Макси, миди, мини

В 1899 году будущего академика Леонида Исааковича Мандельштама исключили из Новороссийского университета – так тогда назывался университет в Одессе. Мандельштаму не простили участия в студенческих выступлениях. Лишенный возможности закончить свое образование на родине, Мандельштам переехал в Страсбург. Здесь он поступил в университет, а позже начал свою научную деятельность в знаменитом физическом институте, еще хранившем традиции одной из лучших экспериментальных школ мира. Уже в студенческие годы его увлекала теория колебаний, которой он посвятил всю свою жизнь.

Мандельштам – один из классиков физической науки. Его всегда отличала не только глубина и широта суждений, но и ясность, лаконичность и законченность мысли. Занимаясь всю жизнь колебаниями, он тем не менее так и не рискнул дать определение данному виду явлений. Видимо, сделать это очень трудно.

Чтобы объяснить, что такое звуковые колебания и как они себя ведут, придется начать издалека.

Наиболее удобно наблюдать волну на поверхности жидкости. Бросьте камень в пруд или лужу, и по поверхности побегут концентрические волны, постепенно становясь все ниже и незаметнее, пока полностью не затухнут.

Когда смотришь на разбушевавшееся море, невольно создается впечатление, что громады вод, вздыбившись под напором ветра, волна за волной, отправились гулять по океанским просторам. Это иллюзия. Приглядитесь к предметам, пляшущим в хаосе пены. Они взлетают на гребни волн, но пробегают с ними совсем немного и, скатившись по пологому заднему склону, оказываются примерно на том же месте, откуда начали свой бег. Накатывающиеся волны снова и снова подхватывают их, но, взметнувшись на гребень, они всякий раз возвращаются назад, совершив круг по замкнутой орбите. Значит, и вода никуда не перемещается. Она просто вспучивается над поверхностью волной и тут же опадает, образуя глубокие провалы.

Вода помогла великому Галилею убедиться, что предмет, издающий звук, колеблется, порождая вокруг себя волны.

Экспериментальной установкой служил хрустальный бокал, почти до краев опущенный в большую лохань с водой. Галилей легкими ударами заставил бокал звучать и увидел, как рябью разбегались вокруг крохотные радиальные волны.

Развитие акустики шло медленно. Только в 17 веке стало окончательно ясно, каким образом колебания стенки колокола воспринимаются нашими ушами как звук. Оказалось, что для этого необходима какая-то среда, способная передать колебания от звучащего предмета к нашему уху. Немецкий ученый Отто фон Герике сумел убедиться, что такой средой является воздух. По мере того как ученый выкачивал его из-под стеклянного колпака, помещенный внутри колокол звучал все слабее и слабее.

Волны на границе двух сред – только частный случай колебательных процессов. Если ударить в колокол, вверх, вниз, вправо и влево – в общем, во все стороны побегут, расширяясь, сферические волны. Правда, мы их не увидим. Разве что солнечный луч высветит множество пылинок. Неподвижные до удара, они начнут двигаться по замкнутым орбитам, всегда возвращаясь в исходную точку. Точно такие же движения совершают молекулы газа. Если бы можно было их видеть, мы обнаружили бы, что в отдельные мгновения они стремятся собраться все вместе, в другие – рассредоточиться. Следовательно, сущностью звуковых волн является ритмическое изменение давления.

Аналогичным образом волны распространяются в любых средах, в том числе в жидкостях и твердых телах. В этом сумел убедиться все тот же Герике. В качестве звукоизлучателя он использовал уже испытанный колокол, а звуковоспринимающим прибором стали рыбы. Ученый бил в колокол на берегу пруда и бросал в воду хлебный мякиш. Вскоре звуки колокола стали сзывать к берегу сонмы рыб. Видимо, проще было бы нырнуть в пруд и самому убедиться, что звуковые волны могут распространяться в воде, но это почему-то не пришло Герике в голову.

Человеческое ухо способно воспринять, т. е. услышать как звук, лишь колебания давления воздуха, совершающиеся с частотой от 20 до 20 000 в секунду. Звук перестает восприниматься как непрерывный, когда давление меняется реже 16–18 раз в секунду. В акустике столь редкие колебания давления называют инфразвуками. За сменой давлений свыше 20000 раз в секунду человеческое ухо не способно уследить, а потому и не может информировать о них мозг, и нам кажется, что вокруг царит полная тишина. Такие колебания называются ультразвуками.

Слово «ультра» в переводе на русский язык означает «сверх, за пределами, по ту сторону». Не следует думать, что ультразвуковые колебания имеют какую-то иную физическую природу, отличную от природы обычных звуковых волн. Большинство животных отлично воспринимают неслышимые для нас ультразвуковые колебания. Наш верный спутник – собака – способна улавливать ультразвуки с частотой до 38 000 колебаний в секунду. На этом основаны многие цирковые номера. Собаке математику задают задачу: сколько будет два плюс пять? Дрессировщик спешит подсказать ответ, подавая с помощью специального ультразвукового свистка семь неслышимых для зрителей сигналов. В ответ на каждый сигнал четвероногий артист тявкает, приводя зрителей в восторг своими способностями.

Окружающий мир полон неслышимых для нас звуков. Однако огорчаться не стоит. Длительное шумовое воздействие способно вызвать серьезные заболевания органов слуха и центральной нервной системы. Человек создал вокруг себя такой шумный мир, что сам от этого страдает. Большинство машин и механизмов, кроме низкочастотного грохота и шума, производят еще и ультразвуки, к счастью, не мешающие нам спать.

Эти коварные волны хотя и не воспринимаются человеческим ухом, тем не менее при определенной интенсивности могут быть опасны дли нашего здоровья.

