Людей давно заинтересовало удивительно мелодичное пение китов-горбачей. Свидетели утверждают, что оно напоминает то гобой, то кларнет, то волынку, причем киты поют не только поодиночке, но и хором . Голоса горбачей,- писал Жак Ив Кусто,- отличны от голосов любых других животных. Их спектр гораздо шире, и они выразительнее птичьих голосов... Мы различали до тысячи различных звучаний! Тембр, сила звука, частоты создавали бесконечное разнообразие. Тут и трели, и сирены, и что-то вроде мышиного писка. А то вдруг словно олень заревел... Человек хорошо слышит звуки, издаваемые дельфинами. Более того, возможен прямой звуковой контакт (обмен звуками) между человеком и дельфином.

Так американский исследователь Джон Лилли, известный нам по книге Человек и дельфин , отмечал, что дельфины способны копировать человеческий смех и всевозможные звуки, даже звуки речи, произнося их в свойственной их звукообразующему аппарату высокой тональности и сжато.

В заключение отметим, что воспринимаемый человеком мир звуков ограничен определенным диапазоном частот. Человеческое ухо способно воспринимать звуки частотой от 16 до 2-10 Гц. Для него недоступен как мир инфразвуков (с частотами ниже 16 Гц), так и ультразвуков (с частотами выше 2-10 Гц).

Эхо однократное и многократное.

Предположим, что вы находитесь в горном ущелье и хотите как можно явственнее, отчетливее

услышать эхо. О чем вам следует позаботиться?

Наверное, ответите вы, надо сложить ладони рупором около рта, повернуться лицом к ближайшему горному склону и погромче крикнуть что-нибудь.

Давайте проанализируем ваш ответ. Вы складываете ладони рупором, чтобы образовалась направленная звуковая волна fзвуковой луч), в этом действительно есть резон: концентрируя звуковую энергию в каком-то направлении, мы тем самым усиливаем посылаемый звуковой сигнал. Это, конечно, важно, поскольку, распространяясь в воздухе (как и в любой другой среде), звуковая волна постепенно рассеивает свою энергию, слегка нагревая среду, и таким образом постепенно затухает. И все же это - не принципиальный момент. Ведь если источник звука достаточно мощный, можно слышать отчетливое эхо и тогда, когда звуковые волны распространяются во все стороны от источника (например, эхо от выстрела или взрыва). Принципиально важно другое - звуковой сигнал должен быть достаточно коротким. Точнее говоря, его длительность должна быть меньше времени, которое требуется звуку, чтобы пройти расстояние от источника до отражающей поверхности и обратно. В противном случае звуковой отклик будет накладываться на исходный звуковой сигнал, сливаться с ним, и поэтому отчетливое эхо мы не услышим. Получается, что отражающая поверхность должна находиться не слишком близко от источника звука (от наблюдателя). Однако нежелательно, чтобы она была слишком далеко от него - в этом случае звуковая

волна будет сильно ослабевать. Поэтому важно все-таки уменьшать длительность звукового сигнала.

Обратимся к рисунку 12.2. Источник звука О (наблюдатель) находится на расстоянии L от стены. Отражаясь от стены по направлению АВ, звуковая волна возвращается к наблюдателю, и тот слышит эхо. Пусть с - ско- рость звука, а т - длительность звукового сигнала, посылаемого наблюдателем. Звук достигнет точки А через время L/c; значит, промежуток времени от момента, соответствующего началу эхо-сигнала, составляет 2L/c. Наблюдатель услышит отчетливое эхо, не перекрывающееся с первоначальным сигналом, если длительность сигнала будет меньше упомянутого промежутка времени, т. е. если будет выполнено неравенство

T<2L/c.

(12.3)

Заметим, что, измеряя время 2L/c, необходимое звуковому сигналу для того, чтобы вернуться к наб-

людателю, можно, очевидно, определить расстояние L от наблюдателя до стены (в этом заключается принцип эхолокации).

Многократное эхо возникает, когда имеется несколько отражающих поверхностей, находящихся на разных расстояниях от источника звука (наблюдателя). На рисунке 12.3 показано, как может возникнуть двойное эхо. Первый эхо-сигнал приходит к наблюдателю по направлению АВ (отражение звука от поверхности 1), а второй - по направлению CD (отражение от поверхности 2). Время прихода первого эхо-сигнала, отсчитываемое от начала исходного сигнала, равно 2L,/c; соответственно время прихода второго эхо-сигнала равно 2Llc. Отчетливое двойное эхо образуется, если

x<2LJc; T<2(L2-L,)/c, (12.4)

где т - длительность сигнала (длительность отклика). Второе неравенство (12.4) необходимо для того, чтобы эхо-сигналы не накладывались друг на друга.

Искривление звукового луча в акустически неоднородной среде.

В начале книги, знакомясь с солнечными закатами и миражами, мы встретились с явлением оптической рефракции - искривлением световых лучей в оптически неоднородной атмосфере. Для звуковых волн (звуковых лучей) наблюдается аналогичное явление- направление их распространения искривляется в акустически неоднородной среде. Как уже отмечалось, скорость звука зависит от температуры среды, поэтому среда, температура которой различна в разных точках, может рассматриваться как акустически неоднородная. Учитывая, что скорость звука в воздухе возрастает с увеличением температуры (см. (12.1)), и повторяя рассуждения, относившиеся в главе 2 к световому пучку, нетрудно прийти к следующему заключению: звуковой луч в воздухе изгибается таким образом, чтобы его траектория была обращена выпуклостью в сторону более нагретых слоев.

Теперь легко объяснить, почему на одной и той же поляне в тихий прохладный вечер эхо возникает, а жарким днем его нет. Днем солнечные лучи сильно прогревают почву, поэтому у самой поверхности земли температура воздуха оказывается заметно вы-

ше, чем на высоте, равной нескольким метрам. Акустическая неоднородность приповерхностных слоев воздуха приводит к рефракции звуковых лучей - они искривляются так, как это показано на рисунке 12.4, поэтому эхо не возникает. Вечером же приповерхностный воздух оказывается прогретым равномерно, он акустически однороден, поэтому искривления звуковых лучей не происходит и эхо наблюдается.

В одних случаях рефракция звука в воздушной среде предотвращает возникновение эха, в других же, напротив, приводит к его возникновению. Возникновение эха благодаря рефракции звука иллюстрирует рисунок 12.5. Такая ситуация характерна для горных озер. Вода в этих озерах всегда холодная, поэтому летом температура воздуха над ними с высотой возрастает. В результате звуковые лучи будут изгибаться так, чтобы их траектория была обращена выпуклостью кверху. На рисунке 12.5 хорошо видно, как возникает в этих условиях эхо. Кроме того, становится понятным, почему наблюдателю кажется, будто эхо приходит откуда-то сверху (по направлению штриховой прямой, показанной на рисунке). Как уже говорилось, этот эффект часто наблюдается на Телецком озере.