕТ
ИЗ ГЛУХОГО УГЛА
... включили "неслышимую" ноту Вуда. Последовал эффект вроде того, который предшествует землетрясению ... волна ужаса распространилась на Шзфтсбюри авеню.
В. Сибрук. Роберт Вуд
Приведенный в эпиграфе отрывок из книги о знаменитом американском физике Р. Вуде -- по-видимому, одно из первых описаний воздействия инфразвуковых колебаний на человека. "Неслышимая" нота включалась на репетиции в одном из театров в 1929 году с целью усиления сценического эффекта. Но этот эффект оказался настолько значительным, что режиссер тут же дал указание прекратить эксперименты.
Существует и другая версия, согласно которой Вуд, один из оригинальнейших физиков мира, рекордсмен и фантазер в науке, принес в театр инфразвуковой генератор (в данном случае это был действительно генератор неслышимых звуков), включил его во время представления и из своей ложи наблюдал, как зрителей охватило невероятное и необъяснимое для них беспокойство и нервозность.
В дальнейшем обширные исследования по генерированию инфразвука и воздействию его на человека развернулись во всех странах мира. Сошлемся лишь на материалы Международного коллоквиума по инфразвуку, состоявшегося в конце 1973 года в Париже. Эти материалы составляют солидный сборник объемом около 500 страниц. Начнем с печально-экзотических инцидентов, предположительно связанных с инфразвуком. Виднейший венгерский акустик Т. Тарноци доложил о гибели в гроте Борадль (Верхняя Венгрия) трех туристов в условиях резкого изменения атмосферного давления. В сочетании с узким и длинным входным коридором грот являл собой подобие резонатора, а это, как мы уже упоминали в соответствующей главе, могло послужить причиной резкого увеличения наружных колебаний атмосферного давления инфразвуковой частоты. Периодически наблюдавшееся появление судов -- "летучих голландцев" с мертвым экипажем на борту также все чаще в последнее время стали приписывать мощным инфразвуковым колебаниям, возникающим во время сильных штормов, тайфунов. Снабдить бы все суда простейшими инфразвуковыми самописцами уровня, чтобы можно было сопоставить затем изменения самочувствия экипажа с записанными колебаниями давления воздушной среды!
Пока же специалисты по охране окружающей среды ограничились тем, что установили, например, приемники инфразвука в верхних частях высотных зданий и при этом обнаружили следующее. Во время сильных порывов ветра уровень инфразвуковых колебаний (частоты 0,1 герца) достигает на верхних этажах 140 децибел, то есть даже несколько превышает порог болевого ощущения уха в диапазоне слышимых частот. Элементарная частица нейтрино обладает, как известно, громадной проникающей способностью. Инфразвук -- своего рода "акустическое нейтрино", он способен проходить без заметного ослабления через стекла окон и даже сквозь стены. Можно себе представить, что чувствуют не особенно здоровые люди в очень высоких зданиях при сильных порывах ветра.
Природные источники мощного инфразвука -- ураганы, извержения вулканов, электрические разряды и резкие колебания давления в атмосфере, быть может, не столь уж часто докучают человеку. Но в этой вредной области инфразвука человек быстро догоняет природу и в ряде случаев уже перегнал ее. Так, при запуске космических ракет типа "Аполлон" рекомендуемое (кратковременное) значение инфразвукового уровня для космонавтов составляет 140 децибел, а для обслуживающего персонала и окружающего населения 120 децибел.
Встреча двух поездов, движение поездов в тоннеле сопровождается появлением мощного инфразвукового шлейфа. (Актуальность этой проблемы была подчеркнута при проектировании тоннеля под Ла-Манщем).
Инфразвук в нашем повседневном окружении... На эту тему старейший английский акустик, лауреат премии Рэлея д-р Стефенс докладывал на всех международных форумах. Инфразвуковые шумы, производимые градирнями теплоэлектроцентралей, различными устройствами всасывания, нагревания воздуха или выпуска отработавших газов; неслышимые, но такие вредные инфразвуковые излучения мощных виброплощадок, грохотов, дробилок, транспортеров! Инфразвуковым шумам в судостроении и судоводительстве была недавно посвящена большая работа в югославском судостроительном журнале.
В общем, источников инфразвука хоть отбавляй. Поговорим теперь о том, каков же все-таки вероятный механизм воздействия инфразвука на организм человека и удается ли хоть в какой-то мере с этим воздействием бороться.
Длина инфразвуковой волны весьма велика (на частоте 3,5 герца она равна 100 метрам), проникновение ее в ткани тела также велико; фигурально говоря, человек слышит инфразвук всем телом. Какие же неприятности может причинить проникший в тело инфразвук? Более сотни лет человечество усиленно изучает свой слуховой орган, занимающий лишь ничтожную часть поверхности тела, и все еще нельзя считать процесс слухового восприятия полностью изученным. Что же говорить о восприятии телом инфразвука? Естественно, об этом пока имеются лишь отрывочные сведения.
Медики обратили внимание на опасный резонанс брюшной полости, имеющий место при колебаниях с частотой 4--8 герц. Пробовали стягивать (сначала на модели) область живота ремнями. Частоты резонансов несколько повысились, однако физиологическое воздействие инфразвука не ослабилось.
Легкие и сердце, как всякие объемные резонирующие системы, также склонны к интенсивным колебаниям при совпадении частот их резонансов с частотой инфразвука. Самое малое сопротивление инфразвуку оказывают стенки легких, что в конце концов может вызвать их повреждение.
Мозг. Здесь картина взаимодействия с инфразвуком особенно сложна. Небольшой группе испытуемых было предложено решить несложные задачи сначала при действии шума с частотой ниже 15 герц и уровнем примерно 115 децибел, затем при действии алкоголя и, наконец, при действии обоих факторов одновременно. Была установлена аналогия воздействия на человека алкоголя и инфразвукового облучения. При одновременном влиянии этих факторов эффект усиливался, способность к простейшей умственной работе заметно ухудшалась.