Для успешной эхолокации необходимо знать скорость звука. Артиллерийская стрельба позволила заметить, что звук достаточно тихоходен, а затем помогла с высокой точностью измерить скорость его распространения. Члены Французской академии наук, проводившие эксперимент, расположили на холмах на расстоянии около 30 км одна от другой две пушечные батареи. Пушки палили два раза в час, а наблюдатели определяли, через сколько времени после вспышки орудийного выстрела их ушей достигал звук. Оказалось, что 30 км звук покроет примерно за две минуты. Чтобы обежать земной шар по экватору, звуку потребуется больше суток.

Скорость распространения звуковых волн не связана ни с причиной, их породившей, ни с их частотой. Она зависит главным образом от характера и состояния среды, в которой распространяются волны. В воде звук бежит в четыре с лишним раза быстрее, чем в воздухе. За секунду он покрывает более полутора километров. Если в воде распространяются волны с частотой колебания 20 000 раз в секунду, то на протяжении полутора километров (расстояние, которое звук в воде пробежит за одну секунду) должно уложиться 20 000 волн. При частоте колебаний 100000 раз в секунду их должно уложиться в 5 раз больше. Следовательно, длина волн будет в 5 раз меньше. Таким образом, ультразвуковые колебания порождают миниволны, инфразвуковые – макси, а волны слышимого нами диапазона относятся к разряду мидиволн. Галилей первый удостоверился, что высота звука зависит от длины его волны.

Проводя опыты со звучащим в воде бокалом, он обратил внимание на то, что, если высота звука становилась на октаву выше, рябь делалась в два раза мельче.

Длина звуковой волны находится в пропорциональной зависимости от скорости звука. Чем большее расстояние за единицу времени пробежит звук, тем длиннее должны быть волны.

Поэтому при одинаковой частоте звуковая волна, распространяясь в воздухе, будет в 4,5 раза короче, чем в воде. Например длина волны ультразвука с частотой 50 кГц (т. е. 50000 колебаний в секунду) в воздухе равна 6,8 мм, а в воде 31 мм.

Важной характеристикой звука является его интенсивность. Барабанная перепонка начинает колебаться за счет энергии, переносимой от источника звука с помощью звуковых волн. Чем больше амплитуда звуковых волн, чем значительнее переносимая ими энергия, тем интенсивнее, сильнее звуки.

Необходимо помнить, что сила звука, количество энергии, которую несут звуковые волны, никак не отражается на скорости их распространения. В этом легко убедиться. Рябь от брошенного в воду камня, разбегаясь от места его падения, постепенно затухает, но ее скорость остается постоянной. Это знал еще Галилей. Присутствуя на церковных богослужениях, он продолжал оставаться физиком. Наблюдая, как в соборе раскачиваются люстры, он заметил, что, какой бы ни была амплитуда их движения, период колебания оставался постоянным. Ученый не мог принести в храм водяные часы, которыми обычно пользовался. Подобного кощунства церковь бы не простила. Пришлось прибегнуть к подручным средствам. Прибором для измерения времени стало сердце. Не убежденный в совершенстве собственного хронометра, он компенсировал его неточность количеством экспериментов. У Галилея хватило терпения сделать тысячу измерений и убедиться в своей правоте.

Что происходит со звуковой волной, когда она встречает на своем пути препятствие? Вернемся к луже, куда мы бросили камень. Тонкие былинки, торчащие из воды, практически не мешают разбегаться круговым волнам. Толстые стебли тростника уже являются для волн помехой, а торчащий из воды камень разрывает кольцо. За ним вода не морщинится рябью.

Подобным образом ведут себя и звуковые волны. Если их длина меньше препятствия, они от него отразятся, а позади возникнет звуковая тень. Звук туда не проникнет. Звуковая волна, изменившая направление своего движения, и есть эхо.

Чтобы получить эхо от мелких предметов, особенно в воде, нужно использовать ультразвуковые посылки с очень короткой звуковой волной.

Характер звуковых волн зависит от их длины. Величина звукоизлучателей слышимых нами звуков обычно незначительна в сравнении с длиною излучаемых звуковых волн. В этом случае звуковые волны разбегаются от излучателя во все стороны. Иные взаимоотношения возникают при генерации ультразвуков. Здесь габариты излучателей могут быть существенно больше длины волны излучаемого звука. Такой излучатель будет порождать плоские волны. Они распространяются в направлении, перпендикулярном к плоскости излучателя.

Возникает звуковой луч – узкий пучок звуковых волн. Он позволяет сконцентрировать всю энергию звука на нужном направлении, послать звуковую посылку дальше и получать более громкое эхо. Интенсивность звука резко возрастает по мере увеличения частоты колебаний. Генерировать ультразвуки, обладающие высокими энергиями, проще, чем слышимые звуки такой же силы. Поэтому при эхолокации выгодно использовать ультразвук.

У ультразвука есть и обратная сторона. Он очень быстро затухает. Чем выше частота звука, тем быстрее идет его поглощение. При увеличении частоты в 10 раз затухание будет происходить в 100 раз быстрее, а следовательно, резко сократится расстояние, на которое он распространится. И все-таки для эхолокации выгоднее применять ультразвук, чем более низкие звуки, так как последние трудно генерировать узким пучком. Распространяясь во все стороны, более низкий, слышимый нами звук не только поглощается средой, но и рассеивается все в большем объеме. В результате его интенсивность быстро падает и он затухает. Учитывая, что затухание ультразвуков в воде происходит в 1000 раз медленнее, чем в воздухе, можно с уверенностью сказать, что водные животные для эхолокации должны обязательно пользоваться ультразвуком.

