Помоги проекту - поделись книгой:
Щелчок обычно производится резким опусканием языка во рту, иногда в сопровождении вдоха или короткого причмокивания. Этот звук индивидуален, поэтому эхолокация по чужим щелчкам затруднительна[234]. Разнообразие звуков, которые можно производить языком, поразительно. Подходящим для эхолокации является нёбный щелчок, получающийся за счет быстрого заполнения вакуума, образующегося между кончиком языка и нёбом. Это короткий и громкий звук, который хорошо слышен в шумных местах.
Кроме того, нёбный щелчок содержит большой набор частот, что помогает людям, использующим эхолокацию[235]. Поскольку они слушают отражение от поверхностей, находящихся на расстоянии нескольких метров, и поскольку большинство отражений от таких поверхностей приходят слишком быстро, чтобы отделить их друг от друга, эти люди должны научиться улавливать слабые различия между тем, что слышит каждое ухо. Интерференция между щелчком и его отражением может привести к окрашиванию (изменению баланса частот), к изменению тональности – того, что музыканты называют
Некоторые примеры самого необычного эха можно услышать в рукотворных сооружениях. Рассчитанные инженерами искривленные поверхности способны фокусировать звук, а плоские параллельные стены заставляют его многократно отскакивать, чего не наблюдается в естественных условиях. Огромными акустическими возможностями обладают арки мостов, в чем я убедился, когда путешествовал в лодке по реке Дордонь во Франции за пару месяцев до того, как увидел «Эол». Одна каменная арка имела такой размер и форму, что фокусировала звук у поверхности воды, и шлепки весла создавали звучное эхо. Во время перерыва на обед я исследовал акустику другого моста, перекинутого через отмель. Стоя спиной к краю арки и хлопая в ладоши, я вызвал порхающий звук – многократное эхо.
На другой стороне Атлантики, в Ньютон-Аппер-Фолсе, штат Массачусетс, из-за похожего порхающего звука местные жители стали называть акведук «Мостом эха». Эта 40-метровая арка над рекой Чарльз, построенная в 1870-х гг., даже снабжена лестницей, ведущей к специальной площадке, где желающие могут услышать необычный звуковой эффект. В интернете есть видеоролики с собаками, которых сводит с ума эхо собственного лая, – они считают, что на другом берегу реки лает соперник. Мост привлекает не только туристов и развлекающихся владельцев собак, но и ученых. В сентябре 1948 г. Артур Тейбер Джонс отправил в Journal of the Acoustical Society of America отчет о небольшом исследовании: «Хлопок в ладоши [sic] возвращается в виде множественного эха числом около дюжины, с убывающей громкостью и частотой приблизительно четыре хлопка в секунду»[237]. Джонс также описывает изящные эксперименты с целью выяснить, что именно вызывает такие отражения.
Вопрос, на который пытался ответить Джонс, формулируется так: звук скользит внутри вогнутой арки, как в шепчущих галереях, о которых рассказывается в следующей главе, или распространяется горизонтально над поверхностью воды? С помощью слуховых трубок Джонс безуспешно пытался определить, откуда приходит звук. Попытки использовать одеяла, блокируя звук, распространяющийся по арке, тоже ничего не дали: мешал сильный ветер.
У меня не было возможности исследовать мост, но я нашел фотографии и почтовые открытки, которые позволили оценить форму арки. По видеороликам с лающими собаками я вычислил задержку эха. И наконец, современные методы прогнозирования позволили мне визуализировать распространение звука.
На рис. 4.3 изображены двенадцать кадров анимации, которая потребовалась мне для понимания акустики моста. На каждом кадре изображено почти полукруглое пространство под аркой с площадкой для туристов слева и длинной горизонтальной линией, обозначающей уровень воды, справа. Черные точки иллюстрируют (начиная с верхнего левого кадра), как звук движется от источника к другому концу моста, а затем возвращается назад.
Рис. 4.3. Кадры анимации, показывающей движение звука под «Мостом эха»
Чтобы получить эту анимацию, я имитировал звук с помощью большого количества бильярдных шаров, которыми выстреливали с площадки во все стороны. Компьютер высчитывал, как шары отскакивают от стенок этого бильярдного стола необычной формы. На кадрах 1–6 на рис. 4.3 звук движется слева направо; затем он отражается от правого края и возвращается назад, двигаясь в противоположном направлении. Ответ на вопрос Джонса таков: звук одновременно распространяется внутри арки и скользит по поверхности воды.