В других опытах было установлено, что и мозг может резонировать на определенных частотах. Кроме резонанса мозга как упругоинерционного тела, выявилась возможность "перекрестного" эффекта резонанса инфразвука с частотой р- и р-волн, существующих в мозгу каждого человека. Эти биологические волны отчетливо обнаруживаются на энцефалограммах, и по их характеру врачи судят о тех или иных заболеваниях мозга. Высказано предположение о том, что случайная стимуляция биоволн инфразвуком соответствующей частоты может повлиять на физиологическое состояние мозга.
Кровеносные сосуды. Здесь имеются уже некоторые статистические данные. В опытах французских акустиков и физиологов 42 молодых человека в течение 50 минут подвергались воздействию инфразвука с частотой 7,5 герца и уровнем 130 децибел. У всех испытуемых возникло заметное увеличение нижнего предела артериального давления. При воздействии инфразвука фиксировались изменения ритма сердечных сокращений и дыхания, ослабление функции зрения и слуха, повышенная утомляемость и другие нарушения.
Как упоминалось в одной из предыдущих глав, спектральные характеристики шума в звуковом диапазоне в настоящее время нормируются. Так как особенно травмируют нервную систему звуки высоких частот, то на этих частотах допустимые уровни шума малы. На низких частотах в слышимом диапазоне допускаются большие уровни звука. Но если подтвердится особо вредное действие инфразвука на человека, то возможно, что при нормировании инфразвукового шума придется уменьшать допустимые уровни против тех, которые разрешены для сопредельной области частот 60--100 герц.
Существуют ли какие-нибудь меры борьбы с инфразвуком? Следует признать, что этих мер пока не так уж много. Упомянем оригинальный глушитель инфразвукового шума компрессоров и других машин, разработанный Лабораторией охраны труда Ленин
В действующих международных санитарных шумовых нормах допустимые уровни звука тем выше, чем ниже его частота Но когда дело дойдет до нормирования на совсем низких частотах -- в неслышимом "чертовом царстве инфразвука", то, возможно, придется здесь снижать допустимые уровни.
градского института инженеров железнодорожного транспорта. В коробке этого глушителя одна из стенок сделана податливой, и это позволяет выравнивать низкочастотные переменные давления в потоке воздуха, идущего через глушитель в трубопровод. Площадки виброформовочных машин могут являться мощным источником низкочастотного звука. По-видимому, здесь не исключено применение интерференционного метода ослабления излучения путем противофазного наложения колебаний. В системах всасывания и распределения воздуха следует избегать резких изменений сечения, неоднородностей на пути движения потока, чтобы исключить возникновение низкочастотных колебаний.
Некоторые исследователи разделяют действие инфразвука на четыре градации -- от слабой до... смертельной. Классификация -- вещь хорошая, но она выглядит довольно беспомощно, если не известно, с чем связано проявление каждой градации.
Да, человечество еще не сдернуло полностью маску с дьявольского незнакомца, именуемого инфразвуком. Но рано или поздно это будет сделано. Остается надеяться, что черт окажется не таким страшным, как его сейчас малюют.
КОГДА ЗВУК УБИВАЕТ НАВЕРНЯКА
Пожалуйста, не волнуйтесь, читатель! Речь пойдет не об упомянутых вскользь "летучих голландцах" с экипажами, возможно, умерщвленными звуком. И не об описанной Октавом Мирбо китайской пытке под непрерывно звонящим колоколом, при которой узник, предварительно сойдя с ума, умирает через сутки-двое. И даже не о плавающих вверх брюхом (все в кровоподтеках!) рыбках, находящихся вблизи вибратора мощного гидролокатора в момент излучения им импульсов. Нет, речь пойдет о смерти радующей, о смерти исконного врага моряков всех времен и народов -- "морского желудя" -балянуса и ему подобных мелких организмов, которыми обрастает подводная часть кораблей, в результате чего их скорость заметно снижается.
Падение скорости может достигать 1--1,5 узла, что наносит значительный материальный ущерб пароходствам. Естественно, с этим мириться трудно. Наиболее распространенный прием борьбы -- применение необрастающих красок для подводной части судов. Однако срок службы этих красок, как правило, не превышает года, после чего судно необходимо вновь доковать и окрашивать. К тому же краски (эффект которых основан на выщелачивании в воду ядовитых веществ -- таких, например, как мышьяк) загрязняют воду и в течение довольно продолжительного времени (когда судно уже уйдет из данного района) воздействуют на те мелкие морские организмы, убивать которых уж нет никакого смысла.
Вот и возникла мысль использовать для целей борьбы с поселениями балянусов и мидий мощные ультразвуковые колебания. Несколько ультразвуковых вибраторов укрепляют вдоль корпуса судна изнутри к его обшивке. Вибраторы возбуждают колебания обшивки, вблизи нее возникает мощное ультразвуковое поле.
Каков же механизм губительного воздействия ультразвука на подводных "колонистов"? Прежде всего, обратили внимание на механические силы кавитационной природы. Известно, что при значительном разрежении (в частности, вследствие мощных упругих колебаний) в жидкости образуются участки разрыва сплошности, в которые диффундирует растворенный в ней воздух, а при более сильных разрежениях-- и водяной пар.
Кавитация на судах более известна как вредное явление. Она вызывает эрозию лопастей гребных винтов, превращая их за короткое время в обглоданные изъязвленные пластинки; в рыболокаторах я гидролокаторах образующиеся при особенно мощном излучении облака кавитационных пузырьков у вибраторов не пропускают излучаемые и принимаемые сигналы. Но вот в деле борьбы с биологическими объектами, поселяющимися на корпусах кораблей, кавитация явно полезна. Довольно скоро после появления кавитационные пузырьки захлопываются.