Однако такой локатор может служить только для зондирования ближайшего пространства. Для дальней ориентации он не годится.

 

Откуда что берется

Когда жизнь еще только зарождалась, звуковая обстановка на нашей планете была довольно однообразной. Иногда громыхал гром или посвистывал ветер. Кое-где тишину нарушали срывающиеся со скал водопады, шум морского прибоя да грохот вулканов. Кого тогда на Земле могли интересовать эти звуки? Только когда появились высокоразвитые животные, научившиеся активно передвигаться, странствовать по белу свету и пожирать друг друга, на Земле появились «интересные» звуки. Это были звуки биологического происхождения. Их создавали сами животные, и, естественно, они содержали известную информацию о самих источниках звука. Подобной информацией стоило заинтересоваться.

Интерес к звукам биологического происхождения послужил толчком к развитию звукового анализатора у далеких предков современных животных. Когда звукоулавливающие органы достигли известного совершенства, животные смогли использовать звуки и для взаимного обмена информацией.

У них возникла потребность специально производить звуковые сигналы.

Основа любого музыкального инструмента – вибратор, создающий звуковые волны. Им может быть любое упругое тело, способное колебаться от толчка, удара или трения. Если звук нужно усилить, используется резонатор. Для этой цели чаще всего служит воздух. Он упруг. Столбик газа вибрирует по всей своей длине, как стальная пружина. Он может колебаться с любой частотой, но колебания воздуха скоро затухают. Резонировать могут и стенки полости.

Известны музыкальные инструменты, состоящие из одних вибраторов. Это ксилофон, тарелки, колокольчики и колокола. У флейты резонирует столбик воздуха. Ее стенки в усилении звука участия не принимают. У медных духовых инструментов – труб, валторн – вибрирует и воздух, и металл стенок.

Получается значительное усиление звука. «Музыкальные инструменты» животных или состоят из одного вибратора, или снабжены резонатором. Им может быть мембрана, столбик воздуха или стенки полости, где газ (не обязательно воздух) находится под некоторым давлением.

Природа снабдила живые организмы звукогенераторами самых разных конструкций. У насекомых они достаточно примитивны. Перепончатокрылые пользуются грубыми смычковыми инструментами вроде контрабаса. Саранча водит лапкой по своим жестким крыльям. Кузнечики извлекают звук трением надкрылий. У сверчков на трущейся поверхности крыла находится 150 треугольных призм, а вибрация четырех перепонок усиливает звук.

Удивительным музыкальным инструментом – цимбалами – обладают жители жарких стран – цикады. Поют только самцы.

У них на нижней стороне первого сегмента брюшка находятся две выпуклые пластины. Их и называют цимбалами. Каждая пластина снабжена специальными мощными мускулами. Они втягивают выпуклую часть пластины внутрь и мгновенно отпускают. Втягивают и отпускают. Звук возникает по такому же принципу, как у металлической масленки или консервной банки, когда продавишь пальцем ее дно, а затем позволишь ему с характерным звуком занять прежнюю позицию. Стрекотание цикад слышится в любое время суток. Особенно неистовствуют они с наступлением темноты. Трудно представить южную ночь без неумолчного гомона цикад. Чрезвычайно сильные голоса у тропических видов. Их песня напоминает звук циркульной пилы или стрекотание мотоцикла, а по громкости не уступит пронзительному свистку паровоза.

Умеют издавать самые различные звуки и рыбы, хотя специальных звукогенераторов у них, по-видимому, нет. Некоторые издают звуки за счет трения жаберных крышек. Кариевые рыбы скрежещут зубами, спрятанными глубоко в глотке.

Многие рыбы пользуются плавательным пузырем, работающим как резонатор. Звук возникает благодаря сокращению специальных барабанных мышц, вызывающих колебания его стенок.

С помощью этих несложных устройств рыбы производят стуки, скрежет, удары, свисты, скрипы, всхлипывают, клохчут, мурлыкают, фыркают. Желтая макрель, встретив свою подругу, крякает от удовольствия. Рыба-ангел хрюкает, как поросёнок. Бычок-кругляк во время нереста скрипит, подзывая самку, а увидев ее, начинает квакать. Черная рыба лает по собачьи, а морские собачки предпочитают хрюкать. Морской петух – подумать только! – чтобы подать сигнал опасности, «кудахчет» курицей. Рыба-лоцман на ходу постукивает, по-видимому, для того, чтобы ведомая ею акула не отвлекалась.

Особенно шумно ведут себя рыбы во время брачных игр. Бычок-кругляк верещит, длиннорылый бычок-подкаменщик жужжит. Зеленушка-оцеллята, перед тем как подраться, цокает. Бычок-кругляк, охраняя гнездо, рычит. Рыба-дикобраз скрежещет, как ржавая дверная петля. Рябчик гризеус, выражая угрозу, барабанит, а сахалинский подкаменщик урчит. Испуганный спинорог свистит, чирикает, щелкает.

Самыми молчаливыми животными нужно считать рептилий.

Издаваемые ими звуки весьма однообразны. Почти все змеи умеют угрожающе шипеть. Громко шипят сухопутные черепахи. Некоторые ящерицы способны пищать. Сцинковые гекконы трением чешуек хвоста друг о друга производят странный звук, напоминающий шорох свертываемой пергаментной бумаги. У рогатой гадюки, гадюки Авиценны и песчаной эфы по бокам тела находятся особые пилообразно расположенные чешуйки. Свернувшись в два полукольца и беспрерывно скользя одним полукольцом по другому, эти змеи заставляют свои «музыкальные» чешуйки издавать звук, напоминающий шипение горячего утюга, если на него плюнуть.