Первые охотники за эхом стремились найти необычное многократное эхо с наибольшим числом отражений – такое эхо, которое превращает слог «ха» в смех. Это занятие довел до абсурда собиратель эха из «Рассказа коммивояжера» Марка Твена:
Возможно, вам приходилось слышать, сударь, что в торговле эхом цены нарастают, как шкала каратов в торговле брильянтами, и даже терминология та же самая. За эхо в один карат вы приплачиваете всего лишь десять долларов к стоимости земли, где оно обитает; за двукратное, или двухкаратное, эхо вы приплачиваете уже тридцать долларов; за пятикаратное – девятьсот пятьдесят долларов, а за эхо в десять каратов – тринадцать тысяч долларов. Орегонское эхо, которое дядюшка назвал Великим эхом Питта, являло собой сокровище в двадцать два карата и стоило ему двести шестнадцать тысяч долларов. Землю отдали в придачу, даром…[238][239]
В XVII в. настоящий собиратель эха и ниспровергатель мифов Марен Мерсенн проанализировал утверждение, что башня неподалеку от Авентинского холма в Риме восемь раз повторяет первую строчку «Энеиды» Вергилия[240]. Поскольку для прослушивания восьми повторений этой фразы требуется 40 секунд, то самое дальнее отражение должно проделать путь в 14 километров – слишком много, чтобы можно было расслышать голос.
Более правдоподобными выглядят рассказы о Вилле Симонетта в Милане, построенной в XVI в. Великий математик XVIII в. Даниил Бернулли утверждал, что слышал там эхо, насчитывавшее до шестидесяти повторений[241]. Марк Твен писал об этом в своей книге «Простаки за границей», где есть рисунок, изображающий женщину, которая развлекает двух джентльменов, дуя в мегафон, чтобы вызвать эхо. Айрис Лаутербах при описании итальянских садов отмечает, что вилла пользовалась популярностью еще в XIX в., «но не из-за своего сада: главной ее достопримечательностью было эхо»[242].
Вилла имеет прямоугольную форму в виде буквы «П», с двумя большими крыльями, строго параллельными и отстоящими друг от друга на 34 метра. Внутренний дворик, открытый с одной стороны, выходит в роскошный сад. На втором этаже под крышей одного из крыльев есть одинокое окно. Если выглянуть в него и произнести несколько слов, то звук будет скакать туда-сюда по внутреннему двору между параллельными крыльями здания. Чтобы вернуться в исходную точку, звуковой волне требуется 0,2 секунды, а это значит, что очень краткий звук повторяется здесь многократно. В старинных книгах утверждалось, что выстрел из пистолета мог повторяться от сорока до шестидесяти раз[243]. На гравюрах XVII в. с изображением виллы видно, что стены крыльев были гладкими – то есть звук мог скакать от стены к стене, не рассеиваясь в других направлениях.
На этих гравюрах окно для эха выглядит странно – оно единственное в верхней части крыльев и нарушает архитектурную симметрию. Невольно возникает подозрение, что окно было помещено туда специально, чтобы продемонстрировать чудеса акустики. К сожалению, вилла была сильно повреждена в результате бомбардировок во время Второй мировой войны и во дворе уже нет величественных колоннад, а эхо стало одиночным[244].
Интересно, такое желание возникает только у меня или никто не может удержаться от гиканья и улюлюканья, входя в туннель? Некоторые туннели подходят для этого занятия лучше других. Один из моих любимых – пешеходный туннель под Темзой в районе лондонского Гринвича. Он был проложен в 1902 г., и по нему жители южной части Лондона могут попасть на Собачий остров. Я отправился туда холодным зимним вечером через несколько месяцев после путешествия во Францию; мне хотелось проверить, верны ли мои детские воспоминания об акустике туннеля. Хотя туннель считается пешеходным, почти все, кто мне встретился по пути, были на велосипедах. Какое-то время я ходил взад-вперед по этой 370-метровой трубе. Это довольно узкий цилиндр, выложенный белой глазурованной плиткой.
Диаметр слабо освещенного туннеля составляет всего 3 метра. Звуковые волны отражаются от стен, сильно искажаясь. Если я стоял посередине, то мой голос приобретал металлический оттенок. Резонанс в туннеле усиливал определенные частоты в моем голосе, отчего он звучал неестественно. Я спросил музыканта Питера Кьюсака, какое впечатление производит на него это место.
Иногда посередине сидит уличный музыкант, и если слушать его, находясь у одного из входов… то нет никакой возможности определить мелодию или даже инструмент, на котором он играет. До вас доходит какая-то музыкальная смесь, на самом деле довольно приятная. Но когда вы идете по туннелю и подходите все ближе, звук становится отчетливее, и, добравшись до музыканта, вы зачастую испытываете некоторое разочарование[245].
