A. M. Reiman,
, IAP RAS, Nizhny Novgorod

Mitä ultraäänellä voi tehdä?

Johdanto ja tausta

Aloitetaan määritelmästä: ”Ultraääni (US) on elastisia värähtelyjä ja aaltoja, joiden taajuus ylittää 15–20 kHz. Ultraäänitaajuuksien yläraja johtuu elastisten aaltojen fyysisestä luonteesta ja saavuttaa 1 GHz:n. Tämän lyhyen määritelmän takana piilee valtava akustiikan maailma, joka hätkähtää erilaisilla fysikaalisilla ilmiöillä, teknisten ratkaisujen omaperäisyydellä ja mahdollisuudella "kuulla kuulumaton".

Kuten monet muutkin fysikaaliset ilmiöt, ultraääniaallot löytyvät sattumalta. Vuonna 1876 englantilainen fyysikko Frank galton, tutkiessaan äänen tuottamista erityismuotoiltujen pillien (Helmholtz-resonaattorit), jotka nyt kantavat hänen nimeään, hän havaitsi, että tietyissä kammion mitoissa ääni lakkaa kuulumasta. Voisi olettaa, että ääni ei yksinkertaisesti säteile, mutta Galton päätteli, että ääntä ei kuulu, koska sen taajuus tulee liian korkeaksi. Fyysisten näkökohtien lisäksi eläinten (ensisijaisesti koirien) reaktio tällaisen pillin käyttöön osoitti tätä johtopäätöstä.

Galton-pilli (Helmholtz-resonaattori)

Ilmeisesti on mahdollista lähettää ultraääntä pillien avulla, mutta ei kovin kätevää. Tilanne muuttui pietsosähköisen ilmiön löytämisen jälkeen Pierre Curie vuonna 1880, jolloin tuli mahdolliseksi lähettää ääntä puhaltamatta ilmavirtaa resonaattorin läpi, vaan kohdistamalla vaihtojännite pietsokyteen. Huolimatta riittävän kätevien ultraäänilähteiden ja -vastaanottimien ilmestymisestä (sama pietsosähköinen vaikutus mahdollistaa kuitenkin akustisten aaltojen energian muuntamisen sähköisiksi värähtelyiksi) ja fyysisen akustiikan valtavasta menestyksestä tieteenä, joka liittyy sellaisiin nimiin kuin William Strutt (Lord Rayleigh) Ultraääntä pidettiin pääasiassa tutkimuskohteena, mutta ei sovelluksena.

Metallin halkeaman ultraäänitomogrammi

Käden ultraäänitomografia

Seuraava askel otettiin vuonna 1912, kun vain kaksi kuukautta Titanicin uppoamisen jälkeen itävaltalainen insinööri Aleksanteri Bem loi maailman ensimmäisen kaikuluotaimen. Kuvittele kuinka historia voi muuttua! Siitä lähtien tähän päivään asti ultraääniluotain on pysynyt välttämättömänä työkaluna pinta- ja sukellusveneissä.

Toinen perustavanlaatuinen muutos ultraäänitekniikan kehityksessä tehtiin 1920-luvulla. XX vuosisata: Neuvostoliitossa suoritettiin ensimmäiset kokeet kiinteän metallin kuulostamisesta ultraäänellä vastaanotolla näytteen vastakkaisella reunalla, ja tallennustekniikka suunniteltiin siten, että oli mahdollista saada kaksiulotteisia varjokuvia halkeamia metallissa, kuten röntgensäteet (putki S.A. Sokolov). Näin alkoi ultraäänivirheiden havaitseminen, jonka avulla voit "nähdä näkymätön".

On selvää, että ultraäänen käyttöä ei voida rajoittaa teknisiin sovelluksiin. Vuonna 1925 erinomainen ranskalainen fyysikko Paul Langevin, osallistui laivaston varustamiseen kaikuluotaimilla, tutki ultraäänen kulkua ihmisen pehmytkudosten läpi ja ultraääniaaltojen vaikutusta ihmiskehoon. Sama S.A. Sokolov vuonna 1938 hän sai ensimmäiset tomogrammit ihmisen kädestä "valossa". Ja vuonna 1955 brittiläiset insinöörit Ian Donald ja Tom Brown rakensi maailman ensimmäisen ultraäänitomografin, jossa ihminen upotettiin vesihauteeseen ja ultraäänilähettimellä ja ultraäänivastaanottimella varustetun operaattorin täytyi kiertää tutkimuskohde ympyrässä. He olivat ensimmäiset, jotka sovelsivat kaikuelokaatioperiaatetta henkilöön, ja he eivät saaneet läpikuultavaa, vaan heijastavaa tomogrammia.