Гремучие змеи пользуются погремушкой. Она представляет собой шесть–восемь колокольчиков из высохшей кожи, венчающих кончик хвоста. Свернувшись в кольца, змея приподнимает хвост и, быстро вибрируя им, начинает «греметь».

Звук погремушки похож на стрекотание узкопленочного кинопроектора.

Но самыми непревзойденными вокалистами и музыкантами являются, конечно, птицы. Они широко пользуются всевозможными музыкальными инструментами. Характерным музыкальным аккомпанементом сопровождается полет многих птиц. По свисту крыльев легко опознать вид уток, а по жужжанию – колибри. Бекасы – очевидно, за счет рулевых перьев хвоста – издают в воздухе свист, жужжание или блеющий звук. У стрепетов музыкально одаренным является четвертое маховое перо крыла. Многие птицы просто хлопают крыльями – такие сигналы используют козодои, совы, голуби, жаворонки. Голуби и козодои хлопают крыльями над спиной, остальные под животом. Щелканьем клюва выражают свои эмоции совы, кулики и другие птицы. Аисты на этом инструменте исполняют целые любовные серенады.

Некоторым безголосым птицам приходится брать музыкальные инструменты напрокат. Стук клювом о твердую землю является призывным сигналом для цыплят. Синицы и поползни в качестве барабана используют отставшую сухую кору, дятлы – сухой ствол дерева. Барабанная дробь – это песнь о любви. Близкие виды дятлов барабанят с различной частотой. Самочки безошибочно узнают серенады «своих» кавалеров и не отзовутся на призыв чужака.

Животные пользуются множеством способов генерации звуков. Главным «музыкальным инструментом» является голосовой аппарат. Тенденция к его развитию возникла сразу же, как только древние позвоночные животные покинули воду.

Голосовой аппарат появился уже у амфибий и стал прообразом голосовых органов высших позвоночных животных и человека. Голосовые связки – парные складки слизистой оболочки гортани – служат струнами. У млекопитающих они натянуты между щитовидным и черпаловидными хрящами гортани, образуя голосовую щель. Когда голосовые связки напрягаются, проходящий ток воздуха вызывает их колебания, порождая звук.

Сравнительно недавно выяснилось, что весьма голосистыми созданиями являются дельфины. Кроме щелчков, используемых для локации, они производят множество разных звуков и, казалось бы, должны иметь хорошо развитые голосовые связки. Однако еще 150 лет назад анатомы заявили об их отсутствии. Правда, совсем недавно зоологи сумели отыскать их у афалин, опровергнув заключение весьма обстоятельных немецких исследователей прошлого века. Причем оказалось, что голосовые связки достаточно хорошо развиты. Сейчас даже трудно понять, как их до сих пор не замечали. Исследователи эхолокации давно свыклись с мыслью, что звук возникает у китов совсем иначе, и открытие зоологов не смогло поколебать сложившихся представлений.

Работа голосового аппарата млекопитающих тесно связана с дыхательной системой. Между тем устройство дыхательных путей дельфинов совершенно необычно и не имеет аналогии среди наземных существ. Дышать ртом зубатые киты не могут. Ни ротовая полость, ни глотка с легкими не сообщаются. Рот используется только по прямому назначению – для поглощения пищи. Это новшество имеет вполне разумное объяснение. Соединяйся ротовая полость с трахеей, дельфинам под водой в буквальном смысле слова было бы рта не открыть. А так как, кроме челюстей, у них нет иных приспособлений, чтобы хватать добычу, то при иной конструкции пищеварительной системы они погибли бы голодной смертью.

Зубатые китообразные дышат «носом». Слово «нос» взято в кавычки потому, что носовой проход открывается у них на темени, а не на конце рыла (у дельфинов оно называется рострумом); кроме того, у них всего одна, зато весьма солидная ноздря. Дыхательное отверстие расположено в самой верхней точке головы. Многие дельфины только его и выставляют из воды. С таким дыхалом очень удобно, неподвижно зависнув, дремать, чуть-чуть подгребая ластами, чтобы темя все время выступало наружу. Отверстие дыхала снабжено мощным полулунным клапаном – своеобразной мясистой затычкой. Он предохраняет легкие от попадания воды. Широкая ноздря позволяет до предела сократить время, затрачиваемое на вдох и выдох.

Конструкторские новшества дыхательной системы дополняют три пары асимметричных воздушных мешков, соединенных с наружным носовым проходом. У большинства зубатых китов они узкие и дугообразно искривлены. Располагаются мешки ярусами, один над другим. Если дыхательную систему мертвого дельфина залить гипсом и получить слепок, то воздушные мешки больше всего напоминали бы три неправильной формы баранки, нанизанные на стержень наружного носового прохода. Мешки окружены мышечными слоями, часть из них снабжена собственной мускулатурой и сфинктерами в местах соединения с носовым проходом. У отверстия средней пары мешков находятся внутренние пробки. Это дает основание предполагать, что животные, напрягая мускулатуру мешков, могут произвольно изолировать отдельные полости от остальной дыхательной системы, создавать в них необходимое давление и, регулируя величину соединительного отверстия, перекачивать находящийся там воздух из одного мешка в другой. Для чего нужны воздушные мешки дельфинам, пока никто не знает, но большинство ученых думает, что они имеют непосредственное отношение к производству звуков.

Проще всего предположить, что звук возникает при продувании воздуха через наружное отверстие дыхала. Наблюдая за животными, можно заметить, как во время свиста из отверстия дыхала вылетают струйки мелких пузырьков воздуха.

