Отражатель звука: из чего сделано эхо

Дядюшка Эхо,«Союзмультфильм»,1982 г. infourok.ru

Для человека эхо – это повтор сказанных им слов. Но в научном контексте основным его элементом считается промежуток времени от одного повтора слова до другого. То есть эхо слышно лишь тогда, когда отраженный звук воспринимается отдельно от произнесенного. Для этого нужно, чтобы промежуток времени между воздействием этих двух звуков на барабанную перепонку уха составлял не менее 0,06 с.

Джон Уильям Уотерхаус. «Эхо и Нарцисс», 1903 г. wikipedia.org

Эхо и мифы

Впрочем, наука наукой, а как же относились к эху наши далекие предки? Древние греки, как известно, объясняли многие природные явления мифами. В появлении эха, к примеру, они винили ревнивую жену Зевса – Геру. А дело было так. В произведении древнеримского поэта Овидия «Метаморфозы» нимфа Эхо помешала Гере поймать Зевса в момент измены. Миловидная нимфа обладала великолепным мелодичным голосом, равного которому не было во всей Древней Греции, а еще умела так увлекательно рассказывать, что послушать ее приходили даже богини. Например, Афродита и Гера.

Последняя ни о чем не подозревала и с удовольствием внимала рассказам Эхо, пока не узнала, что нимфа отвлекает ее по просьбе Зевса: коварный громовержец использовал это время для любовных похождений. Верховная богиня разгневалась, и Эхо лишили способности вести беседу, но оставили возможность повторять слова за другими. Позже с Эхо случилась еще одна неприятность – она влюбилась в Нарцисса, но была им отвергнута и зачахла от горя. От некогда болтливой нимфы остался лишь голос, который повторяет чужие слова.

Эхолокация. travelask.ru

Двигаясь на слух

Звуковое эхо – это отражение звуковой волны. Но, кроме акустической, как известно, существуют и другие волны: электромагнитные, световые. И они тоже могут давать эхо! Только отголосок от электромагнитных волн услышать нельзя, зато от световых – можно увидеть. Световое эхо – это астрономический термин. А само явление возникает при вспышках новых звезд. При такой вспышке свет отражается от объектов и доходит до наблюдателя значительно позже.

Слово «эхолокация» имеет два корня. С первой частью – «эхо» – мы познакомились выше. Второй «корень» – локация – указывает на что-то локальное и конкретное. Например, на область на карте. Делая общий вывод, можно сказать, что при использовании эха живой организм может определять положение, размер и другие параметры различных объектов на его пути.

Открыли эхолокацию благодаря летучим мышам. В наши дни всем известна способность этих зверьков «видеть» с помощью звука. А на рубеже XVIII и XIX веков летучим мышам даже залепляли глаза кусочками воска, чтобы убедиться, что их конек – отнюдь не зоркий глаз. И швейцарский натуралист Луи Жюрин при помощи воска даже «оглушил» зверьков (залепил им уши) – в результате те перестали ориентироваться в пространстве. Ловкие и маневренные в темноте, они вдруг утратили свой навык и стали натыкаться на все подряд. Другой ученый, итальянец Ладзаро Спалланцани, запустил в темную комнату зрячих и ослепленных зверьков. И увидел, что и те, и другие могут летать, не задевая предметов. Наблюдения физика опубликованы в книге «Письма… о новом смысле в летучих мышах аббата Ладзаро Спалланцани», вышедшей в Турине (Италия) в 1794 году.

Зачем им такие большие уши?

Для ориентации в темноте летучая мышь использует свою гортань, с помощью которой посылает ультразвуковые волны. Некоторые представители рукокрылых также производят щелчки языком, после чего улавливают возвращаемое эхо и «сравнивают» время между отправкой, возвратом сигнала и сдвигом частоты звука. Так летучие мыши формируют пространственную карту своего окружения.

О том, какими сонарами наградила летучих мышей матушка-природа, можно прочитать в работе профессора химии Университета Теннесси (США) Энн Мари Хелменстайн, вышедшей в Journal of Experimental Biology в апреле 2009 года. Авторы выяснили, что ушные гребни Microchiroptera (собственно – летучих мышей) действуют как акустическая линза Френеля (она способна поглощать вибрации и звук и предназначена для формирования звукового поля), позволяя рукокрылым слышать трепетание крыльев насекомых. А сморщенный мясистый нос действует как мегафон для проецирования звука.

Сложная форма, складки и морщины наружного уха помогают получать и направлять входящие звуки. А еще уши этих животных содержат многочисленные рецепторы, которые позволяют им улавливать крошечные изменения частоты звука. Летучая мышь испускает звуки, слушая изменение частоты возвращаемого эха. При этом зверьки стараются не оглушать себя, издавая зов за пределами своего частотного диапазона.

Как взломать сонар?

Мотыльки – основная добыча для летучих мышей. Неудивительно, что у тигровой моли, обитающей в Аризонской пустыне, ученые обнаружили новый тип «боеприпаса» в бесконечной эволюционной гонке вооружений между хищником и добычей. Коварная тигровая моль (Bertholdia trigona) глушит ультразвуки! Доказательства этой способности впервые обнаружили в 2009 году – работа была опубликована в журнале Science.

Bertholdia trigona. Фото: Christian Schwarz, inaturalist.org

Автор исследования Аарон Коркоран из Университета Уэйк-Форест (США) объясняет: «Она [летучая мышь] знает, что на ее пути есть мотылек, но не может понять, где он находится». В ходе эксперимента выяснилось, что мыши «не могли поймать добычу с самого начала» по причине того, что мотыльки тоже издавали щелчки, причем с такой частотой, чтобы заглушить сонар летучих мышей.

