Текст книги "Книга звука. Научная одиссея в страну акустических чудес"

Мечеть Имама в иранском Исфахане прекрасно подошла бы для голоса Элвиса, поскольку, согласно старым записям, это centrum phonocampticum, или объект с эхом. Очень красивое здание, украшенное плиткой с характерным исламским орнаментом, было построено в XVII в. Огромный купол вздымается на высоту 52 метров и, как пишет один из путеводителей, «повторяет отдельные звуки чередой отчетливого эха»[220]220
  Wiley C. The Road Less Travelled: 1,000 Amazing Places off the Tourist Trail. L.: Dorling Kindersley, 2011. 121.


[Закрыть]. Экскурсоводы становятся под куполом и щелкают пальцами или хлопают листом бумаги, издавая серию коротких резких звуков, похожих на треск. Помещение тут же отзывается семью быстрыми отражениями[221]221
  Schafer R. M. The Soundscape: Our Sonic Environment and the Tuning of the World. Rochester, VT: Destiny Books, 1994. 220.


[Закрыть]. Звук мечется между полом и потолком, причем купол фокусирует звук, заставляя его перемещаться вверх-вниз через равные интервалы. Без купола отражение от потолка затерялось бы среди других отражений в мечети.

Современный дизайнер Люк Джеррам часто использует звук в качестве художественного средства. Его работа «Эол» (Aeolus) была создана под впечатлением визита в Иран, где он слышал эхо в мечети Имама. Я познакомился с Люком семь лет назад, когда мы оба попали в финал конкурса FameLab, целью которого является поиск популяризаторов науки для средств массовой информации. Второй раз я услышал о нем, когда рядом с моим университетом в 2011 г. появился павильон «Эол».

Рис. 4.1. «Эол» © Richard Deane

«Эол» похож на сегмент огромного стального дикобраза – арка высотой 4–5 метров с 300 длинными стальными трубами, торчащими во все стороны (рис. 4.1). Эта форма была навеяна двенадцатью раскатистыми звуками эха, которые Люк услышал в мечети, когда щелкнул пальцами. Если стать в определенное место под «Эолом», то можно услышать, как арка фокусирует и немного усиливает ваш голос. Свет, проникающий через отполированные до зеркального блеска трубы, создает геометрические узоры, напоминающие орнамент в мечети.

Главным визуальным компонентом скульптуры является арка, но звуковой эффект создается почти незаметными тросами, которые тянутся от опорных колонн к трубам. Каждый трос вибрирует от ветра. Деревянные планки играют роль порожка в скрипке, передавая колебания струн мембранам, натянутым на концах труб. Под действием этих мембран резонирует воздух в трубах. Результат получается крайне необычным – пульсирующий звук напоминает минималистскую музыку американского композитора Стивена Райха, причем звуки появляются и исчезают синхронно с ветром.

«Эол» назван в честь владыки четырех ветров из греческой мифологии. Люк хотел использовать «звук, чтобы рисовать картины в воображении людей», давая возможность посетителям «визуализировать меняющийся ветровой ландшафт вокруг скульптуры»[222]222
  Джеррам Люк, из личной беседы, 20 октября 2011.


[Закрыть]. Источник звука определить невозможно – звуковая волна просто идет сверху. Длины труб тщательно рассчитаны для получения звукоряда. Соответственно используется эолийский лад, который, будучи минорной гаммой, придает звуку неприятный, жутковатый оттенок[223]223
  Считаете ли вы минорные гаммы печальными, зависит от вашего опыта и вкуса. Будь я уроженцем Восточной Европы, звук, возможно, не показался бы мне таким пугающим и неприятным.


[Закрыть]. Если закрыть глаза, легко представить, что вы попали в научно-фантастический фильм во время вторжения марсиан.

Люк решил построить «Эол» после знакомства с иранским шахтером, который описал ему конструкцию подземных ирригационных каналов под названием «канат». Профессия шахтера очень опасна – работать приходится в тесных и влажных помещениях. Хуже всего, когда при проходке натыкаются на подземный источник. Представьте шахтера, зажатого в тесном проходе, когда ему на голову внезапно обрушиваются потоки воды. На создание поющего павильона Люка вдохновил рассказ о том, как воют от ветра вентиляционные трубы подземных каналов.

