Книга звука. Научная одиссея в страну акустических чудес

За пределами человеческого слуха лежит удивительный ультразвуковой мир. Летучие мыши слышат звуки, частота которых в основном превышает 20 000 Гц, или 20 кГц (1 кГц = 1000 Гц), верхний порог нашего звукового восприятия. Через три месяца после конференции TEDx я присоединился к группе из двух десятков человек, которые отправились на прогулку к летучим мышам в вересковые пустоши около деревни Гринмаунт в Англии. Встреча была назначена на парковке местного паба. Узнать гида было несложно – Клэр Сефтон, на футболке и чехле сотового телефона которой были изображены летучие млекопитающие, излучала энтузиазм. Ее научные интересы лежали в другой области, а конференции по летучим мышам были ее хобби; кроме того, она выступала в роли ветеринара-добровольца. Прежде чем мы отправились на прогулку в Керклис-Вэлли, она показала нам двух своих пациентов. Одним из них была большая летучая мышь, самый крупный представитель этого семейства в Великобритании, – с рыжевато-коричневым мехом, очень симпатичная, похожая на большую мышь с крыльями. Животное открывало рот и скалило зубы: Клэр сказала, что летучая мышь «нас внимательно рассматривает», посылая сигналы эхолокации. Второй пациент – обычный крошечный нетопырь, который за ночь может проглотить до 3000 насекомых, хотя длина его тела всего около 4 сантиметров.

Частота сигналов эхолокации слишком высока для человеческого уха, и на помощь нам пришло электронное оборудование. Клэр раздала детекторы летучих мышей: черные коробочки размером с первые сотовые телефоны, с двумя ручками настройки с надписями «Усиление» и «Частота». Когда начало темнеть, наш маленький отряд охотников за летучими мышами зашагал по тропинке между деревьями, сжимая в руках шипящие детекторы. Около старого железнодорожного моста мой прибор издал серию щелчков, словно кто-то быстро хлопал в ладоши. «Нетопырь», – сообщила Клэр, узнав животное по ритму сигналов. Каждый щелчок на самом деле был «писком», коротким импульсом с постепенно уменьшающейся частотой. Скорость следования сигналов меняется по мере приближения летучей мыши к объекту – пока импульсы не сливаются в один. В этот момент детектор издавал звук, похожий на рычание.

На следующий день я изучил несколько записей сигналов обыкновенного нетопыря. Лучший способ представить каждый сигнал – это спектрограмма, поскольку на ней отображается изменение частоты со временем. Спектрограммы, которые чаще используются для анализа речи, прекрасно подходят для визуализации звуков. На рис. 3.2 темные наклонные линии показывают, как за короткое время одного импульса (7 миллисекунд) частота уменьшается с 70 до 50 кГц.

Но как я мог слышать этот звук на детекторе, если его частота намного превышает границу диапазона моего слуха? Ультразвуковой микрофон воспринимает писк летучей мыши и изменяет тональность, приспосабливая ее к человеческому слуху[168].

Клэр смогла узнать голос обыкновенного нетопыря, потому что каждый вид летучих мышей использует для эхолокации свою частоту и детектор издает разные звуки. Например, большая летучая мышь издает звук, похожий на звучное причмокивание, сопровождающееся слабым гудением. Специалисты могут по характеру сигналов также определить, чем занята летучая мышь: слетела с насеста, ищет еду, просто летает или переговаривается с сородичами.

Меня особенно удивило то обстоятельство, что голосовой и слуховой аппарат летучих мышей практически не отличается от человеческого. Чтобы издавать звуки такой высокой частоты, животные должны максимально использовать возможности организма млекопитающих. Некоторые виды летучих мышей способны издавать звуки частотой 200 кГц, а это означает, что щели между их голосовыми связками открываются и закрываются 200 000 раз в секунду. Правда, в их голосовом аппарате присутствует важное усовершенствование: тонкие и легкие мембраны на голосовых связках, способные вибрировать с очень высокой частотой.

Рис. 3.2. Сигнал обычного нетопыря

Летучие мыши не только берут очень высокие ноты, у них еще необыкновенно громкий голос. Сила звука может достигать 120 децибел – аналог рева пожарной сирены с расстояния всего 10 сантиметров[169]. Такие уровни звука могут повредить слуховую систему млекопитающего, поэтому мышцы в ушах летучей мыши рефлекторно сокращаются, смещая крошечные косточки среднего уха, что ослабляет вибрацию, передающуюся от барабанной перепонки к внутреннему уху. У человека тоже есть этот акустический рефлекс, но его эволюционное назначение остается неясным. Возможно, он защищает наш слух от слишком громких звуков – как у летучих мышей. Или уменьшает громкость собственной речи, чтобы человек мог расслышать другие звуки[170].

Мы сошли с тропинки и, спотыкаясь о корни деревьев (не взять фонарь на ночную прогулку было ошибкой), побрели через лес к небольшому пруду. Но наши страдания окупились сполна – мы услышали, как над водой охотится на насекомых ночница Добентона. Эти животные устроили гнездо под гигантским кирпичным мостом, и наши приборы периодически оживали, издавая звуки, напоминающие отдаленную пулеметную стрельбу. Вооруженный детектором, я смог оценить, как много летучих мышей обитают в долине. Просто удивительно, что раньше я ничего не знал об этих окружающих меня звуках. В одном из интервью Крис Уотсон, занимающийся записью звуков природы, объяснял, что, слушая летучих мышей, преследующих добычу, совсем по-другому взглянул на озеро Вирнви в Уэльсе: «Это место полностью изменилось, в ультразвуковом диапазоне из мирного и безмятежного места, каким его воспринимало человеческое ухо, оно превратилось в кровавое побоище»[171].

Что еще мы не слышим? В своей лаборатории в Бристольском университете в Англии Марк Холдерейд так обстоятельно и с таким энтузиазмом отвечал на мои вопросы, что я чуть не опоздал на поезд. Он объяснил мне, что летучие мыши слышат не только насекомых и друг друга, но и звуки, отражающиеся от растений. Марк и его коллеги исследовали кубинскую лиану Marcgravia evenia, листья которой особенно хорошо отражают ультразвук, что выделяет ее на фоне остальных растений в джунглях. Лиана имеет изогнутый стебель с кольцом листьев на конце. Последний лист расположен вертикально над цветком и образует вогнутую полусферу, отражающую ультразвуковые сигналы летучих мышей.

Когда животное летит сквозь лес, оно слышит очень сложный сигнал отражения от всей растительности. Эхо мерцает и постоянно меняется. Но последовательность звуков, отражающихся от вогнутого листа лианы, остается почти неизменной, независимо от угла отражения. Поэтому лиана оказывается единственным объектом в джунглях, дающим стабильный ответ на сигнал эхолокации. Более того, полусфера листа фокусирует и усиливает ультразвук, так что летучая мышь может слышать растение издалека. Марк и его коллеги подтвердили эти акустические свойства лианы лабораторными измерениями, использовав крошечный динамик для излучения ультразвука и микрофон, воспринимающий отражения от листа.