Характерная картина наружной поверхности подводной части судна, не защищенной от обрастания: морские желуди и другие организмы делают поверхность обшивки шероховатой.
Кавитационные пузырьки, возникающие на наружной поверхности обшивки при работе ультразвукового вибратора, не дают развиваться на обшивке колониям морских организмов.
При этом в воде возникают значительные силы и смещения, приводящие к гибели как самих "обрастателей", так и их личинок.
Долгое время других причин гибели обрастателей под действием мощного ультразвука не искали. Потом заметили, что при кавитации и связанных с ней процессах электролиза выделяются азотная кислота и перекись водорода, это также не может не повлиять на жизнедеятельность обрастателей. Высказывались и другие гипотезы о причинах их гибели: возникающие в воде при кавитации тепловые поля, пульсации давления, мешающие личинкам обрастателей закрепляться на поверхности корпуса, и даже... снижение электрокинетического потенциала, а следовательно, и жизнедеятельности клеток организмов, подвергающихся озвучиванию.
Как бы то ни было, явление ультразвукового противообрастающего облучения "работает". Частоты и интенсивность излучаемого звука выбирают такими, чтобы он не вызывал травмирующего действия на личный состав судов (ведь при работе вибраторов и вызванных ими колебаниях обшивки определенное излучение происходит и внутрь судна). Оказалось, что достаточно сильное угнетающее действие на балянусов и их собратий наблюдается уже при мощностях вибраторов 200--300 ватт. При большой толщине обшивки судна, как установил В.В. Корнев, мощность вибраторов приходится увеличивать.
Сколько же вибраторов требуется для эффективных мероприятий против обрастания? Может быть, ими потребуется усеять подводную часть судна? П. И. Щербаков в своей статье в научно-популярном журнале указывает, что на отечественных судах устанавливают не более шести вибраторов, а иногда их количество сокращают до двух. Режим их работы может быть либо непрерывным, либо периодическим. Последнее обусловлено тем, что процесс прикрепления личинок обрастателей к корпусу судна продолжается несколько часов (до 20), поэтому даже при периодическом включении вибраторов вероятность уничтожения личинок достаточно велика. Во время движения судов вибраторы можно включать реже, так как возникающие при ходе судна гидродинамические силы содействуют срыву личинок с поверхности обшивки.
И если случайные купальщики в какой-либо из гаваней почувствуют резь в ушах, беспокоиться не следует: просто одно из стоящих вблизи судов включило вибраторы ультразвуковой защиты. Но ультразвук этот таков, что убивает он только мелкие морские организмы, которые любят селиться большими колониями на подводной части судов.
ОТКУДА ВЗЯЛАСЬ У ЧЕЛОВЕКА
"УТИНАЯ РЕЧЬ"?
Термин "гелиевая речь" установился в международной практике уже более десятилетия назад. Связан он с глубоководными погружениями водолазов и аквалангистов. Во избежание физиологических нарушений в их скафандры вместо обычного воздуха вводят гелиево-кислородную смесь. Речь водолаза при этом сильно деформируется Частота резонансов полостей рта и носоглотки, участвующих в речеобразовании, смещается вверх, соответственно изменяются частоты характерных составляющих речи -- формант, определяющих ее разборчивость. При повышенных давлениях это смещение еще увеличивается, и тогда речевая связь между водолазом и обеспечивающим судном становится практически невозможной. Учитывая "бубнящий" характер такой речи, ей дали еще одно наименование -- "утиная".
Значительные работы по улучшению условий речевой связи выполнены в США и Японии. Один из первых методов исправления искажений речи в гелиево-кислородной смеси был основан на искусственной "обратной" деформации спектра речевого сигнала в тракте магнитофонной записи. Оказалось, что метод невозможно использовать для непосредственной непрерывной связи, так как требуется известное время на запись и воспроизводство обработанной речевой информации.
Лабораторией прикладных наук военно-морских сил США в Бруклине совместно с рядом фирм было выполнено много исследований и разработок по обеспечению нормальной речевой связи с водолазами и акванавтами при их глубоководных погружениях. Хороший результат получен при использовании так называемой вокодерной техники, применяемой в искусственных синтезаторах речи. Использовались многоканальные (до 34 частотных каналов) вокодеры.
Дальнейший прогресс обусловило привлечение цифровой техники. Речевой сигнал, сначала несколько растянутый электронным трактом во времени, превращается в серии двоичных импульсов преобразователя "аналог-цифра". Полученные импульсные группы вводятся в накопительные регистры Далее серии импульсов переводятся в непрерывный сигнал преобразователем "цифра-аналог" с учетом обеспечения нормального времени произнесения слов.
При опытах связи с акванавтами подводной исследовательской лаборатории "Силэб" было получено увеличение разборчивости речи с 20% (что характерно для обычной телефонной связи с человеком, находящимся в гелиево-кислородной атмосфере) до 90%. Заметно возросла естественность звучания речи в телефоне.
Спектрограмма фразы на английском языке, произнесенной в воздухе (верхний рисунок) и в гелиево-кислородной смеси (нижний рисунок). Видно усиление колебаний высоких частот при звучании речи в гелиево-кислородной смеси.
Специалисты признают, что хотя в принципе проблему улучшения качества речевой связи с водолазами и акванавтами можно считать решенной, потребуются еще большие усилия для того, чтобы сделать аппаратуру связи более простой, дешевой и компактной. Нуждаются в отработке электронные устройства, корректирующие "гелиевую речь" при изменении глубины нахождения водолаза или акванавта.