В какой-то момент я испугался, подумав, что ко мне приближается грузовой поезд. Но потом вздохнул с облегчением, поняв, что это всего лишь грохот скейтборда, усиленный акустикой туннеля. Проехав мимо, скейтбордист подбросил свою доску, но не смог поймать ее, и она стукнулась об пол – звук был такой, словно кто-то изо всех сил хлопнул дверями большого собора. Исходный звук преодолел сотни метров до конца туннеля и вернулся громким эхом. Благодаря облицованным плиткой поверхностям звук долго грохотал в пространстве туннеля, прежде чем затихнуть.
Инженеры из Брэдфортского университета в Англии использовали свойство туннелей передавать звук на большие расстояния для поиска места закупорки канализационных труб. В трубу посылается звуковой сигнал, а микрофон улавливает эхо. Время задержки эха указывает на расстояние до «пробки», а акустические характеристики отражения свидетельствуют о размере и типе препятствия.
Одна из причин впечатляющей акустики большинства туннелей заключатся в том, что в них звук может распространяться на необычайно большое расстояние. Если вы с кем-то беседуете на открытой местности, то чем дальше вы стоите друг от друга, тем тише голос собеседника. Представьте, как надувается воздушный шарик: по мере увеличения объема резина становится тоньше, распределяясь на бо́льшую поверхность. Удаление от источника звука на открытом воздухе аналогично пребыванию на поверхности воздушного шарика: подобно растягивающейся резине, энергия распределяется более тонким слоем и звук становится тише. Но в туннеле акустическая волна распространяется по поперечному сечению трубы, которое не меняется по мере удаления от источника звука. Энергия теряется только при поглощении звука стенами. Если стены облицованы твердым материалом – плиткой, кирпичом или бетоном, – звук может распространяться на огромные расстояния.
Желая узнать, почему в туннеле в Гринвиче мой голос приобретает металлический оттенок, я нашел еще одно подобное место – там эффект был выражен еще сильнее. В лондонском Музее науки есть интерактивная галерея, где дети шумно наслаждаются чудесами науки. По дальней стене проходит труба длиной 30 метров и диаметром около 30 сантиметров. «Похоже на артиллерийскую канонаду», – делится впечатлениями маленький мальчик, прежде чем я приступаю к эксперименту. Довольно точное описание. Хлопок в ладоши звучит как нечто среднее между ударом по металлическому листу и выстрелом лазерной пушки из научно-фантастического фильма.
Можно предположить, что характер звука определяется материалом трубы. Однако, хотя труба металлическая, материал практически не влияет на тот факт, что мой голос становится похожим на голос робота. Труба могла быть изготовлена из любого материала – бетона, металла, пластика, – и все равно звук приобретал бы в ней металлический оттенок, как в туннеле в Гринвиче. Все дело в геометрии, поскольку вибрирует воздух в трубе, а не ее стенки. То же самое происходит в музыкальных инструментах. В юности я учился играть на кларнете, и низкие ноты, извлекаемые из этого инструмента, часто описывались как явно «деревянные». Это наводит на мысль, что причиной тому – трубка из черного дерева. Но мой коллега Марк Эвис однажды играл на латунном кларнете и обратил внимание на его глубокий «деревянный» звук. Великий джазовый музыкант Чарли Паркер известен тем, что для некоторых композиций использовал пластиковый саксофон и при этом характерное для музыканта звучание оставалось прежним[246].
Аналогичным образом, «медный» звук трубы или тромбона зачастую неверно приписывают металлу, из которого изготовлены эти инструменты. Некоторые старинные духовые инструменты, например корнет, изготавливались из дерева, но имели «медное» звучание. Музыкальный инструмент генерирует много разных частот одновременно – они называются гармониками и придают звуку характерную окраску. Когда гобой издает настроечную ноту для оркестра – концертное ля с частотой 440 Гц, – одновременно звучат и частоты 880, 1320 и 1760 Гц. Эти
Труба в Музее науки имела небольшое количество сильных гармоник, и они не были просто кратными основной частоте. Звучание музыкальных инструментов приятно для слуха, потому что они сконструированы так, чтобы их гармоники были распределены в определенном порядке. Большие куски металла обычно излучают неупорядоченные частоты и поэтому неблагозвучны. Труба с ее диссонирующими частотами придает голосу металлическую окраску. Другая особенность, определяющая звук музыкального инструмента, – это начало и окончание ноты. Металлическая пластина может издавать приятный звук, не умолкающий долгое время. Точно так же вел себя воздух в трубе Музея науки, – казалось, грохот никогда не утихнет.
