Kas yra garsas? Kaip jis veikia ir kodėl jį girdime

Kai įsijungiame įtraukiančią melodiją, ja mėgautis pradedame beveik akimirksniu. Tai susiję su tuo, kaip veikia žmogaus klausa — ji paverčia vadinamąją garso bangų mechaninę energiją elektrocheminiais signalais. Per klausos organą smegenų žievė garsą, kurį gauna, paverčia kažkuo, ką galime suvokti. Tačiau tai dar ne visa istorija. Norint tikrai suprasti muziką, pirmiausia reikia žinoti, kas iš tikrųjų yra garsas, dar prieš mūsų organizmui jį apdorojant.

Garso apibrėžimas

Didysis „Van Dale“ žodynas apibūdina garsą kaip virpesius ore, kuriuos suvokia klausos organas. Įvairūs kiti žodynai palaiko šį apibrėžimą ir taip pat sieja virpesius, arba oro slėgio pokytį, su jų suvokimu. Pagal šį požiūrį, viskas, ko negalime girdėti, nėra garsas. Logiška, kad delfinas garsą patirs kitaip nei žmogus: kas delfinui yra garsas, žmogui nebūtinai bus garsas. Bent jau taip galima apibūdinti garsą siauriausia jo prasme.

Tačiau moksliniu požiūriu garsą galime apibūdinti kur kas plačiau. Čia paliekame nuošalyje žmogaus ausiai būdingą save centruojantį požiūrį ir plačiąja prasme kalbame apie garso bangas, arba virpesius, sklindančius per orą ir suvokiamus klausos organo. Dar platesniu aiškinimu neapsiribojame vien oro slėgio pokyčiais, nes tai gali vykti ir kitoje terpėje. Be to, terminas „garsas“ gali būti vartojamas ir tuomet, kai kalbama apie negirdimą pokytį. Todėl kalbame ir apie „ultragarsą“.

Kaip susidaro tos garso bangos?

Garso bangos atsiranda dėl oro virpesių. Taip nutinka todėl, kad tie subtilūs drebėjimai vietiniu mastu suspaudžia oro daleles. Dėl to toje vietoje pakyla oro slėgis, po to suspaustos dalelės susiliečia su aplinkinėmis dalelėmis. Taip sukuriama grandininė reakcija, kurioje energija nuolat perduodama toliau: garsas sklinda tol, kol galiausiai vėl nurimsta. Beje, būtent dėl to garsas yra žemiškas reiškinys. Jei kosmose susidurtų du palydovai ir subyrėtų į tūkstančius dalių, jokio garso apskritai nebūtų girdėti. Juk ten nėra oro ar kitos terpės, kuri galėtų perduoti bangas, jau nekalbant apie tai, kad garso bangos apskritai galėtų susidaryti…

Tai taip pat paaiškina, kaip veikia garsiakalbis. Garsiakalbis iš esmės yra tik detalė, priverčiama virpėti, tik gudriu būdu. Šie judesiai priverčia virpėti ir aplink garsiakalbį esantį orą. Galbūt geriausias palyginimas — į vandenį įmestas akmenukas: susidaro raibuliai ir tolsta nuo šaltinio. Tiems ratilams didėjant, vis daugiau oro dalelių turi pasidalyti ankstesnio ratilo energija, todėl garsas galiausiai išnyksta į tylą. Tai vyksta maždaug 300 m/s greičiu, tačiau savaime suprantama, kad garsas silpnėja tolstant nuo šaltinio. Jei stovi pakankamai toli nuo garso šaltinio, garsas galiausiai taps negirdimas. Tiksliau, negirdimas žmogui, nes kai kurie gyvūnai girdi kur kas geriau už mus.

Kaip atrodo garso banga?

Garso matyti negalime. Bent jau ne be techninių priemonių. Tačiau, kaip jau leidžia suprasti pats žodis, garso banga yra tiesiog banga. O tokia banga savo ruožtu turi bangos ilgį ir amplitudę. Kaip dažnai banga atlieka pilną ciklą, vadiname dažniu. Šis dažnis nėra menkas dalykas: pavyzdžiui, žmogaus ausis gali girdėti minimalų dvidešimties ir maksimalų 20 000 hercų dažnį. Beje, bangos ilgis yra atvirkščiai proporcingas dažniui: dažniui kylant, bangos ilgis trumpėja (aukštesnis garsas), ir atvirkščiai.

Savo ruožtu amplitudė yra vidutinės slėgio reikšmės ir maksimalios slėgio reikšmės skirtumo rezultatas. Gaunamą intensyvumą apibrėžiame labiau žinomu terminu — decibelu. Ir šis terminas nėra toks paprastas, kaip atrodo: nuo 120 decibelų net trumpalaikis poveikis sukelia klausos pažeidimą. Tačiau skausmo riba siekia 134 decibelus, todėl klausos pažeidimas gali atsirasti ir nepastebimai.

