Ухо не одинаково чувствительно к звукам разной высоты. Наибольшую чувствительность наш слух проявляет в диапазоне от 1000 до 4000 Гц. Этот диапазон соответствует промежутку от си двумя октавами выше средней до си, расположенной еще двумя октавами выше. С возрастом диапазон воспринимаемых звуков уменьшается, особенно на отрезке высоких частот. Дети очень хорошо слышат звуки, которые абсолютно не воспринимает взрослый человек. Установлено, что в возрасте старше сорока лет верхний предел слышимых тонов становится каждый месяц ниже на 13 Гц.
Существуют, конечно, звуки, частоты которых расположены вне пределов восприятия человеческого уха. Ультразвук - это звуковые колебания с частотами выше пределов восприятия, а инфразвук - это колебания с частотами ниже пределов восприятия. Вообще же, чем крупнее животное и чем крупнее его производящие и воспринимающие звук органы, тем более низкие частоты оно производит и слышит по сравнению с более мелкими животными. Трубный рев слона и писк мыши находятся на полюсах этого диапазона частот.
Хотя некоторые животные воспринимают тот широкий диапазон частот, который слышим мы, человек все же является относительно крупным существом. Среди мелких животных легко найти таких, которые легко воспринимают частоты ультразвуковой области. В песнях многих птиц содержатся ультразвуковые составляющие, которые недоступны нашему слуху, и мы не в состоянии в полной мере насладиться пением таких птиц. В писке мышей и летучих мышей тоже есть ультразвуковая составляющая, в последнем случае испускание ультразвуковых колебаний играет очень важную роль, о чем я скажу ниже. Собаки и кошки тоже воспринимают звуки недоступной нам высоты. Например, кошка явственно слышит мышиный писк, который мы едва различаем или даже вовсе не слышим. Собаки же отчетливо слышат поскуливание представителей своего вида, которое представляется нам молчаливой собачьей мимикой.
Воспринимая звук, мы не только слышим его в той или иной мере, но можем также определить направление, откуда он слышен. Мы способны делать это благодаря тому, что располагаем парой ушей. То, что их два, служит не только для эстетики и симметрии. Звук, пришедший с какой-либо стороны, достигает уха, расположенного ближе к источнику этого звука, немного раньше, чем второго уха. Более того, сама голова представляет собой препятствие, которое звук должен преодолеть, прежде чем попасть в «дальнее» ухо. Мозг способен анализировать такую минимальную разницу между временем поступления звуковых волн в разные уши и разницу между интенсивностями этих, по существу, двух различных звуков и па основании анализа дает нам возможность судить о направления, с какого пришел звук. (Жизненный опыт и годы попыток локализовать таким образом источник звука, оттачивают мастерство такого рода и доводят его до подлинного совершенства.)
Наша способность судить о положении источника звука не одинакова для всего диапазона воспринимаемых нами звуковых частот. Волны разной формы по-разному реагируют на встречающиеся на их пути препятствия в зависимости от того, больше это препятствие длины волны звука или меньше ее. Большой предмет, встречаясь с фронтом звуковой волны, стремится отразить ее. Предметы, мелкие в сравнении с длиной звуковой волны, отражают звук в меньшей степени, волна стремится их обогнуть. Чем меньше предмет в сравнении с длиной волны, тем меньшее препятствие этот предмет представляет для распространяющегося звука.
Длина волны большинства звуков, окружающих нас в обыденной жизни, имеет длину около одного ярда, что означает, что такие волны могут легко обходить углы и обычные предметы домашней обстановки. (Такие звуки отражаются только широкими стенами и потолками, а также, что общеизвестно, склонами гор, где мы слышим совершенно замечательное эхо, то есть отраженный звук.) Чем ниже звук, тем легче он обходит такое препятствие, как человеческая голова, и тем меньше он ослабевает, прежде чем достигнуть «дальнего» уха. Таким образом, один из способов локализовать предметы по производимому ими шуму, для нас закрыт. Крайний случай такого эффекта - это величественные звуки органа в нижнем регистре. Эти звуки впечатляют тем, что буквально «охватывают нас со всех сторон». Кажется, что божественная музыка льется на слушателя отовсюду. С другой стороны, для очень высоких звуков наша голова представляет собой почти непреодолимое препятствие, и они угасают, не успев достигнуть «дальнего» уха, что опять-таки лишает нас возможности судить о местоположении источника звука. Действительно, очень трудно определить, в каком углу комнаты поет сверчок.
Использование обоих ушей, бинауральный слух («двумя ушами», лат.), не только помогает локализовать источник звука, но и повышает чувствительность к звукам. Уши дополняют друг друга, звук, слышимый обоими ушами, представляется более громким, чем когда его воспринимают одним ухом. Разницу в тональностях двух звуков тоже легче уловить, когда открыты оба уха, чем когда одно из них закрыто.