Но у трубы была еще одна интересная особенность: хлопок в ладоши вызывал звенящий звук. Эхо начиналось на высокой частоте, которая постепенно падала. Я поговорил с несколькими коллегами, и они пребывали в таком же недоумении – никто не ожидал подобного сдвига частоты в простой трубе. Помимо всего прочего, наука интересна тем, что она опровергает ваши предположения и находит нечто новое, что необходимо понять и объяснить. Изучая литературу, я обнаружил, что свист с уменьшающейся частотой уже имеет название – это свист дренажной трубы. Впервые он был описан несколько десятилетий назад ныне покойным американским ученым Фрэнком Кроуфордом, который обратил внимание на высокий звук из трубы, проложенной под песчаной дюной в Калифорнии. О его попытках объяснить происхождение звука рассказывает статья в одном из журналов: «Кроуфорд хлопал в ладоши, бил в барабаны бонго и стучал по кускам фанеры перед дренажными трубами на побережье в окрестностях Сан-Франциско»[247].
Рис. 4.4. Одиночный хлопок в ладоши у одного конца длинной трубы, прослушиваемый на другом конце
Если приложить ухо к одному концу дренажной трубы, когда у другого конца хлопают в ладоши, как показано на рис. 4.4, первый звук дойдет до уха по центру трубы, напрямую. Следующим будет тот, который отразится от стенки один раз и поэтому преодолеет чуть большее расстояние. За ним придет тот, который отразится два раза, от противоположных стенок трубы. Чем позже приходит звук, тем длиннее его путь и тем больше число отражений. Если изобразить время прихода этих звуков, как на рис. 4.5, то выяснится, что вначале отражения приходят часто, а затем интервалы между ними постепенно увеличиваются. В каждом конкретном случае высота звука определяется промежутком времени между соседними отражениями. При высокой частоте отражений формируется высокий звук. Со временем интервалы между отражениями увеличиваются, и частота звука падает[248]. Похожее нисходящее глиссандо наблюдается при прохождении вибраций через плотный материал, такой как металл. Возможно, это еще одна причина, почему эхо в трубе имеет металлический оттенок.
Рис. 4.5. Хлопок в ладоши и его отражения внутри дренажной трубы. (Каждый звук упрощен до одной вертикальной линии, чтобы нагляднее продемонстрировать закономерность приходящих звуков.)
Множественные отражения являются основой эха, которое создает почти музыкальный звук. Вскоре после моего путешествия на лодке жарким солнечным днем я стоял в городе Ангулем во Франции рядом с Музеем комиксов и ждал, пока мои дети насладятся обширной коллекцией книг об Астериксе и Тинтине. Заскучав, я начал экспериментировать со звуком: хлопал в ладоши и слушал отражение звука от фасада белого здания, широкого и низкого, раньше использовавшегося как склад для хранения коньяка. Но мое внимание привлекло отражение от другого объекта. Справа доносился высокий звук, как будто кто-то сжимал резиновую игрушку-пищалку; звук шел от лестницы.
В основе того, что я слышал, лежало то же явление, которое заставляло чирикать пирамиды майя, описанные в главе 2. Лестницы могут издавать самые разнообразные звуки. Инженер-акустик Нико Деклерк писал мне об одной крякающей лестнице: «Она находится на реке Меник-Ганга (река Самоцветов), которую нужно пересечь, чтобы попасть в священный город Катарагама… Переправляясь через реку, вы слышите кряканье уток, если хлопаете в ладоши или если женщины на берегу стирают белье и колотят его о камни»[249]. В Европе художник Давиде Тидони надувал и прокалывал воздушные шарики, чтобы продемонстрировать необычную акустику в австрийском городе Линце, в том числе резкий свистящий звук, создаваемый очень длинной лестницей[250].
Странные звуки создаются последовательностью отражений от ступенек, которые искажают хлопок от лопнувшего воздушного шарика или удар в ладоши, и эта последовательность определяется геометрией (рис. 4.6). На рис. 4.7 изображены девяносто отражений от каждой ступени пирамиды майя в Эль-Кастильо. Частота падает приблизительно на октаву, поскольку промежуток между отражениями удваивается.
