Акустика подслушивания
Изменение слышимости звука, в том числе и его искажение, в зависимости от форм изгибов в тех или иных помещениях была замечена и описана Эдвардом Бойдом в 1824 году.
В частности, он так описывал в конспекте обнаружение такого эффект: «В Кафедральном соборе Гирдженти на Сицилии малейший шепот совершенно отчетливо выражен от великой западной двери до карниза за высоким алтарем — расстояние в двести пятьдесят футов». К сожалению, исповедь была плохо размещена: «Секреты, которые никогда не предназначались для общественного слуха, стали, таким образом, известными, к смятению исповедников и скандалу среди людей… до тех пор, пока один слушатель не испытал любопытства, которое несколько переоценилось. Услышав признание своей жены о собственной измене, эта странная особенность стала общеизвестной, а признание исповедалось».
Однако сам факт того, что разной формы поверхности оказывают усиливающий или деформирующий эффект на звуки был достаточно хорошо описан еще в 17 веке Афанасием Кирхером, который изучал эффект эха звука.
Помимо описания гигантских слуховых труб, которые были вмонтированы в стены королевских палат, были предназначены для подслушивания, Афанасий описал и поистине сатанинский инструмент известный как «кошачье фортепиано» (Katzenklavier).
Звуки из такого «фортепиано» извлекались путем нажатия на клавиши, за которыми размещались клетки, с содержащимися в них … кошками. Клавиша была связана с кошкой. При нажатии кнопки в хвост несчастного животного впивался гвоздь. Животное издает вопль определенного тембра. В результате действа садист-музыкант мог «сыграть» некое подобие мелодии. Задача такого «инструмента» заключалась в воздействии на пациентов психиатрических клиник. Таким иезуитским образом пытались изменить их поведение.
Не смотря на описание подобных «инструментов» Афанасий Кирхнер создавал диаграммы, иллюстрировавшие достаточно глубокое понимание физики процесса. Того, как потолок эллиптической формы усиливал звук, устанавливая более качественную связь между людьми.
Схематически на рисунке отражены пути следования волны и отражение звука ее от потолка. Рассчитать данные траектории можно с применением обычной линейки и транспортира. Также траекторию отреженного звука можно сравнить с движением шара, который устремляется к цели после удара по нему кием, но при этом не учитываются законы гравитации.
В результате эксперимента становится понятно, что звук, направленный в сторону эллиптического потолка, после отражения достигнет слушателя. Именно поэтому в подобном большом помещении так хорошо слышен даже шепот.
Однако минус подобной схемы заключается в том, что местоположение говорящего и слушателя четко определено — это фокусы эллиптического потолка. Если же, например, необходимо было прочитать лекцию перед группой слушателей, то такое расположение будет бесполезным. Часть людей будет плохо слышать лектора.
Еще пример. В Королевском Альберт-Холле в Лондоне большому количеству детей были представлены две научные выставки. Зал, создаваемый для музыкальных представлений, был оборудован для популяризации искусства и науки. Так вот, в этом зале в свое время выступал принц Уэльский со вступительным словом.
Отчетливое чтение принца сопровождалось эхом, которое искажало слова, наделяя их причудливым акцентом. Причина, скорее всего, была в изогнутых поверхностях зала с эллипсоидным потолком. Отражения, формируемые таким потолком Кирхера, зависят от общих размеров помещения.
Именно поэтому громадный зал Королевского Альберт-Холла порождает ужасное звуковое эхо, невероятно искажающее звуки. Кажется, что звук льется не только со сцены, но и со всех сторон в комнате.
Интересен и момент, касающийся интерпретации и объединения поступающих звуков человеческим мозгом. Ведь не будь «специальной обработки», можно было бы просто утонуть в огромном количестве звуков. Представьте, что даже набирая за рабочим столом обычный текст на компьютере. Нажимая клавиши, треск от кнопок отражается от стола, на котором расположилась клавиатура. От стоящего напротив монитора, от лежащего рядом телефона и даже от потолка над рабочим местом и стен в комнате. Однако мозг четко выделяет среди всего именно звук нажатия клавиш.
Сравнивая распространение звука в небольшой комнате Кирхера нужно понимать разницу процессов. Так в комнате с эллиптическим потолком звук от него отражается довольно быстро. Он не очень сильный, поэтому человеческий мозг не различается эти отраженные звуки от основного, исходящего от говорящего. А вот в громадном Королевском Альберт-холле сфокусированные отражения доходят до человеческого уха гораздо позже в виде звукового эхо.