Seuraavat viisikymmentä vuotta (käytännössä tähän päivään asti) voidaan luonnehtia aikakaudeksi, jolloin ultraääni tunkeutuu kaikenlaisille teknisen ja lääketieteellisen diagnostiikan osa-alueille ja ultraääntä käytetään teknologisilla aloilla, jolloin sen avulla voidaan usein tehdä mitä luonnossa mahdotonta. Mutta siitä lisää.

Kaikulokaatio tekniikassa

Yksinkertaisin kaikulokaatiotyyppi on yksiulotteinen. Säteilevään elementtiin (generaattoriin) syötetään jännitepulssi, joka lähettää väliaineeseen lyhyen akustisen pulssin. Jos ääniaallon tiellä kohdataan este (rajapinta kerrosten välillä, joilla on erilaiset akustiset ominaisuudet, esimerkiksi metallisärö), osa signaalista heijastuu ja voidaan vastaanottaa anturilla, joka useimmiten sijoitetaan samassa paikassa kuin emitteri. Signaali muunnetaan sähköiseksi, vahvistetaan ja ilmestyy näytölle.

Yksiulotteisen ultraäänipaikantimen toimintaperiaatteesta

Mittaamalla vastaanotetun pulssin viiveaika suhteessa lähetettyyn τ:iin ja tuntemalla äänen nopeus väliaineessa c, voit määrittää etäisyyden L heijastimeen: L = cτ/2. On selvää, että todellisissa olosuhteissa on ryhdyttävä toimenpiteisiin sen varmistamiseksi, että luotain ei näytä heikkoja kohteita väärien hälytysten poissulkemiseksi. Tätä varten on olemassa menetelmiä havaitsemisherkkyyden vähimmäiskynnystason arvioimiseksi. Lisäksi on järkevää rajoittua tiettyyn mielenkiinnon alueeseen L, poissulkien siitä lähialueen, jossa on aina voimakkaita häiriöitä, ja kaukovyöhykkeen, jossa hyödyllinen signaali tulee amplitudiltaan vertailukelpoiseksi kohinan kanssa. Jos tähän lisätään vastaanotetun signaalin vahvistuksen ohjaus (ja se voidaan tehdä riippuvaiseksi etäisyydestä signaalin vaimennuksen kompensoimiseksi etäisyydellä), saadaan universaali kaikuluotain, jota voidaan käyttää pienin muutoksin ratkaisemaan monia teknisiä ja teknisiä ongelmia. lääketieteellinen diagnostiikka.

Ultraäänipaikantamisen edelläkävijät: F. Galton, A. Bem, S. A. Sokolov, T. Brown ja J.Donald

Kaikulokaatiotekniikassa voidaan erottaa useita suuria luokkia - tasomittarit, paksuusmittarit, kaikuluotaimet, virheilmaisimet. Ne eroavat pääasiassa vastaanotetun akustisen tiedon käyttöalgoritmeista, kun taas jokaisen perustana on edelleen edellä kuvattu yksiulotteinen luotain. Jos esimerkiksi asetat ultraäänisondin (joka sisältää lähettäviä ja vastaanottavia elementtejä) suljetun nestesäiliön pohjalle, voit mitata sen tason katsomatta säiliöön, joka saattaa sisältää myrkyllistä tai syttyvää ainetta. Jos emme tiedä tämän nesteen akustisia ominaisuuksia, voimme laittaa toisen, ns tuki, anturi tämän säiliön sivuseinässä ja määritä nesteen taso suhteessa pysty- ja vaakasuuntaisten signaalien viiveaikaan. Esimerkki tällaisesta pinnankorkeusmittarista on maakaasun hajuaineen (merkaptaanin) tasomittari säiliössä, joka on aina suljettu ja jopa maahan haudattu.

Ultraäänilaitteet: vasemmalle- ultraäänitason mittari; Yläoikea– Ultraäänivirheenilmaisin pienten osien ainetta rikkomattomaan testaukseen; pohjalla– Ultraääni paksuusmittari

Ultraäänipaksuusmittareita käytetään jatkuvatoimiseen levyn (teräs, lasi) paksuuden mittaamiseen tuotannon aikana sekä vain yhdeltä puolelta käsiksipäästävän esineen paksuuden mittaamiseen (esim. säiliön tai putken seinämän paksuus) . Tässä joudutaan usein käsittelemään hyvin pieniä viiveitä, joten mittaustarkkuuden parantamiseksi käytetään kaikuluotaimen silmukkaa: ensimmäinen vastaanotettu kaikusignaali käynnistää lähettimen välittömästi lähettämään seuraavaa pulssia jne., mutta ei viiveaikaa. mitataan, mutta käynnistystaajuus.

Kaikuluotaimia, joiden kehitys alkoi lähes sata vuotta sitten, käytetään nykyään monenlaisissa kohteissa pinta- ja vedenalaisista sotalaivoista vapaa-ajankalastajien puhallettaviin veneisiin. Tietokoneiden käyttö mahdollisti paitsi pohjaprofiilin näyttämisen kaikuluotaimen näytöllä, myös heijastavan kohteen tyypin (kala, ajopuu, liete jne.) tunnistamisen. Kaikuluotaimien avulla kootaan hyllyprofiilin karttoja, löydettiin päivittäisiä vaihteluita valtameren planktonkerroksen syvyydestä.