Galiausiai anksčiau minėjome, kad garso bangos elgiasi panašiai kaip vandens bangos. Jos gali lenktis aplink objektą, atsimušti, keisti kryptį arba susidurti su kitomis garso bangomis, po to viena kitą sustiprindamos arba panaikindamos. Šiuo paskutiniu efektu remiasi ir specializuotų ausinių veikimas: jos skleidžia garsą, kuris panaikina kitas garso bangas.

Garso greitis nėra pastovus

Anksčiau minėjome, kad garso greitis yra maždaug 300 m/s. Iš tikrųjų tai nėra visiškai tikslu. Tai maždaug teisinga sklindant oru, tačiau garsas taip pat gali sklisti per kietas medžiagas ir skysčius. Pavyzdžiui, garso greitis aliuminyje siekia 6260 m/s esant 293 kelvinams (maždaug kambario temperatūrai), o metanolyje panašioje temperatūroje — 1120 m/s. Tuo tarpu anglies dvideginyje garsas sklinda kur kas lėčiau — 259 m/s greičiu esant 273 kelvinams (maždaug užšalimo taškui).

Net ore teiginys, kad garso greitis yra apie 300 m/s, nėra visiškai tikslus. Čia garso greičiui nustatyti naudojama sudėtinga formulė.

Garso greičio formulė:**√[γ(RT/M)]

Detalios diskusijos čia neplėtosime, tačiau svarbiausia atsiminti, kad temperatūra ir drėgmė čia vaidina svarbų vaidmenį. Esant 233 kelvinų temperatūrai (apie −40 °C) garsas iš tiesų sklis maždaug 307 m/s greičiu, o esant šiltesnei 313 kelvinų temperatūrai (apie +40 °C) greitis jau pakyla iki gerokai didesnio — 354 m/s. Taigi ore garsas sklinda greičiau, kai temperatūra šiltesnė. Praktikoje, beje, garsas sklinda taip greitai, kad po lavinos tikrai nebus tavo didžiausias rūpestis.

Galiausiai, kai kalbame apie garso greitį vandenyje, formulė tampa dar kur kas sudėtingesnė. Čia reikia atsižvelgti ne tik į temperatūrą, bet ir į druskingumą bei vandens gylį.

Garsas žmonėms ir gyvūnams

Žmogaus klausai garso virpesiai pastebimi maždaug nuo 20 iki 20 000 hercų (20 kHz) diapazone. Tačiau tai skiriasi nuo žmogaus iki žmogaus. Ypač vyresnio amžiaus žmonėms sunkiau pastebėti aukšto dažnio garso virpesius.

Domiesi, koks aukščiausias dažnis, kurį gali suvokti? Paleisk žemiau esantį vaizdo įrašą ir sužinok.

Dažnio svarba žmonėms ir gyvūnams

Žemesnę 20 Hz klausos ribą pirmiausia žinome kaip infragarso ribą. Tokio infragarso negirdime, tačiau kartais galime pajusti virpesius. Vis dėlto infragarsą naudoja nemažai gyvūnų. Juk jis padeda jiems bendrauti dideliais atstumais. Infragarsą dėl šios priežasties naudoja, pavyzdžiui, drambliai, raganosiai ir žirafos. Tačiau jis gali tarnauti ir kitam tikslui. Kai kurios banginių rūšys naudoja infragarsą, kad apsvaigintų grobį, dažniausiai kalmarus.

Kai viršijama aukštesnė klausos riba (20 kHz), kalbame apie ultragarsą. Kai kurios gyvūnų rūšys naudoja ultragarsą orientacijai (pvz., šikšnosparniai) arba grobio paieškai (pvz., delfinai). Tačiau žmonės taip pat sukūrė nemažai jo pritaikymo būdų. Viena svarbi ultragarso taikymo sritis — ultragarsinis tyrimas (ultragarsas naudojamas skirtumams tarp minkštų ir kietų audinių atvaizduoti). Kitas pavyzdys — odontologija (dantų instrumentų valymas ir akmenų šalinimas). O dar vienas ultragarso pritaikymo pavyzdys nukelia mus į praeitį: aštuntajame dešimtmetyje juo, pavyzdžiui, buvo valdomi televizoriai.

Galiausiai yra ir paskutinė garso kategorija — hipergarsas. Tai garsas, kurio dažnis prasideda nuo 800 MHz. Ši sąvoka atsirado todėl, kad ilgą laiką žmonės negalėjo generuoti tokių dažnių garso. Šiandien, dėl pjezoelektrinio efekto, tai jau nebe kliūtis. Be kita ko, jis naudojamas kietoms medžiagoms tirti.

