Неведомая наука — акустика

Звук — явление столь же древнее, как и сама Земля. Хаос, в котором рождалась наша планета, сопровождался мощными ударами, вибрацией, звуками чудовищной силы. Когда Земля остыла и возникла жизнь, природа не затихла: волны с шумом бились о скалы, ветер завывал в ветвях, гром гремел в небе. И теперь природа порою создает не меньше шума, чем человек. В 1883 г., когда вулкан Кракатау обратил в пыль и выбросил на высоту в 25 км несколько кубических километров горной породы, грохот извержения не уступал грохоту современного атомного взрыва, а, может быть, и превосходил его.

У животных, которые в процессе эволюции приспосабливались к жизни на недавно остывшей Земле, возникли особые отростки головного мозга — органы слуха, и животные получили возможность улавливать звуки из окружающего их мира. Это увеличило шансы на выживание, так как звуки несут информацию; для обитателей первобытной Земли эта информация в основном сводилась к предупреждениям об опасности. Позже с помощью звуков начала устанавливаться связь. Различные звуки, издаваемые животными, служили для передачи сигналов опасности, способствовали объединению животных со стадным инстинктом и даже помогали процессу размножения — пользуясь любовным зовом, особи разных полов легче отыскивали партнеров.

Из всех живых существ только человек сумел полностью воспользоваться свойствами окружающей среды как носителя звуков. Не довольствуясь ворчанием и мычанием, человек, по мере того как росло количество информации, которую ему надо было передавать, учился издавать все более разнообразные звуки. Ведь человек — это общественное хищное животное; он уже не мог, подобно его предкам приматам, развалившись на ветвях деревьев, лениво тянуться за свисающими с них плодами. Общение с себе подобными стало для него жизненно необходимым. Выслеживание дичи, взаимная помощь при преследовании и умерщвлении добычи, предупреждение о грозящей опасности — все это требовало постоянно увеличивать содержательность общения, и таким образом человеческая речь родилась в силу острой необходимости.

Вскоре человек обнаружил, что звуки могут служить и другим целям; он обратил внимание на грохот, возникающий при ударах по пустому котлу для варки пищи, на звон и гудение тетивы натянутого охотничьего лука при вылете стрелы — так появились первые музыкальные инструменты.

Но не только речь и музыку внес человек в мир звуков. С отдаленнейших времен человек изготовлял примитивные орудия, обрабатывая камни, и, вероятно, не один пещерный житель затевал драку со своим соседом из-за непрерывного шума, сопровождающего обтесывание каменного топора. А когда человек изобрел колесо, он, сам того не сознавая, посеял первое зерно современной проблемы шума. Уже в древнем мире стук колес по каменной мостовой у многих вызывал бессонницу; позже в городах мостовые возле домов стали устилать соломой, чтобы приглушить цокот копыт и грохот железных колесных ободьев.

Железный век принес новые шумы: звон и грохот металла, из которого ковали оружие и утварь, не смолкая, разносились над поселениями. Человек научился создавать звучания, приятные для слуха, иными словами, творить музыку; но вместе с тем, производя все более громкие и неприятные шумы: треск и стук, скрежет и грохот, — он загрязнял звуками окружающую среду и притуплял свой слух. В сохранившихся кое-где и поныне первобытных сообществах преобладают, природные звуки, а сам человек почти не производит шумов. Развитие же техники привело к резкому увеличению шума. В течение многих веков человеческий слух не знал худших раздражителей, чем шум, возникавший при обработке дерева, камня или металла. Изобретение пороха принесло относительно новый вид шума — звуки взрывов, а также первую реальную опасность повреждения слуха. Наиболее сильный шум в те дни, безусловно, производили боевые сражения, где лязг топоров, мечей, доспехов и пушечная пальба заглушали вопли раненых, пение горнов и барабанную дробь.