Kiskon ultraäänivianilmaisin ADS-02

Jyrkästi viallinen kisko katkossa

Kaikulokaation ehkä tärkein sovellus tekniikassa on rakenteiden (metalli, betoni, muovi) rikkomaton testaus mekaanisten kuormitusten aiheuttamien vikojen havaitsemiseksi niissä. Yksinkertaisimmassa tapauksessa vianilmaisin on kaikuluotain, jonka näytöllä näkyy kaiku. Siirtämällä ultraäänianturia tarkastetun tuotteen pinnan yli, on mahdollista havaita halkeamia. Tyypillisesti vianilmaisin on varustettu ultraääniantureilla, jotka mahdollistavat ultraäänen tuomisen materiaaliin eri kulmista, ja äänihälytyksellä, joka ilmoittaa, että heijastunut kaikusignaali ylittää kynnyksen.

Metallirakenteista tärkein ainetta rikkomattoman testauksen kohde on kiskot. Huolimatta automaation käyttöönoton merkittävästä edistymisestä, manuaalinen ohjaus on yleisin Venäjän rautateillä. Monikanavainen kaikuluotain on asennettu irrotettavaan vaunuun, jota käyttäjä työntää. Ultraäänianturit asennetaan kiskon kulutuspinnalla liukuviin suksiin. Akustisen kosketuksen varmistamiseksi vaunuun on asennettu kontaktinestesäiliöt (kesällä vesi, talvella alkoholi). Ja tuhannet kuljettajat kävelevät kaikkia rautateitä pitkin, työntäen kärryjä, lumessa ja sateessa, helteessä ja pakkasessa... Vaatimukset laitteiden suunnittelulle ovat korkeat - laitteiden tulee toimia lämpötila-alueella -40 - +50 °C , on pölyn- ja kosteudenkestävä, toimii akulla. Neuvostoliiton ensimmäiset kotimaiset raidevikailmaisimet loi 50 vuotta sitten prof. A.K. Gurvich Leningradissa. Tietotekniikan kehitys on mahdollistanut viimeisen vuosikymmenen aikana automatisoitujen virheilmaisimien luomisen, jotka mahdollistavat vian havaitsemisen lisäksi myös koko kulkureitin kaikukuvan tallentamisen tiedon katselua, tallentamista ja edelleen analysointia varten. keskuksia. Yhden näistä laitteista - ADS-02 - loi IAP RAS:n henkilökunta yhdessä Meduza-yrityksen kanssa, ja sitä tuottaa massatuotantona nimetty Nižni Novgorodin tehdas. M. Frunze. Tähän mennessä Venäjän rautateillä toimii yli 300 laitetta, jotka auttavat havaitsemaan useita tuhansia ns akuutit viat, joista jokainen voi aiheuttaa törmäyksen. Vuonna 2005 ADS-02 vianilmaisin voitti 1. sijan kansainvälisessä sulautettujen järjestelmien kehittäjien kilpailussa San Franciscossa (USA) nykyaikaisten tietokonetekniikoiden käytöstä.

Artikkeli valmistettiin MegaZaborin tuella. Jos päätät ostaa laadukkaan ja luotettavan aidan, joka kestää useita vuosia, paras ratkaisu olisi ottaa yhteyttä MegaZaboriin. MegaZabor-yritys harjoittaa eripituisten, -korkuisten ja suunnittelun monimutkaisten aitojen myyntiä ja asennusta ja on jo vakiinnuttanut asemansa laadukkaana palveluntarjoajana. Tarkemmat tiedot löytyvät verkkosivuilta www.Megazabor.Ru.

Aiheeseen liittyvä viesti:

"ECHO, ECHO ÄÄNI,

ECHOLOCATION"