Рис. 4.2. Эффект фокусировки в двух разных помещениях

У многих величественных сооружений есть купол, как у иранской мечети, но лишь немногие купола имеют подходящий изгиб, чтобы образовалось четкое эхо. У помещения, изображенного на рис. 4.2, фокальная точка расположена слишком высоко; в здании, изображенном справа, усиленный звук возвращается к слушателю у самого пола, в результате чего получается повторяющееся эхо. Измеряя по записям время между приходом эха, я вычислил, что высота купола мечети Имама (внутри) составляет около 36 метров. Место, где нужно стоять, отмечено на полу мечети; в старых книгах, посвященных эху, оно называется centrum phonicum.

Поверхность пола и потолка должна быть облицована материалом, плохо поглощающим звук. Керамическая плитка в мечети идеально подходит для этой цели по двум причинам. Во-первых, плитка тяжелая, и это значит, что она не будет вибрировать под действием звука. Во-вторых, она воздухонепроницаема, и это значит, что акустическая волна не проникает внутрь плитки, а отражается от нее.

В здании Брикстонской академии раньше располагался кинотеатр Astoria, архитектурный шедевр 1929 г. в стиле модерн. На его открытии присутствовал кинорежиссер Альфред Хичкок – давали «Поющего глупца» (The Singing Fool) с Элом Джолсоном в главной роли[224]224
  Jovanovic R. Perfect Sound Forever. Boston: Justin, Charles & Co., 2004. 23.


[Закрыть]. В академии громкое эхо, создаваемое отражением звука от купола и наклонного пола[225]225
  Уитакер Ник, консультант по акустике, из личной беседы, осень 2011.


[Закрыть], но его слышно только во время акустических измерений, когда в зале нет публики. Когда зал полон, звуковые волны поглощаются толпой – они проникают в поры на одежде и теряют свою энергию. Если публики мало, это компенсируется с помощью эха, которое усиливает аплодисменты!

Французский ученый и консультант по акустике Брайан Кац вместе с коллегами исследовал необычный, фокусирующий звук потолок в одном забытом помещении Парижа[226]226
  Katz B. F. G., Delarozière O., Luizard P. A Ceiling Case Study Inspired by an Historical Scale Model // Proceedings of the Institute of Acoustics 33. 2011. 314–324.


[Закрыть]. Эта комната имела отношение к многочисленным казням во времена Великой французской революции. В XIX в. Огюст Лепаж писал: «С этой комнатой, предназначенной для размышлений и молитвы, связаны кровавые воспоминания. Именно здесь заседал знаменитый суд… во время массовых казней 1792 г.». Лепаж так описывает эту комнату: «Массивные колонны поддерживают несущую конструкцию крыши, которая представляет собой удивительное сооружение. Эта рама в форме купола изготовлена из испанского каштана без единого гвоздя; тысячи деталей соединялись только с помощью деревянных втулок»[227]227
  Lepage A. Le Tribunal de l’Abbaye // Le Monde Illustré 19. 1875. 373–376. Переведено в Katz, Delarozière, and Luizard. Ceiling Case Study.


[Закрыть].

Здание было разрушено в 1875 г., но Брайан имел возможность работать с копией XIX в., уменьшенной моделью, хранящейся в Музее искусств и ремесел в Париже. Потолок комнаты похож на перевернутую плетеную корзину, которую сплющили практически до плоского состояния. Если смотреть снизу, то потолок представляет собой кольца из балок, разделенные промежутками. Кривизна потолка фокусирует звук, но фокальная точка находится высоко, и человек не слышит эхо. Секрет этой акустики состоит в том, что в центре потолка расстояния между балками больше, чем по краям. Брайан продемонстрировал, что на некоторых частотах отражения от разных балок накладываются и усиливают звук в центре помещения. Деревянная решетка купола похожа на зонную пластинку Френеля, названную по имени французского физика XIX в. Огюстена Жана Френеля, который исследовал дифракцию. Зонная пластинка Френеля использует дифракцию для фокусировки света. С ее помощью можно фокусировать лазерные лучи, а недавно ее предложили использовать вместо тяжелых линз космических телескопов[228]228
  Shiga D. Telescope Could Focus Light without a Mirror or Lens // New Scientist, May 1, 2008, www.newscientist.com/article/ dn13820-telescope-could-focus-light-without-a-mirror-or-lens. html?full=true.


[Закрыть]. В акустике зонные пластины применяют для фокусировки ультразвука.

Эхо – это не просто забавное явление; оно способно обеспечивать безопасность. Через пару лет после гибели «Титаника» находчивый капитан рассказал, как его судну удалось избежать подобной судьбы в Северной Атлантике, когда в туманную погоду он проходил Большую Ньюфаундлендскую банку. Неожиданно пятисекундный гудок сирены отразился от тумана. Может, это гудок другого парохода? Капитан приказал подать более сложный сигнал, который в точности повторился – то есть это было эхо. Газета Day сообщала, что капитан совершил маневр, чтобы «не врезаться в айсберг, который он мог слышать, но не мог видеть»[229]229
  Echo Saved Ship from Iceberg // Day (London), June 22, 1914.


