Я познаю мир. Биология
Шрифт:
Любому животному необходимо не только вовремя услышать любой звук, но и совершенно точно знать, где находится источник звука, который оно услышало. Ведь, может быть, его произвел опасный хищник или, наоборот, желанная добыча.
А знаете ли вы, каким образом человек и животные определяют местоположение источника звука и источника запаха? Каков механизм этих процессов?
Мы – и люди, и животные – способны определять местоположение источника звука благодаря тому, что у нас два уха, расположенные на голове достаточно далеко друг от друга.
Когда звук одновременно попадает в оба уха, это значит, что
image l:href="#"
К сожалению, этим способом можно определить местонахождение лишь низкочастотных источников звука. Слуховой аппарат высчитывает не просто разницу во времени прихода звука, как такового, а разницу во времени прихода одинаковых фаз звуковой волны.
Звук, как известно, – это волна, распространяющиеся периодические сжатия и расширения окружающей среды, в нашем случае воздуха. У низкочастотных звуков расширение воздуха и его последующее сжатие занимает достаточно много времени. Другое дело высокочастотные звуки. За одно и то же время воздух, через который идет высокочастотный звук, успевает совершить несколько циклов расширений и сжатий.
Поэтому при более высокочастотных звуках, имеющих более короткие волны, слуховые центры мозга начинают путаться. Например, звуку с частотой 10.000 колебаний в секунду, идущему к нам под углом 55°, чтобы обогнуть голову, нужно 450 мкс. Продолжительность цикла для этого звука равна 100 мкс, следовательно, огибая голову, звуковая волна успеет сделать 4,5 цикла. Однако до слуховых центров мозга информация о 4 полных циклах звуковой волны просто не дойдет. Они будут оперировать разницей в 0,5 цикла и, естественно, не смогут правильно определить, где возник звук. Поэтому определить местонахождение источника высокочастотного звука человек этим способом не может. По времени прихода мы можем определить лишь местоположение источника звука с частотой до 1300 колебаний в секунду.
С физическими законами не поспоришь, но можно подыскать альтернативный вариант. Существует и другой способ определить, где находится источник звука. Для этого нужно сделать точную оценку его интенсивности. При звуках низкой частоты длина звуковых волн значительно больше размера человеческой головы. При 100 колебаниях в секунду она равняется 3,3 метра. Такая волна легко огибает голову. Другое дело, если волна маленькая. У звуков с частотой 10.000 колебаний в секунду длина волны всего 3,3 сантиметра. Такие звуки отражаются головой, и второе ухо, более отдаленное от источника звука, оказывается как бы в акустической «тени». Звук дойдет и до него, но значительно ослабленным.
Если источник звука находится под углом 15°, то для звука с частотой 1000 колебаний в секунду разница интенсивности составит 150%, а при частоте 15 000 колебаний в секунду – 900%. Сравнивать интенсивность звуков – более сложная задача, но уже для
Природа наделила животных большим набором дополнительных приспособлений, чтобы легче было выяснить, откуда раздался звук. Подвижные уши антилопы или козы поворачиваются до тех пор, пока звук не будет слышаться наиболее громко и одинаково обоими ушами. В этом случае положение ушей будет точно соответствовать направлению, откуда доносится звук. У некоторых животных каждое ухо способно двигаться независимо от другого. Благодаря этому они могут одновременно определять местоположение двух источников звука и следить за их перемещениями. Для локализации слабых звуков приходится поворачивать голову в сторону источника звука и действовать двумя ушами. Здесь срабатывает механизм конвергенции (сведения ушей), несколько напоминающий механизм конвергенции глазных яблок, с помощью которого мы судим об удаленности предмета. Это помогает уточнить, где находится возмутитель спокойствия, производящий шум.
image l:href="#"
Умение точно определить местоположение источника звука помогает в толпе или за шумным праздничным столом вести беседу с человеком, находящимся далеко, так сказать, через головы своих соседей, и при этом слышать именно его голос, а не речь людей, находящихся в непосредственной близости. Оказывается, мы можем избрать источник звука, находящийся в определенном месте и, отключившись от всего остального, вслушиваться только в него.
А если нырнуть?
Почему в подводном мире мы чувствуем себя неуютно? При определении в воде местоположения источника звука первым осложнением для человека является возросшая скорость его распространения. В воде скорость звука в 4,5 раза больше, чем в воздушной среде. Соответственно, в 4,5 раза сократится разница между временем прихода звука в одно ухо по сравнению с другим. Слуховые центры человеческого мозга вычисляют направление источника звука автоматически и не желают делать поправку на то, что их владелец перешел в другую среду. Не исключено, что они не получают об этом информации. Вероятно, она просто не предусмотрена. Наша жизнь очень тесно связана с воздушной средой, поэтому сравнение времени прихода звука в правое и левое ухо под водой оказывается непригодным для определения его источника.
Мало того, что по времени прихода звука в каждое из ушей, человек ориентироваться в подводном мире не может – ориентировка по интенсивности звука в воде также невозможна. Дело в том, что ткани тела и даже кости по звукопроводности гораздо ближе к воде, чем к воздуху. Звуковые волны, наткнувшись на человеческую голову, погруженную в воду, отражаются от нее слабее, чем в воздухе. Под водой звуковой волне нет необходимости ее огибать. По костям черепа она пробирается прямо в святая святых слухового анализатора – во внутреннее ухо. Заметного ослабления звука при этом не происходит, а эффект звукомаскировки будет отсутствовать. В воде голова для звука прозрачна и не «отбрасывает акустическую тень». Таким образом, оба механизма, позволяющих наземным животным устанавливать местоположение звука, под водой не работают.
Другое дело – китообразные. Они в подводном царстве не испытывают подобных затруднений. Природа, тысячелетиями шлифуя и совершенствуя их слуховую систему, нашла блестящее решение вопроса. Среднее и внутреннее ухо дельфинов не вмонтировано в кости черепа, как у всех сухопутных существ. Замурованные в особое, чрезвычайно твердое костное вещество, звукоприемные устройства в виде отдельных образований, названных буллями, подвешены к черепу на специальной сухожильной связке. Для большей надежности булли отделены от черепа специальными полостями, заполненными пеной из беловатой эмульсии.