Однако во время щелчков и других звуков воздух не выделяется.

Местом возникновения звуков вполне могут быть голосовые связки. Воздух, продуваемый через них, не обязательно должен выделяться наружу. Он может закачиваться в воздушные мешки, которые к тому же способны выполнять роль резонаторов. Большинство исследователей давно свыклись с мыслью, что эхолокационные щелчки возникают в наружном носовом проходе при перекачивании воздуха из одного мешка в другой через резко суженные отверстия. Действительно, продувая под давлением воздух через носовой проход мертвых дельфинов афалины и стенеллы удалось получить слабые щелчки, напоминающие локационные.

Предложенная выше теория показалась ученым весьма привлекательной. И действительно, дыхательная система дельфинов имеет шесть воздушных мешков и еще больше суженных мест в воздухоносных каналах. Мускулатура каждого мешка и внутренние пробки в состоянии работать независимо друг от друга. Это значит, что животные имеют возможность одновременно издавать несколько звуков. Наблюдения подтверждают, что афалины, гринды к белобочки могут одновременно издавать свисты и щелчки, свисты и скрип, визг, лай и другие звуки. Существует предположение, что каждый локационный щелчок формируется за счет суммарного действия двух (или более) источников звука. Если эти предположения подтвердятся, станут понятны многие загадки звуков, издаваемых дельфинами, загадки, ответы на которые пока не найдены.

Синтез нескольких звуковых сигналов может обеспечить возникновение совершенно необычных звуков. Джонни Вайс-мюллер, исполнитель роли Тарзана в некогда популярном многосерийном приключенческом фильме, рассказал, что знаменитый крик его героя состоял из голоса самого актера, лая собаки, сопрано оперной певицы, звука скрипичной струны и воя гиены.

Дыхательная система усатых китов устроена проще. Пищевой путепровод анатомически не отделен от дыхательного пути. Лишь во время заглатывания пищи вход в трахею временно закрывается с помощью надглоточного хряща. У усатых китов нет надчерепных воздушных мешков, зато имеется гортанный. Вероятно, звуки возникают в гортани, а воздушный мешок служит резонатором.

 

А во лбу звезда горит

Любому животному выгодно видеть как можно дальше и иметь как можно более широкий обзор, чтобы не упустить добычу, не просмотреть опасность. Дельфинам приходится «освещать» себе дорогу акустическим лучом. Чтобы выяснить, что он собой представляет, пришлось провести много серий все усложнявшихся опытов. Главным препятствием для подобных исследований является большая подвижность дельфинов. Ученые мечтали заставить животное стоять неподвижно в определенном месте бассейна и по команде лоцировать опущенный в воду предмет. Тогда, расставив вокруг лоцируемого предмета гидрофоны, экспериментаторы могли бы изучить параметры звука в разных точках пространства, и вопрос был бы решен.

К сожалению, этого еще никому не удалось осуществить.

Не так-то просто договориться с дельфином, чтобы он и в воде застыл неподвижно, и локационные посылки излучал по команде. Кроме того, в те годы, когда начиналось изучение эхолокации у китообразных, в физиологических лабораториях не было приборов, позволяющих записать одновременно на одной пленке звуки, уловленные несколькими гидрофонами.

Американские исследователи первыми взялись за изучение формы звукового луча дельфинов. В их распоряжении был небольшой мелководный круглый бассейн, вроде чаши городского фонтана, и один гребнезубый дельфин. После длительной тренировки животное удалось научить пересекать бассейн по диаметру, плывя между двумя туго натянутыми тросами.

Дельфины не любят касаться каких-либо предметов. Этим, видимо, объясняется, что животное оказалось послушным и за пределы предназначенного ему коридора не заплывало. Во время экспериментов глаза дельфина закрывали специальными присосками, и гребнезубу поневоле пришлось пользоваться эхолокацией, чтобы ни на что не натыкаться. Да и экспериментаторам животное вряд ли полностью доверяло. Гораздо благоразумнее было постоянно находиться начеку.

Исследование проводилось с поистине ювелирной точностью. У исследователей был один гидрофон. Перед каждым заплывом они устанавливали его на новом месте. Из всей массы записей локационных посылок приходилось отбирать и сравнивать только те, что были произведены животным в одном и том же месте бассейна при абсолютно одном и том же положении головы. Приходилось заставлять дельфина десятки раз проделывать один и тот же путь, каждый раз переставляя гидрофон на новое место, чтобы выяснить, какие районы лежащего впереди пространства «освещаются» звуковым лучом, а какие остаются «в тени». Преодолев все трудности, исследователи убедились, что чем выше частотные характеристики локационной посылки, тем более узким лучом она распространяется.

Полученные результаты не были для ученых большой неожиданностью. Уже было известно, что летучие мыши пользуются при эхолокации таким же узким звуковым, лучом. Зато возникла новая задача – объяснить, как удается дельфинам так узконаправленно посылать свои локационные посылки.

Ответ на этот вопрос можно получить, познакомившись с анатомией дельфинов. Если считать, что используемые для локации звуковые посылки возникают где-то в наружных воздухоносных проходах, то выходит, что звукогенератор сзади отгорожен длинными костями верхней челюсти и перпендикулярно к ним расположенными, поднимающимися круто вверх и несколько вогнутыми внутрь лобными костями черепа, а спереди – особым образованием, названным дыней, но больше известным как жировая подушка. Изобразив эти образования в виде схемы и обозначив на рисунке место возникновения звука и хода звукового луча, получим чертеж прожектора. Действительно, голова дельфина является прожектором, но только акустическим. Кости черепа служат для звукового луча рефлектором, позволяющим посылать его в определенном направлении, а жировая подушка – фокусирующей линзой, собирающей луч в узкий пучок.