Рис. 4.6. Чирикающее эхо от лестницы
Вероятно, наиболее удобный способ анализа чирикающего звука – это спектрограммы, которые я использовал при изучении летучих мышей. На рис. 4.8 (верхнее изображение) показано чирикающее эхо от лестницы. Черная вертикальная линия у левого края представляет собой исходный хлопок. Размытые темные линии справа – это отражения, в которых частота уменьшается со временем. Сравните эти акустические отпечатки с криком птицы кетцаль в нижней части рисунка, где видна такая же наклонная линия. Схожее понижение тона объясняет, почему некоторым людям кажется, что эхо от лестницы напоминает чириканье птицы.
Рис. 4.7. Отражение однократного хлопка в ладоши от лестницы храма Кукулькана в Эль-Кастильо
Характер звука, отражающегося от лестницы, зависит от того, где стоит хлопающий в ладоши человек, а также от размера и количества ступенек. Скрипящая лестница у Музея комиксов была довольно короткой, и ступенек в ней было недостаточно, чтобы создать длительный звук птичьего пения. Самая длинная лестница в мире проходит вдоль рельса фуникулера на склоне горы Низен в Швейцарии. Она доступна только один раз в год для проведения марафона, и победитель тратит около часа, чтобы взобраться на 11 674 ступеньки. Когда я создал акустическую модель лестницы, она звучала как хриплый клаксон.
Если вам нужна лестница для экспериментов, я посоветовал бы найти тихое место, удаленное от других отражающих поверхностей. Лестница не обязательно должна быть очень длинной, достаточно двадцати ступенек, но чем больше ступенек, тем более впечатляющим получается эффект.
Археологи спорят о назначении лестниц на гранях пирамид майя, а также о том, были ли они построены для того, чтобы имитировать крик птицы кетцаль. Отвлекаясь от этих споров, зададимся вопросом: какие еще звуки могли получить древние майя, если бы изменили геометрию лестниц?
Рис. 4.8. Акустическая сигнатура пирамиды Кукулькана (вверху) и птицы кетцаль (внизу). (Эхо усилено, чтобы были яснее видны наклонные линии чирикающего звука.)
Звук, отражающийся от лестничного пролета, определяется чередой отражений, которые возникают после того, как хлопок в ладоши отражается от каждой ступеньки и возвращается к слушателю. На обычной лестнице более поздние отражения приходят реже, что приводит к снижению частоты чирикающего звука. Но представьте лестницу, сооруженную неумелыми строителями, в которой все ступеньки разного размера. Если у основания лестницы по мере подъема ступеньки будут уменьшаться, то серия отражений от них сформирует звук повышающейся частоты. Если же затем, ближе к вершине, ступени станут шире, то частота звука вновь уменьшится. Соответствующим сочетанием ступенек шириной от 3 до 10 сантиметров можно получить звук, частота которого сначала растет, а затем уменьшается; другими словами, лестница может издавать волчий вой. Такая лестница абсолютно бесполезна, но это будет настоящее акустическое чудо!
Рис. 5.1. Кошачье пианино. (Фото любезно предоставлено CNUM, Conservatoire Numérique des Arts et Métiers, http://cnum.cnam.fr, La Nature, 1883, p. 320.)
Окрашивание моего голоса в туннеле было неприятным, однако оно демонстрирует, почему в старинных описаниях тонического эха голоса модулировались определенным образом. Если хлопнуть в ладоши рядом с лестницей, то можно понять, что отражение на открытом воздухе может звучать как отдельная музыкальная нота. Существует много занимательных легенд об эхе, и самая неправдоподобная из них рассказывает о том, что мелодия, исполняемая на рожке, возвращается в более низкой тональности[251]. Изменение высоты звука противоречит законам физики, но то же самое относится к фразе «кряканье уток не создает эха», и люди с удовольствием повторяют эти небылицы. Вполне возможно, эхо от рожка было обычным розыгрышем, а может, в основе этого эффекта лежит более сложное окрашивание звука, сильно увеличенное при пересказе истории.
Рис. 5.2. Упрощенная иллюстрация из книги Афанасия Кирхера «Phonurgia Nova» (1673)
Независимо от громкости и типа все описанные в этой главе разновидности эха обладают одним общим свойством: чтобы насладиться ими, достаточно одного уха. Это монауральное удовольствие. Теперь обратимся к бинауральным акустическим чудесам – они связаны с тем, как наш мозг использует два уха, чтобы определить местоположение источника звука.