Подчинить себе эхо

Зрение и слух в одинаковой степени способны воспринимать отраженные волны. Наша слуховая система обрабатывает звуковые волны, когда они движутся от своего источника, отражаются от поверхностей и попадают в уши. Американский разработчик и популяризатор человеческой эхолокации Дэниел Киш разработал систему, в ходе которой слепые обучаются навыку эхолокации, и даже основал некоммерческую организацию World Access for the Blind.

Слепые по его методике издают разные звуки: щелкают языком, хлопают в ладоши и пользуются эхолокацией так же, как летучие мыши. В этом явлении нет ничего удивительного. Мозг слепых людей задействует неиспользуемые участки для обработки поступающей информации. Та область мозга, что у зрячих используется для переработки зрительной информации, в мозге незрячих выполняет другую функцию – обрабатывает слуховую, позволяя видеть окружающий мир через звуки. Эхо-сигналы предоставляют информацию о природе и расположении объектов и особенностей окружающей среды, таких как стены, дверные проемы, столбы, бордюры, движущиеся транспортные средства. Отзвук может дать подробную информацию о местоположении, размерах и плотности окружающих объектов.

На принципе отражения волн построена работа многих приборов – сонаров, эхолотов, радаров, громкоговорителей и т. д. Рассмотрим, например, как устроен рупор. Он состоит из расширяющейся трубы круглого или прямоугольного сечения. При использовании рупора звуковые волны не рассеиваются во все стороны, а образуют узконаправленный пучок, за счет чего мощность звука увеличивается, и он распространяется на большее расстояние.

А вот эхолот – это прибор для изучения дна водоемов, можно сказать, мечта рыбака, ведь он здорово облегчает процесс рыбной ловли. Принцип действия эхолота основан на подаче электрического сигнала и преобразовании его в звуковую волну, которая проникает сквозь воду и возвращается к датчику эхолота, отражаясь от дна. По завершению процесса на экране появляется информация о рельефной поверхности дна.

С помощью другого прибора – гидролокатора – можно искать клады на затонувших кораблях, потому что это устройство «видит» предметы под толщей воды. А еще гидролокаторы устанавливают на подводные лодки. Первый гидролокатор был изобретен в конце Первой мировой войны русским инженером-электротехником Константином Шиловским совместно с французским физиком Полем Ланжевеном.

Отменить эхо

В пустой комнате звук поглощать нечему, поэтому он прыгает от стены к стене, как мячик. Но что будет, если кинуть мяч в кучу перьев? Верно – он просто застрянет. То же самое со звуком. Поэтому студии звукозаписи оборудованы звукопоглощающими экранами из мягких или ребристых материалов – чтобы музыка была чистой, без отголосков.

Звуковая волна, попадая на такую поверхность, не отражается обратно, а затухает внутри за счет вязкого трения газа. Дело в том, что для такого трения не существует так называемого трения покоя. Под действием только вязкого трения тело, вначале двигавшееся, никогда полностью не остановится, хотя движение и будет бесконечно замедляться.

Безэховая камера Microsoft roar.media

Если звук попадает не на гладкую, а на «шершавую» поверхность, то не может отскочить: застревает в бумаге, шторах, мягкой мебели. Используя эту особенность звуковых волн, компания Microsoft решила удивить мир и сделать самую тихую комнату – «Безэховую камеру». Она попала в книгу рекордов Гиннесса, а главный инженер Microsoft Хундрадж Гопал даже почувствовал, что теряет рассудок в этом помещении. Сразу на память приходит бородатый анекдот: «Расскажите, как сошла с ума ваша жена?» – «Мы путешествовали в горах, где прекрасное эхо. Но жена привыкла, чтобы последнее слово всегда оставалось за ней…»

Пирамидальные поглотители радиоволн. Фото: Bryan Tong Minh, wikipedia.org

Неужели отсутствие эха и в самом деле может свести человека с ума? Ученые говорят, что даже молекулы воздуха создают звук, отскакивая друг от друга. Цифра абсолютной тишины – это отрицательные 23 децибела. В безэховой комнате Microsoft уровень шума опускается до отрицательных 20,3 децибела – «на самом краю физики», как с гордостью утверждает Гопал.

«Безэховая камера» – самое тихое место на Земле, голос в ней перестает доноситься, потому что не отражается от стен. Все равно что говорить в подушку. На разработку и изготовление камеры ушло два года. Гигантские клинья, покрытые мягким, поглощающим звуки материалом, создают замысловатый геометрический орнамент. В этом помещении ничто не нарушает блаженного покоя – посетитель слышит стук собственного сердца, а кроме него и другие звуки организма: дыхание, урчание в животе, скрип суставов, пульсирование крови.

Очевидцы утверждают, что в царстве тишины можно продержаться всего 45 минут, и необычные ощущения многократно усиливаются, если выключить свет. Без визуальных стимулов человек непроизвольно фокусируется на любом звуке и слышит только «шумы» своего тела. В такой комнате человеческий организм сам становится источником звуков.

Как видим, постижение такого физического явления, как эхо, заняло у человечества тысячи лет. Поняв, что оно – всего лишь отраженная волна, а не болтливая нимфа, люди смогли облегчить себе жизнь во многих сферах. То, чем другие организмы пользовались давно, стало подвластно и Homo sapiens. И наука не стоит на месте – не за горами изобретение новых полезных устройств на основе эха.