В подводной эре будущего устройства для коррекции речевой связи как между самими "гомо акватикус" -- людскими обитателями подводного мира, так и между ними и людьми на поверхности моря или земли займут достойное место.
СВЕТОМУЗЫКА И МУЗЫКОПЕЯ
...Река звуков... переносит в душу слушателя настроения, навеянные вдохновением артиста, возносит ее в царство вечной красоты...
Г, Гельмгольц. О физиологических основах музыкальной гармонии
Мы говорим, что некоторое произведение отличается музыкальностью даже тогда, когда оно является видом живописи.. Конечно, и поэты также называются творцами мелодий.
Она же (музыка) является утешением в страданиях. Поэтому флейты и наигрывают мелодии для людей, пребывающих в скорби, облегчая тем самым страдания последних.
Секст Эмпирик. Против музыкантов
Музыка -- колыбель акустики. И не коснуться ее, говоря об удивительном в мире звука, невозможно. Хотелось бы сказать о поисках человечеством правильных интервалов между тонами разной частоты, рождающих гармонические созвучия; о создании Пифагором с помощью опытов на его монохорде (а проще -натянутой на деке струне с перемещающимся зажимом) первого натурального музыкального строя; о перевороте, совершенном в XVII веке одним неведомым ранее органистом, которому удалось то, что не удавалось Кеплеру и Эйлеру, и который создал более совершенный равномерно темперированный музыкальный строй, сохранившийся до нашего времени; о великих мастерах прошлого, которые, не имея современных физико-математических представлений о процессе звучания тел, создавали тем не менее неповторимые по качеству скрипки; о музыкальных исканиях и порождениях XX века -- "узкоинтервальной" четвертитонной музыке; о различных "музыках шумов", "рисованной музыке" и прочем.
Хотелось бы... Но по необходимости приходится ограничивать круг рассматриваемых тем.
Цветомузыка. Новое ли это явление из области "перекрестных" психофизиологических эффектов? Еще античные философы, в частности, цитируемый нами Секст Эмпирик, говорили о слиянии эффектов восприятия музыки и живописи. Соединить цветовые ощущения с музыкой пробовал Леонардо да Винчи.
Ньютон после своих знаменитых опытов по разложению с помощью призмы белого цвета на составляющие отметил (скорее, быть может, формально), что "...ширина семи основных цветов спектра пропорциональна семи музыкальным тонам гаммы или семи интервалам между нотами октавы".
Дед великого натуралиста Ч. Дарвина Эразм Дарвин в книге "Храм природы", вышедшей в 1803 году, указывает уже на возможность создания практического цветомузыкального устройства. В этом устройстве свет от мощной лампы проходит через цветные стекла и падает на белую стену. Перед стеклами помещают подвижные решетки, соединенные с клавишами клавикордов, и "...производят одновременно слышимую и видимую музыку в унисон друг с другом".
Далее Э. Дарвин пишет: "В этом случае родство двух сестер -- Музыки и Живописи -- дает им право заимствовать друг у друга метафоры: музыканты говорят о блестящей музыке, о свете, о тенях концерта, а художники -- о гармонии цветов и тоне картины".
Разумеется, цветоклавикорды Эразма Дарвина -- это не настоящая цветомузыка в ее позднейшем понимании, как не настоящей цветомузыкой являются и современные цветомузыкальные устройства в различных торговых салонах и на выставках. Загляните в какой-нибудь магазин "Электроника", где демонстрируется подобное устройство. Синхронно с ритмами фокстрота или танго вспыхивают за ажурной решеткой спрятанные там разноцветные лампочки. Нет движения света, нет динамики его формы, вообще, бесполезно искать здесь какие-либо принципы цвето-музыкальных соответствий.
Первыми, кто попытался обосновать психоэстетические основы цветомузыки, были русские музыкальные гении Скрябин и Римский-Корсаков. За основу светозвуковых ассоциаций они брали прежде всего соответствия тональностей и цвета. Скрябин написал к своему "Прометею" специальную световую партитуру. В разное время это произведение пытались исполнить с цветовым сопровождением, но светотехника часто недалеко уходила от упомянутых выставочных устройств.
Коммунальное строительство. Сейчас многие, очень многие люди останавливаются в далеко не фешенебельных, но зато тихих гостиницах, предпочитая их гостиницам в центре, где ежеминутно раздается рев машин, срывающихся с места по зеленому сигналу светофора у соседнего перекрестка, где звучит гул машин, несущихся по соседнему путепроводу, и где, быть может, к тому же еще недостаточно эффективная звукоизоляция между комнатами или этажами.
Мы добрались до последнего, четвертого эшелона звукозащитных средств -средств, контактирующих непосредственно с человеком. Чаще всего это противошумы, специальные противошумовые наушники. Они применяются тогда, когда человек должен входить в шумные помещения или работать у шумного оборудования.
Радикальное ли это средство? К сожалению, нет. Если даже полностью преградить шуму путь в слуховые проходы ушей, человек все же, хоть и в меньшей степени, будет его слышать вследствие так называемой костной проводимости звука. Недаром, когда не было технических средств акустической диагностики, опытные механики определяли, хорошо ли работает машина, приложив к скуле импровизированный стетоскоп -- гаечный ключ, опертый на вибрирующую поверхность.
Поэтому для работы в весьма шумных условиях применяют гермошлемы, похожие на шлемы космонавтов и охватывающие всю голову человека.
Шумы, оказывается, могут затормозить внедрение новой техники. Когда в 1964 году открылся первый участок скоростной железной дороги ("Синкансэн") между Токио и Осакой, общественность ликовала, железнодорожники проливали слезы радости, император произнес хвалебную речь, вся страна была преисполнена чувством гордости. Еще бы, скорости 267 километров в час никто доселе не достигал на железной дороге! Разработали проект внедрения системы "Синкансэн" во всей стране.
