Эй вы там, наверху (и внизу тоже): как распространяются звуки, как мы их воспринимаем и что делать, чтобы они нам не мешали

Многие устали от звуков с улицы или внутри помещения, которые мешают сосредоточиться и служат ненужными раздражителями. Откуда они приходят, каким образом мы их воспринимаем и как избежать звуковой перегрузки, порталу Vokrugsveta.ru рассказала кандидат физико-математических наук, научный сотрудник ИКИ РАН Татьяна Морозова, автор видеоблога »Мы внутри физики».

Вместо предисловия: шум и ум

Шумовые раздражители постоянно выдергивают нас из рабочего процесса, расшатывают нервную систему и не дают быть на одной волне со своими мыслями. В режиме цивилизованной, непрерывно благоустраиваемой стройками среды обитания невозможно поместить себя в обстановку, способствующую сосредоточению и концентрации, которые необходимы для решения сложных, требующих большого мозгового ресурса задач.

А чтобы отсекать раздражители, нужна немалая энергия, которую лучше было бы потратить на продуктивные дела. Отсюда люди, сами того не замечая, начинают переходить на сегментированное мышление, уходят от вдумчивости… и, возможно, так и возникает общество потребителей, пассивное и предпочитающее поменьше загружать мозг.

При этом чем больше люди впитывают в себя окружающие резкие звуки, тем больше они их сами продуцируют. И это не только становится просто нормой, но и происходит от того, что наши зеркальные нейроны самопроизвольно воспроизводят такие сигналы — получается положительная обратная связь с отрицательным результатом.

Влияние резких, узких по спектру частот звуков с неравномерным усилением частот в высокочастотной области находят отражение во многих сферах жизни и даже проползают в музыку. Они окружают нас буквально повсюду, и нигде от них не спрятаться.

Как же приспособиться в современном мире, чтобы остаться глубоко думающим человеком и не потерять связь с природой? Выход только один — всеми возможными силами обезопасить себя от внешних ненужных раздражителей и уходить от них подальше. Ведь без воздействия раздражителей можно уйти в рабочий и творческий поток, успевать очень многое в сжатые сроки и остававаться полными энергии и счастливыми от своих идей.

Как распространяется звук в разных средах

Звуковая волна — это продольное колебание среды, в отличие от поперечной световой волны, которая может проходить и в вакууме, где среда отсутствует.

Чем плотнее вещество, тем быстрее распространяются звуковые волны. Это происходит потому, что молекулы в таких средах находятся значительно ближе друг к другу, и звуковой волне легче и быстрее пробежать по веществу такой конфигурации.

Расчеты скорости звука для разных сред также производятся по-разному. Состав воздуха также может влиять на скорость распространения звука. Например, воздух с большим содержанием газов (отличных от азота и кислорода), может иметь другие акустические свойства, чем воздух более чистый. Отсюда следует, что в душной и проветренной комнате музыкальные инструменты будут звучать по-разному.

В жидкостях, твердых телах и даже газах скорость звука определяется через упругость и плотность среды. И чем более плотная среда, тем скорее распространяется звук (чем плотнее вещество, тем и изменение давления в нем больше). Когда прикладываешь ухо к земле, то лучше слышишь распространяющиеся звуки и звуки издалека, потому что по твердым поверхностям звуковая волна бежит быстрее.

В газах с увеличением температуры скорость звука также возрастает (давление по уравнению идеального газа связано с температурой и плотностью через прямую пропорциональность). Во влажном воздухе скорость звука также увеличивается, так как уменьшается его плотность (влажный воздух из-за более легких молекул воды, вытесняющих тяжелые атмосферные газы, менее плотный).

В твёрдых телах могут существовать три типа волн: продольные, поперечные и сдвиговые. Скорость распространения продольной волны всегда выше, чем скорость поперечной. Но не только сам материал и его комбинации, но также геометрия и окружение могут определять характеры звуков и их интенсивность. А чем выше скорость звуковых волн, тем больше их интенсивность.

Почему нам неприятны звуки в определенных местах дома — и где лучше поселиться

Например, звуки в дворах-колодцах из-за переотражений усиливаются. Ко всему прочему там появляется эффект наката звука — одни из звуков доходят до наблюдателя быстрее, а другие медленнее. Дело в том, что скорость звука подчинется закону дисперсии — то есть существует зависимость скорости звука от частоты (или длины волны), и скорость возрастает с уменьшением частоты (соответственно, увеличением длины волны).

Отражения могут происходить и снизу — звук усиливается и делается более объемным. Отзвуки мешают нормальному восприятию. Даже громкий звук лучше слушать вблизи, потому что издалека прорываются отдельные частоты при негромком звуке. Больше частота, а значит, больше энергия. Получается рваный апериодический звук, который неприятно слушать. Поэтому на нижних этажах в целом звуки воспринимаются приятнее, чем на верхних.