Oppilaiden töitä 9. luokalla

Kosogorova Andrei

Koulu nro 8 MO RF

Sevastopol

KAIKU(muinaisen kreikkalaisen mytologian nymfi Echon puolesta), esteestä heijastuva aalto (akustinen, sähkömagneettinen jne.), jonka tarkkailija hyväksyy. Akustista kaikua voidaan havaita esimerkiksi silloin, kun ääniimpulssi (koputus, lyhyt staccato-huuto jne.) heijastuu voimakkaasti heijastavilta pinnoilta. Kaiku kuuluu, jos vastaanotettujen ja lähetettyjen pulssien välillä on aikaväli t 5= 50-60 ms. Kaiku muuttuu moninkertaiseksi, jos heijastavia pintoja on useita (rakennusryhmän lähellä, vuoristossa jne.), joiden ääni tulee havainnoijalle 50-60 ms:n t välein eroavina aikoina. harmoninen kaiku. tapahtuu, kun laajan taajuusspektrin ääntä hajottavat esteet, joiden mitat ovat pienet verrattuna spektrin muodostaviin aallonpituuksiin. Huoneessa yksittäiset lukuisat kaiut sulautuvat jatkuvaksi kaiuksi, jota kutsutaan kaikuksi. Kaiku voi toimia välineenä mittaamaan etäisyyttä signaalilähteestä heijastavaan kohteeseen: r = st/2, missä t on aikaväli signaalin lähettämisen ja kaiun paluu välillä ja c on nopeus aallon etenemisestä väliaineessa. Erilaiset kaikusovellukset perustuvat tähän periaatteeseen. Akustista kaikua käytetään kaikuluotaimessa sekä navigoinnissa, jossa kaikuluotaimilla mitataan pohjan syvyyttä. Sähkömagneettista kaikua käytetään tutkassa; ionosfääristä heijastuen mahdollistaa lyhytaaltoisen radioviestinnän toteuttamisen pitkien etäisyyksien päähän ja ionosfäärin ominaisuuksien arvioinnin. Kaikuaaltoperiaatetta aletaan soveltaa kvanttioptisen generaattorin tuottamien sähkömagneettisten aaltojen optisella alueella. Maankuoressa etenevät elastiset aallot, jotka heijastuvat eri kivikerroksista, muodostavat seismisen kaiun, jota käytetään mineraaliesiintymien etsimiseen. Echon avulla mitataan porausreikien syvyyttä (kaivojen "ekometria"), nestepinnan korkeutta säiliöissä (ultraäänipainemittarit). Kaikumenetelmiä käytetään laajalti ultraäänivirheiden havaitsemisessa. akustinen kaiku. Joillekin eläimille (lepakot, delfiinit, valaat jne.) se toimii välineenä suuntautumiseen ja saaliin etsimiseen (katso Äänen sijainti).

ECHOLOKATION(kaikusta ja lat. locatio - sijoittelusta) eläimissä heijastuneiden, yleensä korkeataajuisten äänisignaalien säteily ja havaitseminen avaruudessa olevien esineiden havaitsemiseksi sekä tiedon saamiseksi paikantavien kohteiden ominaisuuksista ja koosta ( saalista tai esteitä). Kaiku on yksi tapa, jolla eläimet suuntautuvat avaruudessa. Kaiku kehittyy lepakoissa ja delfiineissä, tavallisissa räsissä, useissa hyljelajeissa, linnuissa (salanganissa ja joissakin muissa). Delfiineissä ja lepakoissa kaiku perustuu ultraäänipulssien lähettämiseen taajuudella 130-200 kHz, signaalin kesto yleensä 0,2-4-5 ms, joskus enemmän. Kaiun avulla delfiinit, jopa silmät kiinni, voivat löytää ruokaa paitsi päivällä, myös yöllä, määrittää pohjan syvyyden, rannikon läheisyyden ja vedenalaiset esineet. Ihminen näkee kaikuimpulssinsa ruosteisten saranoiden päälle käynnistyvän oven narinana. Vielä ei ole selvitetty, onko kaikulokaatio ominaista paalivalaille, jotka lähettävät signaaleja vain muutaman kilohertsin taajuudella.

Delfiinit lähettävät ääniaaltoja tiettyyn suuntaan. Leuassa ja etuleukaluissa makaava rasvatyyny sekä kallon kovera etupinta toimivat äänilinssinä ja heijastimena: ne keskittävät ilmapussien lähettämät signaalit ja ohjaavat ne äänisäteen muodossa olevaan esineeseen. .

Pimeissä luolissa (guajaro ja salangaanit) elävillä linnuilla sitä käytetään pimeässä suuntautumiseen; ne lähettävät matalataajuisia 7-4 kHz:n signaaleja. Delfiineissä ja lepakoissa yleisen suuntauksen lisäksi kaiku auttaa määrittämään kohteen tilat, sijainnin, koon ja joissain tapauksissa tunnistamaan kohteen ulkonäön. Yllä mainituilla nisäkkäillä se toimii usein tärkeänä keinona löytää ja hankkia ruokaa esineitä.

Lit .: Airapetyants E. Sh., Konstantinov A. I., Echolocation in nature, 2. painos, L., 1974. G. N. Simkin. ECHOLOKATION, yksi äänen paikannusmenetelmistä, jossa etäisyys kohteeseen määräytyy kaikusignaalin paluuajan perusteella.