Эхо тоже можно использовать для локализации препятствия. Так, когда мы проезжаем на машине мимо автомобильной стоянки, то по звуку двигателя машины можем, если внимательно прислушаемся, определить, занято данное место или свободно. В первом случае к шуму нашего двигателя присоединяется эхо, и по контрасту легко можно определить пустое место, где эха, отраженного от стоящего автомобиля, нет. Свободное место можно определить даже с закрытыми глазами. К сожалению, этого нельзя делать, потому на свободном месте может оказаться, допустим, пожарный кран, от которого эхо не отражается. Дело в том, что автомобиль достаточно велик, чтобы отразить звуки, производимые двигателем, а пожарный кран для этого слишком мал. Для того чтобы определить местонахождение предметов меньших, чем автомашина, нужны звуки с меньшей длиной волны и большей частотой. Чем короче волна и выше частота, тем меньший предмет мы можем обнаружить с помощью эха. Очевидно, что в этом отношении ультразвук будет намного эффективнее обычных звуков.
Например, летучие мыши долгое время ставили в тупик ученых своей способностью после ослепления легко облетать препятствия и ловить на лету насекомых. Если летучим мышам удаляли уши, то они теряли эту способность. Это было, действительно, непонятно. (Видит ли летучая мышь ушами? Выходило, что да.) Теперь известно, что эти животные в полете испускают пачки ультразвуковых сигналов с частотой от 40 до 80 тысяч Гц. (Длина волн таких звуков составляет от одной трети до одной шестой дюйма.) Сук дерева или мелкое насекомое отражают волны такой длины, а летучая мышь, которая испускает короткие залпы звуков, в промежутках между ними улавливает эхо. По промежутку времени между испусканием звука и его улавливанием, по направлению, откуда вернулось эхо, и по степени ослабления звука летучая мышь легко определяет местонахождение препятствия или добычи. После этого летучая мышь таким образом направляет полет, чтобы либо избежать столкновения с препятствием, либо перехватить насекомое. Такое явление называется эхо локацией. И поэтому не приходится удивляться, что у летучих мышей такие непропорционально большие уши.
Дельфины пользуются эхолокацией, это чувство у них развито чрезвычайно сильно, хотя они используют звуки более низкой частоты, чем летучие мыши, поскольку им необходимо обнаруживать предметы большей величины. (Дельфины питаются рыбами, а не насекомыми.) Именно с помощью эхолокации дельфин узнает о присутствии пищи и безошибочно движется к ней даже в мутной воде и ночью, когда невозможно пользоваться зрением.
Человек тоже обладает некоторой способностью к эхолокации, хотя и редко подозревает об этом. Я уже упоминал о способности обнаруживать свободные места на парковках. Вы можете сами попробовать, если не верите мне на слово. То, что мы не полагаемся на свою способность к эхолокации, обусловлено тем, что в обыденной жизни мы больше уповаем на зрение и, быть может, подсознательно игнорируем возможность точно определять местоположение объектов с помощью слуха.
Тем не менее, слепые люди, например, идя по коридору, привыкают останавливаться перед препятствием, так как улавливают изменение качества эха своих шагов. Слепой делает это, даже не зная точно, что за предмет попался на его пути, и, как правило, сам не осознает, что именно он ощущает. «Я что-то чувствую...» Слепые, вынужденные полагаться на слух, доводят это чувство до удивительного совершенства, но это не чудо, а результат обострения чувств, которые просто дремлют в каждом из нас.
Люди изобрели механические приспособления, в которых для обнаружения и измерения характеристик предметов используют ультразвуковые волны (точно так же, как это делают летучие мыши). Эти приборы называются эхо локаторами. Эхолокаторы используют для обнаружения таких объектов, как подводные лодки, рыбные косяки и для исследования рельефа морского дна. В воздухе для той же цели используют микроволны (световые волны с длиной приблизительно равной длине волны ультразвука). Эхолокация микроволнами называется радиолокацией, а приборы, используемые для ее осуществления, радарами или радиолокаторами. (Микроволнами иногда называют очень короткие радиоволны.)
Слуховой нерв, идущий к улитке, имеет ветвь, направляющуюся к другой половине внутреннего уха - к эллиптическому мешочку и его отросткам. Теперь мы в деталях рассмотрим функцию этой части внутреннего уха. Упрощая, можно сказать, что эллиптический мешочек - это полая сфера, заполненая жидкостью и выстланная эпителием с волосковыми клетками. (Эта структура по строению очень похожа на сферический мешочек и его производные.) Внутри сферы находится немного карбоната кальция, который, благодаря силе притяжения, сконцентрирован на дне сферы и стимулирует там волосковые клетки.