[Закрыть].

Другой известный случай использования эхолокации моряками произошел в заливе Пьюджет-Саунд в штате Вашингтон. Статья в номере журнала Popular Mechanics за 1927 г. описывает проход из Пьюджет-Саунда к Аляске как «узкий, извилистый канал, хуже которого ничего быть не может»[230]230
  Windsor H. H. Echo Sailing in Dangerous Waters // Popular Mechanics 47. May 1927. 794–797.


[Закрыть]. В туманную погоду капитаны определяли свое местоположение, прислушиваясь к эху пароходного гудка. Сильные волны в канале не позволяли судам замедлять ход, как во время тумана в открытом море. Тот же журнал объяснял: «Полный вперед, затем полный назад – вот правило лоцманов, использующих эхо»[231]231
  Ibid.


[Закрыть]. Если задержка эха составляет одну секунду, это значит, что гудок преодолел 340 метров, то есть судно находится в 170 метрах от берега. Моряки, изучающие этот маршрут, должны запомнить задержку отраженного звука от главных ориентиров. На маленьком острове, слишком низком и не отражающем звук, поставили 8-метровый квадратный щит, чтобы помочь ориентироваться по эху пароходного гудка.

Как утверждает журнал, по звуку эха лоцманы умеют различать характер береговой линии: «Низкий берег возвращает «шипящее» эхо, а высокие утесы – цельный «хлопок». Эхо от песчаного или гравийного пляжа «скребет»; натренированный слух способен различить двойное эхо от раздвоенного мыса»[232]232
  Windsor H. H. They Steer by Ear // Popular Mechanics 76. December 1941. 34–36, 180.


[Закрыть]. Это утверждение казалось мне сомнительным, пока я не услышал доклад норвежского акустика Тора Халмраста, который проводил эксперименты с эхолокацией слепых.

Издавая резкий звук и слушая его отражения, люди могут научиться ориентироваться по слуху, подражая тому, что делают дельфины, летучие мыши и гуахаро. Дэниел Киш научился эхолокации еще в раннем детстве, и в журнале New Scientist он так описывал свой школьный день в возрасте 6 лет:

Быстро щелкая языком и вращая головой, я осторожно двигался вперед… звуки, приходящие спереди, были мягче, и это значило, что там большое поле, заросшее травой… Внезапно передо мной возникло препятствие. Я остановился. «Привет», – произнес я, решив, что там кто-то стоит. Но, пощелкав и покрутив головой, я понял, что препятствие слишком тонкое, чтобы быть человеком.

Я понял, что это столб, еще до того, как протянул руку и дотронулся до него. Там девять столбов, выстроившихся в ряд. Потом я узнал, что это трасса для слалома. Я никогда не пробовал пробежать ее, но тренировался кататься на велосипеде, петляя среди деревьев и щелкая как сумасшедший[233]233
  Kish D. Echo Vision: The Man Who Sees with Sound // New Scientist, no. 2703. April 11, 2009. 31–33.


[Закрыть].

Щелчок обычно производится резким опусканием языка во рту, иногда в сопровождении вдоха или короткого причмокивания. Этот звук индивидуален, поэтому эхолокация по чужим щелчкам затруднительна[234]234
  Halmrast Tor. More Combs // Proceedings of the Institute of Acoustics 22, no. 2. 2011. 75–82.


[Закрыть]. Разнообразие звуков, которые можно производить языком, поразительно. Подходящим для эхолокации является нёбный щелчок, получающийся за счет быстрого заполнения вакуума, образующегося между кончиком языка и нёбом. Это короткий и громкий звук, который хорошо слышен в шумных местах.

Кроме того, нёбный щелчок содержит большой набор частот, что помогает людям, использующим эхолокацию[235]235
  Rojas J. A. M., Hermosilla J. A., Montero R. S., Espí P. L. L. Physical Analysis of Several Organic Signals for Human Echolocation: Oral Vacuum Pulses // Acta Acustica united with Acustica 95. 2009. 325–330.