Но только промышленная революция возвестила о приходе эпохи шума. Новые фабрики, рудники, доменные печи принесли с собой всестороннее загрязнение среды: зловоние, дым, обезображенный пейзаж и, разумеется, шум. С изобретением паровой машины и созданием больших механизмов проблема шума обострилась. Развитие железных дорог, появление двигателя внутреннего сгорания и рост применения стали — все это сопровождалось усилением шума. Теперь мы изобрели ракетный и дизельный двигатели, сложнейшие станки, и все они вносят свой вклад в общую какофонию. Сейчас большая часть населения земного шара страдает от шума. В одном отчете о проблеме шума[1] сравнивались результаты обследований, проведенных в 1948 и 1961 гг.; в обоих случаях было опрошено 1400 человек. Каждому был задан вопрос, случалось ли ему когда-либо, находясь в квартире, испытывать беспокойство от шума, поступающего снаружи. В 1948 г. утвердительно ответили 23 % опрошенных, а в 1961 г. — уже 50 %.

Печальная истина заключается в том, что, за редкими исключениями, развитие техники и успехи технологии всегда сопровождались общим усилением шума. Это и не удивительно, потому что до середины XIX в. никаких конкретных познаний о шуме не было, и борьба с ним не выходила за рамки, которые непосредственно подсказывал здравый смысл. И только во время второй мировой войны, когда акустика шагнула далеко вперед в Европе и Америке, этот раздел физики поднялся до уровня современной точной науки.

Век за веком ученые занимались исследованием звука: еще Пифагор проводил опыты с колебаниями натянутой струны. Потом, в течение сотен лет, все выглядело так, словно труды Пифагора были не только началом, но и завершением науки о звуке. Позже некоторые великие ученые — от Аристотеля и Евклида до Птолемея — строили теории звука, которые, однако, не имели прямой связи с физической стороной этого явления. И только 1500 лет спустя Галилео Галилей заложил основы акустики. Он начал примерно с того, на чем остановился Пифагор, и опять задрожала струна!

Творцами современной акустики, несомненно, были Герман Гельмгольц и лорд Рэлей, которые во второй половине XIX в. выполнили — независимо друг от друга — ряд фундаментальных теоретических работ. Сейчас Гельмгольц известен преимущественно своими работами по теории резонаторов[2], а славу Рэлею наряду с другими его трудами принес трактат «Теория звука», опубликованный в 1877 г. и содержавший существенно новые идеи. В 1904 г. Рэлей был удостоен Нобелевской премии в области физики[3].

Исследования шума и возможностей борьбы с ним, начатые несколько позже, первое время ограничивались вопросами, связанными с наземным и воздушным транспортом, а также работами по архитектурной акустике; но вскоре эти исследования значительно расширились и теперь охватывают все аспекты проблемы. Сейчас почти в каждой промышленно развитой стране существует научное акустическое общество, и список публикаций по вопросам шума непрерывно удлиняется. Современная акустика включает такие различные области, как ультразвуковая технология, имеющая огромное практическое значение для промышленности, подводная акустика, гидролокация, проблемы вибраций, музыкальной акустики, аудиологии и т. д. Акустику преподают в высших учебных заведениях, и многие крупные промышленные предприятия организуют собственные лаборатории для акустических исследований.

И все же, если попросить неспециалиста дать точное определение децибела, редко можно услышать нечто вразумительное. Как-то я посетил предприятие, на котором остро стояла проблема шума, и мой клиент, квалифицированный инженер, приветствовал меня задорным восклицанием: «Я и сам все знаю про шум, вы измеряете его в Изабеллах!». А владелец одной фабрики распорядился установить во всех цехах микрофоны и соединить их с усилителями и громкоговорителями, размещенными снаружи на пустыре, для того чтобы микрофоны всасывали цеховой шум, а громкоговорители выводили его наружу! Само слово «акустика» для многих служит символом неких таинственных явлений, и мистического искусства.

В пятом классе школы на уроках физики детям объясняют, что такое звук; многие мальчики вертели в руках камертон, знают о длине волны и частоте; юным музыкантам рассказывают о колебаниях струн, о трубах и обертонах, но дальше этого обучение продвигается очень редко.