Чем выше находишься, тем больше звуков слышно несмотря на то, что интенсивность звуковых волн спадает с расстоянием. Волна встречает меньше препятствий и переотражается, будто зигзагообразно дрейфуя по пространству. Поэтому на верхних этажах слышимость разных звуков в целом сильнее. На первом тоже слышно, если звук идёт c самого низа и прямо.

Оптимально жить на пятом этаже, когда голоса снизу не так интенсивны, но и с дальних окрестностей мало что долетает, либо жить совсем высоко, куда энергии волн не хватает долететь. Есть некоторый предел высоты в зависимости от формы дома и конфигурации окрестностей, начиная с которого звуки сливаются и смешиваются и слышится пульсация большого города, как в Нью-Йорке, где много небоскребов.

Стоит также вспомнить такое интересное явление, связанное с распространением звуковых волн, как эхо. Эхо — это отражение волн от препятствий. Оно есть и в жидкостях, и в твердых телах. Эхо электромагнитных волн используется радарами — по времени задержки ушедшего сигнала и принятого отраженного можно определить расстояние до предмета.

Как звук ведет себя в разное время суток и в разную погоду

Ночью громкость звука больше, потому что нет поглощения звуковой энергии — остывшие за вечер объекты отражают звуковые волны, не поглощая их. Кроме того, ночной воздух холоднее, чем дневной, что также сказывается на распространении звуковых волн. Вот и в мороз мы слышим более резкие звуки, так как воздух плотнее и звуковые волны по нему проходят быстрее.

Следует отметить, что скорость звука выше в однородных средах, поэтому создание любой среды с неоднородностью также мешает беспрепятственному распространению звуковых волн. В дневное время различные слои воздуха нагреты по-разному, что вызывает преломление звуковых волн, а ночью звуковые волны распространяются без помех.

В облачную погоду звуки глуше, так как хаотичные образования в атмосфере не дают беспрепятственно проходить звуковым волнам. Однако здесь идут конкурирующие процессы. Во влажную погоду звуки слышны сильнее, так как молярная масса капель воды меньше и скорость звука больше. Но если капли распределены неравномерно по пространству и не образуют сплошную среду, то такие неоднородности будут, наоборот, глушить звуковые волны.

Также их интенсивность выше при уменьшении температуры воздуха (в холодном плотном воздухе волны распространяются быстрее и имеют большую интенсивность). В равномерный дождь или туман, тем не менее, звуки менее резкие, чем в мороз, так как по кпплям жидкости звук бежит быстрее.

Снежинки и капельки дождя усиливают звуковые волны из-за более плотной среды, а также создают многократные от них переотражения. Переотражения также могут происходить от облаков. Стоит отметить, что снег на деревьях гасит звуковые волны, так как создает плотные препятствия.

Звуки в помещении: почему они нас так «достают»

В замкнутых помещениях также гораздо тяжелее переносить неприятные звуки, когда они переотражаются и окружают со всех сторон. В монолитно-кирпичном доме звуки распространяются по материалам с разными физическими характеристиками и в проходящих звуках создается уже упомянутый выше эффект наката. Если соседи сверлят, то звук сверления пронизывает все пространство целиком и полностью, потому что через твёрдые предметы он проходит прямо в наше тело. Когда спишь, это выражено наиболее ярко, так как соприкасаешься наполовину с твердой поверхностью кровати.

Звуковые волны в помещении воспринимаются хуже, потому что идут переотражения от поверхностей многочисленных объектов, в итоге волны приходят с задержкой по фазе, и мозгу такую информацию обрабатывать трудно. На открытых пространствах нет переотражений и сдвигов частот, поэтому звуки воспринимаются легче, чем в помещениях.

Почему шумы издалека наиболее неприятны мозгу? Происходит разная задержка отраженного сигнала для высоких и низких частот. Идёт сдвиг частот по времени, что приводит мозг в замешательство. Чем выше здание, тем высокочастотные шумы интенсивнее и ярче выражен этот эффект. В кирпичных домах с плотными однородными стенами звуки распространяются по-другому — они равномернее и нет наката. А вот в панельных и монолитных домах стены — как волноводы, и сверление с третьего этажа слышно даже на четырнадцатом.

Особенности нашего слухового восприятия

Как мы принимаем и обрабатываем звуковой сигнал

Доносящийся до нас звуковой сигнал мы воспринимаем не сразу единым массивом — для звуков разной характеристики есть определенные участки органа слуха и мозга. Улитка уха устроена так, что в начале она принимает высокие частоты с более короткой длиной волны, а потом низкие частоты с длинными волнами. Поэтому высокие частоты воспринимаются нами резче и острее. В среднем человеческое ухо воспринимает частоты от 20 до 20000 Гц.