Но вот стали поступать все учащающиеся жалобы на шум, производимый сверхскоростными поездами. Некоторые инженеры-железнодорожники заявили, что система "Синкансэн" устареет раньше, чем получит распространение во всей Японии, и что нужны новые, более "чистые" (в данном случае, не создающие большого шума и вибрации) системы.
До сих пор мы говорили о борьбе с шумом, имеющей целью оздоровление среды. Но уменьшение шумовых уровней -- и это очень важно -- увеличивает производительность труда человека. Это отмечают специалисты на любых предприятиях. Так, на московском почтамте уменьшение шума на 10--15 децибел повысило производительность труда при сортировке писем на 18%. Готовая экономия при этом составила круглым счетом 1 миллион рублей.
Но, оказывается, есть предел, дальше которого уменьшение шума становится не только неполезным, но даже нежелательным. Одна из фирм ФРГ обеспечила новое здание конструкторского бюро совершенной звукоизоляцией. Ни один звук с улицы, даже грохот тяжелых грузовиков, не долетал сюда. И что же? Инженеры-конструкторы стали жаловаться на непривычную, неестественную тишину. Пришлось установить электроакустическое устройство, вопроизводящее легкий, совсем легкий гул. Производительность труда и настроение работников сразу поднялось. (Гнетущее влияние "абсолютной" тишины было, впрочем, известно и ранее, из опытов над людьми в сурдокамерах. Очевидно, человек за миллионы лет своего развития привык к определенному уровню природных шумов и не может в короткий срок адаптироваться к абсолютной тишине.)
НОВАЯ ОПАСНОСТЬ ПОЛЗЕТ
ИЗ ГЛУХОГО УГЛА
... включили "неслышимую" ноту Вуда. Последовал эффект вроде того, который предшествует землетрясению ... волна ужаса распространилась на Шзфтсбюри авеню.
В. Сибрук. Роберт Вуд
Приведенный в эпиграфе отрывок из книги о знаменитом американском физике Р. Вуде -- по-видимому, одно из первых описаний воздействия инфразвуковых колебаний на человека. "Неслышимая" нота включалась на репетиции в одном из театров в 1929 году с целью усиления сценического эффекта. Но этот эффект оказался настолько значительным, что режиссер тут же дал указание прекратить эксперименты.
Существует и другая версия, согласно которой Вуд, один из оригинальнейших физиков мира, рекордсмен и фантазер в науке, принес в театр инфразвуковой генератор (в данном случае это был действительно генератор неслышимых звуков), включил его во время представления и из своей ложи наблюдал, как зрителей охватило невероятное и необъяснимое для них беспокойство и нервозность.
В дальнейшем обширные исследования по генерированию инфразвука и воздействию его на человека развернулись во всех странах мира. Сошлемся лишь на материалы Международного коллоквиума по инфразвуку, состоявшегося в конце 1973 года в Париже. Эти материалы составляют солидный сборник объемом около 500 страниц. Начнем с печально-экзотических инцидентов, предположительно связанных с инфразвуком. Виднейший венгерский акустик Т. Тарноци доложил о гибели в гроте Борадль (Верхняя Венгрия) трех туристов в условиях резкого изменения атмосферного давления. В сочетании с узким и длинным входным коридором грот являл собой подобие резонатора, а это, как мы уже упоминали в соответствующей главе, могло послужить причиной резкого увеличения наружных колебаний атмосферного давления инфразвуковой частоты. Периодически наблюдавшееся появление судов -- "летучих голландцев" с мертвым экипажем на борту также все чаще в последнее время стали приписывать мощным инфразвуковым колебаниям, возникающим во время сильных штормов, тайфунов. Снабдить бы все суда простейшими инфразвуковыми самописцами уровня, чтобы можно было сопоставить затем изменения самочувствия экипажа с записанными колебаниями давления воздушной среды!
Пока же специалисты по охране окружающей среды ограничились тем, что установили, например, приемники инфразвука в верхних частях высотных зданий и при этом обнаружили следующее. Во время сильных порывов ветра уровень инфразвуковых колебаний (частоты 0,1 герца) достигает на верхних этажах 140 децибел, то есть даже несколько превышает порог болевого ощущения уха в диапазоне слышимых частот. Элементарная частица нейтрино обладает, как известно, громадной проникающей способностью. Инфразвук -- своего рода "акустическое нейтрино", он способен проходить без заметного ослабления через стекла окон и даже сквозь стены. Можно себе представить, что чувствуют не особенно здоровые люди в очень высоких зданиях при сильных порывах ветра.
Природные источники мощного инфразвука -- ураганы, извержения вулканов, электрические разряды и резкие колебания давления в атмосфере, быть может, не столь уж часто докучают человеку. Но в этой вредной области инфразвука человек быстро догоняет природу и в ряде случаев уже перегнал ее. Так, при запуске космических ракет типа "Аполлон" рекомендуемое (кратковременное) значение инфразвукового уровня для космонавтов составляет 140 децибел, а для обслуживающего персонала и окружающего населения 120 децибел.
Встреча двух поездов, движение поездов в тоннеле сопровождается появлением мощного инфразвукового шлейфа. (Актуальность этой проблемы была подчеркнута при проектировании тоннеля под Ла-Манщем).
Инфразвук в нашем повседневном окружении... На эту тему старейший английский акустик, лауреат премии Рэлея д-р Стефенс докладывал на всех международных форумах. Инфразвуковые шумы, производимые градирнями теплоэлектроцентралей, различными устройствами всасывания, нагревания воздуха или выпуска отработавших газов; неслышимые, но такие вредные инфразвуковые излучения мощных виброплощадок, грохотов, дробилок, транспортеров! Инфразвуковым шумам в судостроении и судоводительстве была недавно посвящена большая работа в югославском судостроительном журнале.
