Если вы поместите детектор звука между железнодорожными рельсами, вы сможете замерить доплеровский сдвиг гудка поезда. Частота гудка будет сдвинута на определенную величину вверх в течение всего времени движения поезда к детектору (пока поезд не окажется почти прямо над ним), а затем она сдвинется вниз на определенную величину, и пока поезд будет удаляться от детектора, гудок будет все время звучать на этой частоте.

Если же вы поместите детектор на некотором безопасном расстоянии, скажем, 20 м от железнодорожного пути, измерения покажут другое значение, и вот почему. Когда поезд приближается к детектору, его скорость относительно детектора будет постепенно уменьшаться, поэтому будет уменьшаться и доплеровский сдвиг. В результате большую часть пути при приближении поезда к детектору он будет гудеть на той же высокой частоте, которую регистрировал детектор, установленный на путях. Но когда он подъедет ближе, начнет сказываться то, что детектор расположен на расстоянии от рельсов, и частота будет резко падать, пока движение поезда не станет перпендикулярным направлению на детектор, и тогда частота прекратит меняться. А потом частота вновь начнет резко уменьшаться, пока не достигнет определенной низкой частоты, которая останется постоянной все время, пока будет слышен гудок.

Однако на наблюдения влияет и ваша психофизиология. Представьте себе, что вы детектор и стоите близко к железнодорожным путям, так что геометрический эффект не влияет. Вы должны слышать звук постоянной высокой частоты, когда поезд движется на вас, и звук постоянной низкой частоты, когда он движется от вас. Но, как ни удивительно, этого не происходит. Вместо этого вы слышите постепенное увеличение частоты при приближении поезда и постепенное уменьшение частоты при его удалении от вас. Такое восприятие частоты часто объясняют психоакустическим эффектом восприятия высоты тона (питч). В этой ситуации тон, который воспринимается мозгом, зависит от громкости звука. Поскольку, когда поезд приближается к вам, гудок постепенно становится громче, вам кажется, что частота звука повышается, но это ошибка. А когда поезд удаляется, звук постепенно становится тише, а вы ошибочно считаете, что частота понижается.

3.24. Как насекомоядные летучие мыши находят насекомых

Когда летучая мышь отправляется на поиски насекомых (своей добычи), она больше полагается на слух, чем на зрение, ведь зрение у нее слабое, к тому же охотится она по ночам. Некоторые виды летучих мышей могут обнаружить и поймать, например, ночную бабочку, когда оба они находятся в полете. Хотя летучие мыши летают быстро, они ухитряются нацелиться на насекомое и схватить его. Как летучие мыши определяют не только местонахождение насекомого, но еще и скорость его полета?

Почему летучие мыши успешнее охотятся на мотыльков вблизи ламп на парах ртути (обычно используемых в качестве источников уличного освещения), чем в пустом пространстве? Почему это преимущество исчезает, если окрестности освещаются натриевыми лампами?

Когда-то я исследовал пещеры в Техасе и провел целую неделю под землей. Дважды в течение ночи тысячи летучих мышей пролетали мимо меня: первый раз, когда они летели по направлению к выходу из пещеры, отправляясь на охоту, а второй — когда возвращались к своим жилищам в глубине пещеры. Ни разу ни одна из мышей не наткнулась ни на меня, ни на стену, пролетая через извилистую анфиладу залов даже в полной темноте. Как они умудрялись избегать столкновений?

ОТВЕТ • Летучие мыши испускают импульс звуковой волны на частотах, слишком высоких, чтобы их могло услышать человеческое ухо, — в области так называемого ультразвука. Эти звуки, издаваемые, по-видимому, через ноздри, отражаются от объектов, оказавшихся на траектории полета летучей мыши, — стен, спелеологов, летающих насекомых. Отраженный звук, то есть эхо, предупреждает летучих мышей о том, что на их пути находится препятствие. Однако для мышей, летящих на большой скорости в стае через систему лабиринтов пещеры, при этом методе навигации возникает одна проблема: как отличить эхо своего сигнала от эха сигналов сородичей? Ответ состоит в том, что сигнал каждой мыши отличается своими уникальными параметрами — частотой и, возможно, изменениями частоты и амплитуды звука. И все же способность летучей мыши отличать свой сигнал от десятков или даже сотен других во время полета на большой скорости поражает.

