ОТВЕТ • Самец метафринеллы обычно уютно устраивается в частично заполненной водой полости в стволе дерева — в дупле или выдолбленной в пеньке ямке. Когда он хочет объявить во всеуслышание о том, что ищет женского общества, он начинает экспериментировать с частотой своих призывных криков, увеличивая и уменьшая ее до тех пор, пока не найдет частоту, соответствующую самой низкой резонансной частоте полости. Это самая низкая из собственных частот полости, на которых звуковые волны усиливают друг друга, так что громкость результирующей звуковой волны становится очень большой. Когда самец нащупает эту частоту, из полости дерева далеко по округе разнесется его громкая жалоба на свое одиночество.

Цель полевого сверчка схожая — выкопать полость, в которой частота его стрекота войдет в резонанс с собственными частотами полости. Сверчок строит свою норку поэтапно, выкапывая ямку в форме луковицы с похожим на рог каналом, соединяющим ямку с внешним миром. Такое строение норки напоминает открытый раструб некоторых музыкальных инструментов, позволяющий звуку выходить наружу. Заканчивая каждый этап строительства, сверчок останавливается и стрекочет, проверяя, есть ли уже в норке резонанс. В конце концов резонанс возникает, и из норки наружу через отверстие слышится громкий стрекот.

Если вы спите и где-то поблизости самец австралийской цикады (Cyclochila australasiae) испустит свой призывный клич, он будет таким громким (100 дБ на расстоянии 1 м), что вы подскочите от испуга. Как такое маленькое (всего 6 см в длину), но самое громогласное из известных насекомое может быть источником столь мощного звука?

ОТВЕТ • С каждой стороны у цикады имеется что-то вроде маленького барабана с четырьмя вертикальными ребрами-жилками, выгнутыми наружу, — так называемые цимбалы. С помощью мышц цимбалы втягиваются внутрь таким образом, что их жилки резко изгибаются внутрь одна за другой, причем с небольшой задержкой, и при этом каждая жилка испускает звуковой импульс — щелчок. Последовательность щелчков входит в резонанс с собственными частотами воздушной полости в брюшке цикады. Это значит, что звуковые волны складываются и усиливают друг друга, в результате образуется волна большой амплитуды. Частота этой усиленной волны примерно равна 4300 Гц, а громкость — 150 дБ (это даже громче того, что приходится слышать на концертах тяжелого рока). Эти звуки испускаются брюшком через перепонки резонаторов на боках цикады. Почему при этом цикада не глохнет, неясно.

После того как императорский пингвин наныряется и наестся, он должен вернуться домой на льдину к своей самке. Однако зимой эта самка находится в окружении тысяч других пингвинов, прижимающихся друг к другу, чтобы не замерзнуть в суровом антарктическом климате, где температура опускается до ‒40°C, а ветер дует со скоростью 300 км/ч. Кроме того, все пингвины кажутся похожими друг на друга, наверное, даже самим пингвинам, то есть визуально опознать свою самку нашему пингвину сложно. Как же тогда он найдет ее среди тысяч других птиц?

ОТВЕТ • Большинство птиц издают звуки, пользуясь только одной стороной своего специального двустороннего органа, который предназначен для вокализации и называется сиринкс (нижняя гортань). Однако императорский пингвин использует одновременно обе стороны этого органа. Каждая половина сиринкса совместно с ротовой полостью и горлом образует резонаторы, подобно тому как резонатором является труба с двумя открытыми концами. Это означает, что звуковые волны в резонаторе усиливают друг друга, в результате возникает мощная звуковая волна. Частота результирующей звуковой волны, излучаемой одной половиной сиринкса, отличается от частоты волны, излучаемой второй половиной. Ухо воспринимает не только среднее значение этих двух частот, но и то, как этот усредненный звук «плавает», то есть меняется от громкого к тихому с определенной частотой — частотой биений, равной разности частот, возбуждаемых в двух половинах сиринкса. Пингвины слышат эти частоты биений. Таким образом, крики императорских пингвинов различаются не только основной частотой, но и частотой биений, что, возможно, помогает им отличить голос одного сородича от голоса другого.

Кашалот (самый крупный из зубатых китов) издает звуки в виде серий щелчков. В действительности кит щелкает только один раз, причем этот звук производится в передней части головы, порождая всю серию. Откуда же берутся остальные щелчки? Как ученые определяют длину кита по этой последовательности щелчков?

ОТВЕТ • Часть звуковой волны, возбужденной в передней части головы кита, излучается в воду и становится первым зарегистрированным щелчком в последовательности. Оставшаяся часть звуковой волны отправляется назад через спермацетовый мешок (называемый еще жировой подушкой) в голове кита, отражается от фронтального мешка (воздушной полости) в задней части головы и опять идет вперед через спермацетовый мешок. Когда звук достигает дистального мешка (еще одной воздушной полости) в передней части головы, часть звуковой волны снова уходит в воду и формирует второй щелчок, а остальной звук идет обратно через спермацетовый мешок. Этот цикл повторяется несколько раз, в результате возникает целая серия щелчков. Временной интервал между двумя последовательными щелчками пропорционален расстоянию между фронтальным и дистальным воздушными мешками, а длина кита пропорциональна этому расстоянию. Таким образом, измерение этого временного интервала помогает ученым определить длину кита.

Попробуйте пригнуться и опустить голову в тот момент, когда самолет пролетает над вами достаточно низко, чтобы его можно было услышать. Почему, когда вы опускаете голову, частота звука от летящего самолета повышается?

ОТВЕТ • Звук, который вы слышите, складывается из звука, идущего от самолета, и звука, который отражается от земли и приходит снизу. Эти две звуковые волны интерферируют, и вы в первую очередь слышите волны, которые усиливают друг друга, а не ослабляют. Высота от поверхности земли, на которой возникает усиление волн при их сложении, зависит от длины волны — более длинные волны усиливаются на большей высоте. Когда вы опускаете голову, высота уменьшается, и на этой высоте при интерференции усиливаются более короткие волны (с большей частотой). Так что когда вы наклоняетесь, вы слышите звук большей частоты.

Похожий эффект можно наблюдать, если вы находитесь вблизи водопада и идете от него к вертикальной скале, которая отражает звук падающей воды. Отраженный от скалы звук водопада интерферирует со звуком, идущим к вам прямо от водопада. По мере того как вы приближаетесь к скале, частота звука, который вы слышите, возрастает.

Мой дом расположен в холмистом пригороде Кливленда, который носит название Кливлендские высоты. Они возвышаются над равнинной местностью, раскинувшейся вокруг озера Эри, по ней у подножья Кливлендских высот проходит железная дорога. Я заведомо не вижу поездов не только потому, что железная дорога далеко, но еще и потому, что ее закрывают и горный хребет, отделяющий наш район от равнины, и тысячи деревьев и домов. Тогда почему иногда по ночам в моем доме так хорошо слышен шум поездов?