В общем, источников инфразвука хоть отбавляй. Поговорим теперь о том, каков же все-таки вероятный механизм воздействия инфразвука на организм человека и удается ли хоть в какой-то мере с этим воздействием бороться.
Длина инфразвуковой волны весьма велика (на частоте 3,5 герца она равна 100 метрам), проникновение ее в ткани тела также велико; фигурально говоря, человек слышит инфразвук всем телом. Какие же неприятности может причинить проникший в тело инфразвук? Более сотни лет человечество усиленно изучает свой слуховой орган, занимающий лишь ничтожную часть поверхности тела, и все еще нельзя считать процесс слухового восприятия полностью изученным. Что же говорить о восприятии телом инфразвука? Естественно, об этом пока имеются лишь отрывочные сведения.
Медики обратили внимание на опасный резонанс брюшной полости, имеющий место при колебаниях с частотой 4--8 герц. Пробовали стягивать (сначала на модели) область живота ремнями. Частоты резонансов несколько повысились, однако физиологическое воздействие инфразвука не ослабилось.
Легкие и сердце, как всякие объемные резонирующие системы, также склонны к интенсивным колебаниям при совпадении частот их резонансов с частотой инфразвука. Самое малое сопротивление инфразвуку оказывают стенки легких, что в конце концов может вызвать их повреждение.
Мозг. Здесь картина взаимодействия с инфразвуком особенно сложна. Небольшой группе испытуемых было предложено решить несложные задачи сначала при действии шума с частотой ниже 15 герц и уровнем примерно 115 децибел, затем при действии алкоголя и, наконец, при действии обоих факторов одновременно. Была установлена аналогия воздействия на человека алкоголя и инфразвукового облучения. При одновременном влиянии этих факторов эффект усиливался, способность к простейшей умственной работе заметно ухудшалась.
В других опытах было установлено, что и мозг может резонировать на определенных частотах. Кроме резонанса мозга как упругоинерционного тела, выявилась возможность "перекрестного" эффекта резонанса инфразвука с частотой р- и р-волн, существующих в мозгу каждого человека. Эти биологические волны отчетливо обнаруживаются на энцефалограммах, и по их характеру врачи судят о тех или иных заболеваниях мозга. Высказано предположение о том, что случайная стимуляция биоволн инфразвуком соответствующей частоты может повлиять на физиологическое состояние мозга.
Кровеносные сосуды. Здесь имеются уже некоторые статистические данные. В опытах французских акустиков и физиологов 42 молодых человека в течение 50 минут подвергались воздействию инфразвука с частотой 7,5 герца и уровнем 130 децибел. У всех испытуемых возникло заметное увеличение нижнего предела артериального давления. При воздействии инфразвука фиксировались изменения ритма сердечных сокращений и дыхания, ослабление функции зрения и слуха, повышенная утомляемость и другие нарушения.
Как упоминалось в одной из предыдущих глав, спектральные характеристики шума в звуковом диапазоне в настоящее время нормируются. Так как особенно травмируют нервную систему звуки высоких частот, то на этих частотах допустимые уровни шума малы. На низких частотах в слышимом диапазоне допускаются большие уровни звука. Но если подтвердится особо вредное действие инфразвука на человека, то возможно, что при нормировании инфразвукового шума придется уменьшать допустимые уровни против тех, которые разрешены для сопредельной области частот 60--100 герц.
Существуют ли какие-нибудь меры борьбы с инфразвуком? Следует признать, что этих мер пока не так уж много. Упомянем оригинальный глушитель инфразвукового шума компрессоров и других машин, разработанный Лабораторией охраны труда Ленин
В действующих международных санитарных шумовых нормах допустимые уровни звука тем выше, чем ниже его частота Но когда дело дойдет до нормирования на совсем низких частотах -- в неслышимом "чертовом царстве инфразвука", то, возможно, придется здесь снижать допустимые уровни.
градского института инженеров железнодорожного транспорта. В коробке этого глушителя одна из стенок сделана податливой, и это позволяет выравнивать низкочастотные переменные давления в потоке воздуха, идущего через глушитель в трубопровод. Площадки виброформовочных машин могут являться мощным источником низкочастотного звука. По-видимому, здесь не исключено применение интерференционного метода ослабления излучения путем противофазного наложения колебаний. В системах всасывания и распределения воздуха следует избегать резких изменений сечения, неоднородностей на пути движения потока, чтобы исключить возникновение низкочастотных колебаний.
Некоторые исследователи разделяют действие инфразвука на четыре градации -- от слабой до... смертельной. Классификация -- вещь хорошая, но она выглядит довольно беспомощно, если не известно, с чем связано проявление каждой градации.
Да, человечество еще не сдернуло полностью маску с дьявольского незнакомца, именуемого инфразвуком. Но рано или поздно это будет сделано. Остается надеяться, что черт окажется не таким страшным, как его сейчас малюют.
КОГДА ЗВУК УБИВАЕТ НАВЕРНЯКА
Пожалуйста, не волнуйтесь, читатель! Речь пойдет не об упомянутых вскользь "летучих голландцах" с экипажами, возможно, умерщвленными звуком. И не об описанной Октавом Мирбо китайской пытке под непрерывно звонящим колоколом, при которой узник, предварительно сойдя с ума, умирает через сутки-двое. И даже не о плавающих вверх брюхом (все в кровоподтеках!) рыбках, находящихся вблизи вибратора мощного гидролокатора в момент излучения им импульсов. Нет, речь пойдет о смерти радующей, о смерти исконного врага моряков всех времен и народов -- "морского желудя" -балянуса и ему подобных мелких организмов, которыми обрастает подводная часть кораблей, в результате чего их скорость заметно снижается.