Конструкторы современных сложных машин несут на себе всю тяжесть ответственности за сильнейшее раздражение, которое шум вызывает у большого числа людей, но тем не менее в своей профессиональной подготовке конструкторы почти не получают сведений относительно шума и способов его предотвращения. Только в последнее время аудитории высших учебных заведений стали заполнять те, кто более не может обойтись без знания акустики.

Борьба с шумом как объект серьезного изучения вышла на беговую дорожку технического соревнования с большим опозданием. По-видимому, шум считался либо дозволенным, либо просто неизбежным. Год за годом все пожимали плечами и полагали, что это одна из тех проблем, с которыми все равно никто не справится. У тысяч рабочих и работниц хлопкопрядильных фабрик уже после нескольких лет работы возникает стойкое повреждение слуха; котельщики даже щеголяют тем, что после клепальных работ внутри котла они целую неделю ничего не слышат; но мало кто относится к этим фактам иначе, чем к обычным невзгодам, связанным с профессией. Повреждения слуха, официально обозначаемые как «понижение слуха, обусловленное шумом», настолько распространены, что стало совсем не просто проводить обследования с целью установления критерия «нормального слуха». Мало кто из отбывавших действительную военную службу избежал повреждения слуха от орудийной стрельбы. В кабинах грузовиков с дизельными двигателями шум достигает чрезмерно высокого уровня, и почти на всех заводах имеются цеха, где уровень шума опасен для слуха. Молодежь рискует получить непоправимые повреждения слуха на концертах бит-групп и других модных музыкальных ансамблей. Вообще говоря, работа в промышленности всегда связана с повреждениями слуха: недавно один инженер по звукофикации, работающий в крупном предприятии кинопроката, отметил, что в кинотеатрах на севере Англии всегда устанавливается более высокий уровень звука, чем на юге страны[4].

Почему так много шума? Что это — неизбежность или невежество? Шум — побочный продукт. Однако, например, в химическом производстве побочный продукт всегда означал бы какую-то потерю прибыли, и инженеры быстро отыскали бы способ использовать его. Доля же энергии, затрачиваемая на создание шума так ничтожна, что этой потерей можно полностью пренебречь. Так, при работе ракетного двигателя общей мощностью, скажем, в несколько сотен тысяч киловатт утечка энергии в форме шума составляет всего несколько десятков киловатт. К тому же устройство человеческого уха таково, что шум ракетного двигателя оказался бы практически неслышимым только в том случае, если отношение мощности шума к мощности двигателя удалось бы снизить до одной десятимиллиардной (1: 10¹⁰)! Очевидно, какой-то уровень шума неизбежен, и ракетный двигатель никогда не будет звучать, как шепот. Но в подавляющем большинстве случаев шум можно существенно ослабить, и это не делается только потому, что ни конструкторы грохочущих машин, ни те, кто на этих машинах работает, не знают, как снизить шум, либо не имеют на это средств. При наличии денег на соответствующие переделки лишь очень и очень немногие задачи по устранению шума оказываются неразрешимыми, и всегда следует помнить, что экономика — такая же неотъемлемая часть борьбы с шумом, как и акустика.

Некоторые считают, что рост промышленной продукции, обусловленный автоматизацией и общим увеличением скорости работы механизмов, сводится почти на нет из-за падения производительности труда, вызванного усилением шума. Это, возможно, преувеличение, но, без сомнения, снижая уровень шума на заводе, можно существенно поднять производительность труда рабочих. Борьба с шумом обходится так дорого, потому что требуется уменьшать уже существующий шум: переделать готовую машину или установку часто оказывается вдвое дороже, чем предусмотреть соответствующие меры по снижению шума еще в техническом проекте. Но если из-за шума, сопровождающего новый производственный процесс, завод должен будет приостановить работу по постановлению суда, то он понесет убытки во много раз большие, чем расходы, которые потребовались бы на своевременное снижение шума.

