Одной из важных характеристик деятельности слуховой системы человека и животных является пространственный слух, т. е. ориентация в пространстве благодаря восприятию звуковых сигналов. В процессе эволюции были выработаны определенные виды пространственного слуха, с большой точностью используемые животными и человеком при акустической ориентации в пространстве. Подавляющему большинству видов животных, в том числе и человеку, обладающих достаточно развитой слуховой системой, свойственна пространственная акустическая ориентация с помощью пассивной локации. Этот вид пространственного слуха характеризуется локацией источников звуков, излучаемых внешними объектами. Благодаря пассивной локации биологическим объектам удается локализовать положение звучащего объекта в вертикальной и горизонтальной плоскостях и его удаленность от тела. Однако кроме этого наиболее распространенного типа локации, существует и другой, очень своеобразный тип пространственного слуха, присущий лишь некоторым видам животных, - эхолокация.
Эхолокация состоит в определении пространственного положения какого-либо объекта благодаря отражению этим объектом звуковых сигналов, излучаемых самим животным-наблюдателем. Данные свидетельствуют о том, что животные, обладающие эхолокационным механизмом, способны не только определять пространственное положение объекта, но и опознавать с помощью эхолокации размеры, форму и материал объектов, от которых отражается издаваемый самим животным звуковой сигнал. Следовательно, эхолокационный механизм помимо чисто пространственных характеристик объекта предоставляет животному сведения о других его свойствах, весьма существенных при ориентировке во внешнем мире.
Достоверно известно, что эхолокацией среди животных пользуются все летучие мыши, представители одного рода крыланов, несколько видов стрижей-саланганов из Юго-Восточной Азии, один вид козодоевых - гуахаро из Венесуэлы, по-видимому, все представители зубатых китов и один вид из отряда ластоногих - калифорнийский морской лев. Из этого перечисления следует, что эхолокация как способ дистантной ориентации развилась независимо у разных представителей позвоночных животных, столь далеких друг от друга в филогенетическом и экологическом отношении, что любое сопоставление на первый взгляд может показаться искусственным и неправомочным. И тем не менее только при таком сопоставлении можно лучше понять причины возникновения этого особого акустического способа контактирования со средой.
Прежде всего следует обратить внимание на то, что все указанные представители по крайней мере часть своей активной жизни проводят в таких условиях где функции зрительного анализатора ограничены или полностью исключаются!
Стрижи-саланганы - дневные насекомоядные птицы, но гнездятся на высоких скалах подземных гротов, куда дневной свет практически не проникает. Гуахаро и крыланы - фруктоядные животные, дневку проводят также в глубоких подземельях и вылетают на кормежку с наступлением сумерек. Для большинства видов летучих мышей пещеры являются родным домом, где они отдыхают в светлое время суток, размножаются и переживают неблагоприятные погодные условия, впадая в спячку. Таким образом, жизненная необходимость обитания в глубоких подземельях с постоянным режимом температуры и влажности в течение всех сезонов года, представляющих, кроме того, надежное укрытие от многочисленных хищников, послужила тем решающим обстоятельством, которое заставило сухопутных животных искать новые средства дистантной ориентации в условиях подземного мира.
Животные заняли новую экологическую нишу, и если не принять это положение, то мы встаем в тупик перед вопросом: почему другие ночные животные например ближайшие родственники летучих мышей из подотряда крыланов проводящие дневку открыто на деревьях, другие представители отряда козодоевых, кроме гуахаро, или, наконец, совы не приняли участия в эксперименте Природы при развитии столь прогрессивного и несомненно удачного способа ориентации в темноте, а ограничились лишь совершенствованием зрения к ночному видению и некоторыми дополнительными приспособлениями к пассивной слуховой локации? По-видимому, для ночных полетов в условиях естественной освещенности этого вполне достаточно, но явно не хватает для беспрепятственного передвижения в абсолютной темноте извилистых подземелий
Относительно причин появления эхолокации у некоторых водных млекопитающих (зубатых китов и одного вида ластоногих), которые охотятся за рыбой в основном в дневное время суток, следует иметь в виду три обстоятельства. Во-первых, при прохождении в водную среду дневной свет подвергается Рассеиванию и даже в самой прозрачной воде видимость ограничивается лишь
несколькими десятками метров, тогда как вблизи побережья морей, особенно в местах впадения рек, видимость сокращается до нескольких сантиметров. Во-вторых, боковое расположение глаз на голове китов и некоторых ластоногих препятствует хорошему обзору непосредственно впереди плывущего животного. В-третьих, распространение звука в воде на более далекие расстояния, чем свет, создает благоприятные условия для более эффективного использования поиска косяков рыбы и своевременного обнаружения подводных препятствий.