5
За поворотом
Шепот, отражающийся от гигантской полусферы потолка, был описан Уоллесом Сэбином, отцом архитектурной акустики, как «эффект невидимого и дразнящего присутствия»[252]. В огромном куполе мавзолея Гол-Гумбаз в Индии «шагов одного человека достаточно, чтобы создать звук как от группы людей», сообщал известный физик Ч. В. Раман, а «один громкий хлопок в ладоши отчетливо повторялся десять раз»[253]. Когда я спускался в канализационный туннель (см. пролог), мой голос словно прижимался к стенам туннеля, по спирали уходя вдаль и там затихая. Некоторые самые необычные звуковые эффекты могут создаваться простыми вогнутыми поверхностями.
В 1824 г. морской офицер Эдвард Бойд описал, как изогнутая поверхность может значительно усиливать звук, хотя это свойство не всегда приносит пользу. Он писал: «В соборе Агридженто на Сицилии самый тихий шепот с идеальной отчетливостью передается от больших западных дверей на карниз за высоким алтарем – на расстояние в двести пятьдесят футов». К сожалению, исповедальня в соборе была расположена неудачно: «Тайны, не предназначенные для чужих ушей, становились известны всем, что пугало исповедующихся и вызывало скандалы… пока наконец один из любителей подслушивать, чье любопытство было сполна удовлетворено признанием его жены в неверности, не рассказал всем об этой странной особенности, и исповедальню убрали»[254].
Люди уже давно выяснили, что изогнутые поверхности усиливают звук и позволяют тайно подслушивать. В XVII в. Афанасий Кирхер дал этому верное объяснение. Мы уже встречались с Кирхером в главе 4, потому что он много писал об эхе. В его трудах также описаны некоторые фантастические устройства, в том числе гигантские слуховые трубы, встроенные в стены королевских опочивален с целью подслушивания. Вероятно, самое известное, или скорее печально известное, его устройство – это Katzenklavier (в буквальном переводе «кошачье пианино»; рис. 5.1). В нем обычная клавиатура установлена перед рядом клеток, в которых сидят кошки. При каждом нажатии на клавишу в хвост одной из несчастных кошек впивается гвоздь, и она издает вопль. Правильно подобрав животных, вопящих на разные голоса, музыкант-садист мог бы сыграть на этом инструменте мелодию. Звук получился бы жуткий, но инструмент предназначался для того, чтобы повлиять на психически больных людей, а не для исполнения произведений Монтеверди или Перселла. К счастью, такой инструмент вряд ли был когда-либо изготовлен.
Возможно, после этого рассказа вы стали сомневаться в здравом уме и рациональности Кирхера. Однако его рисунки свидетельствуют о научном понимании того, как эллиптический потолок способен улучшить слышимость при разговоре двух людей (рис. 5.2).
Линии на рисунке показывают путь звуковых «лучей», идущих от одного собеседника к другому. Эти траектории можно вычислить с помощью линейки и транспортира. Другой способ – представить помещение как бильярдный стол необычной формы; в этом случае звук будет распространяться по траектории отскакивающего от бортов шара (без учета силы тяготения). Если бильярдный шар поместить у рта одного человека и направить в потолок, он всегда попадет к другому. Таким образом, распространяющийся вверх звук фокусируется на слушателе, что позволяет слышать в другом конце большого помещения даже тихий шепот.
Проблема такой планировки заключается в том, что оба собеседника должны стоять в определенных местах, фокусах эллиптического потолка. Такой потолок будет бесполезным, если оратор должен обращаться к большому количеству слушателей, рассеянных по комнате. В 1935 г. финский архитектор Алвар Аалто попытался преодолеть эту трудность, спроектировав волнистый потолок для городской библиотеки в Выборге. (Библиотека находилась на территории Финляндии, но после Второй мировой войны Выборг отошел к Советскому Союзу.) С трибуны потолок выглядит как невысокие волны, накатывающие с моря. Волнистые впадины образуют вогнутые поверхности, каждая из которых должна усиливать звук для определенной группы слушателей. К сожалению, вершина каждой волны отражает звук в направлении трибуны, ослабляя силу отражений, приходящих в дальнюю часть зала, и сидящие сзади плохо слышат оратора. На практике искривленные потолки, предназначенные для фокусировки звука, редко дают ожидаемый эффект[255].
Эллиптический потолок похож скорее на зеркало для бритья, простую вогнутую отражательную поверхность, которая сводит лучи света в одной точке. И потолок, и зеркало для бритья усиливают сигнал, но если для света результатом будет увеличенное изображение, то для звука – повышенная громкость. В зеркале для бритья отражения, попадающие в глаз, искажены, и вы видите увеличенное изображение своего лица. Но для слуха картина иная: отражения, приходящие от разных участков потолка, складываются в передних отделах слуховых каналов, и эта сумма передается в мозг. В целом получается более громкий звук, и удаленные объекты могут казаться ближе.