Так же происходит и слуховых центрах головного мозга. В самых ранних отделах обработки слуховой информации, внутри слуховых ядер продолговатого мозга и моста, расположена S-образная карта слуховой улитки, она также разбита на отделы, воспринимающие частоты от низких до высоких.

Как организм реагирует на звуки

Чем лучше обработка звукового сигнала в мозгу, тем больше мы знаем о том, что происходит вокруг нас. Орган под названием таламус отвечает за вычленение частот и установление соотношения между сигналом и шумом — контрастирование сигнала. По сути, он помогает отличать важные звуки от шума. Хорошо развитый таламус может усиливать чувство тревоги в связи с восприятием относительной громкости сигналов. С удалением фонового шума звуки словно обнажаются и относительно тишины кажутся нам громче, ведь мы все воспринимаем в логарифмическом масштабе — в относительной шкале восприятия сигналов.

Но есть и плюсы хорошего слуха. Он дает тонкость восприятия и многогранность мироощущения, а главное, помогает ориентироваться на местности и быстрее замечать опасность.

Первичная кора так же, как и продолговатый мозг и мост, имеет тонотопическую карту с очень четкой настройкой нейронов на определенные частоты. Те, у кого хорошо развита первичная кора, имеет врожденный музыкальный слух. Здесь низкие частоты находятся ближе к затылку в теменной доле, а высокие ближе к носу. Но тем не менее вся теменная доля близко контактирует с центрами, отвечающими за опасность в мозге.

Если нейроны устали реагировать на постоянные сигналы опасности и они все время задействованы, их реакция более резкая, чем у отдохнувших нейронов. Их ответ также может изменяться ввиду нейропластичности мозга и общего состояния организма (влияет также гормональный фон, подстройка под ситуацию и относительное восприятие внешних сигналов в свойственной организму логарифмической шкале). Когда мы в хорошем и позитивном расположении духа, мы меньше склонны к реакции на опасность. Однако когда пытаешься сосредоточиться и придумать решение, а вокруг много отвлекающих сигналов, мозгу сложно не обращать на них внимания, даже если очень стараешься.

А хуже всего находиться в постоянном ожидании шума. Время отдыха после нежелательного воздействия сигнала должно быть больше, чем время воздействия этого сигнала.

Люди с более чувствительной нервной системой физически лучше различают тихие звуки, тонкие частотные различия. Также высокая чувствительность делает нервную систему более уязвимой к перегрузкам. В современном мире, переполненном информационными потоками, мозг не успевает различать ненужные и важные сигналы. А громкие или резкие звуки, которых в нашей среде обитания становится все больше, вызывают более сильную стрессовую реакцию.

Однако хороший слух и «крепкие нервы» не противоположности. Крепкие нервы — это способность нервной системы выдерживать нагрузки без истощения, сохранять стабильность в стрессе. В тревожном состоянии мозг воспринимает больше звуков как «потенциально опасные». При достаточном уровне серотонина в мозге звуки не становятся тише, но перестают вызывать стрессовую реакцию. Для поддержания хорошей серотониновой системы необходимы: хороший сон и питание, богатое триптофаном, радость и довольство жизнью, социальная активность, чувство контроля и выполненные задачи.

Спрятаться от шума

Конечно, мы живем в мире звуков, и природа предусмотрела, что изолироваться от них очень сложно — для выживания в дикой природе нужно быть всегда начеку. Но надо ли быть начеку среди городского технологического шума, который не несет лично для нас никакой полезной информации? Многие шумы вокруг нас лишь нервируют и отвлекают от работы. Например, тарахтение тракторов и газонокосилок так плохо воспринимаются человеческим мозгом, потому что имеет урезанный спектр несвойственных природе шумов — много низких и высоких частот одновременно и при этом гудящий апериодический звук.

Как спрятаться от шума в цивилизации? Чтобы резать звуковые волны, нужно использовать мешающую их распространению структуру с неоднородностями. Например, это могут быть решетки — чем меньшие в них щели, тем меньшие длины волн, а значит, более высокие частоты, они гасят. Или поролоновые панели с конусообразными выступами, как на стенах в звукоизолирующих помещениях. Кстати, вот пример из повседневной жизни — звуковые волны низкой интенсивности типа шуршания снега по ткани очень легко гасятся капюшоном.

Как распространяются звуки в природной среде

Природа тоже «предусмотрела» возможность отдохнуть от шума. В лесу листья на деревьях выполняют роль сетки, рассекающей волны. Зимой там еще тише, потому что все покрыто пушистым снегом. Казалось бы, если есть деревья-волнорезы, то в лесу должно быть тихо (не то что в поле, где звук распространяется беспрепятственно). Однако низкочастотная звуковая волна может огибать деревья (то есть она может быть слышна далеко и не слышна близко). А сетка веток как раз гасит высокочастотные звуки, а «басы» долетают.