Таким образом, возникновение эхолокации у животных можно оценить как способ замещения в определенных условиях зрительной функции.
Следующий важный вывод, вытекающий из сопоставления современных жизненных форм эхолоцирующих животных, заключается в том, что использование активной акустической локации стало возможным и более эффективным только тогда, когда животные оторвались от земли и освоили воздушное пространство или перешли в водную среду. Быстрое передвижение в свободном трехмерном пространстве создало благоприятные условия для распространения акустических колебаний и получения отчетливых эхо от встречаемых на пути предметов.
Процесс совершенствования эхолокации как функции дистантной ориентации в биологических системах включает в себя несколько последовательных этапов (рис. 4.33).
У истоков ее возникновения может быть поставлено так называемое чувство препятствия, или непроизвольная эхолокация, обнаруживаемая у слепых людей. Она основана на том, что у слепого человека очень обострен слух. Поэтому он подсознательно воспринимает звуки, отражающиеся от предметов, которые сопутствуют его движению. При закрытых ушах или при наличии постороннего шума эта способность у слепых пропадает. Аналогичные результаты были получены на ослепленных белых крысах, которые после длительной тренировки могли обнаруживать препятствия акустическими средствами.
Следующий этап естественным образом вытекал из предыдущего - требовалось уже преднамеренно издать какой-либо акустический сигнал, чтобы он вернулся как эхо от объекта. Этот этап уже сознательного (человек) или рефлекторного (животное) озвучивания пространства, который основан на использовании первоначально коммуникационных сигналов, характеризует начало освоения оптически неблагоприятных условий для обитания. Такие эхолокационные системы можно назвать неспециализированными.
В дальнейшем функциональная эволюция шла в направлении создания уже специализированных сонаров (от англ. so(und) na(vigation) and r(anging) - звуковая навигация и определение дальности) с отбором образцов специальных сигналов, определенных частотных, временных и амплитудных характеристик, предназначенных для сугубо локационных целей и соответствующих перестроек в слуховой системе.
Среди существующих специализированных биосонаров самыми примитивными являются звуковые сонары пещерных птиц, представителей рода летучих собак из семейства крылановых и ушастых тюленей, которые могут служить примером конвергентного развития одной и той же функции одними и теми же средствами у совершенно различных представителей разных отрядов и даже классов позвоночных животных.
Все они используют в качестве локационных сигналов широкополосные щелчки, основная энергия которых у птиц сосредоточена в слышимом диапазоне частот 4-6 кГц, у морского льва 3-13 кГц, у летучих собак захватывает и низкие ультразвуки. Щелчки эти издаются наиболее простым механическим способом - прищелкивание клювом или языком. Звуковое частотное заполнение сигналов обусловливает низкую разрешающую способность их сонаров, которые, по-видимому, выполняют единственную функцию - обнаружение препятствия и оценку расстояния до него. В комплексе дистантных анализаторов эхолокация у этих животных играет лишь соподчиненную роль при хорошо развитой зрительной рецепции.
Наибольшего совершенства эхолокационная функция достигла у представителей подотрядов летучих мышей и зубатых китообразных. Качественное отличие их эхолокации от эхолокации птиц и крыланов заключается в использовании ультразвукового диапазона частот.
Малая длина волны ультразвуковых колебаний создает благоприятные условия для получения четких отражений даже от небольших предметов, которые волны слышимого диапазона огибают. Кроме того, ультразвук можно излучать узким, почти параллельным пучком, что позволяет концентрировать энергию в нужном направлении. В формировании локационных сигналов у летучих мышей и зубатых китов участвуют специализированные гортанные механизмы и система носовых мешков, а в качестве каналов для излучения ультразвука используются ротовая и носовая полости, а также специализированный лобный выступ - мелон.
Таким образом, возникновение эхолокации стало возможным лишь после освоения животными трехмерного пространства (воздушной или водной сред) в таких экологических условиях, где оптическими средствами было невозможно получить какую-либо информацию о наличии препятствий (пещеры - для наземных позвоночных, подводный мир - для китообразных и ластоногих).
