А. М. Рейман ,
, ИПФ РАН, г. Нижний Новгород

Что умеет ультразвук?

Введение и предыстория

Начнём с определения: «Ультразвук (УЗ) – упругие колебания и волны, частота которых превышает 15–20 кГц. Верхняя граница УЗ-частот обусловлена физической природой упругих волн и достигает 1 ГГц» . За этим кратким определением скрывается огромный мир акустики, поражающей разнообразием физических явлений, оригинальностью технических решений, да и самой возможностью «услышать неслышимое».

Как и многие другие физические явления, УЗ-волны обязаны своим открытием случаю. В 1876 г. английский физик Фрэнк Гальтон, изучая генерацию звука свистками особой конструкции (резонаторов Гельмгольца), носящими теперь его имя, обнаружил, что при определённых размерах камеры звук перестаёт быть слышимым. Можно было предположить, что звук просто не излучается, однако Гальтон сделал вывод, что звук не слышен потому, что его частота становится слишком высокой. Кроме физических соображений, в пользу этого вывода свидетельствовала реакция животных (прежде всего собак) на применение такого свистка.

Свисток Гальтона (резонатор Гельмгольца)

Очевидно, что излучать ультразвук с помощью свистков можно, но не слишком удобно. Ситуация изменилась после открытия пьезоэффекта Пьером Кюри в 1880 г., когда появилась возможность излучать звук, не продувая резонатор потоком воздуха, а подавая на пьезокристалл переменное электрическое напряжение. Однако, несмотря на появление достаточно удобных источников и приёмников ультразвука (тот же пьезоэффект позволяет преобразовывать энергию акустических волн в электрические колебания) и на огромные успехи физической акустики как науки, связанной с такими именами, как Уильям Стрэтт (лорд Рэлей), ультразвук рассматривался в основном как объект для изучения, но не для применения.

УЗ-томограмма трещины в металле

УЗ-томограмма руки

Следующий шаг был сделан в 1912 г., когда всего через два месяца после гибели «Титаника» австрийский инженер Александр Бем создал первый в мире эхолот. Представьте себе, как могла измениться история! С этих пор и до настоящего времени УЗ-гидролокация остаётся незаменимым инструментом для надводных и подводных кораблей.

Ещё один принципиальный сдвиг в развитии УЗ-техники был сделан в 20-е гг. XX в.: в СССР были проведены первые эксперименты по прозвучиванию сплошного металла ультразвуком с приёмом на противоположном краю образца, причём регистрирующая техника была устроена так, что можно было получать двумерные теневые изображения трещин в металле, подобные рентгеновским (трубка С.А.Соколова). Так началась УЗ-дефектоскопия, позволяющая «увидеть невидимое».

Очевидно, что применение ультразвука не могло ограничиться лишь техническими приложениями. В 1925 г. выдающийся французский физик Поль Ланжевен, занимавшийся оснащением флота эхолотами, исследовал прохождение ультразвука через мягкие ткани человека и воздействие ультразвуковых волн на организм человека. Тот же С.А.Соколов в 1938 г. получил первые томограммы руки человека «на просвет». А в 1955 г. английские инженеры Ян Дональд и Том Браун построили первый в мире УЗ-томограф, в котором человек погружался в ванну с водой, а оператор с УЗ-излучателем и УЗ-приёмником должен был обходить объект исследований по кругу. Они же впервые применили к человеку принцип эхолокации и получили не просветную, а отражательную томограмму.

Следующие пятьдесят лет (практически до наших дней) можно охарактеризовать как эпоху проникновения ультразвука во всевозможные области технической и медицинской диагностики и применения ультразвука в технологических областях, где он позволяет сделать зачастую то, что невозможно в природе. Но об этом подробнее.

Эхолокация в технике

Простейший вид эхолокации – одномерный. Импульс напряжения подаётся на излучающий элемент (генератор), тот направляет в среду короткий акустический импульс. Если на пути звуковой волны встречается препятствие (граница раздела слоёв с разными акустическими свойствами, например, трещина в металле), то часть сигнала отражается и может быть принята датчиком, чаще всего размещаемым там же, где и излучатель. Сигнал преобразуется в электрический, усиливается и появляется на экране.

К принципу действия одномерного УЗ-локатора

Измеряя время запаздывания принятого импульса относительно излучённого τ и зная скорость звука в среде c , можно определить расстояние L до отражателя: L = c τ/2. Очевидно, что в реальных условиях приходится принимать меры к тому, чтобы эхолокатор не показывал слабые цели для исключения ложного срабатывания. Для этого существуют процедуры оценки минимального порогового уровня чувствительности обнаружения. Кроме того, разумно ограничиться некоторой зоной интереса по L , исключив из неё ближнюю зону, где всегда имеются мощные помехи, и дальнюю зону, где полезный сигнал становится сравним по амплитуде с шумами. Если к этому добавить управление усилением принятого сигнала (причём его можно сделать зависящим от дальности, чтобы скомпенсировать ослабление сигнала с расстоянием), мы получим универсальный эхолокатор, который с небольшими вариациями может быть использован для решения множества задач технической и медицинской диагностики.