В работе акустического прожектора много неясного. Кость – плохой материал для отражения звуковых волн. Самая твердая – слоновая кость – едва ли способна отразить более 35% энергии падающей на нее звуковой волны. Остальная часть или поглощается костями черепа, или проходит сквозь костное вещество. Сравнение акустических свойств костей черепа различных видов китообразных показало, что костный рефлектор речных дельфинов, клюворылых китов и кашалотов выполнен из более качественного материала, чем у их сородичей. Предполагается, что именно у этих животных эхолокация развита лучше, чем у остальных. Речные дельфины обитают в мутной воде или вообще лишены зрения, а клюворылые и кашалоты в поисках пищи ныряют на такие глубины, где царит постоянный мрак. Но даже у этих китообразных коэффициент полезного действия костного отражателя невелик. Почему дельфины мирятся со столь значительными потерями? Не вредно ли для их мозга постоянное облучение ультразвуком? Впрочем, истинную отражательную способность живой кости дельфина никто еще не измерил. Возможно, она значительно выше. Может быть, поэтому звуковые посылки, используемые для локации, назад практически не распространяются.

Дыня, или жировая подушка, с акустической точки зрения кажется достаточно совершенным устройством. Она только частично состоит из жира. Им наполнены главным образом клетки, расположенные в нейтральной части подушки. В распределении различных видов жиров и их компонентов, обладающих различными преломляющими способностями, прослеживается определенная закономерность. В периферических частях подушки больше включений нежировых клеток и других тканей, так что в конечном итоге трудно обозначить ее границы. Нет никаких оболочек, резких границ между различными средами, от которых могли бы отражаться звуковые волны. Они без потерь проходят через линзу и одновременно преломляются в соответствии со свойствами данного участка.

Преломляющие свойства жировой подушки объясняются изменением скорости прохождения звуковых волн через жировое вещество различных ее участков; благодаря этому чечевицеобразная линза, видимо, способна преобразовать сферический фронт звуковой волны в плоский или даже в вогнутый.

В результате вместо того, чтобы распространяться во все стороны, звук идет узким лучом и вследствие фокусировки усиливается. Ученые предполагают, что дельфины способны изменять форму линзы и фокусировать звуковой луч, подстраиваясь к разной температуре, солености и глубине. Возможно, линза может смещаться в пространстве. Это позволило бы дельфинам менять направление звукового луча.

Бесспорные доказательства существования звукового прожектора накапливались понемногу. Удивительные результаты дали опыты на свежем трупе. Так как мертвое животное по вполне понятным причинам никаких звуков издавать не может, пришлось поместить позади жировой подушки миниатюрный звукоизлучатель, чтобы изучить характер распространения проходящих сквозь нее звуков. Результаты этих странных экспериментов не совпадали между собой. Одни исследователи обнаружили отчетливую фокусировку звуков, особенно высокочастотных: звуковая волна с частотой колебаний 186 кГц распространялась узким лучом шириной всего в 17°.

Другие исследователи обнаружить фокусировку звукового луча не смогли. Впрочем, это совершенно не порочит самой идеи. Мало ли как изменяются свойства жировой подушки после смерти животного.

Вопрос о том, как обшаривают дельфины своим лучом окружающее пространство, несколько прояснился, когда у биоакустиков появились многоканальные магнитофоны. Они давали возможность записывать локационные посылки одновременно из двух, трех или даже десяти точек, а одномоментная киносъемка животного в двух плоскостях двумя кинокамерами – одна над бассейном, вторая в воде – позволяла с точностью до градуса знать, где находился дельфин и куда было направлено рыло животного. На снимках, сделанных верхней камерой, видно, в сторону какого гидрофона повернулся дельфин, а снимки нижней камеры позволяют судить, находился ли он в горизонтальном положении, не опустил ли или не задрал ли нос кверху. На записях локационных посылок отмечаются номера кинокадров, что дает возможность установить, при каком положении головы была издана данная локационная посылка.

С помощью таких устройств в разных лабораториях мира удалось убедиться, что прожектор дельфина действительно посылает вперед узкий и сильный звуковой луч. Он «освещает» дельфину дорогу, позволяя увидеть любой предмет еще загодя, издалека. Мутная вода для него не страшна. Когда внезапно налетает шквал и море вблизи берегов взмучивается от поднятого со дна ила, звуковой луч помогает избегать опасности. Он выручает дельфина в кромешную темень осенней ненастной ночи. Представьте себе, как идет большое дельфинье стадо по ночному морю, обшаривая его десятками прожекторов. Звуковые лучи то меркнут, то вспыхивают с новой силой, устремляются вперед в бесконечную даль или вдруг все вместе скрещиваются на заинтересовавшем животных предмете. Так ловят лучами прожекторов противовоздушной обороны вражеский самолет.

 

Когда набьешь на голове шишку

Лобный фонарь – отличное изобретение. Недаром его взяли на вооружение шахтеры, хирурги, подводные пловцы – словом, все те, у кого во время работы заняты руки. Но обшаривать лобным фонарем, дающим узкий луч света, широкое пространство не сподручно. Шея устанет! Невольно возникает вопрос: а как же дельфины? Как они умудряются вовремя все заметить? Это при их-то прожекторе, освещающем лишь узкую зону, и малоподвижной голове! Правда, передвигаясь, дельфины постоянно покачивают головой справа – налево, справа – налево. Но может ли это обеспечить животным широкий обзор? Вряд ли! Постепенно у ученых стало возникать подозрение, что дельфины способны каким-то образом посылать свой звуковой луч в любую сторону, не поворачивая головы. Именно к такому выводу пришли ученые, эксперимент которых только что был описан в предыдущей главе. Как уже было сказано, опыты проводились с помощью четырех гидрофонов, установленных в ряд перпендикулярно движению животного, и двух киноаппаратов.

