Рис. 6. Понятие об амплитуде колебаний: а — слабые колебания — малая амплитуда; б — сильные колебания — большая амплитуда.

Одинаковые звуки по высоте тона и по интенсивности могут звучать по-разному. Это объясняется тем, что основной звук сопровождается второстепенными звуками, которые всегда выше по частоте. Второстепенные звуки называются обертонами. Они и позволяют отличать один звук от другого, если даже эти звуки одинаковы по высоте тона. Они как бы дают определенную окраску звуку. Тембр звука определяет сложность, состав звука.

Звуковые волны можно различать также по их длине, т. е. по расстоянию между сгущениями пли разрежениями воздуха (см. рис. 5). Длина волны — величина, обратная частоте: чем больше частота, тем меньше длина волны и наоборот.

Затаив дыхание и внимательно прислушавшись вы услышите много других звуков, которых не слышали раньше. Однако есть много таких звуков, которые мы не слышим даже при большом напряжении слуха. Они называются неслышимыми звуками.

Человеческое ухо способно воспринимать звуковые колебания с частотой от 16 до 20 000 колебаний в секунду (герц). Дети воспринимают звук большей частоты — до 22 000 герц, старые люди слышат звук с частотой не выше 16 000—18 000 герц. Вне пределов человеческого слуха остаются звуки, частота которых меньше 16 герц (эти звуки называются инфразвуками), и звуки, частота которых превышает 20 000 герц (эти звуки называются ультразвуками).

Инфразвуки и ультразвуки как раз и относятся к неслышимым звукам.

Ультразвуки издают многие насекомые и некоторые животные. Кроме того, ультразвуки можно создать специальными устройствами, описанию которых в основном и посвящена настоящая книга.

Как было сказано, человеческое ухо различает звуки как по частоте, так и по интенсивности.

Сначала выясним, какова же допустимая разница в количестве колебаний, чтобы ухо человека отличало один звук от другого по частоте, т. е. по тону.

Для звуков с частотой 500 герц достаточно, чтобы разница в количестве колебаний двух звуков равнялась одному колебанию. В этом случае мы сможем отличать звук с частотой, например, 450 герц от звука с частотой 451 герц.

Чем больше частота звука, тем большая разница нужна в числе колебаний двух звуков, чтобы отличить один звук от другого. При частоте звука 2000 герц мы различим звуки, если разница между ними будет равна пяти колебаниям. По мере увеличения частоты эта разница будет увеличиваться.

Мы привели средние цифры, так как несмотря на то что органы слуха у всех людей устроены одинаково, способность различать звуки по тону у людей разная.

Музыканты, как правило, лучше различают звуки по тону. Некоторые опытные музыканты обладают таким природным слухом, что могут различать два тона, отличающиеся один от другого на долю одного колебания.

Еще более удивительны способности человеческого слуха, когда требуется отличить один звук от другого по интенсивности, т. е. по громкости.

Число звуков, различимых по громкости, очень зависит от частоты. Наиболее хорошо воспринимаемые звуки по частоте лучше различаются и по громкости.

При частоте 32 герца по громкости различаются три звука, при частоте 125 герц — 94 звука, а при частоте 1000 герц — 374. Но это увеличение не беспредельно. Начиная с частоты 8000 герц, число различимых звуков по громкости начинает уменьшаться, например, при частоте 16 000 герц можно различать только 16 звуков.

Человеческое ухо очень чувствительно к различным звукам и может уловить более полумиллиона звуков, отличающихся один от другого по тону и громкости, не считая различий звука по тембру.

Человек обладает еще одной замечательной способностью, он может определить направление на источник звука, используя бинауральный эффект (бинауральный означает двуухий).

Бинауральный эффект состоит в том, что оба уха человека воспринимают звук не одновременно, а со сдвигом по фазе. Если источник звука справа от нас, то к правому уху звук приходит раньше, чем к левому (рис. 7).

Рис. 7. К правому уху звук приходит раньше, чем к левому.

Если же источник звука расположен точно в прямом направлении (впереди или сзади), то к обоим ушам звук приходит одновременно и сдвига фаз не будет. Это и позволяет человеку определить, где находится источник звука.

Бинауральный эффект зависит еще и от другой причины. Если источник звука находится справа, то правым ухом человек будет слышать звук более громкий, чем левым, так как левое ухо от источника звука закрыто головой.

Но необходимо отметить, что различие по громкости восприятия звуков левым и правым ухом наблюдается только при высоких частотах (коротких волнах), а при более низких частотах (длинных волнах) звук будет огибать голову, почти не ослабляясь.

Органы слуха человека различают запаздывание между приходом звука к одному уху относительно другого примерно на 0,00003 секунды. Такая чувствительность органов слуха позволяет человеку определять направление на источник звука с точностью 3–4 угловых градуса.

Справедливо говорят, что ухо и глаз — самые чувствительные органы человека.

Еще в старину человек подметил у многих животных удивительную способность слышать то, что не слышит человек. Он иногда приписывал это сверхъестественным силам, обожествлял некоторых зверей. В настоящее время можно ответить на этот вопрос научно.

Многие опыты подтвердили, что некоторые животные, птицы и насекомые не только издают, но и слышат звуки, частота которых превышает 20 000 герц, т. е. слышат ультразвуки. Собаки, например, обладают очень хорошим слухом, они слышат звуки с частотой до 40 000 герц.

Очень давно, когда еще не знали о существовании ультразвука, люди заметили, что собаки воспринимают какие-то звуки, которые человек не слышит. Это и натолкнуло людей впервые применить такие звуки на практике.

Браконьеры во время охоты подавали сигналы специальными свистками, звуки от которых не воспринимались человеческим ухом, но хорошо улавливались собакой. Это делалось для того, чтобы в случае необходимости подозвать к себе собаку, избежав встречи со сторожем.

А как обучить собаку выполнять команду, поданную неслышимыми звуками? Оказывается, это совсем нетрудно, необходима только небольшая дрессировка.

Вам, вероятно, приходилось наблюдать в цирке «грамотных» собак, умеющих складывать, вычитать и даже умножать числа (рис. 8).

Рис. 8. «Грамотная» собака решает арифметические задачи, в этом ей помогает ультразвук.

Иные могут подумать, что собаки на самом деле решают задачи. Но это не так. Все значительно проще. Собаке подают ультразвуковой сигнал в тот момент, когда она находится в районе нужной цифры. Собака берет зубами цифру, которая находится ближе к ней. Эта цифра и есть результат арифметической задачи, которую быстро решил дрессировщик.

Более интересную загадку природы представляет собой летучая мышь. Известно, что летучая мышь свободно ориентируется в темноте и не наталкивается на препятствия. Кроме того, она, имея плохое зрение, на лету обнаруживает и ловит насекомых, не видя их. Как же она это делает? Оказывается, и летучей мыши помогает ультразвук.

Во время полета летучая мышь издает ультразвуки с частотой 5—20 импульсов (коротких посылок) в секунду. Отразившиеся от препятствий импульсы воспринимаются летучей мышью, что позволяет ей свободно летать, не наталкиваясь на такие предметы, как ветка дерева, телеграфный провод и даже тонкая нитка (рис. 9).