Пионеры ультразвуковой локации: Ф.Гальтон, А.Бем, С.А.Соколов, Т.Браун и Я.Дональд

В эхолокационной технике можно выделить несколько больших классов – уровнемеры, толщиномеры, эхолоты, дефектоскопы. Различаются они в основном алгоритмами использования получаемой акустической информации, тогда как основой для каждого из них по-прежнему является описанный выше одномерный эхолокатор. Например, если поставить УЗ-зонд (в котором находятся излучающий и приёмный элементы) на днище закрытой ёмкости с жидкостью, удастся измерить её уровень, не заглядывая в ёмкость, где может находиться ядовитая или огнеопасная субстанция. Если же нам неизвестны акустические свойства этой жидкости, можно поставить второй, так называемый опорный, зонд на боковую стенку этой ёмкости и определять уровень жидкости по отношению времён запаздывания вертикального и горизонтального сигналов. Примером такого уровнемера является измеритель уровня одоранта природного газа (меркаптана) в ёмкости, которая всегда закрыта, да ещё и закопана в землю.

УЗ-приборы: слева – УЗ-уровнемер; справа вверху – УЗ-дефектоскоп для неразрушающего контроля маленьких деталей; внизу – УЗ-толщиномер

УЗ-толщиномеры применяются для непрерывных измерений толщины листа (стального, стеклянного) при производстве, а также толщины объекта, к которому имеется доступ лишь с одной стороны (например, толщины стенки ёмкости или трубы). Здесь зачастую приходится иметь дело с очень малыми задержками, поэтому для повышения точности измерений применяют зацикливание эхолокатора: первый принятый эхосигнал сразу же запускает передатчик для излучения следующего импульса и т.д., при этом измеряют не время задержки, а частоту запуска.

Эхолоты, развитие которых началось почти сто лет назад, используются сейчас на самых разнообразных объектах, от надводных и подводных военных кораблей до надувных лодок рыбаков-любителей. Применение компьютеров позволило не просто отображать на экран эхолота профиль дна, но и распознавать тип отражающего объекта (рыба, топляк, сгусток ила и т.п.). С помощью эхолотов составляются карты профиля шельфа, были обнаружены суточные колебания глубины расположения слоя планктона в океане.

Рельсовый УЗ-дефектоскоп АДС-02

Остродефектный рельс на изломе

Пожалуй, наиболее важным применением эхолокации в технике является неразрушающий контроль конструкций (металлических, бетонных, пластмассовых) для выявления в них дефектов, вызванных механическими нагрузками. В простейшем случае дефектоскоп – это эхолокатор, на экране которого отображается эхограмма. Перемещая УЗ-датчик по поверхности контролируемого изделия, можно обнаруживать трещины. Обычно дефектоскоп снабжается набором УЗ-преобразователей, позволяющих вводить ультразвук в материал под разными углами, и звуковой сигнализацией превышения порога отражённым эхосигналом.

Среди металлоконструкций наиболее важным объектом неразрушающего контроля являются железнодорожные рельсы. Несмотря на значительные успехи внедрения средств автоматики, на железных дорогах России наиболее распространён ручной контроль. Многоканальный эхолокатор устанавливается на съёмную тележку, которую толкает оператор. УЗ-датчики устанавливаются в лыжи, скользящие по поверхности катания рельсов. Для обеспечения акустического контакта на тележке устанавливаются баки с контактной жидкостью (летом – вода, зимой – спирт). И шагают тысячи операторов по всем железным дорогам, толкая тележки, в снег и дождь, в жару и мороз... Требования к конструкции аппаратуры высоки – приборы должны работать в диапазоне температур от –40 до +50 °С, быть пылевлагонепроницаемыми, работать от аккумулятора. Первые отечественные рельсовые дефектоскопы в СССР были созданы 50 лет назад проф. А.К.Гурвичем в Ленинграде. Развитие вычислительной техники дало возможность в последнее десятилетие создать автоматизированные дефектоскопы, позволяющие не только обнаружить дефект, но и записать всю эхограмму пройденного пути для просмотра информации, её хранения и дальнейшего анализа в специальных центрах. Один из таких приборов – АДС-02 – был создан сотрудниками нашего ИПФ РАН совместно с фирмой «Медуза» и выпускается серийно Нижегородским заводом им. М.Фрунзе. К настоящему времени более 300 приборов работают на российских железных дорогах, помогая обнаруживать в год по несколько тысяч так называемых острых дефектов, каждый из которых может стать причиной крушения. За применение современных компьютерных технологий дефектоскоп АДС-02 получил в 2005 г. 1-е место на международном конкурсе разработчиков встраиваемых систем в Сан-Франциско (США).