Летучая мышь получает информацию не только из эха — она также чувствует сдвиг отраженного сигнала по частоте из-за своего движения. Предположим, летучая мышь, подлетая к стене, издает звук на определенной частоте. Отраженный сигнал, который она принимает, будет сдвинут по частоте в сторону более высоких частот, то есть приобретет доплеровский сдвиг. Чем быстрее мышь летит к стене, тем больше сдвиг по частоте в отраженном сигнале. Летучая мышь использует доплеровский сдвиг, чтобы определить свою скорость.

Некоторые мыши издают сигнал с постоянной частотой и используют доплеровский сдвиг, чтобы обнаруживать не только препятствия, но и насекомых. А другие летучие мыши испускают сигналы с «качающейся» в определенном диапазоне частотой. Анализируя доплеровские сдвиги на разных частотах, летучая мышь изучает детали поверхности мишени и может отличить сигнал, отраженный от насекомого, от сигнала, отраженного, например, от листка. Задача облегчается, если насекомое машет крылышками с ультразвуковой частотой из того интервала частот, которые содержатся в сигнале, посылаемом летучей мышью. Тогда изменения угла наклона крыльев насекомого изменяют эхо, принимаемое мышью (при некоторых наклонах эхо сильное, а при других — слабое). Эти колебания сигнала эха недвусмысленно сообщают мыши о летящей прямо по курсу добыче.

Некоторые летучие мыши предпочитают охотиться, летая низко над водой, поскольку гладкая поверхность воды создает намного меньший шум (помехи в отраженном сигнале), который летучая мышь должна отфильтровать. Большая часть отраженного сигнала летучей мыши от воды рассеивается в разные стороны и не возвращается назад, а вот отраженный от насекомого звуковой сигнал идет прямо к ней, и она сможет выделить его из шума.

Определенные типы насекомых чувствительны к ультразвуку, испускаемому летучими мышами. Когда какая-нибудь мошка слышит сигнал с этой частотой, особенно если он громкий, она немедленно начинает беспорядочно метаться, но при этом двигаться в среднем в направлении уменьшения громкости сигнала. Некоторые насекомые могут даже лучше защищаться, включая «глушилку». Они испускают щелчки, которые существенно заглушают отраженный сигнал и мешают летучей мыши прицелиться. Щелчки испускаются за счет деформации кутикулы (панциря) при изгибании тела насекомого. Каждый внезапный изгиб приводит к мгновенному скачку давления воздуха, и эти периодические перепады давления распространяются в стороны от насекомого в виде звуковой волны ультразвуковой частоты. Чтобы обмануть мышь, эти щелчки должны поступать либо одновременно с отраженным от мошки эхом, либо непосредственно перед ним, тогда мышь не сможет расшифровать отраженный сигнал.

Уличные лампы на парах ртути по ночам притягивают ночных бабочек и прочих насекомых, и в распоряжении летучих мышей, если они пролетят поблизости, окажется богатый ассортимент вкусных мошек. Забавно, что некоторые из этих насекомых могли бы улететь, услышав ультразвук, или включить «глушилку», но вблизи лампы они не делают ни того ни другого. Одна из причин состоит в том, что в дневное время летучих мышей они не боятся (днем мыши спят, а не охотятся за ними). Яркий белый свет лампы обманывает их: они думают, что на дворе день и им ничто не угрожает. Лампы на парах натрия светят желтым светом, и мотыльки не принимают этот свет за дневной.