В 19 веке была осуществлена реконструкция Капитолия США. Знаменитый шепчущий купол перестал быть таковым. Капитолий изначально был практически идеальным полушарием, покрытым изогнутыми квадратами с росписью тромпель, создававшей иллюзию структуры и текстуры.
Вплоть до начала 20 века купольное пространство было весьма популярным для туристов, хотя и вызывало недовольство Палаты представителей, так как вести дебаты в таком пространстве было невозможно и весьма утомительно.
Не искушенный в тонкостях акустики оратор, двигающийся во время речей, становился свидетелем искажения собственного голоса, который принимал причудливые очертания и тембр. Шепот перемежался с вскриками и воплями, а тихие фразы сталкивались с громкими восклицаниями.
Все закончилось в конце 19 века в 1898 году, когда пожар практически уничтожил деревянный купол. На смену былой конструкции пришел огнеупорный купол, а вместо тромбов были установлены штукатурные сундуки. В результате реконструкции эффект эха звука очень сильно ослабел и стал практически незаметным.
Кстати, по сравнению с куполами сферическое помещение еще больше усиливает эффект отражения звука. Ярким демонстратором эффекта является трехэтажный витражный глобус, располагающийся в бостонской библиотеке имени Мэри Бейкер Эдди. Конструкция представляет собой 30-футовую сферу. Громадная сферическая полая внутри конструкция украшена витражами, изображающими моря и континенты. Посетители проходят через центр глобуса по специальной дорожке. Внутри конструкции ощущается оригинальная акустика.
Так, Уильям Хартманн из Мичиганского государственного университета с коллегами зафиксировали акустически иллюзии свойственные сферическим помещениям. Например, говорящий находится в центре в мертвой точке, а слушатель в 7 футах от него на мосту справа. Голос говорящего слышен тихо. Однако при перемещении говорящего влево от центра его голос становиться все громче. До тех пор пока он не окажется ровно в 7 футах слева от центра и в 14 футах от слушающего.
Все объясняется довольно просто. Когда говорящий находится точно в центре сферы, то его голос, отражаясь от стен, возвращается в исходную точку, поэтому слушателю голос говорящего кажется достаточно тихим. Однако, как только говорящий выйдет из центра и станет перемещаться в противоположную от слушателя сторону, то отражения звука уже будут постепенно приближаться к слушающему, делая звук громче.
Кстати, фокус позволяет ощутить эффект шепота в собственном ухе, то есть очень сильно слышен собственный голос, отраженный от внутренней поверхности сферы. Еще интереснее, если находясь в центре, качнуться влево или вправо. В таком случае собственный голос буде слышен в правом и левом ухе, соответственно.
В отличие от сферических и эллиптических конструкций звук ведет себя совершенно иначе со стенами, так называемыми «шепчущими стенами». Звук охватывает внутреннюю часть бетонной стены и с удивительной громкостью переносится на другую сторону.
Самым эффектным демонстратором параболического эффекта, которым и отличаются подобные конструкции, является шепчущая стена водохранилища Баросса в Южной Австралии.
460 футовая конструкция была возведена в свое время для удержания громадной массы воды в водохранилище. Эффект был открыт случайно, когда два рабочих жаловались на своего босса находясь по другую сторону плотины. Однако их шепот был идеально слышен. Стена представляет собой ровную изогнутую поверхность, сектор круга. Звуковые волны, отражаясь от кривой стены, добираются до противоположной стороны практически без потерь и искажений.
В мире есть много мест, демонстрирующих эффект шепчущих стен. Так шепчущие арки обнаружены на нижнем уровне Центрального терминала в Нью-Йорке, рядом со знаменитым Oyster Bar & Restaurant. Потолок поддерживают широкие изразцовые арки (проектанты Рафаэль Гуаставино и сын, 1913 год). Звук изданный в одной стороне арки повторяет изгиб плиточного потолка и перемещается в другую сторону. Чтобы эффект был максимальный лучше стоять головой в угол.
Математическое объяснение этому удивительному эффекту дал лорд Рэлей, лауреат Нобелевской премии по физике. Автор акустической библии 19-го века «Теория звука» рассчитал, что высокие частоты (а именно к ним относится шепот) прилегают к стенам ближе, чем низкие частоты. Это дает возможность звуку без потерь достичь противоположной стороны шепчущей арки.
Перевод отрывка из «Звуковой книги: наука о звуковых чудесах света» Тревора Кокса, теперь из W.W. Нортон и Компания.