В своем развитии биологические сонары прошли, по-видимому, длительный путь от непроизвольной эхолокации с использованием различных коммуникационных сигналов до совершенных ультразвуковых систем с образцами импульсов, предназначенных специально для зондирования пространства.
«Ультразвук физика» - Применение инфразвука. Изучение поведения животных. Историческое использование инфразвука. Предсказание землетрясений. Летучая мышь. Не воспринимаются человеческим ухом. Медицина. Ультразвуковые волны влияют на растворимость вещества и в целом на ход химических реакций. Большие дозы – уровень звука 120 и более дБ дают поражающий эффект.
«Применение ультразвука» - Опыт 4. Ультразвук образует ветер. 1. Операции на головном мозге без вскрытия черепной коробки. Область исследования: акустика. Области применения ультразвука. Опыт 8. Ультразвук дегазирует жидкость. Данное явление можно использовать для очистки хлорированной воды. Опыт 1. Ультразвук уменьшает трение по колеблющейся поверхности.
«Воздействие ультразвука» - Эндокринной системе. Механические колебания. Общетонизирующее действие. Спазмолитическое действие. Сердечно-сосудистой системе. Обезболивающее действие. Историческое использование инфразвука. Противовоспалительное действие. Нервной системе. Планктоны. Ультразвук в небольших дозах оказывает положительное действие на организм человека.
«Ультразвуковой датчик» - Герц (Гц, Hz) – единица измерения частоты, соответствует одному циклу в секунду. Движения: Скольжение Вращение Покачивание Давление. Физические основы ультразвука. Что такое ультразвук? Отражение звука. Взаимодействие волн. Частота излучения. Сила (амплитуда) каждой отраженной волны соответствует яркости отображенной точки.
«Ультразвук в медицине» - Ультразвуковое исследование. Рождение ультразвука. Ультразвук в помощь фармакологам. Лечение ультразвуком. Ультразвук в медицине. Вредно ли ультразвуковое исследование. Ультразвуковые процедуры. Детская энциклопедия. Вредно ли ультразвуковое лечение. План.
«Ультразвуковое исследование» - С помощью ультразвукого эффекта Доплера изучают характер движения сердечных клапанов измеряют скорость кровотока. Ульразуковой пилинг кожи лица. Спектральный Допплер Общей Каротидной Артерии. Наносится бишофит-гель и рабочей поверхностью излучателя проводится микро-массаж зоны воздействия. Помимо широкого использования в диагностических целях, ультразвук применяется в медицине как лечебное средство.
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 именемитальянского 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 звуковойлокации 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 дляориентации 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 тольколетучие 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.
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.
Система ориентирования в пространстве
Направление:
Исполнитель : ученик 10 класса Дмитрий Тюкалов
Руководитель : Аминов Евгений Витальевич
учитель физики
Введение. 3
Глава I. Эхолокация. 4
I.1. История. 4
I.2. Принципы эхолокации. 4
I.3. Способы применения. 5
I.5. Принцип замеров. 12
I.6. Виды приборов. 13
Глава II. Arduino. 14
II.1. Применение. 14
II.2. Язык программирования. 14
II.3. Отличия от других платформ. 14
Заключение. 18
Список литературы и Интернет-источников. 18
Приложение. 19
Введение
В наше время люди постепенно разрабатывают устройства, которые облегчают нашу жизнь. И конечно без ориентирования они бы были неполноценны. В данной работе мы подробно рассмотрим один из видов ориентирования - эхолокация. Объектом моего исследования является ориентирование по способу эхолокации, который мы рассматриваем на примере автономного устройства, созданного на базе Ардуино. Проблема же состоит в том удобен и эффективен ли он.
Целью данной работы стало: выявление плюсов и минусов ориентирования по принципу эхо локации.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Изучить суть явления.
2. Исследовать автономное устройство Ардуино.
3. Создание устройства.
4. Написание программы.
5. Тестирование в различных условиях.
6. Найти достойное применение.
Данная проблема не разрабатывалась в прошлом , но само явление эхо локации было рассмотрено Пьером Кюри в 1880 г., а применение её в жизни стало возможны благодаря Александру Бему в 1912 году. Он создал первый в мире эхолот.
Я предполагаю , что ориентирование по принципу эхо локации весьма эффективно и сможет помогать людям в опасных для жизни ситуациях.