Kaikuluotain(kaiusta ja erästä), navigointilaite, joka mittaa automaattisesti vesistöjen syvyyden hydroakustisten kaikusignaalien avulla. Yleensä aluksen pohjalle asennetaan tärytin, johon generaattorista syötetään ajoittain sähköimpulsseja, jotka se muuntaa akustisiksi, jotka etenevät pystysuunnassa alaspäin rajoitetussa avaruuskulmassa. Pohjasta heijastuvan akustisen impulssin vastaanottaa sama vibraattori, joka muuttaa sen sähköiseksi. Vahvistuksen jälkeen pulssi tulee syvyysindikaattoriin, joka ilmaisee ajan (sekunteina) pulssin lähetyshetkestä hetkeen, jolloin kaiku palaa pohjasta ja muuntaa sen visuaalisiksi osoitteiksi tai syvyystietueeksi h = st/ 2 metriä, jossa äänen nopeus on c = 1500 m/s. Pulssin kesto on 0,05 - 20 ms ja täyttötaajuus 10 - 200 kHz. Lyhyitä kestoja ja korkeita taajuuksia käytetään matalissa syvyyksissä, pitkiä kestoja ja matalia taajuuksia suurissa syvyyksissä. Tärytin voi olla magnetostriktiivinen tai pietsokeraaminen muunnin. Syvyysindikaattoreina käytetään vilkkuvia osoittimia, joissa pyörivä neonvalo vilkkuu kaikusignaalin vastaanottohetkellä; osoitin-, elektronisuihku- ja digitaaliset indikaattorit sekä tallentimet, jotka tallentavat mitattuja syvyyksiä liikkuvalle paperinauhalle sähkötermisellä tai sähkökemiallisella menetelmällä. Kaikuluotaimia valmistetaan eri syvyysväleille, 0,1-12 000 m, ja ne toimivat jopa 30 solmun (55 km/h) ja sitä suuremmilla nopeuksilla. Luotainvirhe 1 prosentista prosentin sadasosaan. Kaikuluotainta käytetään myös kalaparvien, sukellusveneiden etsimiseen, äänen sirontakerrosten tutkimiseen, maaperän tyypin määrittämiseen, pohjasedimenttien kerrostukseen ja muihin hydroakustisiin mittauksiin. Vuonna 1958 Maailman valtameren suurin syvyys (11 022 m) Tyynen valtameren länsiosassa sijaitsevassa Mariinskin syvennyksessä havaittiin ja mitattiin tarkasti Neuvostoliiton Vityaz-aluksen kaikuluotaimella. Kaikuluotaimen ideaan tulivat monet ihmiset itsenäisesti ja lähes samanaikaisesti: saksalainen insinööri A. Bem Danzigista (Gdansk), amerikkalainen insinööri R. A. Fessenden, ranskalainen fyysikko P. Langevin ja insinööri Konstantin Vasilyevich Shilovsky (1880-1952) Ryazan, joka työskenteli Ranskassa. Langevin ja Shilovsky loivat myös ensimmäisen luotain

Katso Hydroakustiikka.

Lit .: Fedorov I. I., Navigointikaikuluotaimet, M.-L., 1948; hänen, Kaikuluotaimet ja muut hydroakustiset keinot, L., 1960; Tolmachev D., Fedorov I., Navigointikaikuluotaimet, "Tekniikka ja aseet", 1977, nro 1. I.I. Fedorov.

ECHOENCEPHALOGRAFIA(kaikusta ja enkefalografiasta), ultraäänenkefalografia, menetelmä aivojen tutkimiseksi ultraäänellä. Se perustuu ultraäänen ominaisuuteen heijastua eri tiheydellä olevien välineiden (aivojen rakenteellisten muodostumien) rajoista. Pääasiallinen diagnostinen kriteeri (ruotsalaisen lääkäri L. Lexellin ehdottama vuosina 1955-56) on mediaanikaiun tai M-kaiun (M - myöhäislatinasta te-dialis - mediaani) poikkeama, joka on ultraäänen heijastus. aivojen mediaanirakenteista (käpyrauhanen, 3 kammio, septum pellucidum, puolipallojen välinen halkeama). Normaalisti M-kaiku, joka on tallennettu huippuna ultraäänen enkefalogrammiin, osuu pään keskiviivaan. Kallonsisäisen kasvaimen, verenvuodon, paiseen ja muiden patologisten muodostumien läsnä ollessa M-kaiku siirtyy kohti tervettä pallonpuoliskoa (katso kuva). Muita diagnostisia kriteerejä on myös ehdotettu: etäisyyden lisääntyminen kaikusignaalien välillä kolmannen kammion sivuseinistä vesipäässä; tuloksena olevan M-kaiun siirtymän suhteellisen nopea normalisoituminen kaulavaltimon akuutissa tukkeutumisessa jne. ECHOENCEPHALOGRAFIASSA käytetään erityisiä ultraäänenkefalografeja, jotka muuttavat heijastuneet ultraäänisignaalit sähköimpulsseiksi. Nämä pulssit näytetään graafisesti laitteen näytöllä ja valokuvataan.