Человек достиг высокого уровня цивилизации, в частности, благодаря своей способности к общению, а связь посредством звуков — одна из двух основных форм общения людей. Шум препятствует этому общению, он обедняет нашу жизнь, снижает нормальную активность человека. Более того, шум может заглушить сигнал опасности, предостерегающий крик, и тогда не исключены роковые последствия. Очень часто первым признаком неисправности работающей машины служит появление необычного шума, который может быть предупреждением о всех возможных последствиях дефекта — от простой поломки до взрыва. Но если общий уровень шума на предприятии высок, такие сигналы пройдут незамеченными.

В последние годы мы стали свидетелями резкого усиления интереса к проблеме шума со стороны правительственных организаций, и это касается не только Англии, но и США и многих других стран. Англия одной из первых привлекла к борьбе с шумом законодательство: в 1960 г. был опубликован Закон о снижении шума, в 1963 г. появился упомянутый выше отчет о проблеме шума, а в 1970 г. Антони Крослэнд, тогдашний министр жилищного строительства и местного самоуправления, учредил Консультативный комитет по борьбе с шумом. Когда в том же году было создано (в Англии. — Ред.) первое в мире Министерство по охране окружающей среды, комитет давал новому министерству рекомендации по выработке линии поведения и законодательной деятельности в области борьбы с шумом. Благодаря этому в принятый в 1974 г. Закон о контроле над загрязнением окружающей среды были включены новые многочисленные положения, касающиеся шума. В это же время в Министерстве труда был выработан Кодекс правил по уменьшению дозы шума, получаемой работающими по найму, а позже, на основе еще одного отчета — Закон об охране здоровья и безопасности труда, позволивший начать борьбу с профессиональным повреждением слуха. В Законе о государственной компенсации от 1972 г. шуму также уделено особое внимание и предусмотрены значительные ассигнования, в частности для устройства звукоизоляции в домах, подвергающихся действию шума, доносящегося с новых или улучшенных дорог, если шум превышает установленный уровень. Государственные средства вложены также в проект бесшумного пассажирского транспорта. И хотя это не слишком радостно, появление бесшумного авиационного мотора RB-211 привело к крушению старейшей компании Роллс-Ройс.

В результате указанной законодательной деятельности особенно возросла потребность в практических знаниях о шуме. Бессмысленно издавать законы, которые не получат применения. Для того чтобы осуществить надлежащий контроль и уменьшить государственные расходы на выплату компенсации, сейчас, как никогда прежде, необходимо научить разбираться в проблеме шума и возможностях борьбы с ним плановиков, конструкторов, администраторов. Даже если им не придется непосредственно заниматься технической стороной дела, они смогут понять, о чем идет речь и принять правильное решение своевременно, когда еще можно что-то исправить, а не после того, как допущенная грубейшая ошибка заявит о себе шумом.

В первую очередь следует положить конец безответственности и невежеству. Наукообразные разговоры о децибелах больше не должны сбивать всех с толку, акустика должна занять свое место на переднем крае конструкторских работ и ее требования должны учитываться уже на стадии проектирования. Население необходимо ознакомить с существующими нормами, чтобы люди не мирились с излишним шумом. Инженерам следует изучить проблему шума настолько, чтобы знать, когда шум возможно ограничить, и разбираться в указаниях специалистов-акустиков. Соображения экономии больше не могут служить лимитирующим фактором при проектировании устройств для снижения шума: в частности, уже созданы авиационные двигатели, которые отвечают не только соответствующим техническим и экономическим требованиям, но и установленному предельному уровню шума.

И если мы хотим иметь более тихое будущее, подобную линию поведения должны проводить как промышленность в целом, так и правительство.

 

[1] «Шум» — заключительный отчет Комитета по проблеме шума, Управление по изданию официальных документов, 1963 г.

[2] Следовало бы упомянуть и другие фундаментальные работы Гельмгольца, особенно «Трактат о слуховых ощущениях». — Прим. ред.

[3] Нобелевская премия была присуждена Рэлею не за работы в области акустики, как можно заключить из контекста, а за труды по плотности газов и за открытие аргона. — Прим. ред.

[4] Шумные отрасли промышленности получили большее распространение на севере страны. — Прим. ред.