Собственно, в задачу исследования не входило изучение направленности звукоизлучения. Ученые хотели лишь установить, где у дельфина спрятан генератор локационных щелчков.

Предпосылки к подобному эксперименту элементарно просты.

Если источник звука точечный, (а каким же ему еще быть?!), то, зная время прихода звука в любые три точки пространства, лежащие с ним в одной плоскости, нетрудно определить место возникновения звука. В процессе эксперимента выяснилось, что локационные посылки почему-то никогда не достигали всех гидрофонов одновременно. Почти во всех записях звуковая волна сначала приходила к самому правому (четвертому) гидрофону, затем к третьему, второму и, наконец, к первому.

Когда наблюдений набралось достаточно много, произвели соответствующие расчеты. Их результаты ошеломили ученых.

Выходило, что источник звука находится где-то справа от головы животного. Безусловно, звуки могли возникать только в лобастой башке дельфина, а не в стороне от нее. Объяснить расхождение расчетных данных с тем, что подсказывает элементарный здравый смысл оказалось трудновато. После тщательного анализа полученных результатов озадаченные исследователи пришли к выводу, что иллюзия генерации звуков где-то вне головы дельфина может возникнуть только в том случае, если животные с бешеной скоростью вращают своим звуковым лучом. Тогда становится понятной причина опоздания прихода локационного импульса к первому гидрофону по сравнению с четвертым. Эта задержка должна равняться времени, которое затрачивает луч, чтобы повернуться в сторону, первого гидрофона. В свою очередь, последовательность прихода звуковой посылки к каждому из четырех гидрофонов объясняется тем, что данный дельфин предпочитал вращать звуковым лучом справа налево, т. е. против часовой стрелки, а источник звука находился в правой половине головы.

Вопреки еще недавно бытовавшему среди биоакустиков мнению, которые предполагали, что звук распространяется вперед и только вперед, появились наблюдения, позволяющие считать, что локационный луч свободно поворачивается в любую сторону, в том числе он может быть направлен почти перпендикулярно к оси тела животного.

Невольно напрашивается вопрос: что может вращаться в голове у дельфина? Оказывается, поворотный механизм звуковому лучу не нужен. Если иметь несколько источников звука и возможность гибко управлять их работой, специально подбирая параметры излучаемых посылок, и в первую очередь фазу звуковой волны, суммарный звуковой луч можно послать в любом направлении. Для этого достаточно всего двух источников звука, а у дельфина их может быть гораздо больше.

Ряд наблюдений как будто опровергает высказанную гипотезу. Исследователи перерезали нерв, иннервирующий область воздушных мешков на одной стороне головы дельфина. Предполагалось, что потеря управления половиной мышц приведет к полному нарушению работы звукоизлучателя. Однако никаких существенных изменений в звукоизлучении не произошло.

Полученные результаты поставили под сомнение предположение о вращении звукового луча. Но ее защитники парировали удар предположив, что при генерации локационных посылок воздушные мешки одной стороны работают в постоянном режиме. Подобный характер работы так прост, что она может и не пострадать из-за отсутствия нерва. Воздушные мешки на здоровой стороне продолжают подстраивать характеристики генерируемых колебаний, и звуковой прожектор нормально работает.

Вероятно, дельфины могут менять направление звукового луча и с помощью жировой подушки. Как уже говорилось выше, «акустическая линза» окружена мышечными слоями, и, следовательно, легко предположить, что она может менять конфигурацию, формируя звуковой пучок более широким или фокусируя его, а сдвигаясь вправо, влево, вверх или вниз, направлять звуковые волны в заданные точки пространства.

Пока никто не привел бесспорных доказательств в пользу подобного механизма работы звукового прожектора (хотя весьма вероятно, что прожектор работает именно так). Однако жировая подушка – слишком массивное образование, чтобы 1000 раз в секунду менять свое положение на голове животного.

Гипотеза о способности дельфина вращать звуковым лучом была привлекательна еще и потому, что объясняла происхождение многих особенностей локационных посылок. Первая из них – быстрое нарастание интенсивности звука. Как говорят акустики, локационная посылка имеет крутой передний фронт.

Если бы локационный луч вращался, перемещаясь в пространстве, он мог бы накрывать гидрофон в тот момента когда звук уже набрал полную силу, и тем создавать иллюзию очень быстрого его нарастания.

Большинство исследователей, изучавших звуки дельфинов, записывали локационные посылки на некотором расстоянии от животного. Этот метод имеет ряд недостатков. На пути от дельфина к гидрофону звук сильно меняется. Он поглощается, рассеивается, подвергается дисперсии – и в таком искаженном виде доходит до гидрофона. Недаром исследователи всегда мечтали записать звук непосредственно в момент излучения в воду.

Американцы первыми укрепили гидрофоны на голове дельфина, а звуковые сигналы с помощью радиоприемника передавали на берег. Однако как ни совершенна современная радиоаппаратура, она вносит известные искажения в передаваемые звуки. Слишком сложен и многоступенчат путь от гидрофона на голове животного до магнитофона, находящегося на берегу. Попробовали гидрофон, укрепленный на голове дельфина, соединить проводами с магнитофоном, находящимся на берегу. Сами понимаете, насколько провода ограничили движение животного, как повлияли на его поведение и сколько внесли искажений в генерацию звуков.