Но есть ли у нас доказательства, что летучие мыши обращают внимание на сигнал, отраженный от листа? Обучив животных находить кормушку в лаборатории, наполненной искусственной листвой, исследователи продемонстрировали, что в присутствии полусферического листа лианы животные находят пищу в два раза быстрее. В джунглях лиана повышает свои шансы на опыление, привлекая летучих мышей вогнутым листом; сами летучие мыши высасывают из цветка нектар[172].

В лаборатории Марка я увидел также высушенных мотыльков с необычно длинным хвостом. Подобно лиане, эти мотыльки эволюционировали, чтобы приспособиться к эхолокации, которую используют летучие мыши. У некоторых видов развилась чувствительность к ультразвуку только для того, чтобы слышать летучих мышей. Длинный хвост служит ложной целью для эхолокации. Как истребитель выпускает ложные цели, чтобы обмануть управляемые радаром ракеты, так и мотылек жертвует хвостом-обманкой, чтобы защититься от летучих мышей. Желтая сатурния мадагаскарская в лаборатории Марка имеет раздвоенный хвост, каждая часть которого в шесть раз длиннее тела. Обе половинки оканчиваются завитками, и измерения Марка показывают, что хвосты эффективно отражают ультразвуковые сигналы, приходящие со всех сторон, имитируя отражения от крыльев меньшего по размерам мотылька. Марк продемонстрировал, что в 70 % случаев летучая мышь атакует хвост, а не туловище насекомого; мотылек теряет хвост, но сохраняет жизнь.

Крис Уотсон, увлекающийся записью звуков природы, называет океан «самой богатой звуковой средой на планете». «Мы высокомерно считаем, что живем на планете Земля, тогда как 70 % ее поверхности занимает океан», – отмечает он[173]. Иллюстрируя свою точку зрения, Крис рассказал мне об экспедиции в Арктику, где у побережья острова Шпицберген в архипелаге Свальбард он повстречал бородатых тюленей, поющих под толстым слоем льда. Он опустил гидрофоны (подводные микрофоны) в черную неподвижную воду через полыньи, проделанные тюленями. Криса заворожили голоса тюленей, – казалось, звуки приходят с другой планеты: «Это практически невозможно описать. Если использовать клише, это похоже на хор инопланетных ангелов»[174]. Тюлени издают тягучее, продолжительное глиссандо, не умолкающее несколько десятков секунд. Похожий звук можно извлечь из цуг-флейты, если из нее постепенно выдвигать поршень. По всей видимости, длинные глиссандо привлекают самок, так что продолжительность песни имеет значение.

Яркое описание морской акустики, которое дал Крис, пробудило у меня желание самому оценить эти чудеса, что мне и удалось сделать через месяц после экспедиции к летучим мышам. Холодным дождливым и ветреным днем я поднялся на борт маленького катера, присоединившись к дюжине других пассажиров, закутанных в дождевики; в руках у меня был гидрофон и устройство для записи звука. Мы отправлялись в залив Кромарти-Ферт на встречу с живущими там дельфинами-бутылконосами.

Кромарти-Ферт сильно индустриализирован, и сначала нам пришлось обогнуть гигантские желтые, изъеденные ржавчиной опоры нефтяной вышки. Вдали виднелись две другие вышки, поставленные на ремонт, а рядом проходил круизный лайнер, который вез пассажиров, жаждавших увидеть Несси в расположенном неподалеку озере Лох-Несс. Но дельфины были такими же неуловимыми, как знаменитое чудовище.

Покинув Кромарти-Ферт, мы переместились в другой, более широкий залив Северного моря, Мори-Ферт. Катер прижимался к скалам, покрытым слоем зловонного белого помета морских птиц; зеленые склоны над скалами были усеяны желтыми пятнами цветов дрока. Затем наш капитан, Сара, заметила дельфинов, выпрыгивающих из воды.

Двигатель заглушили, чтобы его грохот не мешал улавливать звуки, и я опустил гидрофон за борт. Сначала был слышен только плеск воды у корпуса катера, подпрыгивавшего на волнах. Потом я услышал серию высокочастотных щелчков, похожих на тарахтение крошечного игрушечного мотоцикла, почти неразличимых из-за шума воды[175].

А затем мы увидели мать с детенышем. Маленький дельфин был меньше и имел серый окрас. Моя цель отличалась от цели остальных пассажиров – у них не было гидрофонов. Они внимательно смотрели и радостно вскрикивали, когда животные выпрыгивали из воды. Но мне требовалось, чтобы дельфины оставались под водой. Я получал удовольствие, любуясь дельфинами с близкого расстояния, но не меньшее удовольствие доставлял мне и звук, рассказывающий о подводном мире, скрытом от остальных пассажиров.

К сожалению, производимый человеком шум заставил животных – и водных млекопитающих, и рыб – изменить свои песни. Можно ли сказать, что ветряные электростанции не наносят ущерба окружающей среде? Наверное, нет – с точки зрения тюленя, которого беспокоит грохот копра, забивающего сваи в берег. Во время строительства прибрежной ветряной электростанции Scroby Sands популяция тюленей у Грейт-Ярмута в Англии существенно сократилась[176]. Сильный шум от забивания свай – 250 децибел с расстояния 1 метр – может повредить слуховой аппарат животных.

В марте 2000 г. на Багамах на берег выбросились шестнадцать китов и множество дельфинов; считается, что причиной массовой гибели животных стал сонар ВМС США. Ученые спорят, каким образом сонар воздействует на морских животных, заставляя их выбрасываться на берег. Звук может просто дезориентировать китов, нарушать процесс ныряния, вызывать декомпрессию, или звуковые волны могут приводить к кровоизлияниям. Но доказать связь сонара с гибелью животных очень трудно, поскольку военно-морской флот не раскрывает информацию о времени и месте его применения[177].

В пресс-релизе, выпущенном в октябре 2005 г. Национальным советом США по охране природных ресурсов, отмечается: «Среднечастотный сонар способен излучать непрерывный звук громкостью свыше 235 децибел, что сравнимо с ревом стартующей ракеты Saturn V»[178]. Данные о ракете Saturn V действительно свидетельствуют о громкости 235 децибел, как у военно-морского сонара, но такое сравнение некорректно из-за разницы между звуком в воздухе и в воде. Аналогичным образом, при забивании свай 250 децибел под водой не эквивалентны 250 децибелам в воздухе.

Децибел – величина относительная, когда давление сравнивается с эталонным, принятым за ноль. В воздухе за эталонное давление принимается порог слуха здорового взрослого человека на частоте 1000 Гц. Под водой эталонное давление меньше. Эта ситуация аналогична разнице между температурой по Цельсию и Фаренгейту: 0 °C является точкой замерзания воды, а 0 °F указывает на более низкую температуру. Кроме того, при сравнении воздушной и подводной акустики следует принять во внимание разницу в плотности среды и скорости распространения звука. Для учета этих факторов акустики вычитают из результатов подводных измерений 61,5 децибела, чтобы получить эквивалентную величину в воздухе[179]. Таким образом, 235 децибел под водой равняются 173,5 децибела на суше. В 2008 г. New York Times писала, что «военно-морской сонар шумит, как 2000 реактивных самолетов», но это сильное преувеличение. Звук сонара на расстоянии 1 метра по громкости эквивалентен звуку одного реактивного самолета на расстоянии 30 метров – его не назовешь тихим, но и с эскадрильей ВВС не сравнить[180].

Сравнивать децибелы не всегда корректно, однако сведения о вреде подводного шума соответствуют действительности. Многие специалисты встревожены, поскольку практически все водные животные используют звук в качестве главного средства коммуникации. Под водой зрение эффективно только на небольшом расстоянии. Мигрирующие гладкие киты могут проплыть более 100 километров в день, и им нужно общаться с сородичами, находящимися очень далеко. Синего кита можно услышать с расстояния 1600 километров. Киты переговариваются на таких огромных расстояниях, поскольку посылают звуковые сигналы на очень низких частотах, которые гораздо лучше передаются морской водой, чем высокочастотные звуки.

На морских животных влияют не только внезапные громкие звуки вроде импульсов военно-морского сонара. Есть еще постоянный шум от проходящих судов. На северо-востоке Тихого океана шум от судоходства за период с 1950 по 2007 г. увеличился приблизительно на 19 децибел[181]. Это неумолкающее гудение может нанести вред водной флоре и фауне. Шум захватывает частоты, на которых переговариваются киты, изменяя издаваемые ими звуки: животные поют дольше, громче или вообще меняют места обитания. Зачастую киты просто перестают общаться, что является вполне разумной реакцией на кратковременные естественные события вроде шторма, но не на постоянный шум от судоходства. К сожалению, несмотря на какофонию, создаваемую кораблями, звук не распространяется в направлении движения, и это может привести к столкновениям, поскольку киты не слышат приближающиеся суда.

Необычные научные исследования Розалинд Ролланд из Аквариума Новой Англии в Бостоне и ее коллег продемонстрировали психологическое воздействие постоянного шума на китов. Группа Ролланд воспользовалась временным уменьшением морского трафика после террористических атак 9/11, чтобы оценить влияние шума на популяцию южных китов, обитающих в канадском заливе Фанди. Ученые измерили уровень гормонов стресса у китов, используя собак-ищеек для поиска плавающих в воде экскрементов. После террористической атаки шум от судоходства уменьшился на 6 децибел, и Ролланд с коллегами обнаружили соответствующее снижение уровня гормонов стресса в организме китов[182].

Оценить отдаленные последствия хронического шума для обитателей моря довольно трудно. Громкие звуки в резервуаре просто отпугивают рыбу, и она уплывает. Такая реакция свидетельствует, что шум может вытеснить популяции рыб с традиционных мест нереста и обитания, нарушить коммуникацию, которая необходима для поиска пары, навигации и сохранения социальных групп. В данный момент ученые пытаются понять, как измерить вред, если последствия могут проявиться только через много лет, а морские животные способны перемещаться на огромные расстояния.

Как влияет эстетика на восприятие естественных звуков? В Китае и Японии сверчков и других насекомых держали в качестве домашних любимцев из-за красивых звуков, которые они издают. Во времена династии Сун (960–1279 н. э.) их использовали в качестве портативных музыкантов. В предисловии к своей книге о музыкантах-насекомых Лайза Райан пишет: «Следящие за модой люди никогда не выходили из дома без поющих сверчков, спрятанных под одеждой»[183]. Вместо кнопки «пуск» владелец сверчка использовал специальную палочку, чтобы расшевелить насекомое и заставить его петь. Но лично мне больше нравится хор насекомых, особенно когда звук обогащается акустикой леса. Крис Уотсон рассказывал мне о таких хорах в африканских джунглях, в Конго. На закате температура воздуха падает, и сотни или даже тысячи маленьких существ объединяются в «удивительный хор, звуки которого волной прокатываются по лесу»[184]. Они создают богатую музыкальную палитру «наподобие стены звука Фила Спектора», которая стихает примерно через час[185].

Лучшие записи Криса сделаны в таких местах, где каждое отдельное насекомое не слишком выделяется на фоне остальных, а звук «процеживается акустикой окружающей среды»[186]. Лес изменяет голоса животных, и им приходится адаптироваться к изменениям, обусловленным окружением. Когда звук распространяется среди деревьев, он отражается от стволов и ветвей. Поэтому слышится не только крик, исходящий непосредственно от животного, но и его задержанные отражения от ветвей.

Сходство акустики леса и комнаты привело к появлению научных статей с такими названиями, как «Джунгли как концертные залы для птиц» (Rainforests as Concert Halls for Birds)[187]. Недавно я имел возможность убедиться в существовании этого эффекта среди лесов и озер Германии. Я обратил внимание, как меняется акустика, когда переходишь с луга в хвойный лес; воспользовавшись одиночеством, я кричал и слушал отражение своего голоса от деревьев. Время реверберации в лесу составило около 1,7 секунды, что соответствует концертному залу для исполнения музыки барокко[188]. В лесу лучше передаются басы, поскольку звуки высокой частоты поглощаются листьями. Это объясняет, почему живущие в джунглях птицы обычно издают низкие звуки, а их песни довольно просты[189]. Такая песня не только меньше ослабляется листвой; отражения от стволов усиливают низкие частоты точно так же, как отражения от стен зала обогащают оркестровую музыку. В немецком лесу я заметил это усиление, однако оно невелико, поскольку от деревьев звук отражается слабее, чем от стен концертного зала.

Есть также данные о том, что при смене окружающей среды птицы изменяют свои песни. Специалист в области эволюционной биологии Элизабет Дерриберри изучила, как изменилась песня самца белоголовой воробьиной овсянки за последние тридцать пять лет; в своей работе она использовала записи, сделанные в Калифорнии. В тех местах, где за несколько десятков лет листва стала гуще, тон птичьих песен понизился, а темп замедлился[190], там же, где плотность деревьев не изменилась, остались неизменными и песни.

На пение птиц влияют не только леса. Широкомасштабное исследование воздействия хронического шума включало анализ реакции птиц на шум транспорта. В крупных городах, таких как Лондон, Париж и Берлин, большие синицы чирикают быстрее и на более высоких нотах, чем те, которые живут в лесах; городские соловьи поют громче в присутствии транспорта, а малиновки предпочитают петь по ночам, когда становится тише[191]. Для больших синиц низкие ноты очень важны, поскольку чем больше и здоровее самец, тем ниже по тону его голос, однако их песни могут заглушаться шумом от транспорта. Как выразился Ханс Слаббекорн из Лейденского университета в Нидерландах, «либо тебя услышат, либо тебя полюбят»[192]. Высказываются опасения, что шум может нарушить природное равновесие и, следовательно, повлиять на то, голоса каких птиц мы слышим в городе. Возможно, уменьшение популяции домовых воробьев связано с тем, что они не смогли приспособить свой голос к городскому шуму[193].

Адаптация песни к условиям обитания может способствовать тому, что птицы формируют собственные диалекты. Когда ребенок учится говорить, он повторяет интонации окружающих людей. Некоторые виды птиц тоже обучаются пению с помощью имитации, и на них может влиять песня соседей. У трехусого звонаря, обитающего в Центральной Америке, различают несколько диалектов. В северной половине Коста-Рики в его песне присутствует громкий треск и свист, а в южной половине Коста-Рики и на севере Панамы – хриплое кваканье[194]. Птичьи диалекты тщательно изучались, и не в последнюю очередь потому, что они позволяют проследить за эволюцией видов. Если песни соседних колоний птиц отличаются – например, из-за разницы в условиях обитания, – то в конечном итоге представители разных колоний перестают общаться и спариваться друг с другом. В этом случае их гены больше не смешиваются, а это значит, что эволюционные пути колоний начинают расходиться, что может привести к появлению двух разных видов.

Соловей внешне ничем не примечателен, но его пение считают самым красивым в Европе. Послушайте несколько записей соловьиного пения, и вы поймете, какое разнообразие звуков может издавать самец соловья. Эти птицы живут в густых зарослях, и поэтому богатый вокальный репертуар для них важнее, чем внешний вид[195]. В 1773 г. английский юрист, антиквар и натуралист Дэйнс Баррингтон поставил соловья на первое место в хит-параде английских певчих птиц, отметив его бойкость, богатство интонаций, широкий диапазон и блестящую технику[196]. В 1924 г. дуэт знаменитой виолончелистки Беатрис Харрисон и соловья стал первым прямым эфиром BBC с открытой площадки. Соловьи в лесу вокруг дома Харрисон в английском Окстеде привыкли повторять музыку, исполняемую на виолончели во время занятий. Прямой эфир едва не сорвался, поскольку птицы боялись микрофонов. В конечном итоге они запели, и передача завоевала такую популярность, что ее повторяли на протяжении двенадцати лет и она приобрела международную известность[197].

Песня соловья очень красива, и это значит, что она может благоприятно воздействовать на нашу психику, однако реакция человека на голоса животных не ограничивается звуковой эстетикой. Когда люди писали Эндрю Уайтхаусу о своем восприятии птичьего пения, в этих историях редко фигурировали соловьи и их чудесные трели. Чаще люди рассказывали о резких криках серебристых чаек в приморских городах или о взволнованном визге стаи стрижей. Иногда эти звуки напоминали о детстве: «За моим окном послышался крик обыкновенной чайки. И в голове у меня возникла отчетливая картина, скопление траулеров в Пойнт-Ло, где я обычно проводил школьные каникулы». Иногда песни ассоциируются с временами года: «Больше всего я люблю крики стрижей, потому что они напоминают о лете»[198].

Таким образом, успокаивающими и полезными для здоровья являются знакомые звуки, вызывающие приятные воспоминания. Когда я спросил Криса Уотсона, какой у него любимый звук, он не выбрал нечто экзотическое, записанное во время путешествий по миру, а назвал сложную, богатую и насыщенную оттенками песню черного дрозда, которую можно услышать у него в саду. Слушать природу и смотреть на нее – разные вещи, поэтому нам нужны новые теории о том, какие звуки для нас полезны и почему. Мне нравится утиное кряканье, но не потому, что я считаю его особенно красивым, – просто эти звуки вызывают приятные воспоминания о том, как я измерял длительность эха.

4

Эхо прошлого

Существует поговорка: «Кряканье уток не создает эха, и никто не знает почему»[199]. Как-то раз, надеясь опровергнуть это утверждение, я расположился на зеленом пригорке, делая вид, что беру интервью у утки по имени Дейзи. Каждый раз, когда она крякала или вытягивала и раскрывала крылья, затворы фотоаппаратов щелкали, как кастаньеты. Мои коллеги стояли рядом, едва сдерживая смех. Пресса, узнав о наших скромных попытках развеять распространенное заблуждение о том, что кряканье не создает эха, изо всех сил старалась превратить это событие в новость международного масштаба.

Тогда я не знал, что через несколько лет после этого веселого научного спектакля я опять увлекусь эхом, вновь открыв детскую радость обнаружения мест, в которых отражение крика звучит почти так же громко, как оригинал. Но эхо – это не только крики в туннелях или пение в горах; в зависимости от типа эха звук может претерпевать магические превращения – хлопки в ладоши превращаются в чириканье, свист или даже выстрелы из лазерного оружия.

Первые исследователи, описывавшие природные явления, например английский натуралист XVII в. Роберт Плот, использовали необычные термины для описания загадки эха – многосложное, тоническое, множественное, тавтологическое. Но если классификация животных и птиц сохранилась до наших дней и представляет определенный интерес, то об эхе этого сказать нельзя. Пришло время обновить систематику эха. Может ли эхо превратить одно слово в целое предложение? Или вернуть голос, «украшенный особой музыкальностью»[200]? Или даже повторять звук трубы, но каждый раз на более низкой частоте?

За несколько месяцев до фотосессии с Дейзи к руководителю лаборатории в Солфордском университете, Денни Маккаулу, обратились представители BBC Radio 2, желающие выяснить, правда ли, что «кряканье уток не создает эха». Несмотря на подробные объяснения Денни, почему кряканье все же создает эхо, в передаче прозвучала ложная информация. Раздраженный тем, что репортеры проигнорировали его профессиональное мнение, Денни вместе с коллегами (среди которых был я) решили, что нужно собрать научные доказательства своей точки зрения.

На то, чтобы уговорить одну из ферм одолжить нам утку, а потом доставить птицу в лабораторию, ушло больше времени, чем на сами эксперименты. Сначала мы поместили Дейзи в безэховую камеру и провели базисные измерения кряканья, лишенного эха. Безэховая камера – это сверхтихое помещение, в котором звук не отражается от стен; в ней, в полном соответствии с названием, нет эха[201]. Нам важно было получить опорный звук без эха; в конце концов, это серьезный научный эксперимент, а не развлечение в конце рабочей недели. После перерыва птицу поместили в реверберационную камеру со свойствами кафедрального собора с очень большим временем реверберации – несмотря на размеры классной комнаты с высоким потолком. Обычно эта камера используется для проверки поглощающих свойств различных элементов конструкции, таких как театральные кресла или ковровое покрытие в студии. В этой комнате кряканье Дейзи звучало неестественно и жутко, отражаясь от стен, и шум беспокоил утку, отчего она крякала снова и снова. Мы записали идеальное звуковое сопровождение для фильма ужасов – при условии, что главным героем была бы утка-вампир.

Эхо – это задержанное повторение звука, и в случае с уткой оно может быть вызвано отражением кряканья от скал. Вампирический крик в реверберационной камере продемонстрировал, что кряканье отражается от поверхностей подобно любому другому звуку. Мы не удивились такому результату, поскольку некоторые виды птиц используют эхолокацию, анализируя отражения от стен, чтобы находить дорогу в пещерах. Великий прусский натуралист и исследователь Александр фон Гумбольдт писал об одной такой птице, жирном козодое, ночной птице из Южной Америки, которая питается фруктами. В конце XVIII в. в пещере Гуахаро в Венесуэле Гумбольдт слышал крики и щелчки гнездящихся птиц. Щелчки – это сигналы эхолокации; птицы воспринимают отражения от стен, чтобы ориентироваться в темноте[202].

Но пещеры и реверберационные камеры не являются естественным местом обитания уток, сородичей Дейзи. Нам было интересно узнать, что происходит вне помещения. Чтобы услышать четкое одиночное эхо от Дейзи, мне требовался водоем, рядом с которым есть большая отражающая поверхность, например скала. В таком месте к моему уху сначала придет звук непосредственно от утки, а через короткий промежуток времени – отражение от скалы. В систематике эха такое отражение называется односложным эхом, когда до прихода отражения удается произнести только один слог. Но мы с Дейзи не могли находиться рядом со скалой, потому что в этом случае мой мозг объединил бы отражение с кряканьем, приходящим непосредственно от клюва птицы к моему уху, и я слышал бы только один звук.

Должен признаться, что мои полевые эксперименты были довольно грубыми. Поскольку я не мог взять с собой Дейзи, то просто бродил у разных прудов, каналов и рек, слушая водоплавающую птицу. И ни в одном из этих мест я не слышал чистое, хорошо различимое кряканье отдельно от первоначального звука. В конечном итоге я пришел к следующему выводу: «Утиное кряканье создает эхо, но его можно услышать только в том случае, если утка крякает, пролетая под мостом».

Возможно, мне следовало привезти Дейзи на озеро Кенигзе в Баварии, самое высокогорное озеро Германии, где отвесные скалы поднимаются прямо из воды. Капитаны катеров здесь исполняют сиреной короткие музыкальные фразы, чтобы туристы могли услышать, как повторяются три последние ноты, отражаясь от окружающих озеро гор с интервалом в одну или две секунды. Или нам с Дейзи стоило приехать туда, где экспериментировал с эхом французский теолог, натурфилософ и математик XVII в. Марен Мерсенн. Он впервые точно измерил скорость звука в воздухе, используя многосложное эхо. В наше время Мерсенна больше знают как математика благодаря исследованию простых чисел, однако его интересы были чрезвычайно широки, что требовало многочисленных экспериментов и наблюдений[203].

Неудивительно, что Мерсенн в своих экспериментах по измерению скорости звука не воспользовался водоплавающей птицей. Он стоял лицом к большой отражающей поверхности, произносил фразу «benedicam dominum»[204] и с помощью маятника измерял задержку отражения. Мерсенну приходилось говорить быстро – семь слогов фразы за одну секунду. Когда он стоял на расстоянии 485 королевских футов (159 метров) от большой отражающей поверхности[205], эхо приходило сразу же по окончании исходной фразы – «benedicam dominum, benedicam dominum». Это многосложное эхо, поскольку до его прихода можно успеть произнести несколько слогов. Звук дважды преодолел расстояние в 485 королевских футов (всего 319 метров), что позволило Мерсенну вычислить его скорость – 319 метров в секунду. Это очень близко к действительному значению, 340 метров в секунду[206].

Если бы Мерсенн обратился за помощью к утке, то мог бы стать ближе к стене и услышать отчетливое «кряк, кряк», поскольку утка издает односложный звук. Расстояние до отражающей поверхности, на котором можно услышать односложное эхо, например кряканье, составляет около 33 метров (660 утиных шагов?)[207], поскольку именно такое расстояние необходимо преодолеть эху, чтобы оно слышалось отдельно от оригинального звука. Чтобы услышать эхо кряканья утки, мне нужно было найти водную поверхность на расстоянии 30–40 метров от большого здания или скалы. Но даже в этом случае у меня ничего не вышло бы, поскольку голос у утки слишком тихий. Чем дальше вы от источника, тем тише звук – при удвоении расстояния его громкость уменьшается на 6 децибел. Поэтому если громкость кряканья на расстоянии 1 метра составляет 60 децибел, то на расстоянии 2 метров – 54 децибела, 4 метров – 48 децибел и т. д. К тому времени как голос утки преодолеет расстояние в 66 метров (туда и обратно), его громкость уменьшится до 24 децибел. В абсолютной тишине человеческое ухо способно уловить такой тихий звук, но обычно его заглушают другие шумы – удаленное гудение транспорта или шелест листьев[208]. К сожалению, сама Дейзи не сможет услышать эхо даже в тихом месте, поскольку слух у нее гораздо хуже, чем у человека. Таким образом, причина того, что кряканье не создает эха, имеет чисто физическую природу: голос утки недостаточно громкий, чтобы его можно было услышать после того, как звук преодолеет необходимое расстояние.

Акустические эксперименты Марена Мерсенна не ограничивались измерением скорости звука; он также опровергал разные фантастические истории – за 400 лет до того, как развенчанием мифов занялись популярные телепрограммы. Одним из самых необычных связанных с акустикой утверждений, встречающихся в классической литературе, было гетерофонное эхо – то есть когда на фразу на французском языке эхо отвечало, например, по-испански. Мерсенн знал, что такого не может быть, но, как писал профессор Фредерик Винтон Хант в своей выдающейся книге «Происхождение акустики» (Origins in Acoustics), Мерсенн «почти убедил себя, что можно придумать особую серию звуков, эхо от которых способно убедить слушателя, что он слышит ответ на другом языке»[209]. Термин гетерофония заимствован из музыковедения и обозначает одновременное звучание нескольких вариантов одной мелодии, и я могу лишь предположить, что гетерофонное эхо удлиняло французские слова, превращая их в испанские. К сожалению, никто точно не знает, что подразумевалось под этим термином, а никаких примеров гетерофонного эха не сохранилось. Однако во Франции существуют другие литературные игры, которые могут успешно применяться для экспериментов с эхом.

