Стремясь создать иллюзию настоящего оркестра, как бы расположенного вдоль стены в нашей жилой комнате, инженеры-акустики обычно помещают чувствительные микрофоны в концертном зале по обе стороны сцены. Звуки фортепьяно или арфы попадают в левый микрофон значительно раньше, чем в правый, а звуки ударных инструментов улавливаются в обратном порядке. Когда эти два микрофона соединены с помощью раздельных электрических цепей с динамиками, находящимися у нас дома, мы слышим щипок струны арфы в левом динамике раньше, чем в правом. Нам кажется при этом, что арфа находится слева. Но если мы повернемся лицом к левому динамику, то звук все равно будет достигать обоих ушей неодновременно.
Инженеры не могут уничтожить помехи, возникающие в результате отражения и реверберации звуков от стен нашей комнаты и находящейся в ней мебели, хотя наши уши улавливают их и говорят нам о том, что мы не в концертном зале. Самое большее, что может дать стереофоническая техника, — это перенести нашу жилую комнату на середину концертного зала и позволить нам слушать оркестр, находящийся на сцене, через два или несколько небольших отверстий в стене комнаты, то есть через динамики, расположенные слева и справа. Это ощущение совершенно непохоже на восхитительную иллюзию, которую можно создать в комнате, когда мы слушаем концерт через наушники, а воспринимающие звук микрофоны расположены на сцене концертного зала на таком же расстоянии, какое существует между нашими ушами. Однако до сих пор еще не найдено технического решения этой задачи.
Единственная реальная польза, которую мы извлекли из всех попыток создать «эффект присутствия» в концертном зале, заключается в том, что мы полнее осознали, с какой замечательной точностью наш мозг улавливает разницу во времени между приходом звука к правому и левому уху и насколько велика его способность интерпретировать эхо-сигналы. Даже слепые, которые избегают столкновений с препятствиями, полагаясь не на зрение, а исключительно на прочие чувства, редко сознают, насколько приобретенные ими способности зависят от слуха. Они часто думают, что ощущают стоящие на их пути предметы через поры кожи. Однако если им заткнуть уши, то так называемое лицевое зрение, на которое претендуют многие слепые, полностью исчезнет.
Большинству людей хорошо известны эхо-сигналы, которые врываются в открытые окна автомобиля, несущегося по шоссе с неизменной скоростью. Эти звуки являются в основном «белым шумом», состоящим из суммы звуковых колебаний различных частот, создаваемых двигателем, шинами, а также корпусом автомобиля, которые отражаются от различных встречающихся на пути препятствий. Это непрерывное, хорошо различаемое шипение, если машина идет по туннелю, или короткие, периодически повторяющиеся звуки, отбрасываемые бетонными дорожными столбами, или же более длительные, отраженные от других машин, стоящих по обочинам дороги. Если немного потренироваться, то можно с закрытыми глазами прекрасно ориентироваться на знакомой дороге. По различным звукам мы сумеем распознать большой автомобиль на стоянке, малолитражку, иностранную машину, мотоцикл или просто пешехода, который собирается перейти дорогу. Пешеход звучит «громче», если он несет в руках свертки, отражающие звук. Однако каждый из этих отраженных сигналов достигает наших ушей лишь на какое-то мгновение.
Без особой тренировки мы можем добиться даже большего, если закроем глаза, оставив уши открытыми. Если взять в одну руку металлический «щелкунчик», которым пользуются иные лекторы, чтобы дать сигнал о перемене диапозитива, а другой рукой накрыть его так, чтобы звуки направлялись от нас, уши не услышат самих резких щелчков, а уловят лишь эхо, отраженное от зданий. Используя такой щелкунчик в маленьком параболическом рупоре, человек может обнаружить на расстоянии метра деревья диаметром около 15 сантиметров. Но и это кажется примитивным по сравнению с удивительным умением слепых ловить эхо своих шагов или постукивания палочки или способностью летучих мышей избегать препятствий в виде проволоки толщиною с человеческий волос и охотиться ночью за крошечными насекомыми.