Garso lygio svarba žmonėms ir gyvūnams

Svarbus ne tik garso dažnis, bet ir garso lygis (dB). Iš principo žmogus gali girdėti garso lygį nuo 0 iki 130 dB, tačiau taip būna ne visada. Kai taip nėra, kalbame apie triukšmo sukeltą kurtumą. Esant 30–60 dB klausos praradimui, dažniausiai naudojamas klausos aparatas. Palyginimui: lapų šiugždėjimo garso lygis siekia apie 10 dB, o televizoriaus, žiūrimo įprastu garsumu svetainėje (maždaug 1 metro atstumu), garso lygis siekia apie 60 dB.

Be to, reikia atsižvelgti ir į garsių garsų nemalonumą. Nuo 90 dB, ilgai veikiant, klausos pažeidimas jau atsiranda. Tai maždaug toks garsas, kokį patiri stovėdamas šalia greitkelio. Tuo tarpu naktiniame klube garso lygis siekia iki 100 dB — panašiai kaip perforatoriaus garsas per metrą. Čia jau viršijamas maksimalus decibelų lygis ilgalaikiam poveikiui, todėl būk atsargus per festivalių savaitgalius, kai esi veikiamas aukšto garso lygio be pertraukos.

Nuo 120 dB klausos pažeidimas atsiranda net ir trumpalaikio poveikio metu. Tai maždaug toks garsas, kokį girdi apie 100 metrų nuo reaktyvinio variklio. Skausmo riba siekia 134 dB — tai mažiau nei garsas, kurį patiri per metrą nuo šautuvo šūvio. Tokiais atvejais, be apsaugos priemonių, klausos pažeidimas įvyks beveik visada.

Įvairus garso pritaikymas

Žmonės garsą naudoja ne tik muzikai patirti. Jis taip pat itin svarbus, pavyzdžiui, bendraujant tarpusavyje. Tačiau (potencialaus) pritaikymo galimybių yra kur kas daugiau. Tai parodo, be kita ko, ir jau minėtas ultragarsinis tyrimas. Jei žinome garso greitį ar kitas savybes, galime nustatyti daug ką. Anksčiau, pavyzdžiui, minėjome, kad galime apskaičiuoti garso greitį vandenyje. Siųsdami garso impulsą po vandeniu ir matuodami laiką, per kurį impulsas atsispindi, galime apskaičiuoti atstumą iki objekto ar jūros dugno. Kitaip tariant, garsas yra kur kas daugiau nei muzikinė dovana, bendravimo priemonė ar įspėjamasis signalas — jis yra neatsiejama mūsų šiuolaikinių techninių žinių dalis.

Girdimoji garso prigimtis

Visa tai galiausiai sugrąžina mus prie tų dviejų magiškų ribų — 20 Hz ir 20 kHz. Juk garsas tarp šių dviejų ribų mums yra pati „apčiuopiamiausia“ garso forma. Tai automobilio signalas, bet tai ir Devintoji simfonija d-moll. Tai garsas siauriausia jo prasme — garsas, kurį žmogus tiesiog gali suvokti. Tai galiausiai palieka klausimą, kaip mes iš viso gebame suvokti šį garsą.

Iš tikrųjų būtent ausies kaušelis pagauna garso virpesius ir per ausies kanalą perduoda juos iki būgnelio. Prie būgnelio garsas perduodamas klausos kaulams (kūjeliui, priekalui ir balnakauliui), kurie veikia kaip stiprintuvas. Tuomet pradeda judėti skysčiai sraigėje, o po jų — plaukelinės ląstelės. Šie judesiai galiausiai sudirgina nervų galūnes, susijusias su smegenų kamienu. Smegenys tuomet „išverčia“ gaunamus dirgiklius ir siunčia juos į talamą. Ši smegenų dalis taip pat apdoroja informaciją, kurią matome ar jaučiame, ir interpretuoja „išverstą informaciją“. Ši interpretacija galiausiai perduodama smegenų žievei.

Smegenų žievėje girdimas garsas pasiekia savo kelionės pabaigą. Čia jam suteikiama prasmė. Jis susiejamas su mūsų atsiminimais. Jis padeda mums atpažinti garsus — motinos balsą ar artėjančio traukinio garsą. Tie prisiminimai gali sukelti ir jausmus. Girdint mirusio žmogaus balsą, pavyzdžiui, gali kilti liūdesys ar džiaugsmas, net jei balso neatpažįstame ar sąmoningai jo nesuvokiame. Kaip nuostabus yra garsas, taip nuostabios yra ir mūsų smegenys. Ir būtent todėl taip mylime garsą, ir todėl garsūs muzikantai gali gyventi tokį prabangų gyvenimą.

Suteikti garsui daugiau prasmės — tai dalis to, kas žmogų daro žmogumi.