Когда отражающих поверхностей много и находятся они на разных расстояниях, то от более удалённых поверхностей отражённые волны придут позднее, и тогда можно слышать многократное эхо. Примером такого многократного эхо служит, например, гром. При электрическом разряде в воздухе — молнии — раздаётся треск; многократное отражение его от различных поверхностей и создаёт грандиозное эхо — раскаты грома.
Мы привыкли слышать эхо у опушки леса, вблизи скал или в горах, т. е. там, где есть видимая преграда на пути звука. Но ведь эхо возникает и на равнине, и в поле, в пустыне, и на море, где для звука твёрдых преград нет. Как же объяснить такое загадочное эхо?
Оказывается, что звук может отражаться даже от воздуха! Происходит это в тех случаях, когда звуковая волна встречает на своём пути слои воздуха с другой температурой или другой скоростью. Представим себе, что она встретит более нагретый слой воздуха. Её направление тотчас же изменится, и может быть так, что в конце концов звук возвратится обратно. То же самое произойдёт и в том случае, если звук встретит слой воздуха, содержащего другое количество водяных паров, т. е. более влажного или более сухого. Такие отражающие звук «облака» не имеют ничего общего с обыкновенными облаками и туманом. Они постоянно имеются в воздухе, создавая невидимые преграды звуку. Вот почему иногда и в безоблачный день на равнине можно слышать эхо. А дождь, снег и туман при равномерном распределении в воздухе, как это ни покажется вам странным, в очень малой степени препятствуют распространению звука.
5. Слепые разведчики
Когда называют ваше имя, вы поворачиваете голову в сторону зовущего. Обычно вы легко отыскиваете направление на источник звука. Человек с нормальным слухом может определять это направление с точностью до 4 градусов. Это значит, что, находясь от источника звука на расстоянии ста метров, человек по слуху может указать путь к нему с ошибкой всего на 6–7 метров в сторону. При увеличении расстояния увеличивается и ошибка в определении. Так, если за километр идёт стрельба, то местонахождение орудия на слух может быть определено с точностью до 60–70 метров вправо или влево от истинного положения.
Направление вверх или вниз мы определяем на слух значительно хуже. Здесь, очевидно, сказывается отсутствие практики в занятиях такого рода.
Что необходимо иметь, чтобы быть способным находить по слуху источник звука?
Оказывается, надо иметь два уха! Человек, глухой на одно ухо, определяет направление с большим трудом и менее точно. В этом легко убедиться. Закройте одно ухо и оба глаза и покрутитесь немного на одном месте. После этого пусть кто-нибудь вас позовёт. Не открывая глаз, укажите рукой, откуда вас зовут, и в большинстве случаев вы грубо ошибётесь. Такая способность определять направление на источник звука названа бинауральным эффектом (бинауральный означает «двуухий»).
Это явление объясняют двумя причинами. Если источник находится справа, то правым ухом мы слышим звук более громкий, чем левым. Голова как бы загораживает левое ухо от попадания в него звуковой волны (правда, это справедливо только для высоких звуков; звуки низкие огибают голову, как всякое небольшое препятствие, и попадают в левое ухо почти не ослабленными). Поэтому в одно ухо звуков попадает больше, а в другое меньше. Одним ухом мы слышим громче, другим тише. Эта разность в громкости перерабатывается в нашем мозгу в чувство определённого направления. Мы поворачиваем голову до тех пор, пока оба уха не будут слышать одинаково громко. А это наступит тогда, когда источник звука окажется прямо перед нами.
Здесь уместно привести интересный пример того, как волны низких звуков огибают препятствия, стоящие на их пути. Достаточно свернуть с большой шумной улицы в переулок, как сразу же изменяется характер шума. Резкие пронзительные гудки, звонки, крики и лязг металла частично отразятся стенами домов, частично поглотятся ими и затухнут, а низкие звуки свободно огибают дома и проникают в узкие боковые улицы, наполняя их ровным приглушённым шумом.
Укажем и вторую причину бинаурального эффекта. Когда источник звука находится сбоку, то одно ухо к нему ближе, чем другое. Поэтому звуки приходят к обоим ушам не одновременно. Эта разность во времени прихода звука и помогает нам также определять направление на источник звука. Чем больше расстояние между ушами, тем звук позже приходит во второе ухо; тем легче и точнее можно определить направление на источник звука. По-видимому, слоны в этом отношении находятся в выигрышном положении перед человеком; их уши широко расставлены.
Оба эти объяснения не противоречат друг другу. Вероятно, определять направление на источник звука помогает нам и разная громкость, и разное время прихода звуковой волны к обоим ушам.
А как же мы отличаем звук, идущий спереди, от звука, идущего сзади? Ведь в этом случае одинаково сильный звук приходит одновременно к обоим ушам.
Понаблюдайте, как прислушивается к чему-нибудь человек. Прежде всего голова его слегка наклоняется набок и затем немного поворачивается в сторону. Этим положением достигается и разность громкости и разность во времени прихода звука к ушам, то есть как раз то условие, которое позволяет лучше определить направление.
Особенно точно определяют направление на источник звука слепые. Например, в период первой мировой войны в английскую армию привлекали слепых в качестве слухачей-разведчиков для обнаружения неприятельских самолётов и артиллерийских батарей.
Бинауральный эффект положен и в основу устройства звукоулавливателей (рис. 15). Соединённые попарно четыре рупора позволяют производить пеленгование, т. е. определение направления, как в горизонтальной, так и вертикальной плоскостях. Линия пересечения этих плоскостей даёт направление на летящий самолёт.
Рис. 15. Звукоулавливатель
6. Неслышимые звуки
Если из кристалла горного хрусталя или кварца вырезать определённым образом ровную пластинку, посеребрить её противоположные грани и присоединить её к радиопередатчику, то пластинка в такт с работой прибора то утолщается, то делается тоньше. Грани пластинки совершают такое же колебательное движение, как и ветви звучащего камертона. В среде, окружающей пластинку, возникают чередующиеся разрежения и сгущения, то есть то, что мы называем звуковой волной. Применяя источники переменного тока или генераторы высокой частоты, можно заставить колебаться пластинку кварца миллионы и сотни миллионов раз в одну секунду. Ясно, что образующаяся при этом волна лежит далеко за пределами чувствительности нашего уха. Звуки такой частоты мы не слышим, это — ультразвуки.