[Закрыть]. Поскольку они слушают отражение от поверхностей, находящихся на расстоянии нескольких метров, и поскольку большинство отражений от таких поверхностей приходят слишком быстро, чтобы отделить их друг от друга, эти люди должны научиться улавливать слабые различия между тем, что слышит каждое ухо. Интерференция между щелчком и его отражением может привести к окрашиванию (изменению баланса частот), к изменению тональности – того, что музыканты называют тембром. Отражение может, например, удлинить исходный щелчок, добавив к нему отражение от близлежащей поверхности. Эффект зависит от расстояния до отражающей поверхности, которое определяет задержку, а также от характера отражения акустических волн: объекты большого размера сильнее отражают низкие частоты, а мягкие объекты поглощают звук, и отражения от них слабее. Исследования показали, что после минимальной практики даже новички могут научиться различать квадратные, треугольные и круглые объекты[236]236
  Rosenblum L. D. See What I’m Saying. N. Y.: W. W. Norton, 2010.


[Закрыть].

Некоторые примеры самого необычного эха можно услышать в рукотворных сооружениях. Рассчитанные инженерами искривленные поверхности способны фокусировать звук, а плоские параллельные стены заставляют его многократно отскакивать, чего не наблюдается в естественных условиях. Огромными акустическими возможностями обладают арки мостов, в чем я убедился, когда путешествовал в лодке по реке Дордонь во Франции за пару месяцев до того, как увидел «Эол». Одна каменная арка имела такой размер и форму, что фокусировала звук у поверхности воды, и шлепки весла создавали звучное эхо. Во время перерыва на обед я исследовал акустику другого моста, перекинутого через отмель. Стоя спиной к краю арки и хлопая в ладоши, я вызвал порхающий звук – многократное эхо.

На другой стороне Атлантики, в Ньютон-Аппер-Фолсе, штат Массачусетс, из-за похожего порхающего звука местные жители стали называть акведук «Мостом эха». Эта 40-метровая арка над рекой Чарльз, построенная в 1870-х гг., даже снабжена лестницей, ведущей к специальной площадке, где желающие могут услышать необычный звуковой эффект. В интернете есть видеоролики с собаками, которых сводит с ума эхо собственного лая, – они считают, что на другом берегу реки лает соперник. Мост привлекает не только туристов и развлекающихся владельцев собак, но и ученых. В сентябре 1948 г. Артур Тейбер Джонс отправил в Journal of the Acoustical Society of America отчет о небольшом исследовании: «Хлопок в ладоши [sic] возвращается в виде множественного эха числом около дюжины, с убывающей громкостью и частотой приблизительно четыре хлопка в секунду»[237]237
  Jones A. T. The Echoes at Echo Bridge // Journal of the Acoustical Society of America 20. 1948. 706–707.


[Закрыть]. Джонс также описывает изящные эксперименты с целью выяснить, что именно вызывает такие отражения.

Вопрос, на который пытался ответить Джонс, формулируется так: звук скользит внутри вогнутой арки, как в шепчущих галереях, о которых рассказывается в следующей главе, или распространяется горизонтально над поверхностью воды? С помощью слуховых трубок Джонс безуспешно пытался определить, откуда приходит звук. Попытки использовать одеяла, блокируя звук, распространяющийся по арке, тоже ничего не дали: мешал сильный ветер.

У меня не было возможности исследовать мост, но я нашел фотографии и почтовые открытки, которые позволили оценить форму арки. По видеороликам с лающими собаками я вычислил задержку эха. И наконец, современные методы прогнозирования позволили мне визуализировать распространение звука.

На рис. 4.3 изображены двенадцать кадров анимации, которая потребовалась мне для понимания акустики моста. На каждом кадре изображено почти полукруглое пространство под аркой с площадкой для туристов слева и длинной горизонтальной линией, обозначающей уровень воды, справа. Черные точки иллюстрируют (начиная с верхнего левого кадра), как звук движется от источника к другому концу моста, а затем возвращается назад.

Рис. 4.3. Кадры анимации, показывающей движение звука под «Мостом эха»

Чтобы получить эту анимацию, я имитировал звук с помощью большого количества бильярдных шаров, которыми выстреливали с площадки во все стороны. Компьютер высчитывал, как шары отскакивают от стенок этого бильярдного стола необычной формы. На кадрах 1–6 на рис. 4.3 звук движется слева направо; затем он отражается от правого края и возвращается назад, двигаясь в противоположном направлении. Ответ на вопрос Джонса таков: звук одновременно распространяется внутри арки и скользит по поверхности воды.

