Живые локаторы океана - Сергеев Борис Федорович. Страница 16

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 [3].

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.