Но в любом случае все препятствия в какой-то мере гасят звуковые волны, уменьшая их интенсивность независимо от соотношения размера препятствия и длины волны — в общем случае волну можно погасить соизмеримым с ее размером препятствием. (Стоит отметить, что и антенны разных длин могут улавливать кратные части волн и при наличии усилителя можно отловить сигналы разной длины волны на фиксированной антенне).

Из звуковых волн хорошо проходят низкочастотные, потому что они имеют большую длину и огибают препятствия, но также достаточно далеко могут проникать и высокие, потому что они имеют большую энергию. Получается, что хуже всего проходят средние частоты.

Звуковые волны легко проходят поверху — снизу они гасятся о препятствия, а в силу сферичности своего фронта до верха доходят беспрепятственно. Поэтому в низине тише, чем высоко в горах, куда доносятся звуки со всех окрестностей. Однако стоит напомнить, что с расстоянием интенсивность звуковых волн убывает обратно пропорционально этому расстоянию, поэтому на вершинах гор царит тишина и спокойствие — каменное безмолвие, нарушаемое только порывами ветра, сходами селей, журчанием рек и ручьев с ледников.

Что поможет справиться с шумом большого города

Деревья за окном могут выполнять роль решетки, которая глушит звуковые волны — часть волн, у которых длины больше, чем период решетки (то есть низкочастотные), гасятся. Можно также создать стену из звуковых волн, которые не дают проникнуть к наблюдателю звуковым колебаниям извне. Решетки же, в свою очередь, изменяют спектры звуковых волн и создают периодические колебания.

Из природных способов по борьбе с шумами можно выделить источники белого шума, такие, как дождь или шум падающей воды, а также сильный ветер — он cловно сдувает звуковые волны и либо быстрее приносит их по направлению своего движения, либо гасит своим шумом.

Есть и антропогенные факторы, которые помогают избежать некоторых шумов. Например, шум движения на дороге экранирует другие, более дальние звуки. Этим он похож на белый шум, аналогичный шуму моря. И даже когда гудит целая серия уборочных машин, издавая звуки преимущественно с низкими и высокими частотами, они все сливаются воедино и звучат не периодично, поэтому такой шум лучше воспринимается.

Белый шум и другие фоновые шумы равномерно заполняют звуковое пространство по частотам, и благодаря этому отдельные звуки кажутся менее резкими и сильными. Однако гораздо лучше для восприятия, когда фоновые шумы окружают со всех сторон, они входят непосредственно в уши через наушники.

Эффективны ли беруши

Бытовой способ «оградить» себя от шума — беруши. Если из звуков вырезать низкочастотную составляющую, то высокочастотные шумы будут контрастироваться и резко и тревожно восприниматься мозгом. Беруши же фильтруют одни частоты, в итоге контрастируя другие.

Лучше всего беруши блокируют высокие частоты (от 2000 Гц и выше). Низкие частоты (ниже 500 Гц) проходят через беруши значительно лучше из-за их большей длины волны и способности огибать препятствия, а также из-за костной проводимости.

Однако не все так просто — дело в том, что высокочастотные звуки часто бывают громкими и пробивают беруши. Также воздушная проводимость через беруши сильно ослаблена. Поэтому часто на фоне тишины, которые создают беруши, «проползают» отдельные громкие высокочастотные сигналы, либо сквозь все тело проходят мощные басы (которые также могут входить в резонанс со внутренними органами и тем самым создавать неприятные ощущения).

Сами высокие частоты передаются напрямую через кость, минуя защитные механизмы, поэтому они так негативно воспринимаются нашим мозгом. Также они ассоциируются с опасностью, и мозг не может к ним привыкнуть.

Более того, слуховая депривация, которую создают беруши, негативно влияет на мозг — идеально, когда барабанная перепонка колеблется непрерывными сигналами средней или слабой силы.

Как не сойти с ума от шума

Как же в итоге избежать негативного воздействия нежелательных звуков? Приспосабливаться, давать себе отдых и стараться обезопаcить себя от звуков в период активной мозговой деятельности, тогда в остальное время на них можно меньше реагировать. Иногда помогает на некоторое время переключиться и отдохнуть от звука, тогда потом он легче воспринимается. Хотя, конечно, ненужные раздражители отвлекают и мешают мыслить.

Бывает и так, что какой-то звук застрял в голове. Как же его оттуда выгнать? Мозг словно проигрывает повторяющийся сигнал, сравнивая его с исходным раздражителем. В этой ситуации помогает переключиться на другой звук.