Первые охотники за эхом стремились найти необычное многократное эхо с наибольшим числом отражений – такое эхо, которое превращает слог «ха» в смех. Это занятие довел до абсурда собиратель эха из «Рассказа коммивояжера» Марка Твена:

Возможно, вам приходилось слышать, сударь, что в торговле эхом цены нарастают, как шкала каратов в торговле брильянтами, и даже терминология та же самая. За эхо в один карат вы приплачиваете всего лишь десять долларов к стоимости земли, где оно обитает; за двукратное, или двухкаратное, эхо вы приплачиваете уже тридцать долларов; за пятикаратное – девятьсот пятьдесят долларов, а за эхо в десять каратов – тринадцать тысяч долларов. Орегонское эхо, которое дядюшка назвал Великим эхом Питта, являло собой сокровище в двадцать два карата и стоило ему двести шестнадцать тысяч долларов. Землю отдали в придачу, даром…[238]238
  Перевод Э. Кабалевской.


[Закрыть][239]239
  Twain M. The Canvasser’s Tale // The Complete Short Stories of Mark Twain. Stilwell, KS: Digireads.com, 2008. 90.


[Закрыть]

В XVII в. настоящий собиратель эха и ниспровергатель мифов Марен Мерсенн проанализировал утверждение, что башня неподалеку от Авентинского холма в Риме восемь раз повторяет первую строчку «Энеиды» Вергилия[240]240
  Хант (Origins in Acoustics. P. 96) пишет о первой строфе, но Радау (Wonders of Acoustics. P. 93) утверждает, что это первая строчка. Я использую второй вариант, потому что Хант говорит о 32 секундах на 8 повторений, что слишком мало для восьми повторений первой строфы, но вполне правдоподобно для одной строки.


[Закрыть]. Поскольку для прослушивания восьми повторений этой фразы требуется 40 секунд, то самое дальнее отражение должно проделать путь в 14 километров – слишком много, чтобы можно было расслышать голос.

Более правдоподобными выглядят рассказы о Вилле Симонетта в Милане, построенной в XVI в. Великий математик XVIII в. Даниил Бернулли утверждал, что слышал там эхо, насчитывавшее до шестидесяти повторений[241]241
  Crunelle M. Is There an Acoustical Tradition in Western Architecture? (Доклад представлен на 12th International Congress on Sound and Vibration, Lisbon, Portugal, July 11–14, 2005.)


[Закрыть]. Марк Твен писал об этом в своей книге «Простаки за границей», где есть рисунок, изображающий женщину, которая развлекает двух джентльменов, дуя в мегафон, чтобы вызвать эхо. Айрис Лаутербах при описании итальянских садов отмечает, что вилла пользовалась популярностью еще в XIX в., «но не из-за своего сада: главной ее достопримечательностью было эхо»[242]242
  Lauterbach I. The Gardens of the Milanese Villeggiatura in the Mid-sixteenth Century // The Italian Garden: Art, Design and Culture, ed. J. D. Hunt. Cambridge: Cambridge Universit Press, 1996. 150. Это также было отмечено Афанасием Кирхером, см. Tronchin L. The ‘Phonurgia Nova’ of Athanasius Kircher: The Marvelous Sound World of 17th Century // Proceedings of Meetings on Acoustics 4. 2008. 015002.


[Закрыть].

Вилла имеет прямоугольную форму в виде буквы «П», с двумя большими крыльями, строго параллельными и отстоящими друг от друга на 34 метра. Внутренний дворик, открытый с одной стороны, выходит в роскошный сад. На втором этаже под крышей одного из крыльев есть одинокое окно. Если выглянуть в него и произнести несколько слов, то звук будет скакать туда-сюда по внутреннему двору между параллельными крыльями здания. Чтобы вернуться в исходную точку, звуковой волне требуется 0,2 секунды, а это значит, что очень краткий звук повторяется здесь многократно. В старинных книгах утверждалось, что выстрел из пистолета мог повторяться от сорока до шестидесяти раз[243]243
  Crunelle. Is There an Acoustical Tradition?


[Закрыть]. На гравюрах XVII в. с изображением виллы видно, что стены крыльев были гладкими – то есть звук мог скакать от стены к стене, не рассеиваясь в других направлениях.

На этих гравюрах окно для эха выглядит странно – оно единственное в верхней части крыльев и нарушает архитектурную симметрию. Невольно возникает подозрение, что окно было помещено туда специально, чтобы продемонстрировать чудеса акустики. К сожалению, вилла была сильно повреждена в результате бомбардировок во время Второй мировой войны и во дворе уже нет величественных колоннад, а эхо стало одиночным[244]244
  Крюнель Марк, из личной беседы, 3 декабря 2011.