Глава I. Эхолокация
Я бы хотел начать из далека, а именно с определения:
Эхолокация (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.
I.1. История
Эхолокация как явление в робототехнике и механике пришло из биологии. Её открытие связано с именем итальянского естествоиспытателя Ладзаро Спалланцани. Он обратил внимание на то, что летучие мыши свободно летают в абсолютно тёмной комнате, не задевая предметов. В своём опыте он ослепил несколько животных, однако и после этого они летали наравне со зрячими. 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.
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.
Об ультразвуке догадался в 1920 году англичанин Х. Хартридж, воспроизводивший опыты Спалланцани. Подтверждение этому нашлось в 1938 году благодаря биоакустику Д. Гриффину и физику Г. Пирсу. Гриффин предложил название эхолокация для именования способа ориентации летучих мышей при помощи ультразвука.
I.2. Принципы эхолокации
Эхолокация начинается с ультразвука, так узнаем же о нём побольше.
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.
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.
I.3. Способы применения
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.
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).
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.
В отличие от рентгеновских и ЯМР-томографов (а также первых «просветных» УЗ-приборов) современные приборы для УЗ-исследования органов (УЗИ) работают в таком же режиме, как и их аналоги в технической диагностике, т.е. обнаруживают границы раздела сред с различными акустическими характеристиками. Различие между свойствами мягких тканей не превышает 10%, и лишь костные ткани дают почти 100%-ное отражение. Таким образом, почти всё богатство информации, получаемой медицинскими УЗ-приборами, заключается в анализе этих слабых сигналов.
Одно из первых применений одномерной локации в медицине – УЗ-эхоэнцефалоскоп. Идея его проста: получают эхограммы внутричерепных структур при зондировании головы в височной области слева и справа. Появление внутричерепных повреждений (гематом, опухолей) приводит к нарушению симметрии эхограмм, и таких пациентов легко выделить и направить на более детальное и дорогостоящее обследование.
Применение ультразвука в кардиологии привело к развитию важной для УЗИ технологии – представления эхограммы в координатах глубина-время, когда амплитуда сигнала представляется уровнем серого. Это позволило начать систематические неинвазивные исследования движения внутренних структур сердца и крупных сосудов и получить новую важную физиологическую информацию. Например, было доказано, что поперечное сечение аорты не меняется, как предполагали раньше врачи.
Первые кардиологические приборы были одномерными, и для исследования различных структур приходилось поворачивать датчик под разными углами. Впоследствии удалось автоматизировать этот процесс, и современные УЗ-приборы стали эхотомографами, т.е. позволяют получать двумерные сечения исследуемой области организма и наблюдать за быстрым движением структурных элементов сердца – клапанов, перегородок. В случае же неподвижных структур всё гораздо проще. Первые УЗ-томограммы были получены, когда не было сложной электроники и компьютеров, правда, для этого приходилось погружать человека в ванну с водой и обходить с одномерным датчиком по кругу. Сейчас применяют методы интерференции колебаний от множества маленьких элементов, позволяющих управлять направлением УЗ-пучка. Такое УЗ-исследование (УЗИ) органов и тканей стало обычной процедурой, несопоставимо более дешёвой, чем другие виды томографии.
В то же время остались частные применения одномерной УЗ-локации. Одним из них является измерение толщины жировой подкожной прослойки, что позволяет оценивать показатель степени ожирения, например, BFI. Этот метод реализован в приборе Bodymetrix2000 – совместной российско-американской разработке, который сейчас применяется в салонах красоты и фитнес-клубах по всему миру.
Пожалуй, наиболее интересными из сложных современных приборов для УЗ-медицинской диагностики являются трёхмерные системы. В этих системах УЗ-пучок поворачивается в двух взаимно перпендикулярных направлениях, а принятые эхосигналы обрабатываются так, чтобы получить изображение сплошной поверхности объекта, находящегося внутри организма человека, будь то внутренний орган или эмбрион. Если сбор и обработка информации происходят достаточно быстро, то можно наблюдать за движением объекта в реальном масштабе времени, например, изучать поведение ещё не родившегося ребёнка, его реакции и т.п., Пожалуй, единственный вопрос здесь – обеспечение безопасности, т.е. поддержание интенсивности УЗ-излучения на уровне 50–100 мВт/см2.