Падение скорости может достигать 1--1,5 узла, что наносит значительный материальный ущерб пароходствам. Естественно, с этим мириться трудно. Наиболее распространенный прием борьбы -- применение необрастающих красок для подводной части судов. Однако срок службы этих красок, как правило, не превышает года, после чего судно необходимо вновь доковать и окрашивать. К тому же краски (эффект которых основан на выщелачивании в воду ядовитых веществ -- таких, например, как мышьяк) загрязняют воду и в течение довольно продолжительного времени (когда судно уже уйдет из данного района) воздействуют на те мелкие морские организмы, убивать которых уж нет никакого смысла.
Вот и возникла мысль использовать для целей борьбы с поселениями балянусов и мидий мощные ультразвуковые колебания. Несколько ультразвуковых вибраторов укрепляют вдоль корпуса судна изнутри к его обшивке. Вибраторы возбуждают колебания обшивки, вблизи нее возникает мощное ультразвуковое поле.
Каков же механизм губительного воздействия ультразвука на подводных "колонистов"? Прежде всего, обратили внимание на механические силы кавитационной природы. Известно, что при значительном разрежении (в частности, вследствие мощных упругих колебаний) в жидкости образуются участки разрыва сплошности, в которые диффундирует растворенный в ней воздух, а при более сильных разрежениях-- и водяной пар.
Кавитация на судах более известна как вредное явление. Она вызывает эрозию лопастей гребных винтов, превращая их за короткое время в обглоданные изъязвленные пластинки; в рыболокаторах я гидролокаторах образующиеся при особенно мощном излучении облака кавитационных пузырьков у вибраторов не пропускают излучаемые и принимаемые сигналы. Но вот в деле борьбы с биологическими объектами, поселяющимися на корпусах кораблей, кавитация явно полезна. Довольно скоро после появления кавитационные пузырьки захлопываются.
Характерная картина наружной поверхности подводной части судна, не защищенной от обрастания: морские желуди и другие организмы делают поверхность обшивки шероховатой.
Кавитационные пузырьки, возникающие на наружной поверхности обшивки при работе ультразвукового вибратора, не дают развиваться на обшивке колониям морских организмов.
При этом в воде возникают значительные силы и смещения, приводящие к гибели как самих "обрастателей", так и их личинок.
Долгое время других причин гибели обрастателей под действием мощного ультразвука не искали. Потом заметили, что при кавитации и связанных с ней процессах электролиза выделяются азотная кислота и перекись водорода, это также не может не повлиять на жизнедеятельность обрастателей. Высказывались и другие гипотезы о причинах их гибели: возникающие в воде при кавитации тепловые поля, пульсации давления, мешающие личинкам обрастателей закрепляться на поверхности корпуса, и даже... снижение электрокинетического потенциала, а следовательно, и жизнедеятельности клеток организмов, подвергающихся озвучиванию.
Как бы то ни было, явление ультразвукового противообрастающего облучения "работает". Частоты и интенсивность излучаемого звука выбирают такими, чтобы он не вызывал травмирующего действия на личный состав судов (ведь при работе вибраторов и вызванных ими колебаниях обшивки определенное излучение происходит и внутрь судна). Оказалось, что достаточно сильное угнетающее действие на балянусов и их собратий наблюдается уже при мощностях вибраторов 200--300 ватт. При большой толщине обшивки судна, как установил В.В. Корнев, мощность вибраторов приходится увеличивать.
Сколько же вибраторов требуется для эффективных мероприятий против обрастания? Может быть, ими потребуется усеять подводную часть судна? П. И. Щербаков в своей статье в научно-популярном журнале указывает, что на отечественных судах устанавливают не более шести вибраторов, а иногда их количество сокращают до двух. Режим их работы может быть либо непрерывным, либо периодическим. Последнее обусловлено тем, что процесс прикрепления личинок обрастателей к корпусу судна продолжается несколько часов (до 20), поэтому даже при периодическом включении вибраторов вероятность уничтожения личинок достаточно велика. Во время движения судов вибраторы можно включать реже, так как возникающие при ходе судна гидродинамические силы содействуют срыву личинок с поверхности обшивки.
И если случайные купальщики в какой-либо из гаваней почувствуют резь в ушах, беспокоиться не следует: просто одно из стоящих вблизи судов включило вибраторы ультразвуковой защиты. Но ультразвук этот таков, что убивает он только мелкие морские организмы, которые любят селиться большими колониями на подводной части судов.
ОТКУДА ВЗЯЛАСЬ У ЧЕЛОВЕКА
"УТИНАЯ РЕЧЬ"?
Термин "гелиевая речь" установился в международной практике уже более десятилетия назад. Связан он с глубоководными погружениями водолазов и аквалангистов. Во избежание физиологических нарушений в их скафандры вместо обычного воздуха вводят гелиево-кислородную смесь. Речь водолаза при этом сильно деформируется Частота резонансов полостей рта и носоглотки, участвующих в речеобразовании, смещается вверх, соответственно изменяются частоты характерных составляющих речи -- формант, определяющих ее разборчивость. При повышенных давлениях это смещение еще увеличивается, и тогда речевая связь между водолазом и обеспечивающим судном становится практически невозможной. Учитывая "бубнящий" характер такой речи, ей дали еще одно наименование -- "утиная".
Значительные работы по улучшению условий речевой связи выполнены в США и Японии. Один из первых методов исправления искажений речи в гелиево-кислородной смеси был основан на искусственной "обратной" деформации спектра речевого сигнала в тракте магнитофонной записи. Оказалось, что метод невозможно использовать для непосредственной непрерывной связи, так как требуется известное время на запись и воспроизводство обработанной речевой информации.