[Закрыть].

Интересно, такое желание возникает только у меня или никто не может удержаться от гиканья и улюлюканья, входя в туннель? Некоторые туннели подходят для этого занятия лучше других. Один из моих любимых – пешеходный туннель под Темзой в районе лондонского Гринвича. Он был проложен в 1902 г., и по нему жители южной части Лондона могут попасть на Собачий остров. Я отправился туда холодным зимним вечером через несколько месяцев после путешествия во Францию; мне хотелось проверить, верны ли мои детские воспоминания об акустике туннеля. Хотя туннель считается пешеходным, почти все, кто мне встретился по пути, были на велосипедах. Какое-то время я ходил взад-вперед по этой 370-метровой трубе. Это довольно узкий цилиндр, выложенный белой глазурованной плиткой.

Диаметр слабо освещенного туннеля составляет всего 3 метра. Звуковые волны отражаются от стен, сильно искажаясь. Если я стоял посередине, то мой голос приобретал металлический оттенок. Резонанс в туннеле усиливал определенные частоты в моем голосе, отчего он звучал неестественно. Я спросил музыканта Питера Кьюсака, какое впечатление производит на него это место.

Иногда посередине сидит уличный музыкант, и если слушать его, находясь у одного из входов… то нет никакой возможности определить мелодию или даже инструмент, на котором он играет. До вас доходит какая-то музыкальная смесь, на самом деле довольно приятная. Но когда вы идете по туннелю и подходите все ближе, звук становится отчетливее, и, добравшись до музыканта, вы зачастую испытываете некоторое разочарование[245]245
  Кьюсак Питер, из личной беседы, 7 января 2012.


[Закрыть].

В какой-то момент я испугался, подумав, что ко мне приближается грузовой поезд. Но потом вздохнул с облегчением, поняв, что это всего лишь грохот скейтборда, усиленный акустикой туннеля. Проехав мимо, скейтбордист подбросил свою доску, но не смог поймать ее, и она стукнулась об пол – звук был такой, словно кто-то изо всех сил хлопнул дверями большого собора. Исходный звук преодолел сотни метров до конца туннеля и вернулся громким эхом. Благодаря облицованным плиткой поверхностям звук долго грохотал в пространстве туннеля, прежде чем затихнуть.

Инженеры из Брэдфортского университета в Англии использовали свойство туннелей передавать звук на большие расстояния для поиска места закупорки канализационных труб. В трубу посылается звуковой сигнал, а микрофон улавливает эхо. Время задержки эха указывает на расстояние до «пробки», а акустические характеристики отражения свидетельствуют о размере и типе препятствия.

Одна из причин впечатляющей акустики большинства туннелей заключатся в том, что в них звук может распространяться на необычайно большое расстояние. Если вы с кем-то беседуете на открытой местности, то чем дальше вы стоите друг от друга, тем тише голос собеседника. Представьте, как надувается воздушный шарик: по мере увеличения объема резина становится тоньше, распределяясь на бо́льшую поверхность. Удаление от источника звука на открытом воздухе аналогично пребыванию на поверхности воздушного шарика: подобно растягивающейся резине, энергия распределяется более тонким слоем и звук становится тише. Но в туннеле акустическая волна распространяется по поперечному сечению трубы, которое не меняется по мере удаления от источника звука. Энергия теряется только при поглощении звука стенами. Если стены облицованы твердым материалом – плиткой, кирпичом или бетоном, – звук может распространяться на огромные расстояния.

Желая узнать, почему в туннеле в Гринвиче мой голос приобретает металлический оттенок, я нашел еще одно подобное место – там эффект был выражен еще сильнее. В лондонском Музее науки есть интерактивная галерея, где дети шумно наслаждаются чудесами науки. По дальней стене проходит труба длиной 30 метров и диаметром около 30 сантиметров. «Похоже на артиллерийскую канонаду», – делится впечатлениями маленький мальчик, прежде чем я приступаю к эксперименту. Довольно точное описание. Хлопок в ладоши звучит как нечто среднее между ударом по металлическому листу и выстрелом лазерной пушки из научно-фантастического фильма.

