Количество колебаний воздуха в секунду называется частотой звука. Волны с разной частотой воспринимаются нами как звук разной высоты: волны с малой частотой воспринимаются как низкие, а волны с большой частотой – как высокие. Частота измеряется в герцах (Гц): 1 Гц = 1 колебание в секунду; или килогерцах (кГц): 1кГц = 1000 Гц. Наше ухо слышит звуки различной частоты – от 20 (нижняя граница слуха) до 20 тысяч Гц (верхняя граница). Именно этот диапазон волн называется звуковым диапазоном. Инфразвуки и ультразвуки человек не слышит. Однако человек к инфразвукам достаточно восприимчив. Частота в 6 Гц может вызвать у нас ощущение усталости, тоски, морскую болезнь. Инфразвук в 7 Гц особо опасен: смерть наступает от внезапной остановки сердца. Определенные низкочастотные звуки, действуя на слуховые анализаторы мозга, даже могут «убеждать» человека бросить курить, спокойно спать, соблюдать диету, быстро читать, усваивать иностранные языки, преодолевать стрессы и испытывать нежные чувства.

А вот звуки в ультразвуковых диапазонах человек не различает. Хотя собакам доступны частоты до 60 кГц, а кошкам – и того больше. Но в нашем голосе есть звуки частотой до 130–140 кГц. Зачем? Скорее всего, ультразвук, как и инфразвук, придает голосу эмоциональную окраску. Иными словами, если мы не распознаем многие звуки, которыми обмениваются животные, из этого еще не следует, что они не действуют на нас и через них мы не связаны с природой. Они проникают в наше подсознание и вызывают необъяснимым образом различные эмоции.

Некоторые исследования показывают, что ухо способно регистрировать звук с частотами и выше 20 кГц, но в слуховой системе стоит «блокировка», и такие звуки в чистом виде не воспринимаются. То есть мозг способен обрабатывать неслышимые ультразвуковые составляющие, если они являются гармониками высокого порядка слышимых звуков. Для ученых пока не ясно, потерял ли человек способность слышать чистый ультразвук вследствие урбанизации или эта способность остается неразвитой в силу ненадобности. Интересно, что способность слышать ультразвук спасла от уничтожения некоторые племена во время страшного цунами в 2004 г. в Юго-восточной Азии. Они услышали звук и покинули берег за несколько часов до катастрофы.

Частота волны обратно пропорциональна длине волны – отрезку на оси распространения волны, в котором умещается полный цикл изменения плотности воздуха. Чем больше частота звука, тем меньше длина волны и наоборот.

Амплитудой звуковой волны называется разница между самым высоким и самым низким значением плотности. Наши уши устроены таким образом, что когда мы слышим два звука, частоты которых относятся как 2: 1, то нам кажется, что эти звуки близки друг к другу и при одновременном воспроизведении они для нас как бы сливаются. Именно на этом эффекте основана музыкальная шкала высоты звуков, у которой одна и та же нота повторяется в каждой октаве. То есть в натуральном звукоряде частоты одинаковых нот соседних октав соотносятся между собой как 2: 1.

Существует еще важный параметр – уровень звука. Любая звуковая волна, которая распространяется в пространстве, может оказывать на встречающиеся препятствия (в том числе и барабанные перепонки) некое давление. Мы субъективно воспринимаем изменение давления звуковых волн в виде ощущения изменения громкости звука. Максимальное изменение давления в воздухе при распространении звуковых волн по сравнению с давлением при отсутствии волн называется звуковым давлением. Как и любое другое, звуковое давление измеряется в паскалях (Па).

Но в акустике, при оценке интенсивности звуковых волн чаще применяется другое понятие – сила звука. Оно показывает поток звуковой энергии, который каждую секунду проходит через квадратный сантиметр условной плоскости, расположенной перпендикулярно направлению распространения волны. Звуковое давление и сила звука находятся в квадратичной зависимости. То есть,

сила звука = звуковое давление в квадрате.

Сила звука описывает энергетические свойства самой волны и измеряется в ваттах на квадратный сантиметр (Вт/см²).

Для того чтобы мы смогли услышать тот или иной звук, его сила должна быть больше определенного уровня. Этот уровень называется порогом слышимости. То есть, если звуковая волна имеет малую интенсивность – ниже этого порога, мы просто не воспринимаем ее, и нам кажется, что вокруг стоит полная тишина, хотя на самом деле воздух вокруг колеблется. Точно так же дело обстоит и со звуками большой интенсивности – мы слышим звук только до определенного уровня, который называется болевым порогом. Если сила звука больше этого уровня, то мы испытываем боль в ушах.

Гитарист может извлекать из своего инструмента высокие и низкие, громкие и тихие звуки. Но что гитару делает гитарой? Почему ее звук отличается от звука фортепиано? Всё объясняется довольно просто: реальные звуки представляют собой созвучия, состоящие из нескольких простых волн. От комбинаций этих волн и зависит тембр инструмента.

У каждого созвучия есть основной тон – волна определенной частоты, которая имеет наибольший уровень. Например, у ноты ля первой октавы эта волна имеет частоту 440 Гц. Но вместе с ней звучат и другие волны, частота которых в 2, 3, 4 раза и т. д. выше, чем у основного тона (вы уже знаете, что эти звуки располагаются через октаву). В музыке они называются обертонами. В акустике принята немного другая терминология. И основной тон, и обертона называются гармониками и имеют порядковый номер в зависимости от высоты: основной тон – первая гармоника, первый обертон – вторая гармоника, и т. д.

Звуковая волна, которая встречает на своем пути перпендикулярную твердую поверхность (например, стену), отражается от нее и возвращается по тому же самому пути. Две волны, движущиеся в противоположные стороны способны производить так называемые стоячие волны, которые окрашивают звук новыми гармониками (то есть изменяют тембр звука). Например, в замкнутом прямоугольном помещении стоячие звуковые волны находятся точно посередине комнаты. И если вы встанете в это место, то услышите, как изменился звук (чаще всего в худшую сторону).

Если длина волны источника звука становится кратна длине помещения, то фаза отраженной волны совпадает с фазой прямой волны, в результате чего происходит их взаимное усиление. А так как в прямоугольном помещении звук отражается от стен несколько раз, то происходит многократное усиление громкости звука. То есть, возникает воздушный резонанс – частный случай стоячей волны.

Причем у помещений с разными геометрическими размерами будут разные критические частоты. Эту частоту называют частотой резонанса. Резонанс чаще всего возникает именно на низких частотах, так как длина волны низких звуков сравнима с длиной и шириной помещения.

Однако резонанс не всегда бывает вреден. В духовых инструментах и органах это явление используют для усиления звука и получения характерного тембра. В практике мантратерапии эффект резонанса используется в коллективных сеансах исцеления, многим исследователям известно потрясающее воздействие тибетских мантрических песнопений на сознание слушателей.

У любой трубки есть своя частота резонанса, которая определяется геометрическими размерами самой трубки. Если в такую трубку попадает звуковая волна (например, от трости саксофона), то в центре сечения трубки возникает резонансная волна определенной частоты, которая усиливает звук и украшает его новыми гармониками. Меняя длину трубки, мы можем добиться изменения высоты звука. Именно такой принцип управления используется во всех духовых инструментах: например, в тромбоне музыкант выдвигает колено трубы, меняя ее длину; в кларнете, гобое, флейте, саксофоне длина трубы меняется при помощи закрытия и открытия отверстий и т. д. В Аюрведе считается, что каналы жизненной энергии (нади) имеют форму трубки и в них возникает также эффект резонанса.