Статья подготовлена при поддержке компании «МегаЗабор». Если Вы решили приобрести качественный и надежный забор, который простоит многие годы, то оптимальным решением станет обратиться в компанию «МегаЗабор». Компания «МегаЗабор» занимается продажей и установкой заборов разной длинны высоты и сложности конструкции и уже успела зарекомендовать себя как качественный поставщик услуг. Более подробную информацию Вы сможете найти на сайте www.Megazabor.Ru.

Сообщение на тему:

«ЭХО, ЭХОЛОТ,

ЭХОЛОКАЦИЯ»

Работа учеников 9 В класса

Косогорова Андрея

СШ № 8 МО РФ

г. Севастополь

ЭХО (от имени нимфы Эхо в древне-греческой мифологии), волна (акустическая, элек­тромагнитная и др.), отражённая от препятствия и принятая наблюдателем. Акустическое эхо можно наблюдать, например., при отражении звукового импульса (сту­ка, короткого отрывистого крика и т. д.) от хорошо отражающих поверхностей. Эхо различимо на слух, если принятый и по­сланный импульсы разделены интерва­лом времени t 5= 50-60 мсек. Эхо ста­новится многократным, если имеется несколько отражающих поверхностей (вблизи группы зданий, в горах и т. д.), звук от которых приходит к наблюдателю в мо­менты времени, различающиеся на интер­валы t 50-60 мсек. Гармонич. эхо. возникает при рассеянии звука с широким спектром частот на препятствиях, разме­ры которых малы по сравнению с длинами волн, составляющих спектра. В помеще­нии отдельные многочисленные эхо сливаются в сплошной отзвук, называется реверберацией. Эхо может служить средством измерения расстояния от источника сигнала до отражающего объекта: г = ст/2, где т - промежуток времени между посылкой сигнала и возвращением Эхо., а с - ско­рость распространения волн в среде. На этом принципе основаны различные при­менения эхо-сигналов. Акустическое эхо при­меняется в гидролокации, а также в на­вигации, где для измерения глубины дна применяют эхолоты. Электромагнитным эхо пользуются в радиолокации; отражаясь от ионосферы, оно позволяет осущест­влять коротковолновую радиосвязь на большие расстояния и судить о свойствах ионосферы. Принцип эхо-волны начи­нает применяться и в оптическом диапазоне электромагнитных волн, генерируемых квантовым оптическим генератором. Упругие волны, распространяющиеся в земной коре, отражаясь от слоев различных гор­ных пород, образуют сейсмическое эхо., этим пользуются для поиска месторождений ископаемых. При помощи Эхо измеряется глубина буровых скважин («эхометриро-вание» скважин), высота уровня жидко­сти в баках (ультразвуковые уровнеме­ры). Эхо-методы широко применяются в ультразвуковой дефектоскопии. Аку­стическое эхо. для некоторых животных (летучих мышей, дельфинов, китов и др.)служит средством ориентировки и поиска добычи (см. Локация звуковая).

ЭХОЛОКАЦИЯ (от эхо и лат. locatio - размещение) у животных, излуче­ние и восприятие отражённых, как пра­вило, высокочастотных, звуковых сигна­лов с целью обнаружения объектов в про­странстве, а также получения информа­ции о свойствах и размерах лоцируемых целей (добычи или препятствия). Эхо- один из способов ориентации животных в пространстве. Эхо развито у летучих мышей и дельфинов, обнаружена у зем­лероек, ряда видов ластоногих (тюлени), птиц (саланганы и некоторые др.). У дельфинов и летучих мышей Эхо осно­вана на излучении ультразвуковых им­пульсов частотой до 130-200 кгц при длительности сигналов обычно от 0,2 до 4-5 мсек, иногда более. С помощью эха дельфины даже с закрытыми глазами могут находить пищу не только днем, но и ночью, определять глубину дна, близость берега, погруженые предметы. Их эхолокационные импульсы человек воспринимает как скрип двери, поворачивающейся на на ржавых петлях. Свойственна ли эхолокация усатым китам, издающим сигналы с частотой лишь до нескольких килогерц, пока не выяснено.

Звуковые волны дельфины посылают направленно. Жировая подушка, лежащая на челюстных и межчелюстных костях, и вогнутая передняя поверхность черепа действуют как звуковая линза и рефлектор: они концентрируют сигналы, излученные воздушными мешками, и в виде звукового пучка направляют их на лоцируемый объект.

У птиц, живу­щих в тёмных пещерах (гуахаро и салан­ганы), используется для ориентации в темноте; они излучают низкочастотные сигналы в 7-4 кгц. У дельфинов и лету­чих мышей, кроме общей ориентации, эхо служит для определения пространств, положения цели, размеров, а в ряде слу­чаев - и распознавания облика цели. У упомянутых млекопитающих часто слу­жит важным средством поиска и добычи объектов питания.

Лит.: Айрапетьянц Э. Ш., Кон­стантинов А. И., Эхолокация в при­роде, 2 изд., Л., 1974. Г. Н. Симкин. ЭХОЛОКАЦИЯ, один из способов зву­ковой локации, при котором расстояние до объекта определяется по времени возвра­щения эхо-сигнала.

ЭХОЛОТ (от эхо и лот), навигационный прибор для автоматического измерения глубины водоёмов с помощью гидроаку­стических эхо-сигналов. Обычно в днище судна устанавливается вибратор, к ко­торому периодически подаются от гене­ратора электрические импульсы, преоб­разуемые им в акустические, распростра­няющиеся в ограниченом телесном угле вер­тикально вниз. Отражённый дном акустический импульс принимается тем же виб­ратором, который преобразует его в элек­трический. После усиления импульс по­ступает на индикатор глубины, отмечаю­щий отрезок времени (в сек) от момента посылки импульса до момента возвраще­ния эхо от дна и преобразующий его в визуальные показания или запись глу­бины h = ст/2 в м, где скорость звука с = 1500 м/сек. Длительность импуль­сов - от 0,05 до 20 мсек с частотой заполнения от 10 до 200 кгц. Малые дли­тельности и высокие частоты использу­ются при измерениях малых глубин, большие длительности и низкие частоты- при измерении больших глубин. Вибра­тором может служить магнитострикционный преобразователь или пьезокерамический. В качестве индикаторов глубин применяются проблесковые указатели с вращающейся неоновой лампочкой, вспыхивающей в момент приёма эхо-сиг­нала; стрелочные, электроннолучевые и цифровые указатели, а также самописцы, записывающие измеряемые глубины на движущейся бумажной ленте электротермическим или электрохимическим методом. Эхолот из­готовляются на разные интервалы глу­бин, в пределах от 0,1 до 12 000 м и работают при скоростях хода судна до 30 узлов (55 км/ч) и даже более. Погреш­ность Эхолота от 1% до сотых долей процента. Эхолот используются также для поиска косяков рыбы, подводных лодок, для ис­следования звукорассеивающих слоев, определения типа грунта, стратифика­ции донных осадков и других гидроакустических измерений. В 1958 г. на советском судне «Витязь» эхолотом обнаружена и точно измерена максимальная глубина (11 022 м) Мирового океана в Мариинской впадине в западной части Тихого океана. К идее эхолота независимо и практически одновременно пришли сразу несколько человек: немецкий инженер А.Бем из Данцига (Гданьска), американский инженер Р. А. Фессен-ден, французский физик П. Ланжевен и инженер Константин Васильевич Шиловский (1880-1952) из Рязани, работавший во Франции. Ланжевен и Шиловский создали ещё и первый гидролокатор

См. Гидроакустика.

Лит.: Федоров И. И., Навигацион­ные эхолоты, М.-Л., 1948; его же, Эхо­лоты и другие гидроакустические средства, Л., 1960; Толмачев Д., Федоров И., Навигационные эхолоты, «Техника и воо­ружение», 1977, № 1. И.И. Федоров.

ЭХОЭНЦЕФАЛОГРАФИЯ (от эхо и энцефалография), ультразвуко­вая энцефалография, метод исследования головного мозга с помощью ультразвука. Основан на свойстве ультра­звука отражаться от границ сред (струк­турных образований мозга) различной плотности. Основной диагностический критерий (предложен в 1955-56 швед, врачом Л. Лекселлем) - отклонение срединного эха, или М-эха (М - от позднелат. те-dialis - срединный), представляющего собой отражение ультразвука от средин­ных структур мозга (эпифиза, 3-го желу­дочка, прозрачной перегородки, межполу-шарной щели). В норме М-эхо, регистри­руемое в виде пика на ультразвуковой энцефалограмме, совпадает со средней линией головы. При наличии внутриче­репной опухоли, кровоизлияния, абсцес­са и др. патологических образований М-эхо смещено в сторону здорового полушария (см. рис.). Предложены и др. диагностические критерии: увеличение расстояния между эхо-сигналами от боковых стенок 3-го желудочка при гидроцефалии; относи­тельно быстрая нормализация возник­шего смещения М-эха при острой непро­ходимости сонной артерии и т. д. При ЭХОЭНЦЕФАЛОГРАФИИ применяют специальные ультразвуковые энцефалографы, преобразующие отражённые ультразвуковые сигналы в электрические им­пульсы. Эти импульсы отображаются графически на экране аппарата и фотографируются.

Лит.: Клиническая эхоэнцефалография, М., 1973; L е ks е 1 1 L., Echo-encephalog» raphy. Detection of intracranial complications following head injury, «Acta chirurgica scan» dinavica», 1956, v. 110, S. 301 - 315.

В. Е. Гречко.

ЭХО , композиционный и исполнитель­ский приём, основанный на повторении муз. фразы с меньшей силой звучности теми же или другими голосами, инструментами.

Применяется главным образом в хоровой, опер­ной, оркестровой, камерной инструментальной му­зыке. На основе использования приёма эхо иногда создаются целые музыкальные пьесы, например «Эхо» О. Лассо для хора и пьеса того же назв. из «Французской увер­тюры» для клавесина И. С. Баха. Эхо название также один из регистров органа.

Лит.: Р э л е и Д ж., Теория звука, пер. с англ., 2 изд., т. 2, М., 1955; Г р и ф ф и н Д., Эхо в жизни людей и животных, пер. с англ., М., 1961.

ЭхолокацияЭхолокация (эхо и лат. locatio -
«положение») - способ, при помощи
которого положение объекта определяется
по времени задержки возвращений
отражённой волны. Если волны являются
звуковыми, то это звуколокация, если радио
- радиолокация.

Эхолокация

Открытие эхолокации связано с именем
итальянского естествоиспытателя Ладзаро
Спалланцани. Он обратил внимание на то,
что летучие мыши свободно летают в
абсолютно тёмной комнате (где оказываются
беспомощными даже совы), не задевая
предметов. В своём опыте он ослепил
несколько животных, однако и после этого
они летали наравне со зрячими.

Эхолокация

Коллега Спалланцани Ж.
Жюрин провёл другой опыт,
в котором залепил воском
уши летучих мышей, - и
зверьки натыкались на все
предметы. Отсюда учёные
сделали вывод, что летучие
мыши ориентируются по
слуху. Однако эта идея была
высмеяна современниками,
поскольку ничего большего
сказать было нельзя -
короткие ультразвуковые
сигналы в то время ещё было
невозможно
зафиксировать.

Эхолокация

Впервые идея об активной звуковой
локации у летучих мышей была высказана в
1912 году Х. Максимом. Он предполагал, что
летучие мыши создают низкочастотные
эхолокационные сигналы взмахами крыльев
с частотой 15 Гц.

Эхолокация у жвотных

Животные используют эхолокацию для
ориентации в пространстве и для
определения местоположения объектов
вокруг, в основном при помощи
высокочастотных звуковых сигналов.
Наиболее развита у летучих мышей и
дельфинов, также её используют
землеройки, ряд видов ластоногих (тюлени),
птиц (гуахаро, саланганы и др.).

Эхолокация у людей

Ориентироваться по звукам умеют не только
летучие мыши и дельфины, но и некоторые люди.
Эхолокацию у людей нашли довольно давно - в
1950-х. Обычно ей могли пользоваться люди,
слепые практически с рождения. Самый
известный пример человека-летучей мыши -
Дэниэл Киш. Потерявший зрение из-за рака
сетчатки, он еще будучи маленьким мальчиком
понял, что может определять высоту, на которую
забирается по стволу дерева, слушая эхо от звуков
щелчков, которые издает с помощью языка.
Сейчас он умеет далеко не только лазать по
деревьям, но ещё, например, кататься на
велосипеде, применяя всё ту же технику
"человеческой эхолокации".

Эхолокация в технике

Так же эхолокация используется в технике.
В эхолокационной технике можно выделить несколько больших
классов – уровнемеры, толщиномеры, эхолоты, дефектоскопы.
Люди на основе эхолокации создают приборы для измерения
уровня одоранта природного газа, толщиномеры, которые
применяются для непрерывных измерений толщины листа и
многие другие.

• Читать: Коммуникация и язык животных
• Читать дополнительно: Слух. Слуховой анализатор

Сущность эхолокации

Под словом «локация» понимается определение местоположения предметов, измерение их координат и параметров движения. В живой природе используются разнообразные формы и способы локации. У человека и большинства животных определение местоположения окружающих предметов осуществляется благодаря анализаторным системам дистантного действия, в основном зрительной и слуховой, причем эти системы в функциональном отношении у некоторых животных доведены до высочайшего совершенства. Достаточно вспомнить о необычайной остроте зрения у дневных хищных птиц или точности звуковой пеленгации добычи совами.

Для обнаружения объектов окружающей среды некоторые животные используют и другие виды информации. Глубоководные кальмары, например, помимо обычных органов зрения наделены особыми рецепторами, способными улавливать инфракрасные лучи, а своеобразные органы - «термолокаторы» - гремучих змей служат для поисков добычи, воспринимая тепловое излучение живых существ и реагируя на разность температур в тысячную долю градуса.

Приведенные примеры, несмотря на их разнообразие, представляют собой различные варианты так называемой пассивной локации, когда обнаружение объектов осуществляется только путем приема той энергии, которую непосредственно излучают или переизлучают сами исследуемые объекты.

Сравнительно недавно казалось, что более или менее чувствительными органами дистантного обнаружения как средствами пассивной локации ограничиваются возможности живой природы.

В самом начале XX в. человечество было вправе гордиться тем, что оно создало принципиально новый, активный способ локации, при котором невидимая прежде цель облучается потоком электромагнитной или ультразвуковой энергии и обнаруживается с по- мощью той же энергии, но уже отраженной от цели. Радио- и гидролокационные станции - эти приборы активной локации - пришли на смену различного рода «слухачам» - приборам пассивного обнаружения - ив настоящее время получили огромное развитие в решении народнохозяйственных, военных и космических проблем. В то же время несомненно, что принципы радиолокации подсказали биологам путь к решению вопроса о формах пространственной ориентации у некоторых животных, которые невозможно было объяснить функционированием хорошо известных анализаторов дистантного действия.

В результате кропотливых исследований с помощью новой электронной аппаратуры удалось установить, что ряд животных использует методы активной локации с применением двух видов энергии - акустической и электрической. Электрической локацией пользуются некоторые тропические рыбы, например мор-мирус, или водяной слоник, тогда как активная акустическая локация открыта у нескольких представителей наземных и водных позвоночных, стоящих на разных уровнях эволюционного развития.

Акустическая локация служит средством обнаружения объектов благодаря звуковым волнам, распространяющимся в данной среде.

По аналогии с радиолокацией различают две формы акустической локации: пассивную, когда обнаружение осуществляется только путем приема той энергии, которую непосредственно излучают или переизлучают сами исследуемые объекты, и а к-т и в н у ю, при которой анализ объекта основан на предварительном облучении его звуковыми сигналами с последующим восприятием этой же энергии, но уже отраженной от него. Первая форма акустической локации издавна обозначается как слух или слуховое восприятие, и звуковые колебания принимаются слуховым анализатором.

Вторую форму, т. е. активную акустическую локацию, американский ученый Д. Гриффин, впервые открывший ее у летучих мышей, назвал эхолокацией. Со временем термины «эхолокация», «акустическая локация» и «акустическая ориентация» стали в какой-то степени синонимами и широко используются в биологической литературе при описании активной формы локации у животных. Правда, в последние годы делаются попытки использовать термины «акустическая локация», «пассивная локация» для обозначения функций слуховой системы у сов, которые с высокой точностью производят локализацию местоположения своей добычи на слух во время ночной охоты (Ильичев, 1970; Payne, 1971). Этим хотят подчеркнуть ту огромную роль, которую играет слух в пищевом поведении сов, и сопоставить способы ориентации этих птиц с таковыми у летучих мышей, хотя это сопоставление неправомочно, ибо последние поднялись на следующую, качественно но- вую ступень акустической локации, применив активное зондирование пространства собственными акустическими сигналами. Прежде чем перейти к характеристикам эхолокации, коротко остановимся на основных понятиях и определениях из области акустики, необходимых для понимания физических раздражителей слухового рецепторного аппарата.

Э.Ш.АИРАПЕТЬЯНЦ А.И.КОНСТАНТИНОВ. ЭХОЛОКАЦИЯ В ПРИРОДЕ. Изд-во «НАУКА», ЛЕНИНГРАД, 1974

Те, кто обрекают всех рыб на молчание и глухоту, весьма мало знают природу рыб. - Клавдий Элиан

О голосах птиц, животных говорить не приходится: каждый человек слышал их много раз, иногда с наслаждением, иногда с тревогой. В работе орнитолога и зоолога XIII века Ф. Гогенштауфена уже содержались интересные сведения о строении слуховой системы некоторых пернатых. Укажем лишь, что сейчас птичьи голоса иногда используются в практических целях. Так, чтобы предотвратить столкновение птиц с самолетами (для которых такие столкновения могут оказаться губительными), транслируют через мощный репродуктор записи криков ужаса самих птиц, и эти крики отпугивают пернатых от трассы самолета. Известен опыт воспроизведения магнитофонных записей тех же птичьих голосов для того, чтобы отгонять полчища насекомых от посевов или садов.

Совсем другое дело - голоса обитателей моря. Конечно, замечание древнеримского писателя Элиана о возможности их звукового общения было забыто, и даже великий акванавт Жак-Ив Кусто, до времени не интересовавшийся подводной акустикой, назвал одну из своих первых книг о глубинах океана "Миром безмолвия" (впоследствии он, правда, пользовался уже определением "Мир без солнца"). Чувствительные гидрофоны, совершенная звукоанализирующая аппаратура позволили в наше время морским биоакустикам в короткий срок ликвидировать отставание от их коллег, занимающихся акустикой воздушной и наземной фауны.

Теперь и вопрос начинают ставить по-иному: а много ли вообще есть представителей подводной фауны, не прибегающих к звуковой связи, ведь звук распространяется в воде значительно лучше, чем электромагнитные волны.

Изучены характер и назначение издаваемых подводными живыми существами звуковых сигналов. Они в общем-то имеют такое же происхождение и назначение, как и у наземных живых существ: это сигналы призыва,агрессии ("боевой клич"), оборонительные. В период нереста звуковая активность рыб возрастает. Азовский бычок, например, исполняет целые нерестовые песни. Нерестовые звуки напоминают кваканье, верещание, скрип, они активизируют самок, которые начинают двигаться в сторону источника звука.

У амфибий идентифицирован такой сложный сигнал, как сигнал самки, отметавшей икру и предупреждающей самца о том, чтобы он не тратил напрасно, по выражению биологов, "репродуктивный потенциал". Как видим, звуковое общение в данном случае содействует реализации мудрого закона природы о сохранении каждого биологического вида.

Определенную биологическую информацию несут звуки движения некоторых рыб; при питании возникают подводные звуки, связанные с захватом и перетиранием пищи. В СССР выпущены обширные атласы звуков, издаваемых различными обитателями подводного мира.

Исследователям понадобилось достаточно длительное время, чтобы определить характер и расположение слухового органа (или группы органов) у рыб. Рецепторы звука, как правило, находятся в голове рыбы, но у некоторых рыб (например, трески) слуховое восприятие возможно с помощью так называемой боковой линии тела. Как похожи разработанные человеком еще в 30-е годы системы шумопеленгаторных приемников по бортам корабля на боковую рецепторную линию рыб!

Обнаружены два типа слуховых аппаратов: аппараты, не имеющие связи с плавательным пузырем, и аппараты, в составе которых есть плавательный пузырь. Пузырь действует подобно резонатору, и у рыб со слуховым аппаратом второго типа слух более чувствителен.
Чувствительность слуха у человека на различных частотах определяется достаточно просто. Интенсивность звука данной частоты медленно увеличивают. При определенной интенсивности человек говорит: "слышу". Пороговая чувствительность слуха на этой частоте определена. А как подаст рыба сигнал о том, что она слышит данный звук? Американские ученые, изучая подводный звук, определяли момент начала восприятия звука акулой по реакции ее сердечной мышцы. Максимальной была чувствительность слуха акулы в области частот 20--160 герц, причем интересно, что слуховые пороги по звуковому давлению, колебательному смещению и колебательной скорости частиц среды у акулы менялись в значительно большей степени, чем у человека.

Громадное количество работ посвящено звуковым сигналам дельфинов. Сигналы эти особенно разнообразны и совершенны. Некоторые исследователи усматривают сходство сигналов дельфинов с древними человеческими языками. Феноменальна способность дельфинов к звукоподражанию. Ожидают в связи с этим, что когда-нибудь начнется сознательный диалог между дельфином и человеком.

Косатки и дельфины из различных морей, по-видимому, могут в той или иной степени понимать друг друга, о чем свидетельствует такой эксперимент. Двум косаткам, до тех пор молчаливым, предоставили возможность в течение целого часа разговаривать по телефону (приемниками и излучателями звука, разумеется, служили гидрофоны). Одна из косаток находилась в аквариуме в штате Вашингтон, другая- в Ванкувере (Канада). Исследователи отмечали, что беседа была очень оживленной.

У тюленей выявлены не только высокая способность к звукоимитации, но и музыкальный слух. Группе подопытных тюленей спели часть народной песни жителей Гебридских островов. Один из тюленей чистым контральто повторил мелодию.
Изучению живых звуков моря в значительной мере содействовало широкое распространение различных подводных аппаратов. В нашей стране начало было положено подводной лодкой "Северянка", отслужившей свой воинский срок и переоборудованной затем для глубоководных исследований. Велико было удивление экипажа лодки, когда, попав в стаю сельди, он обнаружил, что эта небольшая рыба может издавать довольно интенсивные звуки высокого регистра!

Новые подводные аппараты - буксируемые, автономные - погружаются на глубины, недоступные подводной лодке прошлого поколения. И здесь гидронавтам открываются, среди прочих, и новые акустические феномены.
Автору давно хотелось побеседовать об этом с М. И. Гирсом, который имеет на своем счету наибольшее в нашей стране количество глубоководных погружений в самых различных аппаратах и наречен журналистами "гидронавтом No 1". Но как повидать его, если на Канарских островах, где условий для погружения особенно удобные, он бывает, пожалуй, чаще, чем у себя дома, на Васильевском острове?

Беседа все же состоялась. Для начала вспомнили, как семилетний Миша Гирс не без труда осваивал конькобежное искусство на катке Центрального парка культуры и отдыха. Кажется, это было совсем недавно, но вот теперь М. И. Гирс - капитан-наставник, освоивший в совершенстве технику гидронавтики, обучивший глубоководным погружениям сначала сам себя (ибо у нас не было специалистов в этой области), а затем и многих других специалистов - гидронавтов. Он произвел десятки разнообразных, порой опасных погружений в Черном и Средиземном морях, в Атлантическом океане

Разговор касался лишь одного вопроса - применения акустической техники при подводных погружениях и исследованиях.
- Конечно, роль ее очень велика,- сообщил Гирс.- Можно определять места зарождения косяков рыб, пути их миграции. Хотя гидрофонные системы, ввиду относительно малого водоизмещения подводных аппаратов, менее совершенны, чем судовые шумопеленгаторы, но все же чувствительные гидрофоны легко улавливают звуки морских обитателей. Очень характерны звуки, издаваемые косатками, их ни с чем не спутаешь.
Говоря о звуках обитателей моря, мы до сих пор имели в виду прежде всего практическую цель - возможность их обнаружения и отлова. Но есть еще один аспект, связанный уже не с практикой, а скорее с психологией. Представим себе на мгновение лес без птичьего пения. Трудно, тоскливо человеку в таком мертвом лесу. Можно понять, почему свободные от вахты подводники во время длительных автономных плаваний без выхода на поверхность вдруг сгрудятся у рубки гидроакустика, попросят его дать хоть немного послушать, что делается за бортом. Крикам косаток моряки радуются так же, как они радовались бы птичьим песням в лесу, в поле, в саду.
И чем ближе будет человек к веку гидрокосмоса, чем более глубокие горизонты моря он будет обживать, тем больше будет ценить звуки морских обитателей, нарушающие зловещую тишину черных морских пучин.

Теперь впору поговорить и о более сложных звуковых сигналах в животном мире, сигналах, связанных с приемом отраженного эха. Здесь орнитологи и зоологи, исследующие надводную фауну, опередили, в силу естественных причин, морских биоакустиков. Уже достаточно давно было показано, что летучие мыши пользуются эхо-локационным аппаратом для поиска пищи в вечернее время. Позже были установлены количественные характеристики локационных сигналов различных семейств летучих мышей - подковоносов, ушанов, длиннокрылое, нетопырей, трубконосов. У последних частота заполнения сигналов наибольшая, она достигает 160 килогерц, то есть почти в десять раз превышает верхнюю граничную частоту области слышимости человеческого уха. При этой частоте длина звуковой волны в воздухе не превышает 2 миллиметров, поэтому летучая мышь способна обнаруживать насекомых совсем малых размеров.
Восхищаясь изощренным аппаратом активной звуколокации, энтомологи долгое время не обращали внимания на то, что тела бабочек, на которых охотятся летучие мыши, покрыты волосами. Оказалось, что этот волосяной покров в определенной степени поглощает высокочастотные ультразвуковые сигналы охотящихся летучих мышей, и последним труднее обнаружить свою добычу.

Дальше - больше. Совсем недавно обнаружили, что существуют виды бабочек, которые могут испускать сигналы той же частоты, что и ведущие поиск летучие мыши. Своими помехами бабочки сбивают преследователей с курса. Как не вспомнить системы активных помех радио- и гидролокационным станциям. Человек был уверен в своем приоритете в области активной радио- и гидролокационной защиты самолетов и кораблей, но природа в лице маленьких бабочек опередила его!

Некоторые другие птицы--стрижи-саланганы, таинственные гуахаро (южноамериканский козодой) так-же обладают способностью к эхо-локации. Их зхо-локационный аппарат не столь совершенен, как у летучей мыши, но все же позволяет им ориентироваться в пространстве. Для стрижей это важно ввиду большой скорости полета, а для гуахаро, обитающего в пещерах, - из-за трудности перемещения в вечной темноте.

И, наконец, дельфины. С точки зрения "живой эхо-локации" это, несомненно, венец природы. Они способны "автоматически" уменьшать продолжительность сигналов (посылок) и интервалы между сигналами при приближении к цели, что содействует точному наведению на нее. Жировая подушка и выемка соответствующей формы в передней части головы образуют линзу - концентратор излучаемой звуковой энергии, причем сектор, в котором излучаются и принимаются звуковые сигналы, может меняться. Частотная модуляция сигнала позволяет дельфину "отстроиться от помех" и облегчает распознавание особенностей отражающего объекта.
Дельфины могут с помощью эхо-локации оценивать форму отражающего тела, его размеры (с точностью до нескольких миллиметров), степень отражения звука от него. Их локатор - многоцелевой, то есть если в локационном поле дельфина находится несколько отражающих объектов, то все они фиксируются. Некоторые исследователи приписывают дельфину способность сканирования пространства звуковым пучком, то есть как бы построчного считывания эхо-локационной картины на довольно далеком расстоянии впереди.

Несомненно, существуют и рыбы, обладающие способностью к зхо-локации, и лишь несовершенство техники глубинного лова не позволяет пока обнаружить их. Зато в научной печати появилось сообщение об эхо-локационных сигналах золотоволосого пингвина, который, подобно дельфинам, применяет их для поиска пищи.

Еще несколько десятилетий назад биоакустика представляла собой как бы архипелаг отдельных островков знаний. Сейчас она развилась в сложную, технически вооруженную область биологии и бионики. Дальнейшее изучение голосов птиц, животных, рыб укрепит в человеке уважение к "малым сим", будет содействовать сохранению мира живой природы.

Наше короткое повествование о мире звуков подошло к концу. Быть может, не у каждого читателя оно пробудит в полной мере чувство восхищения перед всем, что достойно удивления в этом мире. Но, несомненно, никто не откажет акустике в многообразии ее проявлений и широких возможностях применения. А это уже служит залогом дальнейшего развития интереса к данной области науки и техники.