Фіз-мат клас

Поширюючись, світло потрапляє, зокрема, на сітківку - внутрішню оболонку ока, що містить світлочутливі рецептори. Сприймаючи електромагнітне випромінювання, фоторецептори перетворять його в електричні імпульси і передають у вигляді сигналу в головний мозок. У сітківці людини знаходяться 110-125 млн. Паличок, дуже чутливих до світла і забезпечують нічний зір, і 6-7 млн. Колбочок, що відповідають за сприйняття кольору.

За чутливості до різних довжинах хвиль світла розрізняють три види колбочок. Колбочки S-типу (short - короткий) найбільш чутливі в фіолетово-синьою, короткохвильової частини спектра, M-типу (medium - середній) - в зелено-жовтої і L-типу (long - довгий) - в жовто-червоній, довгохвильової частини спектра. Наявність цих трьох видів колбочок і паличок, чутливих в смарагдово-зеленої частини спектру, дає людині кольоровий зір. У цьому полягає сформульована в XIX столітті (Томас Юнг, Герман Гельмгольц, Джеймс Клерк Максвелл) «трехкомпонентная теорія колірного зору» або «тріхроматіческое теорія сприйняття кольору».

Зони чутливості середньохвильових і довгохвильових колбочок значно перекриваються, тому колбочки певного типу реагують не тільки на свій колір; вони лише реагують на нього інтенсивніше інших.

У нічний час, коли потік фотонів недостатній для нормальної роботи колб, зір забезпечують тільки палички, тому вночі людина не може розрізняти кольори. Чутливість палички достатня, щоб зареєструвати потрапляння одного-єдиного фотона, чутливість колбочок в 100 разів менше: необхідно потрапляння від декількох десятків до декількох сотень фотонів. Палички сприймають світло переважно в смарагдово-зеленої частини спектру, тому в сутінках смарагдовий колір здається яскравіше, ніж всі інші.

Палички реагують на світло повільніше, ніж колбочки - паличка реагує на подразник протягом близько ста мілісекунд. Це дозволяє бути більш чутливою до менших кількостей світла, але знижує здатність до сприйняття швидкоплинних змін, таких як швидка зміна образів. При досягненні необхідної для сприйняття кольору яскравості високочутливі рецептори сутінкового зору - палички - автоматично відключаються. Палички переважно розташовані по краях сітківки і відповідають за периферійний зір.

Колбочки набагато краще сприймають швидкі рухи. Світлочутливість колб невисока, тому для гарного сприйняття кольору необхідна достатня освітленість або яскравість. Найбільш багаті колірними рецепторами центральні частини сітківки.

Тепер можна повернутися до поняття кольору. Колір - якісна суб'єктивна характеристика електромагнітного випромінювання видимого діапазону, що визначається на підставі виникає фізіологічного зорового відчуття і залежна від ряду фізичних, фізіологічних і психологічних факторів. Сприйняття кольору визначається також його спектральним складом, колірні і яскравість контрастом c оточуючими джерелами світла і світяться об'єктами. Розуміння цього факту дуже важливо для дизайнерів: жовтий колір на червоному тлі здасться зеленувато-жовтим, а блакитний - придбає відтінок зеленого.

У людській свідомості колір має константністю - закріпленим поданням про колір предмета як невід'ємне ознаці звичного об'єкта спостереження. Зокрема, листя дерев несвідомо визнається зеленої навіть при червоному освітленні на заході сонця. Для введення такої поправки в незнайомій ситуації служать поверхні з білим забарвленням: зіставлення з ними як з «еталоном», поряд з адаптацією ока, дозволяє несвідомо вводити поправку на освітлення. Наприклад, ми входимо в темну кімнату і бачимо чорну кулю на сірій ганчірці, розуміємо, що сіра ганчірка насправді біла скатертина, і домислюємо, що чорна куля - це червоне яблуко. У разі відсутності досвіду спостережень, колірні відчуття і судження людини про колір предметів стають невпевненими або помилковими. Так, описи і спроби відтворення кольору «космічних зорь» (схід і заходи сонця на Землі, які спостерігаються з борту космічного корабля), зроблені різними космонавтами, сильно відрізняються одне від одного і від кольору цих «зорь», зафіксованих на фотографіях [4].

З роками колірне бачення світу змінюється. Обумовлено це поступовим з плином життя помутнінням кришталика, чому кольори стають більш жовтими. Розповідають історію про Іллю Рєпіна, якого в кінці життя попросили відреставрувати його ж власну картину, написану багатьма роками раніше. Яке ж було здивування реставраторів, коли вони побачили, що митець не потрапляє в колір - тепер він бачив інакше.

Більше того, немає абсолютно ніяких способів перевірити, чи однакові кольори ми бачимо. І справді, коли ми були маленькими, ми запитували дорослих, як називається той чи інший колір. І привчилися називати видимі нами кольору так, як нам сказали. При цьому ті кольори, на які ми показували, ми могли бачити зовсім не так, як ці дорослі.

Для розуміння сприйняття кольору необхідно знати про таку властивість нашого зору як метамерія. Не всі кольори веселки «незалежні» один від одного. Деякі з них можна отримувати змішуючи інші. Наприклад, якщо на сітківку ока одночасно потрапляють червоний і зелений промені, то ми побачимо один промінь, причому жовтого кольору і око не помітить підміни (досвід можна виконати за допомогою двох проекторів, перетинаючи на білому екрані промені, пропущені через ті чи інші кольорові скельця) . Це явище називається метамерією.

Метамерія - властивість зору, при якому світло різного спектрального складу може викликати відчуття однакового кольору. Метамерія кольору збільшується зі зменшенням його насиченості, т. Е. Чим менш насичений колір, тим більшим числом комбінацій сумішей випромінювань різного спектрального складу він може бути отриманий. Для білих квітів характерна найбільша метамерія. Фізіологічно метамерія зору заснована на будові периферичного відділу зорового аналізатора. Людський зір є трехстімульним аналізатором. Якщо порівнювані потоки випромінювання з різним спектральним складом виробляють на колбочки однакову дію, то кольори сприймаються як однакові.

Математичний опис кольору поклало початок новій науці - колориметрии. У 1853 році Герман Грассман сформулював три закони синтезу кольору: закони «тривимірності», «безперервності» і «аддитивности». «Закон тривимірності» - будь-який колір однозначно представляється у вигляді комбінації трьох незалежних квітів (незалежність полягає в тому, що не можна отримати ніякої із зазначених трьох кольорів додаванням двох інших). «Закон безперервності» - при безперервному зміну випромінювання колір змінюється також безперервно; тому до будь-якого кольору можна підібрати нескінченно близький. «Закон аддитивности» - колір суміші випромінювань залежить тільки від їх кольорів, але не від спектрального складу; тобто колір суміші, наприклад, жовтого і фіолетового кольорів не залежить від того, змішанням яких саме кольорів були в свою чергу отримані ці жовтий і фіолетовий кольори.

Кольорове зір властиво багатьом видам тварин. У хребетних (мавпи, багато видів риб, земноводних), а з комах у бджіл і джмелів колірне зір тріхроматіческое, як і у людини. У ховрахів і багатьох видів комах колірне зір діхроматіческое, т. Е. Засновано на роботі двох типів світлоприймач, у птахів і рептилій - зір Чотирьохкомпонентна. Для комах видима область спектра зміщена в бік короткохвильових випромінювань і включає ультрафіолетовий діапазон. Тому світ фарб комахи суттєво відрізняється від нашого.

У тваринному світі відомі чотири-і навіть пятістімульние колірні аналізатори, так що кольори, які сприймаються людиною однаковими, тваринам можуть здаватися різними (так, хижі птахи бачать сліди гризунів на стежках до нір виключно завдяки ультрафіолетової люмінесценції компонентів їх сечі).

Схожа ситуація складається і з системами реєстрації зображень, як цифровими, так і аналоговими. Хоча в більшості своїй вони, як і зір людини, є трехстімульнимі (три шари емульсії фотоплівки, три типи осередків матриці цифрового фотоапарата або сканера), їх метамерія відмінна від метамерии людського зору. Тому кольору, які сприймаються оком як однакові, на фотографії можуть виходити різними.