Lit.: Clinical echoencephalography, M., 1973; L e ks e 1 1 L., Echo-encephalog" raphy. Päävamman jälkeisten kallonsisäisten komplikaatioiden havaitseminen, "Acta chirurgica scan" dinavica, 1956, v. 110, S. 301-315.

V. E. Grechko.

KAIKU, sävellys- ja esitystekniikka, joka perustuu muusojen toistoon. vähemmän sointuisia lauseita samoilla tai muilla äänillä, instrumenteilla.

Sitä käytetään pääasiassa kuoro-, ooppera-, orkesteri- ja kamarimusiikissa. Kaikutekniikan käytön perusteella syntyy joskus kokonaisia ​​musiikkinäytelmiä, esimerkiksi O. Lasson "Kaiku" kuorolle ja samanniminen näytelmä. J. S. Bachin "ranskalaisesta alkusoitosta" cembalolle. Kaikunimi on myös yksi urkujen rekistereistä.

Lit.: R e l e ja J., Ääniteoria, käännös. englannista, 2. painos, osa 2, M., 1955; Gr ja f f ja n D., Kaiku ihmisten ja eläinten elämässä, käänn. Englannista, M., 1961.

EcholocationKaikulokaatio (kaiku ja lat. locatio -
"sijainti") - tapa, jonka avulla
jossa kohteen sijainti määräytyy
palautusviiveellä
heijastunut aalto. Jos aallot ovat
ääni, tämä on äänen sijainti, jos radio
-tutka.

Kaikulokaatio

Kaikulokaation löytö liittyy nimeen
Italialainen luonnontieteilijä Lazzaro
Spallanzani. Hän kiinnitti huomion
että lepakot voivat lentää vapaasti
täysin pimeä huone (missä
avuttomia jopa pöllöt) vahingoittamatta
kohteita. Kokemuksensa mukaan hän sokaisi
useat eläimet kuitenkin sen jälkeen
he lensivät näkevien kanssa.

Kaikulokaatio

Spallanzanin kollega J.
Zhurin suoritti toisen kokeen,
jossa hän peitti vahalla
lepakoiden korvat ja
eläimet törmäsivät kaikkeen
kohteita. Täältä tutkijat
päätteli, että epävakaa
hiiriä ohjataan
kuulo. Tämä ajatus kuitenkin oli
aikalaisten nauramana
koska ei sen enempää
oli mahdotonta sanoa
lyhyt ultraääni
signaaleja oli vielä tuolloin
mahdotonta
korjata.

Kaikulokaatio

Ensimmäistä kertaa ajatus aktiivisesta soundista
sijainti lepakoissa on ilmaistu
1912, kirjoittanut H. Maxim. Hän oletti sen
lepakot luovat matalan taajuuden
siipien räpyttely kaikulokaatiosignaalit
taajuudella 15 Hz.

Kaikulokaatio eläimissä

Eläimet käyttävät kaikulokaatiota
suuntautuminen avaruudessa ja varten
kohteen sijainti
ympärillä, pääasiassa läpi
korkeataajuisia äänisignaaleja.
Eniten kehittynyt lepakoissa ja
delfiinejä, sitä käytetään myös
rässiä, useita hylkeitä,
linnut (guajaro, salangaanit jne.).

Kaikulokaatio ihmisissä

Et voi navigoida vain äänien perusteella
lepakoita ja delfiinejä, mutta myös joitain ihmisiä.
Kaikulokaatio löydettiin ihmisistä kauan sitten - vuonna
1950-luku Ihmiset käyttävät sitä yleensä
sokea melkein syntymästä asti. Suurin osa
kuuluisa esimerkki mieslepakosta on
Daniel Kish. Näkö menetetty syövän takia
Retina, hän on vielä pieni poika
tajusi voivansa määrittää korkeuden mihin asti
kiipeää puunrunkoon ja kuuntelee äänien kaikua
napsautuksia, joita se tekee kielen avulla.
Nyt hän tietää, kuinka pitkälle ei vain kiivetä
puita, mutta myös esimerkiksi ratsastaa
polkupyörällä samalla tekniikalla
"ihmisen kaikuelokaatio".

Kaikulokaatio tekniikassa

Kaikulokaatiota käytetään myös tekniikassa.
Kaikulokaatiotekniikassa useita suuria
luokat - tasomittarit, paksuusmittarit, kaikuluotaimet, virheilmaisimet.
Kaikulokaatioon perustuvat ihmiset luovat mittauslaitteita
maakaasun hajusteen taso, paksuusmittarit että
käytetään jatkuvaan levypaksuuden mittaukseen ja
paljon muita.

• Lue: Eläinten viestintä ja kieli
• Lue lisää: Huhu. kuuloanalysaattori

Kaikulokaation olemus

Sana "sijainti" tarkoittaa kohteiden sijainnin määrittämistä, niiden koordinaattien ja liikeparametrien mittaamista. Villieläimissä käytetään erilaisia ​​paikannusmuotoja ja -menetelmiä. Ihmisillä ja useimmilla eläimillä ympäröivien esineiden sijainnin määrittäminen tapahtuu pääasiassa visuaalisten ja kuuloisten kauko-analysaattorijärjestelmien ansiosta, ja nämä järjestelmät on joissakin eläimissä saatettu toiminnallisesti korkeimpaan täydellisyyteen. Riittää, kun muistaa vuorokausien petolintujen poikkeuksellisen näöntarkkuuden tai pöllöjen petolintujen äänisuunnan löytämisen tarkkuuden.

Jotkut eläimet käyttävät myös muun tyyppistä tietoa ympäristön esineiden havaitsemiseen. Esimerkiksi syvänmeren kalmareilla on tavallisten näköelinten lisäksi erityiset reseptorit, jotka pystyvät sieppaamaan infrapunasäteitä, ja kalkkarokäärmeen omituiset elimet - "termolokaattorit" - etsivät saalista, havaitsemalla niiden lämpösäteilyn. eläviä olentoja ja reagoivat asteen tuhannesosan lämpötilaeroon.

Annetut esimerkit ovat monimuotoisuudestaan ​​huolimatta erilaisia ​​muunnelmia ns. passiivisesta sijainnista, jolloin kohteet havaitaan vain vastaanottamalla niiden itse suoraan säteilemää tai uudelleen emittoimaa energiaa.

Suhteellisen äskettäin näytti siltä, ​​että etähavainnoinnin enemmän tai vähemmän herkät elimet passiivisen paikantamisen keinoina rajoittivat villieläinten mahdollisuuksia.

Aivan 1900-luvun alussa. ihmiskunnalla oli oikeus olla ylpeä siitä, että se loi pohjimmiltaan uuden, aktiivisen paikannusmenetelmän, jossa aiemmin näkymätön kohde säteilytetään sähkömagneettisen tai ultraäänienergian virralla ja havaitaan samalla energialla, mutta jo heijastuneena kohde. Radio- ja kaikuluotainasemat - nämä aktiiviset paikannuslaitteet - ovat korvanneet erilaisia ​​"kuuleja" - passiivisia ilmaisulaitteita - ja ovat nyt saaneet valtavasti kehitystä taloudellisten, sotilaallisten ja avaruusongelmien ratkaisemisessa. Samalla ei ole epäilystäkään siitä, että tutkan periaatteet saivat biologit ratkaisemaan joidenkin eläinten spatiaalisen orientaation muotojen ongelman, jota ei voitu selittää tunnettujen etätoimintaanalysaattoreiden toimivuudella.

Uusien elektronisten laitteiden avulla tehdyn huolellisen tutkimuksen tuloksena pystyttiin toteamaan, että monet eläimet käyttävät aktiivisia paikannusmenetelmiä, joissa käytetään kahta energiatyyppiä - akustista ja sähköistä. Sähköistä sijaintia käyttävät eräät trooppiset kalat, kuten merimirus eli vesinorsu, kun taas aktiivista akustista sijaintia on löydetty useilta maa- ja vesiselkärankaisten edustajilta evoluutiokehityksen eri tasoilla.

Akustinen sijainti toimii keinona havaita esineitä tietyssä ympäristössä etenevien ääniaaltojen vuoksi.

Analogisesti tutkan kanssa erotetaan kaksi akustisen sijainnin muotoa: passiivinen, jolloin havaitseminen suoritetaan vain vastaanottamalla energiaa, jonka tutkittavat kohteet itse lähettävät tai lähettävät uudelleen, ja to-t ja in nu yu, in jonka kohteen analyysi perustuu sen äänisignaalien alustavaan säteilytykseen, jonka jälkeen havaitaan sama, mutta siitä jo heijastuva energia. Ensimmäistä akustisen sijainnin muotoa on pitkään kutsuttu kuuloksi tai kuulohavainnoksi, ja kuuloanalysaattori vastaanottaa äänivärähtelyjä.

Toista muotoa, eli aktiivista akustista sijaintia, kutsui yhdysvaltalainen tiedemies D. Griffin, joka löysi sen ensimmäisenä lepakoista, kaikupaikaksi. Ajan mittaan termeistä "kaikulokaatio", "akustinen sijainti" ja "akustinen suuntautuminen" on tullut jossain määrin synonyymejä, ja niitä käytetään laajalti biologisessa kirjallisuudessa kuvaamaan aktiivista sijaintimuotoa eläimissä. Totta, viime vuosina on yritetty käyttää termejä "akustinen sijainti", "passiivinen sijainti" viittaamaan pöllön kuulojärjestelmän toimintoihin, jotka yömetsästyksen aikana paikantavat suurella tarkkuudella saaliinsa sijainnin korvalla. (Iljitšev, 1970; Payne, 1971). Tällä halutaan korostaa kuulon valtavaa roolia pöllöjen ruokintakäyttäytymisessä ja verrata näiden lintujen suuntautumistapoja lepakoiden omiin, vaikka tämä vertailu ei pidä paikkaansa, koska jälkimmäiset ovat nousseet seuraavaan, laadullisesti uusi akustisen sijainnin taso, jossa käytetään aktiivista avaruutta tutkivan omia akustisia signaaleja. Ennen kuin siirrymme kaikulokaation ominaisuuksiin, pysähdytään lyhyesti akustiikan alan peruskäsitteisiin ja määritelmiin, joita tarvitaan kuuloreseptorilaitteen fyysisten ärsykkeiden ymmärtämiseen.