Позже ученые пошли по другому пути. Они сконструировали миниатюрный магнитофон, который крепился на спину дельфина. Работой магнитофона ученые управляли с помощью радиосигналов. Созданный прибор уникален. Запись в нем осуществляется не на магнитную пленку, а на специальную проволоку, и вся записывающая часть сделана из материалов, совершенно не боящихся воды и потому не требующих футляра. По существу, это были три соединенных вместе магнитофона, позволяющих одновременно регистрировать акустические сигналы, которые записывались тремя гидрофонами, прикрепленными к коже специальными присосками.

Дельфин очень скоро привык к магнитофону и совершенно не обращал на него внимания. Исследователям удалось получить интересные результаты. Гидрофон, установленный слева от дыхала, регистрировал свист, а гидрофон, расположенный симметрично справа, не обнаруживал никаких звуков.

Следовательно, свисты генерируются одной половиной воздухоносных путей, однако благодаря акустической линзе могут посылаться вперед.

Анализируя записи звуков с разных участков головы животного, ученые убедились, что гортань и одна пара мешков не принимают участия в образовании звуков. Где они возникают – по-прежнему остается тайной. Как резюмировал в своей монографии известный советский биоакустик Е. Романенко, достоверно известно лишь, что звуки исходят из головы животных.

 

Тайный шифр

Исследователей давно волнует вопрос, каковы локационные посылки дельфина, продуцируемые длинными сериями из десятков и сотен щелчков. Стандартны ли они или каждая посылка индивидуальна? Способны ли животные произвольно менять акустические характеристики локационных посылок или их генерация не поддается тонкому контролю и каждый щелчок случаен? Речь идет не о способности грубо менять параметры локационных посылок. Уже давно замечено, что самые первые и самые последние щелчки значительно отличаются от остальных щелчков серии. Две серии локационных посылок, особенно записанные в разных условиях, не похожи друг на друга. Совершенно очевидно, что дельфины формируют их в известной мере произвольно.

Читателю может показаться странным, что при наличии десятков километров магнитной пленки с записями локационных щелчков дельфинов в этом вопросе могут быть еще какие-то неясности. К сожалению, пока еще не удается создать такие условия эксперимента, которые не вносили бы помех в продуцируемые дельфином сигналы, и нет аппаратуры, способной без искажения и потери информации записать локационную посылку в первозданном виде.

Попробуем подойти к решению этого вопроса с чисто теоретических позиций. Широко известно, что даже на самом лучшем токарном станке невозможно выточить две совершенно одинаковые по размерам детали. Нет оснований думать, что звукогенератор дельфина в этом отношении совершеннее творений человеческих рук. Следовательно, быть совершенно одинаковыми локационные посылки не могут. Насколько велико их разнообразие? Абсолютно точно ответить на этот вопрос пока нельзя. Однако очевидно, что оно достаточно велико.

Два совершенно одинаковых импульса не должны появиться чаще, чем один раз на 1050 локационных посылок. Можно быть уверенным, что стадо лоцирующих дельфинов, зондируя заинтересовавший их предмет, ни в коем случае не пошлет в его сторону двух совершенно одинаковых посылок.

Другой вопрос, имеют ли существенное значение небольшие различия между двумя следующими друг за другом локационными импульсами и замечают ли эти различия сами дельфины. Большинство исследователей считает, что животные хранят в памяти представление о только что произведенной локационной посылке до возвращения эха, чтобы иметь возможность оценить, насколько оно отличается от зондирующего сигнала.

Весьма вероятно, что эха от одной локационной посылки недостаточно, чтобы разобраться в создавшейся ситуации, и животные накапливают последовательно поступающие эхосигналы. В сложной обстановке для быстрого сбора информации имеет смысл увеличить скорость генерации локационных посылок. Так на самом деле и происходит, однако это увеличение никогда не бывает значительным. Прежде чем послать очередную локационную посылку, дельфин обязательно должен дождаться, когда угаснет эхо от предыдущей. Вероятно, животным выгодно получить информацию с помощью десятков, а то и сотен очень похожих друг на друга локационных импульсов, чтобы иметь возможность разобраться, что в эхо зависит от особенностей отразившего звук предмета, а что – от наличия помех. Если используемые зондирующие посылки не дают возможности решить локационную проблему, приходится резко изменить их характер в надежде, что новые посылки окажутся более адекватными для распознавания заинтересовавшего животных предмета. Отдельные исследователи высказывали подозрения, что дельфин способен подстраивать параметры локализационных посылок под параметры исследуемого объекта. Но это только предположение. Достоверно известно лишь то, что животные могут генерировать десятки очень похожих друг на друга локационных посылок, но могут и резко менять их характер. Пока неясно, облегчает ли уникальность каждого локационного импульса решение локационных задач или дельфины стремятся генерировать строго одинаковые стандартные посылки, а их некоторые различия всего лишь дефект поточного производства.

Акустический скорострельный пулемет дельфина стреляет импульсами-бумерангами. Это тайный шифр китообразных. С помощью локационных посылок шифруются вопросы, задаваемые окружающему пространству. В отличие от охотничьих бумерангов австралийских аборигенов, возвращающихся к хозяину, если он промахнется, импульсы-бумеранги вернутся к дельфину только в том случае, если попадут в цель или наткнутся на какую-нибудь преграду. Они возвращаются, обогащенные информацией об окружающем мире. Чтобы уловит ее, собрать и отсеять от ненужного балласта, животному приходится проделать огромную работу. Она напоминает труд золотоискателей, промывающих тонны породы, чтобы отделить от нее крупицы золотого песка. Для этого локатор дельфина снабжен второй, еще более важной частью – приемно-анализирующим устройством.