В книге «Элементы физики» (Elements of Physics) (1827) Нил Эмотт пишет:
Обычный парус корабля, прогибающийся под напором легкого бриза, хорошо собирает звук. Однажды на борту судна, плывшего вдоль побережья Бразилии вдали от земли, проходящие по палубе в одном месте отчетливо слышали звон колоколов, чередующийся с радостными криками толпы. Все, находящиеся на борту, слышали необычные звуки, но причина этого явления так и осталась тайной. Через несколько месяцев выяснилось, что именно в это время в честь праздника звонили колокола в городе Сальвадор на побережье Бразилии; таким образом, звук от них, подгоняемый слабым ветром, преодолел 100 миль [160 километров] над поверхностью воды и сфокусировался парусом в определенном месте, где его можно было услышать[256].
Правдива ли эта история? Может ли акустическое зеркало уловить звон колоколов на расстоянии 100 миль? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно обратиться к современным примерам. В Англии, в обсерватории Джодрелл-Бэнк к югу от Манчестера, находится гигантская тарелка – радиотелескоп имени Б. Ловелла. Этот телескоп использует такой же процесс фокусировки для приема и усиления радиоволн, и в прошлом он сыграл важную роль в космической гонке. Когда в 1966 г. советский зонд «Луна-9» удивил Запад, совершив посадку на Луну, обсерватория перехватила сигнал, передаваемый зондом. Направив сигнал в факсимильный аппарат, ученые получили изображение лунной поверхности, которое в британской газете появилось раньше, чем в Советском Союзе.
В тени гигантского телескопа стоят две шепчущие тарелки. (Существуют и другие шепчущие тарелки – в научных музеях и парках скульптур.) В последний раз, когда я был там, мои сыновья-подростки шепотом обзывали друг друга обидными словами. Эти звуковые зеркала находились на расстоянии 25 метров друг от друга, но шепот звучал очень громко. Однако парусное судно, описанное Эмоттом, находилось не в нескольких десятках метрах от Сальвадора, а гораздо дальше.
На побережье Англии можно увидеть остатки акустических зеркал, предназначенных для относительно больших расстояний. Это громадные уродливые чаши из бетона, обычно 4–5 метров диаметром, обращенные к морю. Они были построены в начале XX в. в качестве системы раннего предупреждения, обнаруживавшей вражеские самолеты. Большинство таких сооружений имеют форму чаши, но в Динге в графстве Кент можно также увидеть широкую дугу из выцветшего бетона. Высота дуги составляет 5 метров, ширина – 60 метров; это приблизительно пять двухэтажных автобусов, поставленных друг за другом. Стена имеет изгиб как по горизонтали, так и по вертикали, чтобы усиливать звук моторов приближающихся самолетов.
Испытания показали, что большое вытянутое звуковое зеркало способно заметить самолет на расстоянии 32 километров, когда вражеская авиация преодолела только треть пролива Ла-Манш. Однако при плохой погоде авиация могла приблизиться на расстояние 10 километров, а расслышать самолеты с более тихими моторами было довольно трудно[257]. Даже в хорошую погоду эти акустические зеркала обеспечивали всего десять минут дополнительного времени. В 1937 г. был создан рабочий образец радара, и от плана строительства широкой сети звуковых зеркал отказались.
Если принять во внимание небольшую дальность обнаружения бетонных акустических зеркал, то утверждение, что парус судна фокусировал звуки праздника на расстоянии 100 миль, кажется неправдоподобным. Однако ключ к разгадке, возможно, дает катастрофа, случившаяся несколько лет назад в Англии.
В декабре 2005 г. в резервуаре нефтяного терминала в Бансфилде произошел мощный взрыв, от которого зазвенели окна в Бельгии, на расстоянии 270 километров[258]. Это был один из самых сильных взрывов в мирной Европе – 2,4 балла по шкале Рихтера[259]. И хотя взрыв в Бансфилде был очень мощным, начальная громкость не объясняет огромное расстояние, на котором был слышен его звук.
Катастрофа случилась ясным, безветренным и морозным утром, когда слой холодного воздуха был прижат к земле теплым воздухом, поднявшимся выше. Без этой температурной инверсии бельгийцы ничего бы не услышали. При взрыве резервуара звуковые волны распространялись бы во всех направлениях, как круги от брошенного в пруд камня. Бо́льшая часть звука ушла бы в небо и в обычных условиях никогда бы не вернулась. Но в условиях температурной инверсии звук, распространявшийся вверх, вернулся к земле, и его можно было услышать.