Жарким летним днем 2011 г., когда я вместе с семьей путешествовал на велосипеде по долине Луары, мы прибыли в замок Шинон. Центральная часть замка была построена Генрихом Плантагенетом, который впоследствии стал королем Генрихом II Английским. Но меня заинтересовал необычный дорожный указатель прямо за стенами замка. На нем была стрелка, указывающая на узкую дорожку, и лаконичная надпись «Эхо». Разве может собиратель акустических чудес отвергнуть такое предложение? Через несколько сотен метров показалась приподнятая площадка и табличка, указывающая, что именно в этом месте нужно проверять акустику. Я кричал и пел, наслаждаясь красивым эхом[210]. Стена замка, от которой отражался звук, была частично скрыта фруктовым садом, и такое отчетливое эхо казалось удивительным. Я не удержался и разыграл традиционную шутку с эхом, о которой мне поведал путеводитель по Луаре[211]:

Я: Les femmes de Chinon sont-elles fidèles?

Эхо: Elles?

Я: Oui, les femmes de Chinon.

Эхо: Non!

В переводе с французского диалог выглядит так:

Я: Женщины из Шинона верны?

Эхо: Они?

Я: Да, женщины из Шинона.

Эхо: Нет!

При правильном произношении, когда ударение делается на последний слог фразы, например «non» в «Chinon», все прекрасно получается. Я имею в виду, что окончания слов, отражающиеся от северной стены замка, были отчетливо слышны. Утверждения, высказанные в этом стишке, проверить сложнее.

Существуют и другие истории, связанные с эхом. Ниже приведен рассказ XIX в. из книги «Чудеса акустики» Родольфа Радо (перевод с латыни в квадратных скобках).

Кардан рассказывает о человеке, который хотел перебраться на другой берег реки, но не мог найти брод. Отчаявшись, он тяжело вздохнул. «Ох!» – ответило эхо. Он подумал, что тут кто-то есть, и вступил в разговор:

Onde devo passar? [Значит, мне нужно переходить?]

Passa. [Переходи.]

Qui? [Здесь?]

Qui. [Здесь.]

Однако, увидев опасный водоворот, путник переспросил:

Devo passar qui? [Я должен переходить здесь?]

Passa qui. [Переходи здесь.]

Путник испугался, подумав, что над ним насмехается какой-то демон, и вернулся домой, так и не решившись перейти реку вброд[212].

В «Чудесах акустики» приводится множество сведений об Афанасии Кирхере, ученом иезуите XVII в., жившем в Риме и много писавшем о театральной акустике и других необычных явлениях. Его заинтересовало множественное эхо – с несколькими отчетливыми отражениями. К этой категории относится повторяющееся эхо, вызванное сложными структурами и превращающее одно слово в целое предложение. Для своего двухтомного шедевра «Универсальная музургия» (Musurgia Universalis), изданного в 1650 г., Кирхер сделал рисунок больших вертикальных панелей, расположенных на разном расстоянии от оратора, чтобы производить серию отражений, следующих одно за другим. Одна из таких конструкций имела пять панелей и была предназначена для того, чтобы слово clamore отражалось как clamore от первой панели, как amore от второй, а также как more, ore, re от третьей, четвертой и пятой панели соответственно. Поэтому, если вы громко крикнете: «Tibi vero gratia agam, quo clamore?» («Как я могу отблагодарить тебя?»), эхо последнего слова ответит вам латинской фразой «clamore, amore, more, ore, re», что приблизительно переводится как «твоей любовью, твоими устремлениями, твоими словами, твоими делами»[213].

Я сомневался, что такое возможно, но сама идея показалась мне достаточно интересной, чтобы ее проверить. Пяти больших экранов у меня не было, и я решил смоделировать ситуацию на компьютере. Я записал слово «clamore», а затем с помощью специальной программы получил отражение от каждой из панелей на рисунке Кирхера. Изменяя расстояния до панелей от оратора и громкость отражений, я пытался воссоздать последовательность эха[214]. К моему удивлению, нужная фраза действительно сложилась – возможно, лишь потому, что мой мозг слышал именно то, что я хотел.

Однажды я увидел великолепную демонстрацию подобного эффекта журналистом Саймоном Сингхом; речь шла об обвинениях в адрес группы Led Zeppelin, которая в своей композиции «Лестница в небеса» якобы зашифровала сатанинские послания. Если проиграть композицию в обратном порядке, то вы должны услышать: «Oh here’s to my sweet Satan. / The one whose little path would make me sad, whose power is Satan. / He’ll give those with him 666, / there was a little toolshed where he made us suffer, sad Satan» («О, это для моего милого Сатаны. / Того, чей путь сделал бы меня печальным, того, кому принадлежит вся власть, – Сатаны… / Он даст 666 тем, кто с ним. / Там был сарайчик, где он заставлял нас страдать, печальный Сатана»). Некоторые религиозные группы так разволновались, что в США предлагали принять закон об обязательности предупреждающих надписей[215]. Утверждалось, что, даже если прослушивать такие произведения в обычном порядке, а не в обратном, слушатель подсознательно расшифровывает смысл сатанинских посланий[216].

Несколько групп психологов проверили эти утверждения, используя научные методы. Эксперименты показали, что если прослушивать «Лестницу в небеса» в обратном порядке с закрытыми глазами, то вы услышите лишь бессвязные звуки. Сатанинские стихи слышны только тогда, когда у вас перед глазами есть их отпечатанная на бумаге версия. (Вы можете провести этот эксперимент самостоятельно; в интернете есть множество сайтов, посвященных обратной маскировке, с образцами звука.) Мозгу постоянно приходится анализировать неполные данные, поэтому он очень хорошо умеет выявлять закономерности и объединять разные источники информации. Но иногда мозг ошибается – в данном случае связывает записанные строки с бессмысленным бормотанием проигрываемой в обратном порядке композиции.

То же самое происходит с эхом «clamore, amore, more, ore, re». Когда я внимательно слушал, пытаясь услышать именно эту последовательность слов, то мог ее разобрать. Эффект был особенно сильным при слабом эхе, когда мне приходилось напрягать слух. Но если я закрывал глаза, воспринимая общую картину и анализируя ее, то обычно слышал лишь повторяющийся слог «re». Занятная игра слов исчезла.

Многократное, или тавтологическое, эхо почти совпадает с множественным эхом, за исключением того, что в нем многократно повторяются одни и те же слова или слоги. В одном из эпизодов телешоу «Симпсоны» это явление использовано для грубой шутки. В церкви Мардж, смущенная поведением Гомера, говорит ему: «Homer, your behavior is heinous (Гомер, твое поведение отвратительно)», – а тавтологическое эхо повторяет «anus, anus, anus (анус, анус, анус)»[217].

Афанасий Кирхер также интересовался шутками, которые разыгрывались с помощью эха. Он описывает, как подшутил над приятелем в Кампанье, окружающей Рим низменности. «Quod tibi nomen? (Как тебя зовут?)» – крикнул приятель, и эхо ответило: «Константин». Эффект был достигнут с помощью сообщника, который прятался неподалеку от утеса, от которого звук обычно не отражался. Услышав вопрос, сообщник отвечал, изображая невозможное эхо[218].

Еще более впечатляющие трюки проделывал Боб Перри, который научился подражать эху. Он воспроизводил инаугурационную речь Джона Ф. Кеннеди с многократным повторением каждого слова, как будто вызванным громкоговорящей системой оповещения. Немного потренировавшись, вы тоже так сможете. Выберите отрывок, в котором промежутки между слогами чуть больше обычных, как в речи Кеннеди, когда он говорил медленно, а затем произнесите каждый слог дважды. Для убедительности второе слово должно звучать чуть тише, чем первое.

Объявления на железнодорожных вокзалах звучат неразборчиво вовсе не из-за архитектуры здания; зачастую в этом виновата электроника. Плохие громкоговорящие системы оповещения издают слишком громкий звук, и количество источников звука слишком велико. Вы слышите слова из нескольких динамиков, и они приходят не одновременно, поскольку источники звука располагаются на разном расстоянии от вас. Одно из инженерных решений – изменить местоположение и ориентацию каждого динамика, чтобы слышался звук только от одного источника. Можно также использовать динамики, излучающие звук в определенном направлении, а не во все стороны, – точно так же, как мы используем направленный луч фонаря вместо освещающей все пространство лампы. Но реализовать узконаправленное излучение звука получается не всегда, и в этом случае инженеры вводят электронную задержку для каждого динамика, чтобы речь от разных источников приходила к вам примерно в одно время. Затем мозг объединит эти сигналы в один, более сильный, минимизировав сбивающую с толку какофонию повторений.

В телешоу Candid Camera имитатор эха Боб Перри стоял на башне Койт, с которой открывается великолепный вид на Сан-Франциско, рядом с фальшивой табличкой «Эхо». Подойдя к ничего не подозревающей жертве розыгрыша, Боб кричал, создавая иллюзию, что эхо отражается от башни, – он имитировал задержку продолжительностью одну пятую секунды. Но, когда стоящий рядом с ним человек тоже пытался кричать, эха не было.

Боб Перри воспроизводит эффект, который музыкальные продюсеры называют короткое эхо; это одиночное повторение, громкое и четкое. Этот эффект часто встречается в записях рок-н-ролла 1950-х гг., и он помог создать характерное звучание знаменитых певцов, таких как Элвис Пресли. Для получения электронного эха звукоинженеры использовали два магнитофона, в которые заправляли одну ленту; первый записывал музыку, а второй проигрывал ее через короткий промежуток времени, в результате чего получалось задержанное, короткое эхо. Время между прохождением ленты под записывающей головкой одного магнитофона и считывающей головкой второго определяло задержку эха. В таких композициях, как Boogie Disease Доктора Росса, задержка эха составляет 0,15 секунды, создавая впечатление, что при исполнении этого блюза электрогитара играет с удвоенной скоростью, поскольку каждый аккорд повторяется.

Такой же эффект создавал характерный звук голоса Элвиса Пресли в его записях с Sun Records, например Blue Moon. Когда певец перешел на студию RCA и завоевал мировую известность такими хитами, как Heartbreak Hotel, звукоинженеры не могли разгадать способ получения короткого эха и добавляли мощные реверберации из коридора, ведущего в студию[219]. В настоящее время этот эффект очень легко синтезировать с помощью цифровой аппаратуры, и задержка стала одним из краеугольных камней записи популярной музыки. Чтобы получить такое эхо без применения электроники, инженерам из RCA нужно было записывать Элвиса в студии, расположенной рядом с длинным туннелем или высоким помещением со сводчатым потолком, которые дают короткое эхо (не забывайте, что один из размеров помещения должен быть не менее 33 метров – довольно много для звукозаписывающей студии).

Мечеть Имама в иранском Исфахане прекрасно подошла бы для голоса Элвиса, поскольку, согласно старым записям, это centrum phonocampticum, или объект с эхом. Очень красивое здание, украшенное плиткой с характерным исламским орнаментом, было построено в XVII в. Огромный купол вздымается на высоту 52 метров и, как пишет один из путеводителей, «повторяет отдельные звуки чередой отчетливого эха»[220]. Экскурсоводы становятся под куполом и щелкают пальцами или хлопают листом бумаги, издавая серию коротких резких звуков, похожих на треск. Помещение тут же отзывается семью быстрыми отражениями[221]. Звук мечется между полом и потолком, причем купол фокусирует звук, заставляя его перемещаться вверх-вниз через равные интервалы. Без купола отражение от потолка затерялось бы среди других отражений в мечети.

Современный дизайнер Люк Джеррам часто использует звук в качестве художественного средства. Его работа «Эол» (Aeolus) была создана под впечатлением визита в Иран, где он слышал эхо в мечети Имама. Я познакомился с Люком семь лет назад, когда мы оба попали в финал конкурса FameLab, целью которого является поиск популяризаторов науки для средств массовой информации. Второй раз я услышал о нем, когда рядом с моим университетом в 2011 г. появился павильон «Эол».

Рис. 4.1. «Эол» © Richard Deane

«Эол» похож на сегмент огромного стального дикобраза – арка высотой 4–5 метров с 300 длинными стальными трубами, торчащими во все стороны (рис. 4.1). Эта форма была навеяна двенадцатью раскатистыми звуками эха, которые Люк услышал в мечети, когда щелкнул пальцами. Если стать в определенное место под «Эолом», то можно услышать, как арка фокусирует и немного усиливает ваш голос. Свет, проникающий через отполированные до зеркального блеска трубы, создает геометрические узоры, напоминающие орнамент в мечети.

Главным визуальным компонентом скульптуры является арка, но звуковой эффект создается почти незаметными тросами, которые тянутся от опорных колонн к трубам. Каждый трос вибрирует от ветра. Деревянные планки играют роль порожка в скрипке, передавая колебания струн мембранам, натянутым на концах труб. Под действием этих мембран резонирует воздух в трубах. Результат получается крайне необычным – пульсирующий звук напоминает минималистскую музыку американского композитора Стивена Райха, причем звуки появляются и исчезают синхронно с ветром.

«Эол» назван в честь владыки четырех ветров из греческой мифологии. Люк хотел использовать «звук, чтобы рисовать картины в воображении людей», давая возможность посетителям «визуализировать меняющийся ветровой ландшафт вокруг скульптуры»[222]. Источник звука определить невозможно – звуковая волна просто идет сверху. Длины труб тщательно рассчитаны для получения звукоряда. Соответственно используется эолийский лад, который, будучи минорной гаммой, придает звуку неприятный, жутковатый оттенок[223]. Если закрыть глаза, легко представить, что вы попали в научно-фантастический фильм во время вторжения марсиан.