Тим самим була обгрунтована можливість (з точністю до впливу умов освітленості і суб'єктивності сприйняття кольору індивідом) розробки способів кількісного вираження кольору у вигляді набору трьох чисел. У 1860 році Максвелл запропонував в якості трійки незалежних квітів використовувати червоний, зелений, синій. Відповідна аддитивная система за першими літерами відповідних англійських слів називається RGB, і в даний час вона домінує в системах відтворення кольору для моніторів і телевізорів.

Однак наше око сприймає не тільки іспущенний, а й (в основному) відбите світло. Питання про колір відбитого світла відрізняється від уже розглянутого. Згадаймо звичайні акварельні фарби на аркуші паперу. Суміш червоного і зеленого барвника не дає жовтого кольору. Це ж вірно і в граничному випадку: якщо змішати всі кольори палітри, то вийде не білий, а брудний. У чому ж різниця?

Для розуміння сприйняття кольору відбитого кольору ми повинні відзначити, що при попаданні випромінювання на деяку поверхню частина його може частково або повністю поглинути, в той час як інша частина відбивається. Спільна дія електромагнітних випромінювань у всій видимій частині спектру викликає відчуття білого світла, а роздільне дію сукупності випромінювань, що залишилися після поглинання деяких з них - пофарбованого.

При цьому ми бачимо потрапила в наше око відображену, тобто не поглинену частина спектра. Тому барвник, що сприймається нами як помаранчевий, насправді поглинув все промені, крім дають відчуття оранжевого кольору. А це означає, що відбила поверхню є в дійсності зеленувато-синьою. (І якби нам вдалося змусити поверхню апельсина світитися, то ми переконалися б у цьому на власні очі.) У цьому сенсі улюблені нами апельсини насправді кольору баклажанів, а баклажани, навпаки, пофарбовані в веселі помаранчеві тони (див. Табл.).

400-535 Фіолетовий зеленувато жовтий 435-480 Синій Жовтий 480-490 зеленувато-синій Помаранчевий 490-500 синьо-зелений Червоний 500-560 Зелений пурпурний 560-580 Жовто-зелений Фіолетовий 580 595 Жовтий синій 595-605 Помаранчевий зеленувато синій 605-730 Червоній синьо зелений 730-760 пурпурний зелений

Для опису відбитого кольору в 1951 році Енді Мюллер запропонував субтрактівним (вичітательную) модель CMYK (від англійських слів блакитний, пурпурний, жовтий, ключовий). Ця система має переваги в поліграфії, кольорової фотографії і друку. Наприклад, комп'ютер подає на монітор випромінює кольори в системі RGB, а на принтери - в системі CMYK.

Розуміння світла як електромагнітної хвилі близько до розуміння звуку як хвилі механічної. Основна властивість всіх хвиль, незалежно від їх природи, полягає в тому, що у вигляді хвилі здійснюється перенесення енергії без перенесення речовини (останній може мати місце лише як побічне явище). Наприклад, після проходження по поверхні рідини хвилі, що виникла від кинутого у воду каменя, частки рідини залишаться приблизно в тому ж положенні, що і до проходження хвилі.

Звук - це коливання пружного середовища, що поширюються у вигляді хвиль в газоподібному, рідкому або твердому середовищах. У вузькому сенсі - це явище, суб'єктивно сприймається вухом людини і тварин.

Людина чує звук з частотою від 16 Гц до 20 000 Гц. Фізичне поняття про звук охоплює як чутні, так і нечутні звуки. Звук з частотою нижче 16 Гц називається інфразвуком, вище 20 000 Гц - ультразвуком. Високочастотні пружні хвилі в діапазоні від 109 до 1012-1013 Гц відносять до гіперзвуку.

Область інфразвукових частот знизу практично не обмежена - в природі зустрічаються інфразвукові коливання з частотою в десяті і соті частки герц. Частотний діапазон гіперзвукових хвиль зверху обмежується фізичними факторами, що характеризують атомне і молекулярну будову середовища: довжина пружної хвилі повинна бути значно більше довжини вільного пробігу молекул в газах і більше міжатомних відстані в рідинах і в твердих тілах. Тому в повітрі не може поширюватися гіперзвук з частотою 109 Гц і вище, а в твердих тілах - з частотою більше 1012-1013 Гц. [5]

Основні параметри будь-яких хвиль, в тому числі і звукових, - частота і амплітуда коливань. Частоту звуку вимірюють в герцах (Гц - число коливань в секунду). Людське вухо здатне сприймати звук приблизно від 16 Гц до 20 кГц.

Амплітуду звукових коливань називають звуковим тиском або силою звуку. Ця величина характеризує сприйняту гучність звуку. Абсолютну величину звукового тиску вимірюють в одиницях тиску - паскалях (Па). Найслабші звуки, які здатне сприйняти наше вухо, поріг чутності, мають амплітуду 20 мкПа, найсильніші - в 10 мільйонів разів більшу - 200 Па.

Оскільки діапазон значень дуже широкий, абсолютними величинами звукового тиску користуватися незручно (спробуйте з прийнятною точністю зобразити на графіку величини, що розрізняються в мільйони разів). Тому на практиці використовують поняття рівня звуку, що вимірюється в децибелах (дБ) і характеризує його відносну силу.

Рівень звуку визначається за формулою (де - тиск вимірюваного звуку, а - поріг чутності), тобто як десятковий логарифм відношення абсолютної величини звукового тиску до величини порога чутності; виходячи з деяких міркувань, логарифм множать на 20. При такому визначенні весь діапазон чутних звуків укладається в шкалу 0-140 дБ; різниця в 1 децибел відповідає зміні гучності приблизно на 10%, а меншу різницю в людське вухо вловити не здатна.

Логарифмічна шкала, хоча і незвична, дуже близька до сприйняття звуку людиною. Наприклад, незначна зміна сили тихого звуку дає відчуття помітного збільшення гучності, в той час як незначна зміна гучності гучного звуку залишиться майже непомітним. Це цілком відповідає математичному опису відносної сили звуку за допомогою логарифмів.

Деякі значення рівнів звуку [6]

Поріг чутності 0 дБ Шерех листя 10-20 дБ Шепіт на задній парті 20-30 дБ Розмова в кабінеті 50-60 дБ Автомагістраль з інтенсивним рухом 80-90 дБ Шум авіадвигуна 120-130 дБ Больовий поріг 140 дБ

Звукова хвиля добре передається по землі, тому, коли ми хочемо дізнатися, чи не їде десь поблизу наша електричка, ми докладаємо вухо до рейки. Звук може поширюватися також по воді - згадаємо про звукових каналах в океанах. І, нарешті, він може прийти до нас по повітрю. Що ж саме і як до нас приходить?

За сприйняття звуку в людському організмі відповідає спеціальний орган, званий вухом. Зовні розташоване так зване зовнішнє вухо, що переходить в слуховий прохід приблизно 0,6 см в діаметрі і близько 2,5 см в довжину, що закінчується барабанною перетинкою, що розділяє зовнішнє і середнє вухо. До барабанної перетинки приєднана кісточка, яка називається молоточок. Разом з двома іншими - ковадло і стремено - вони передають вібрацію барабанної перетинки на наступну закручену, як равлик, перетинку - внутрішнє вухо. Це трубка з рідиною діаметром близько 0,2 мм завдовжки 3-4 см. Коливання повітря занадто слабкі, щоб безпосередньо коливати рідина, але середнє вухо разом з барабанною перетинкою і перетинкою внутрішнього вуха складають гідравлічний підсилювач: площа барабанної перетинки у багато разів більше перетинки внутрішнього вуха, тому тиск посилюється в десятки разів.

Усередині равлики знаходиться перетинчастий канал, також заповнений рідиною, на нижній стінці якого розташований рецепторний апарат слухового аналізатора, покритий волосовими клітинами. Волоскові клітини вловлюють коливання рідини, що заповнює канал. Кожна волосковая клітина налаштована на певну звукову частоту, причому клітини, налаштовані на низькі частоти, розташовуються у верхній частині равлики, а високі частоти уловлюються клітинами нижньої частини равлики.

Таким чином, руху стремечка викликають хвилеподібні коливання рідини внутрішнього вуха, які уловлюються волосовими клітинами, розташованими вздовж всієї довжини равлики, і перетворюються в електричні імпульси. Далі ці електричні імпульси передаються по слуховому нерву в головний мозок.

Слуховий нерв складається з тисяч найтонших нервових волокон. Кожне волокно починається від певної ділянки равлики і передає певну звукову частоту. Низькочастотні звуки - наприклад, шум машини або поїзда, - передаються по волокнам, що походить із верхівки равлики, а високочастотні - наприклад, щебет птахів, - по волокнам, пов'язаним з її підставою. Таким чином, різні звуки викликають електричне збудження різних волокон в складі слухового нерва. Саме ці відмінності здатний сприймати і інтерпретувати мозок.

Крім сприйняття світла, кольору і звуку важливими для розвитку людства є питання їх фіксації. На жаль, ми навчилося записувати звук багато пізніше, ніж зберігати зображення: Томас Алва Едісон винайшов фонограф, за допомогою якого на воскових циліндрах металевої голкою записувалася і зчитувалася звукова інформація, тільки в 1877 році.

Пристрій сучасних цифрових засобів звукозапису засновано на найважливішому аспекті математичного опису звуку - теоремі Котельникова - Найквіста - Шеннона, інакше званої теоремою про відлік. Суть теореми полягає в тому, що для отримання якісного запису звуку цифровий пристрій має записувати звук як мінімум удвічі частіше частоти цього звуку.

Наприклад, найпростіші мобільні телефони, диктофони, автовідповідачі призначені для передачі або запису голосу людини, спектр частот якого не більше 3 кГц. Тому мова людини записується автовідповідачем у вигляді електричного сигналу 8-11 тисяч разів в секунду (іншими словами, використовується частота дискретизації 8-11 кГц). Інший приклад: найбільша частота звуку, яка сприймається людиною, становить 20 кГц, тому для того, щоб гарантовано якісно передати будь-який звуковий матеріал в стандарті Audio CD використовують частоту дискретизації 44,1 кГц.

Ще однією важливою характеристикою звуку є його спектр, що отримується в результаті розкладання звуку на прості гармонічні коливання (т. Н. Частотний аналіз звуку). Спектр буває суцільній, коли енергія звукових коливання Безперервна розподілена в більш-Менш шірокій області частот, и лінійчатій, коли є сукупність дискретних (переривані) частотних складових. Звук із суцільним спектром сприймається як шум, наприклад шелест дерев під вітром, звуки працюючих механізмів. Лінійчатим спектром з кратними частотами володіють музичні звуки; основна частота визначає при цьому сприйману на слух висоту звуку, а набір гармонійних складових - тембр звуку.

Можливість звукозапису дозволяє людині зберігати, обробляти і передавати звуки нашого світу нащадкам.

Розуміючи, як саме ми бачимо і чуємо, усвідомлюючи, що наші різнокольорові і багатоголосні світи індивідуальні, а тому неповторні, знаючи, що світ навколо нас він тільки наш і нічий більше - адже у інших світи інакше розфарбовані і по-іншому звучать; чуючи дощ і бачачи перед собою веселку, згадаємо, що все це - лише хвилі. І тільки ми самі наділяємо їх змістом, красою і звучанням.

Ви коли-небудь пробували піднести до вуха мушлю? Пам'ятаєте? .. Так звучимо ми.

БІБЛІОГРАФІЯ ДЛЯ ПУБЛІКАЦІЇ
[1] AA Mills Newton's Prisms and His Experiments on the Spectrum // Notes and Records of the Royal Society of London (1938-1996), Volume 36, Number 1/1981, p.25. Цит. по: http://journals.royalsociety.org/content/g636j55673577j84
[2] ru.wikipedia.org/wiki/cвет
[3] Велика Радянська енциклопедія. Колір.
[4] Інформатика № 13 (494), 1-15 липня 2005.
[5] http://fregimus.livejournal.com/7540.html
[6] http://absentis.livejournal.com/18723.html
[7] Дмитро Михайлов Що і як ми чуємо http://websound.ru/articles/theory/ear.htm

наверх