В молодом лесу крик отражается в виде эха от многих стволов деревьев. Однако мы редко слышим подобные эхо, потому что наше ухо игнорирует их. При помощи магнитофона мы можем воспроизвести запись этих звуков в обратной последовательности — сначала эхо, а потом уже крик. Эхо становится слышимым, и можно совершенно отчетливо различить, что оно имеет большую частоту колебаний, чем сам крик. Это происходит потому, что высокочастотные звуки хорошо отражаются от тонких деревьев, тогда как низкочастотные реверберируют и рассеиваются по всем направлениям. Эхо «белого шума», отраженное от небольших препятствий, находящихся на пути этого шума, имеет бóльшую частоту колебаний по той же причине, по какой небо имеет голубой цвет. Белый свет солнца представляет собой смесь низкочастотных (красный цвет) и высокочастотных (голубой цвет) колебаний. Молекулы воздуха рассеивают световые колебания более низкой частоты и отражают остальные — в основном голубые, которые и воспринимаются глазом. Если бы мы слышали эхо «белого шума» в виде более регулярных колебаний, возможно, мы тоже назвали бы его «голубым».
Одним из самых существенных свойств, которое присуще всем видам колебаний (морские, звуковые, радио- или световые волны), является следующее: их частота связана с длиной волны обратно пропорциональной зависимостью. Чем выше звук и больше частота его колебаний, тем короче длина волны. Однако для получения достаточно хорошего эха необходимо, чтобы отражающее препятствие было в два-три раза больше, чем длина ударяющейся о него звуковой волны. Иногда это бывает особенно заметно на морском берегу, где волны спокойно проходят мимо тоненьких столбиков или буйков и отражаются лишь от длинного мола. Если мы хотим, чтобы звуковая волна отразилась от небольших препятствий, а затем намереваемся при помощи эха определить, на каком расстоянии и в каком направлении находятся эти препятствия, нам нужно использовать по возможности самые короткие волны и, следовательно, самый высокий звук. Летучие мыши еще 50 миллионов лет назад открыли для себя эти преимущества высокочастотных колебаний, тогда как человек начал применять подобную технику лишь в конце 30-х годов в военных приборах, получивших название сонар (по начальным буквам английских слов «Sound Navigation and Randing»)[11].
Конечно, звуковые волны намного короче морских. Частота звуковых колебаний среднего до достигает 256 колебаний в секунду; эти колебания имеют длину волны 1,3 метра, и потому отчетливое эхо этого звука можно получить только от такой большой отражающей поверхности, какую имеет, например, рекламный щит. Высокочастотные сигналы, которые издает металлический «щелкунчик», вероятно, имеют ту же высоту, что и звуки, расположенные на пять октав выше среднего до; длина их волны равна четырем сантиметрам, а это значит, что они хорошо отражаются от деревьев со стволами толщиной в 15 сантиметров. Крик летучей мыши, который мы не можем слышать из-за чересчур большой высоты звука, содержит колебания с частотой до 130 000 в секунду и длиной волны до 2,5 миллиметра. Маленький рот летучей мыши может прекрасно сконцентрировать эти короткие волны в виде узкого пучка, а уши — услышать их эхо, отраженное от находящихся впереди препятствий.
Не так легко заметить летучих мышей, потому что они летают только в поздние сумерки и ночью, к тому же высоко над землей. Из великого множества разновидностей млекопитающих, покрытых шерстью, летучие мыши по количеству видов и общей численности превосходят всех, кроме грызунов. В странах с умеренным климатом они питаются исключительно насекомыми, хватая их на лету или с поверхности листвы. Среди летучих мышей, обитающих в тропиках, встречаются насекомоядные виды, а также питающиеся фруктами, нектаром, рыбой, а в Новом Свете водятся даже вампиры, сосущие кровь.
Всем тем крупным летучим мышам (за исключением одного вида), которые питаются фруктами, для ориентации необходимо зрение. Если их ослепить, они становятся беспомощными. Исключение составляют Rousettus, обитающие в районах от Бирмы до Экваториальной Африки; при достаточной освещенности они пользуются зрением, но могут ориентироваться и при помощи слуха, улавливая эхо-сигналы от щелкающих звуков, которые они издают с помощью языка. Эти звуки, исходящие из уголков рта животного, представляют собой высокочастотные эквиваленты звуков «тс-тс», которые производит человек с помощью языка и сосущих движений губ, когда хочет выразить свое неодобрение. Сигналы Rousettis'а, а также его прекрасный слух помогают ему избежать столкновений с вертикально натянутыми проволоками диаметром всего лишь 1 миллиметр.