Можно предположить, что характер звука определяется материалом трубы. Однако, хотя труба металлическая, материал практически не влияет на тот факт, что мой голос становится похожим на голос робота. Труба могла быть изготовлена из любого материала – бетона, металла, пластика, – и все равно звук приобретал бы в ней металлический оттенок, как в туннеле в Гринвиче. Все дело в геометрии, поскольку вибрирует воздух в трубе, а не ее стенки. То же самое происходит в музыкальных инструментах. В юности я учился играть на кларнете, и низкие ноты, извлекаемые из этого инструмента, часто описывались как явно «деревянные». Это наводит на мысль, что причиной тому – трубка из черного дерева. Но мой коллега Марк Эвис однажды играл на латунном кларнете и обратил внимание на его глубокий «деревянный» звук. Великий джазовый музыкант Чарли Паркер известен тем, что для некоторых композиций использовал пластиковый саксофон и при этом характерное для музыканта звучание оставалось прежним[246]246
  Саксофоны обычно изготавливают из металла. Звук определяется формой трубки, которая у инструмента коническая, а также тем, как вибрации трости формируют начало и конец нот. Очень важна форма мундштука, и Чарли Паркер, вероятно, использовал свой обычный мундштук с пластиковым саксофоном. Я играю на прямом саксофоне сопрано, который может звучать как (деревянный) гобой, потому что у них конические трубки и для создания звука в них применяются трости.


[Закрыть].

Аналогичным образом, «медный» звук трубы или тромбона зачастую неверно приписывают металлу, из которого изготовлены эти инструменты. Некоторые старинные духовые инструменты, например корнет, изготавливались из дерева, но имели «медное» звучание. Музыкальный инструмент генерирует много разных частот одновременно – они называются гармониками и придают звуку характерную окраску. Когда гобой издает настроечную ноту для оркестра – концертное ля с частотой 440 Гц, – одновременно звучат и частоты 880, 1320 и 1760 Гц. Эти гармоники кратны основной частоте, а их громкость зависит от геометрии инструмента. Громкий звук тромбона может создавать внутри трубки ударную волну, подобную звуковому хлопку и генерирующую множество высоких частот. «Медный» звук ассоциируется с музыкальными нотами, у которых очень сильные высокие частоты.

Труба в Музее науки имела небольшое количество сильных гармоник, и они не были просто кратными основной частоте. Звучание музыкальных инструментов приятно для слуха, потому что они сконструированы так, чтобы их гармоники были распределены в определенном порядке. Большие куски металла обычно излучают неупорядоченные частоты и поэтому неблагозвучны. Труба с ее диссонирующими частотами придает голосу металлическую окраску. Другая особенность, определяющая звук музыкального инструмента, – это начало и окончание ноты. Металлическая пластина может издавать приятный звук, не умолкающий долгое время. Точно так же вел себя воздух в трубе Музея науки, – казалось, грохот никогда не утихнет.

Но у трубы была еще одна интересная особенность: хлопок в ладоши вызывал звенящий звук. Эхо начиналось на высокой частоте, которая постепенно падала. Я поговорил с несколькими коллегами, и они пребывали в таком же недоумении – никто не ожидал подобного сдвига частоты в простой трубе. Помимо всего прочего, наука интересна тем, что она опровергает ваши предположения и находит нечто новое, что необходимо понять и объяснить. Изучая литературу, я обнаружил, что свист с уменьшающейся частотой уже имеет название – это свист дренажной трубы. Впервые он был описан несколько десятилетий назад ныне покойным американским ученым Фрэнком Кроуфордом, который обратил внимание на высокий звук из трубы, проложенной под песчаной дюной в Калифорнии. О его попытках объяснить происхождение звука рассказывает статья в одном из журналов: «Кроуфорд хлопал в ладоши, бил в барабаны бонго и стучал по кускам фанеры перед дренажными трубами на побережье в окрестностях Сан-Франциско»[247]247
  Whistling Echoes from a Drain Pipe // New Scientist and Science Journal 51. July 1, 1971. 6.


[Закрыть].

Рис. 4.4. Одиночный хлопок в ладоши у одного конца длинной трубы, прослушиваемый на другом конце

Если приложить ухо к одному концу дренажной трубы, когда у другого конца хлопают в ладоши, как показано на рис. 4.4, первый звук дойдет до уха по центру трубы, напрямую. Следующим будет тот, который отразится от стенки один раз и поэтому преодолеет чуть большее расстояние. За ним придет тот, который отразится два раза, от противоположных стенок трубы. Чем позже приходит звук, тем длиннее его путь и тем больше число отражений. Если изобразить время прихода этих звуков, как на рис. 4.5, то выяснится, что вначале отражения приходят часто, а затем интервалы между ними постепенно увеличиваются. В каждом конкретном случае высота звука определяется промежутком времени между соседними отражениями. При высокой частоте отражений формируется высокий звук. Со временем интервалы между отражениями увеличиваются, и частота звука падает[248]248
  Процесс будет чуть более сложным, если ладони и уши находятся не в центре трубы, но эффект будет похожим; см. Karlow E. A. Culvert Whistlers: Harmonizing the Wave and Ray Models // American Journal of Physics 68. 2000. 531–539.


[Закрыть]. Похожее нисходящее глиссандо наблюдается при прохождении вибраций через плотный материал, такой как металл. Возможно, это еще одна причина, почему эхо в трубе имеет металлический оттенок.

Рис. 4.5. Хлопок в ладоши и его отражения внутри дренажной трубы. (Каждый звук упрощен до одной вертикальной линии, чтобы нагляднее продемонстрировать закономерность приходящих звуков.)

Множественные отражения являются основой эха, которое создает почти музыкальный звук. Вскоре после моего путешествия на лодке жарким солнечным днем я стоял в городе Ангулем во Франции рядом с Музеем комиксов и ждал, пока мои дети насладятся обширной коллекцией книг об Астериксе и Тинтине. Заскучав, я начал экспериментировать со звуком: хлопал в ладоши и слушал отражение звука от фасада белого здания, широкого и низкого, раньше использовавшегося как склад для хранения коньяка. Но мое внимание привлекло отражение от другого объекта. Справа доносился высокий звук, как будто кто-то сжимал резиновую игрушку-пищалку; звук шел от лестницы. Тоническое эхо! Скука мгновенно сменилась радостным возбуждением, и я принялся экспериментировать, записывая необычное отражение звука от короткого лестничного пролета.

В основе того, что я слышал, лежало то же явление, которое заставляло чирикать пирамиды майя, описанные в главе 2. Лестницы могут издавать самые разнообразные звуки. Инженер-акустик Нико Деклерк писал мне об одной крякающей лестнице: «Она находится на реке Меник-Ганга (река Самоцветов), которую нужно пересечь, чтобы попасть в священный город Катарагама… Переправляясь через реку, вы слышите кряканье уток, если хлопаете в ладоши или если женщины на берегу стирают белье и колотят его о камни»[249]249
  Деклерк Нико, из личной беседы, осень 2011.


[Закрыть]. В Европе художник Давиде Тидони надувал и прокалывал воздушные шарики, чтобы продемонстрировать необычную акустику в австрийском городе Линце, в том числе резкий свистящий звук, создаваемый очень длинной лестницей[250]250
  Tidoni D. A Balloon for Linz [video], vimeo.com/28686368, 21декабря 2011.


[Закрыть].

Странные звуки создаются последовательностью отражений от ступенек, которые искажают хлопок от лопнувшего воздушного шарика или удар в ладоши, и эта последовательность определяется геометрией (рис. 4.6). На рис. 4.7 изображены девяносто отражений от каждой ступени пирамиды майя в Эль-Кастильо. Частота падает приблизительно на октаву, поскольку промежуток между отражениями удваивается.

Рис. 4.6. Чирикающее эхо от лестницы

Вероятно, наиболее удобный способ анализа чирикающего звука – это спектрограммы, которые я использовал при изучении летучих мышей. На рис. 4.8 (верхнее изображение) показано чирикающее эхо от лестницы. Черная вертикальная линия у левого края представляет собой исходный хлопок. Размытые темные линии справа – это отражения, в которых частота уменьшается со временем. Сравните эти акустические отпечатки с криком птицы кетцаль в нижней части рисунка, где видна такая же наклонная линия. Схожее понижение тона объясняет, почему некоторым людям кажется, что эхо от лестницы напоминает чириканье птицы.

Рис. 4.7. Отражение однократного хлопка в ладоши от лестницы храма Кукулькана в Эль-Кастильо

Характер звука, отражающегося от лестницы, зависит от того, где стоит хлопающий в ладоши человек, а также от размера и количества ступенек. Скрипящая лестница у Музея комиксов была довольно короткой, и ступенек в ней было недостаточно, чтобы создать длительный звук птичьего пения. Самая длинная лестница в мире проходит вдоль рельса фуникулера на склоне горы Низен в Швейцарии. Она доступна только один раз в год для проведения марафона, и победитель тратит около часа, чтобы взобраться на 11 674 ступеньки. Когда я создал акустическую модель лестницы, она звучала как хриплый клаксон.

Если вам нужна лестница для экспериментов, я посоветовал бы найти тихое место, удаленное от других отражающих поверхностей. Лестница не обязательно должна быть очень длинной, достаточно двадцати ступенек, но чем больше ступенек, тем более впечатляющим получается эффект.