Люк решил построить «Эол» после знакомства с иранским шахтером, который описал ему конструкцию подземных ирригационных каналов под названием «канат». Профессия шахтера очень опасна – работать приходится в тесных и влажных помещениях. Хуже всего, когда при проходке натыкаются на подземный источник. Представьте шахтера, зажатого в тесном проходе, когда ему на голову внезапно обрушиваются потоки воды. На создание поющего павильона Люка вдохновил рассказ о том, как воют от ветра вентиляционные трубы подземных каналов.

Рис. 4.2. Эффект фокусировки в двух разных помещениях

У многих величественных сооружений есть купол, как у иранской мечети, но лишь немногие купола имеют подходящий изгиб, чтобы образовалось четкое эхо. У помещения, изображенного на рис. 4.2, фокальная точка расположена слишком высоко; в здании, изображенном справа, усиленный звук возвращается к слушателю у самого пола, в результате чего получается повторяющееся эхо. Измеряя по записям время между приходом эха, я вычислил, что высота купола мечети Имама (внутри) составляет около 36 метров. Место, где нужно стоять, отмечено на полу мечети; в старых книгах, посвященных эху, оно называется centrum phonicum.

Поверхность пола и потолка должна быть облицована материалом, плохо поглощающим звук. Керамическая плитка в мечети идеально подходит для этой цели по двум причинам. Во-первых, плитка тяжелая, и это значит, что она не будет вибрировать под действием звука. Во-вторых, она воздухонепроницаема, и это значит, что акустическая волна не проникает внутрь плитки, а отражается от нее.

В здании Брикстонской академии раньше располагался кинотеатр Astoria, архитектурный шедевр 1929 г. в стиле модерн. На его открытии присутствовал кинорежиссер Альфред Хичкок – давали «Поющего глупца» (The Singing Fool) с Элом Джолсоном в главной роли[224]. В академии громкое эхо, создаваемое отражением звука от купола и наклонного пола[225], но его слышно только во время акустических измерений, когда в зале нет публики. Когда зал полон, звуковые волны поглощаются толпой – они проникают в поры на одежде и теряют свою энергию. Если публики мало, это компенсируется с помощью эха, которое усиливает аплодисменты!

Французский ученый и консультант по акустике Брайан Кац вместе с коллегами исследовал необычный, фокусирующий звук потолок в одном забытом помещении Парижа[226]. Эта комната имела отношение к многочисленным казням во времена Великой французской революции. В XIX в. Огюст Лепаж писал: «С этой комнатой, предназначенной для размышлений и молитвы, связаны кровавые воспоминания. Именно здесь заседал знаменитый суд… во время массовых казней 1792 г.». Лепаж так описывает эту комнату: «Массивные колонны поддерживают несущую конструкцию крыши, которая представляет собой удивительное сооружение. Эта рама в форме купола изготовлена из испанского каштана без единого гвоздя; тысячи деталей соединялись только с помощью деревянных втулок»[227].

Здание было разрушено в 1875 г., но Брайан имел возможность работать с копией XIX в., уменьшенной моделью, хранящейся в Музее искусств и ремесел в Париже. Потолок комнаты похож на перевернутую плетеную корзину, которую сплющили практически до плоского состояния. Если смотреть снизу, то потолок представляет собой кольца из балок, разделенные промежутками. Кривизна потолка фокусирует звук, но фокальная точка находится высоко, и человек не слышит эхо. Секрет этой акустики состоит в том, что в центре потолка расстояния между балками больше, чем по краям. Брайан продемонстрировал, что на некоторых частотах отражения от разных балок накладываются и усиливают звук в центре помещения. Деревянная решетка купола похожа на зонную пластинку Френеля, названную по имени французского физика XIX в. Огюстена Жана Френеля, который исследовал дифракцию. Зонная пластинка Френеля использует дифракцию для фокусировки света. С ее помощью можно фокусировать лазерные лучи, а недавно ее предложили использовать вместо тяжелых линз космических телескопов[228]. В акустике зонные пластины применяют для фокусировки ультразвука.

Эхо – это не просто забавное явление; оно способно обеспечивать безопасность. Через пару лет после гибели «Титаника» находчивый капитан рассказал, как его судну удалось избежать подобной судьбы в Северной Атлантике, когда в туманную погоду он проходил Большую Ньюфаундлендскую банку. Неожиданно пятисекундный гудок сирены отразился от тумана. Может, это гудок другого парохода? Капитан приказал подать более сложный сигнал, который в точности повторился – то есть это было эхо. Газета Day сообщала, что капитан совершил маневр, чтобы «не врезаться в айсберг, который он мог слышать, но не мог видеть»[229].

Другой известный случай использования эхолокации моряками произошел в заливе Пьюджет-Саунд в штате Вашингтон. Статья в номере журнала Popular Mechanics за 1927 г. описывает проход из Пьюджет-Саунда к Аляске как «узкий, извилистый канал, хуже которого ничего быть не может»[230]. В туманную погоду капитаны определяли свое местоположение, прислушиваясь к эху пароходного гудка. Сильные волны в канале не позволяли судам замедлять ход, как во время тумана в открытом море. Тот же журнал объяснял: «Полный вперед, затем полный назад – вот правило лоцманов, использующих эхо»[231]. Если задержка эха составляет одну секунду, это значит, что гудок преодолел 340 метров, то есть судно находится в 170 метрах от берега. Моряки, изучающие этот маршрут, должны запомнить задержку отраженного звука от главных ориентиров. На маленьком острове, слишком низком и не отражающем звук, поставили 8-метровый квадратный щит, чтобы помочь ориентироваться по эху пароходного гудка.

Как утверждает журнал, по звуку эха лоцманы умеют различать характер береговой линии: «Низкий берег возвращает «шипящее» эхо, а высокие утесы – цельный «хлопок». Эхо от песчаного или гравийного пляжа «скребет»; натренированный слух способен различить двойное эхо от раздвоенного мыса»[232]. Это утверждение казалось мне сомнительным, пока я не услышал доклад норвежского акустика Тора Халмраста, который проводил эксперименты с эхолокацией слепых.

Издавая резкий звук и слушая его отражения, люди могут научиться ориентироваться по слуху, подражая тому, что делают дельфины, летучие мыши и гуахаро. Дэниел Киш научился эхолокации еще в раннем детстве, и в журнале New Scientist он так описывал свой школьный день в возрасте 6 лет:

Быстро щелкая языком и вращая головой, я осторожно двигался вперед… звуки, приходящие спереди, были мягче, и это значило, что там большое поле, заросшее травой… Внезапно передо мной возникло препятствие. Я остановился. «Привет», – произнес я, решив, что там кто-то стоит. Но, пощелкав и покрутив головой, я понял, что препятствие слишком тонкое, чтобы быть человеком.

Я понял, что это столб, еще до того, как протянул руку и дотронулся до него. Там девять столбов, выстроившихся в ряд. Потом я узнал, что это трасса для слалома. Я никогда не пробовал пробежать ее, но тренировался кататься на велосипеде, петляя среди деревьев и щелкая как сумасшедший[233].