Лабораторией прикладных наук военно-морских сил США в Бруклине совместно с рядом фирм было выполнено много исследований и разработок по обеспечению нормальной речевой связи с водолазами и акванавтами при их глубоководных погружениях. Хороший результат получен при использовании так называемой вокодерной техники, применяемой в искусственных синтезаторах речи. Использовались многоканальные (до 34 частотных каналов) вокодеры.
Дальнейший прогресс обусловило привлечение цифровой техники. Речевой сигнал, сначала несколько растянутый электронным трактом во времени, превращается в серии двоичных импульсов преобразователя "аналог-цифра". Полученные импульсные группы вводятся в накопительные регистры Далее серии импульсов переводятся в непрерывный сигнал преобразователем "цифра-аналог" с учетом обеспечения нормального времени произнесения слов.
При опытах связи с акванавтами подводной исследовательской лаборатории "Силэб" было получено увеличение разборчивости речи с 20% (что характерно для обычной телефонной связи с человеком, находящимся в гелиево-кислородной атмосфере) до 90%. Заметно возросла естественность звучания речи в телефоне.
Спектрограмма фразы на английском языке, произнесенной в воздухе (верхний рисунок) и в гелиево-кислородной смеси (нижний рисунок). Видно усиление колебаний высоких частот при звучании речи в гелиево-кислородной смеси.
Специалисты признают, что хотя в принципе проблему улучшения качества речевой связи с водолазами и акванавтами можно считать решенной, потребуются еще большие усилия для того, чтобы сделать аппаратуру связи более простой, дешевой и компактной. Нуждаются в отработке электронные устройства, корректирующие "гелиевую речь" при изменении глубины нахождения водолаза или акванавта.
В подводной эре будущего устройства для коррекции речевой связи как между самими "гомо акватикус" -- людскими обитателями подводного мира, так и между ними и людьми на поверхности моря или земли займут достойное место.
СВЕТОМУЗЫКА И МУЗЫКОПЕЯ
...Река звуков... переносит в душу слушателя настроения, навеянные вдохновением артиста, возносит ее в царство вечной красоты...
Г, Гельмгольц. О физиологических основах музыкальной гармонии
Мы говорим, что некоторое произведение отличается музыкальностью даже тогда, когда оно является видом живописи.. Конечно, и поэты также называются творцами мелодий.
Она же (музыка) является утешением в страданиях. Поэтому флейты и наигрывают мелодии для людей, пребывающих в скорби, облегчая тем самым страдания последних.
Секст Эмпирик. Против музыкантов
Музыка -- колыбель акустики. И не коснуться ее, говоря об удивительном в мире звука, невозможно. Хотелось бы сказать о поисках человечеством правильных интервалов между тонами разной частоты, рождающих гармонические созвучия; о создании Пифагором с помощью опытов на его монохорде (а проще -натянутой на деке струне с перемещающимся зажимом) первого натурального музыкального строя; о перевороте, совершенном в XVII веке одним неведомым ранее органистом, которому удалось то, что не удавалось Кеплеру и Эйлеру, и который создал более совершенный равномерно темперированный музыкальный строй, сохранившийся до нашего времени; о великих мастерах прошлого, которые, не имея современных физико-математических представлений о процессе звучания тел, создавали тем не менее неповторимые по качеству скрипки; о музыкальных исканиях и порождениях XX века -- "узкоинтервальной" четвертитонной музыке; о различных "музыках шумов", "рисованной музыке" и прочем.
Хотелось бы... Но по необходимости приходится ограничивать круг рассматриваемых тем.
Цветомузыка. Новое ли это явление из области "перекрестных" психофизиологических эффектов? Еще античные философы, в частности, цитируемый нами Секст Эмпирик, говорили о слиянии эффектов восприятия музыки и живописи. Соединить цветовые ощущения с музыкой пробовал Леонардо да Винчи.
Ньютон после своих знаменитых опытов по разложению с помощью призмы белого цвета на составляющие отметил (скорее, быть может, формально), что "...ширина семи основных цветов спектра пропорциональна семи музыкальным тонам гаммы или семи интервалам между нотами октавы".
Дед великого натуралиста Ч. Дарвина Эразм Дарвин в книге "Храм природы", вышедшей в 1803 году, указывает уже на возможность создания практического цветомузыкального устройства. В этом устройстве свет от мощной лампы проходит через цветные стекла и падает на белую стену. Перед стеклами помещают подвижные решетки, соединенные с клавишами клавикордов, и "...производят одновременно слышимую и видимую музыку в унисон друг с другом".
Далее Э. Дарвин пишет: "В этом случае родство двух сестер -- Музыки и Живописи -- дает им право заимствовать друг у друга метафоры: музыканты говорят о блестящей музыке, о свете, о тенях концерта, а художники -- о гармонии цветов и тоне картины".
Разумеется, цветоклавикорды Эразма Дарвина -- это не настоящая цветомузыка в ее позднейшем понимании, как не настоящей цветомузыкой являются и современные цветомузыкальные устройства в различных торговых салонах и на выставках. Загляните в какой-нибудь магазин "Электроника", где демонстрируется подобное устройство. Синхронно с ритмами фокстрота или танго вспыхивают за ажурной решеткой спрятанные там разноцветные лампочки. Нет движения света, нет динамики его формы, вообще, бесполезно искать здесь какие-либо принципы цвето-музыкальных соответствий.
Первыми, кто попытался обосновать психоэстетические основы цветомузыки, были русские музыкальные гении Скрябин и Римский-Корсаков. За основу светозвуковых ассоциаций они брали прежде всего соответствия тональностей и цвета. Скрябин написал к своему "Прометею" специальную световую партитуру. В разное время это произведение пытались исполнить с цветовым сопровождением, но светотехника часто недалеко уходила от упомянутых выставочных устройств.