Любопытно, что немаловажную роль в истории, рассказанной Эмоттом, играла погода. История могла бы быть правдивой, если бы температурная инверсия помогла направить звук в вогнутый парус.
Однажды мне довелось выступать перед несколькими тысячами детей в Королевском Альберт-холле. Этот зал, больше известный в качестве концертной площадки, на самом деле предназначен для пропаганды искусства и науки и был построен на земле, приобретенной на доходы от Всемирной выставки 1851 г. Для новичка вроде меня сложное научное шоу – очень серьезная проблема, которая в моем случае усиливается размерами помещения. К счастью, с момента открытия зала его акустика была значительно улучшена. И действительно, при произнесении речи на его открытии у принца Уэльского возникли некоторые трудности. Вот что писала газета Times в 1871 г.:
Его высочество произносил речь медленно и отчетливо, но ему немного мешало эхо, которое внезапно отражалось от органа или картинной галереи и повторяло слова с насмешливой интонацией, которая в других обстоятельствах была бы забавной[260].
Вероятно, насмешливое эхо вызывали изогнутые поверхности, которыми изобилует зал. План здания, если смотреть сверху, имеет форму эллипса, а само здание увенчано большим куполом. Изогнутые поверхности фокусируют звук подобно эллиптическому потолку Кирхера, но восприятие этих отражений зависит от размера зала. В огромном Альберт-холле кривизна создает катастрофическое эхо. Звук как будто идет из нескольких мест, а не только со сцены. В маленьком помещении сфокусированный звук возвращается быстро, а в большом отражения приходят с задержкой.
Это явление вы можете проверить вместе с помощником[261]. Найдите открытое пространство с большой отражающей звук стеной, например здание на границе парка или край карьера. Лучше всего, чтобы это было тихое место, удаленное от источников шума. Чтобы эксперимент получился, нужно слышать звук, отражающийся только от стены, но не от других объектов. Если отражающая поверхность достаточно велика, она не обязательно должна быть вогнутой. Если вы с помощником встанете на некотором расстоянии друг от друга и на одинаковом удалении от стены, то эффект будет более выраженным. Лучше всего проводить эксперимент, когда идет снег, – звук, отражающийся от земли, будет поглощаться снегом, а весь транспорт встанет.
Приближайтесь к стене, беседуя с помощником, и в определенном месте вы услышите звук, отраженный от здания. Чем ближе к стене, тем громче будет эхо, поскольку звук проходит меньшее расстояние. Но если вы не остановитесь, то начиная приблизительно с 17 метров громкость отражения будет постепенно уменьшаться, а на расстоянии около 8 метров от стены исчезнет совсем. На самом деле отражение никуда не исчезает, просто оно не воспринимается отдельно: мозг объединяет его со звуком, приходящим непосредственно от помощника.
Способ, которым мозг объединяет звуки, очень важен, поскольку в противном случае быстро наступила бы перегрузка от огромного количества приходящих к нам отражений. Когда я печатаю это предложение, щелчки клавиатуры отражаются от письменного стола, монитора, телефона, потолка и т. д. Мой слух не перегружается всеми этими отражениями; мне по-прежнему кажется, что звук идет непосредственно от клавиатуры, как и должно быть.
То же самое происходит в маленькой комнате Кирхера. Отражения от эллиптического потолка приходят очень быстро, и, если они не слишком громкие, мозг не воспринимает их отдельно от звука, приходящего непосредственно от собеседника. А вот в большом Альберт-холле сфокусированные отражения приходят с большей задержкой, создавая «насмешливое» эхо.
Инженеры-акустики много раз пытались убрать эхо из Альберт-холла. Самым успешным оказалось следующее решение: подвесить под потолком «грибы». Большие диски, воплощавшие идею Кена Ширера из BBC, были подвешены к основанию купола в 1968 г.: они отражают звуковые волны, возвращающиеся от купола.
Хотя мы уже лишены возможности насладиться эхом от потолка Альберт-холла, в нашем распоряжении осталось еще много куполов. В нескольких милях от моего дома находится Центральная библиотека Манчестера с огромным куполом, фокальная точка которого расположена рядом с аппаратами для микрофиширования. Каждый раз, когда стеклянная пластинка опускается на микрофишу, от потолка отражается неожиданно громкое эхо.
Поделиться книгой: