Рис. 5.2. Упрощенная иллюстрация из книги Афанасия Кирхера «Phonurgia Nova» (1673)
Независимо от громкости и типа все описанные в этой главе разновидности эха обладают одним общим свойством: чтобы насладиться ими, достаточно одного уха. Это монауральное удовольствие. Теперь обратимся к бинауральным акустическим чудесам – они связаны с тем, как наш мозг использует два уха, чтобы определить местоположение источника звука.
5За поворотом
Шепот, отражающийся от гигантской полусферы потолка, был описан Уоллесом Сэбином, отцом архитектурной акустики, как «эффект невидимого и дразнящего присутствия»[252]. В огромном куполе мавзолея Гол-Гумбаз в Индии «шагов одного человека достаточно, чтобы создать звук как от группы людей», сообщал известный физик Ч. В. Раман, а «один громкий хлопок в ладоши отчетливо повторялся десять раз»[253]. Когда я спускался в канализационный туннель (см. пролог), мой голос словно прижимался к стенам туннеля, по спирали уходя вдаль и там затихая. Некоторые самые необычные звуковые эффекты могут создаваться простыми вогнутыми поверхностями.
В 1824 г. морской офицер Эдвард Бойд описал, как изогнутая поверхность может значительно усиливать звук, хотя это свойство не всегда приносит пользу. Он писал: «В соборе Агридженто на Сицилии самый тихий шепот с идеальной отчетливостью передается от больших западных дверей на карниз за высоким алтарем – на расстояние в двести пятьдесят футов». К сожалению, исповедальня в соборе была расположена неудачно: «Тайны, не предназначенные для чужих ушей, становились известны всем, что пугало исповедующихся и вызывало скандалы… пока наконец один из любителей подслушивать, чье любопытство было сполна удовлетворено признанием его жены в неверности, не рассказал всем об этой странной особенности, и исповедальню убрали»[254].
Люди уже давно выяснили, что изогнутые поверхности усиливают звук и позволяют тайно подслушивать. В XVII в. Афанасий Кирхер дал этому верное объяснение. Мы уже встречались с Кирхером в главе 4, потому что он много писал об эхе. В его трудах также описаны некоторые фантастические устройства, в том числе гигантские слуховые трубы, встроенные в стены королевских опочивален с целью подслушивания. Вероятно, самое известное, или скорее печально известное, его устройство – это Katzenklavier (в буквальном переводе «кошачье пианино»; рис. 5.1). В нем обычная клавиатура установлена перед рядом клеток, в которых сидят кошки. При каждом нажатии на клавишу в хвост одной из несчастных кошек впивается гвоздь, и она издает вопль. Правильно подобрав животных, вопящих на разные голоса, музыкант-садист мог бы сыграть на этом инструменте мелодию. Звук получился бы жуткий, но инструмент предназначался для того, чтобы повлиять на психически больных людей, а не для исполнения произведений Монтеверди или Перселла. К счастью, такой инструмент вряд ли был когда-либо изготовлен.
Возможно, после этого рассказа вы стали сомневаться в здравом уме и рациональности Кирхера. Однако его рисунки свидетельствуют о научном понимании того, как эллиптический потолок способен улучшить слышимость при разговоре двух людей (рис. 5.2).
Линии на рисунке показывают путь звуковых «лучей», идущих от одного собеседника к другому. Эти траектории можно вычислить с помощью линейки и транспортира. Другой способ – представить помещение как бильярдный стол необычной формы; в этом случае звук будет распространяться по траектории отскакивающего от бортов шара (без учета силы тяготения). Если бильярдный шар поместить у рта одного человека и направить в потолок, он всегда попадет к другому. Таким образом, распространяющийся вверх звук фокусируется на слушателе, что позволяет слышать в другом конце большого помещения даже тихий шепот.
Проблема такой планировки заключается в том, что оба собеседника должны стоять в определенных местах, фокусах эллиптического потолка. Такой потолок будет бесполезным, если оратор должен обращаться к большому количеству слушателей, рассеянных по комнате. В 1935 г. финский архитектор Алвар Аалто попытался преодолеть эту трудность, спроектировав волнистый потолок для городской библиотеки в Выборге. (Библиотека находилась на территории Финляндии, но после Второй мировой войны Выборг отошел к Советскому Союзу.) С трибуны потолок выглядит как невысокие волны, накатывающие с моря. Волнистые впадины образуют вогнутые поверхности, каждая из которых должна усиливать звук для определенной группы слушателей. К сожалению, вершина каждой волны отражает звук в направлении трибуны, ослабляя силу отражений, приходящих в дальнюю часть зала, и сидящие сзади плохо слышат оратора. На практике искривленные потолки, предназначенные для фокусировки звука, редко дают ожидаемый эффект[255].
Эллиптический потолок похож скорее на зеркало для бритья, простую вогнутую отражательную поверхность, которая сводит лучи света в одной точке. И потолок, и зеркало для бритья усиливают сигнал, но если для света результатом будет увеличенное изображение, то для звука – повышенная громкость. В зеркале для бритья отражения, попадающие в глаз, искажены, и вы видите увеличенное изображение своего лица. Но для слуха картина иная: отражения, приходящие от разных участков потолка, складываются в передних отделах слуховых каналов, и эта сумма передается в мозг. В целом получается более громкий звук, и удаленные объекты могут казаться ближе.
В книге «Элементы физики» (Elements of Physics) (1827) Нил Эмотт пишет:
Обычный парус корабля, прогибающийся под напором легкого бриза, хорошо собирает звук. Однажды на борту судна, плывшего вдоль побережья Бразилии вдали от земли, проходящие по палубе в одном месте отчетливо слышали звон колоколов, чередующийся с радостными криками толпы. Все, находящиеся на борту, слышали необычные звуки, но причина этого явления так и осталась тайной. Через несколько месяцев выяснилось, что именно в это время в честь праздника звонили колокола в городе Сальвадор на побережье Бразилии; таким образом, звук от них, подгоняемый слабым ветром, преодолел 100 миль [160 километров] над поверхностью воды и сфокусировался парусом в определенном месте, где его можно было услышать[256].
Правдива ли эта история? Может ли акустическое зеркало уловить звон колоколов на расстоянии 100 миль? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно обратиться к современным примерам. В Англии, в обсерватории Джодрелл-Бэнк к югу от Манчестера, находится гигантская тарелка – радиотелескоп имени Б. Ловелла. Этот телескоп использует такой же процесс фокусировки для приема и усиления радиоволн, и в прошлом он сыграл важную роль в космической гонке. Когда в 1966 г. советский зонд «Луна-9» удивил Запад, совершив посадку на Луну, обсерватория перехватила сигнал, передаваемый зондом. Направив сигнал в факсимильный аппарат, ученые получили изображение лунной поверхности, которое в британской газете появилось раньше, чем в Советском Союзе.
В тени гигантского телескопа стоят две шепчущие тарелки. (Существуют и другие шепчущие тарелки – в научных музеях и парках скульптур.) В последний раз, когда я был там, мои сыновья-подростки шепотом обзывали друг друга обидными словами. Эти звуковые зеркала находились на расстоянии 25 метров друг от друга, но шепот звучал очень громко. Однако парусное судно, описанное Эмоттом, находилось не в нескольких десятках метрах от Сальвадора, а гораздо дальше.
На побережье Англии можно увидеть остатки акустических зеркал, предназначенных для относительно больших расстояний. Это громадные уродливые чаши из бетона, обычно 4–5 метров диаметром, обращенные к морю. Они были построены в начале XX в. в качестве системы раннего предупреждения, обнаруживавшей вражеские самолеты. Большинство таких сооружений имеют форму чаши, но в Динге в графстве Кент можно также увидеть широкую дугу из выцветшего бетона. Высота дуги составляет 5 метров, ширина – 60 метров; это приблизительно пять двухэтажных автобусов, поставленных друг за другом. Стена имеет изгиб как по горизонтали, так и по вертикали, чтобы усиливать звук моторов приближающихся самолетов.
Испытания показали, что большое вытянутое звуковое зеркало способно заметить самолет на расстоянии 32 километров, когда вражеская авиация преодолела только треть пролива Ла-Манш. Однако при плохой погоде авиация могла приблизиться на расстояние 10 километров, а расслышать самолеты с более тихими моторами было довольно трудно[257]. Даже в хорошую погоду эти акустические зеркала обеспечивали всего десять минут дополнительного времени. В 1937 г. был создан рабочий образец радара, и от плана строительства широкой сети звуковых зеркал отказались.
Если принять во внимание небольшую дальность обнаружения бетонных акустических зеркал, то утверждение, что парус судна фокусировал звуки праздника на расстоянии 100 миль, кажется неправдоподобным. Однако ключ к разгадке, возможно, дает катастрофа, случившаяся несколько лет назад в Англии.
В декабре 2005 г. в резервуаре нефтяного терминала в Бансфилде произошел мощный взрыв, от которого зазвенели окна в Бельгии, на расстоянии 270 километров[258]. Это был один из самых сильных взрывов в мирной Европе – 2,4 балла по шкале Рихтера[259]. И хотя взрыв в Бансфилде был очень мощным, начальная громкость не объясняет огромное расстояние, на котором был слышен его звук.
Катастрофа случилась ясным, безветренным и морозным утром, когда слой холодного воздуха был прижат к земле теплым воздухом, поднявшимся выше. Без этой температурной инверсии бельгийцы ничего бы не услышали. При взрыве резервуара звуковые волны распространялись бы во всех направлениях, как круги от брошенного в пруд камня. Бо́льшая часть звука ушла бы в небо и в обычных условиях никогда бы не вернулась. Но в условиях температурной инверсии звук, распространявшийся вверх, вернулся к земле, и его можно было услышать.