E.Sh.AIRAPETYANTS A.I.KONSTANTINOV. KAIKULUONTOA. Kustantaja "NAUKA", LENINGRAD, 1974

Ne, jotka tuomitsevat kaikki kalat hiljaisuuteen ja kuurouteen, tietävät hyvin vähän kalojen luonteesta. - Claudius Elian

Lintujen ja eläinten äänistä ei tarvitse puhua: jokainen ihminen on kuullut ne monta kertaa, joskus ilolla, joskus ahdistuneena. Jo 1200-luvun ornitologin ja eläintieteilijän F. Hohenstaufenin työ sisälsi mielenkiintoista tietoa joidenkin lintujen kuulojärjestelmän rakenteesta. Haluamme vain huomauttaa, että nykyään lintujen ääniä käytetään joskus käytännön tarkoituksiin. Joten estääkseen lintujen törmäyksen lentokoneisiin (joille tällaiset törmäykset voivat olla kohtalokkaita) he lähettävät voimakkaan kaiuttimen kautta tallenteita lintujen itsensä kauhuhuudoista, ja nämä huudot pelottelevat linnut pois lentokoneen reitiltä . Kokemus samojen lintujen äänien nauhoittamisesta tunnetaan hyönteislaumojen karkottamiseksi viljelykasvilta tai puutarhoilta.

Aivan toinen asia - meren asukkaiden äänet. Tietenkin muinaisen roomalaisen kirjailijan Elianin huomautus heidän ääniviestinnän mahdollisuudesta unohtui, ja jopa suuri akvanautti Jacques-Yves Cousteau, joka ei siihen asti ollut kiinnostunut vedenalaisesta akustiikkasta, kutsui yhdeksi ensimmäisistä syvyyksistä kertovista kirjoistaan. valtameren "Hiljaisuuden maailma" (myöhemmin hän kuitenkin käytti jo määritelmää "Maailma ilman aurinkoa"). Herkät hydrofonit ja kehittyneet äänianalysointilaitteet ovat mahdollistaneet meidän aikanamme meren bioakustiikan saavuttaa vastineensa ilma- ja maaeläimistön akustiikassa lyhyessä ajassa.

Nyt kysymys esitetään toisin: onko monia vedenalaisen eläimistön edustajia, jotka eivät turvaudu ääniviestintään, koska ääni etenee vedessä paljon paremmin kuin sähkömagneettiset aallot.

Vedenalaisten elävien olentojen lähettämien äänisignaalien luonnetta ja tarkoitusta on tutkittu. Yleensä niillä on sama alkuperä ja tarkoitus kuin maanpäällisillä elävillä olentoilla: ne ovat kutsun, aggression ("taisteluhuuto"), puolustussignaaleja. Kutuaikana kalojen ääniaktiivisuus lisääntyy. Esimerkiksi Azov goby esittää kokonaisia ​​kutemiskappaleita. Kutuäänet muistuttavat kaarinaa, kiljumista, narinaa; ne aktivoivat naaraat, jotka alkavat liikkua kohti äänen lähdettä.

Sammakkoeläimissä tällainen monimutkainen signaali on tunnistettu naaraan signaaliksi, joka kutee ja varoittaa urosta hukkaamasta biologien sanoin "lisääntymispotentiaalia". Kuten näette, järkevä viestintä edistää tässä tapauksessa viisaan luonnonlain täytäntöönpanoa kunkin biologisen lajin suojelusta.

Tiettyä biologista tietoa kuljettavat joidenkin kalojen liikkeen äänet; syödessäsi kuuluu vedenalaisia ​​ääniä, jotka liittyvät ruoan sieppaamiseen ja jauhamiseen. Neuvostoliitossa on julkaistu laajat kartastot vedenalaisen maailman eri asukkaiden äänistä.

Tutkijoilta kesti melko kauan määrittää kuuloelimen (tai elinryhmän) luonne ja sijainti kaloissa. Äänireseptorit sijaitsevat yleensä kalan päässä, mutta joissakin kaloissa (kuten turskassa) kuuloaisti on mahdollista kehon niin sanotun lateraalisen linjan avulla. Kuinka samanlaisia ​​ihmisen 1930-luvulla laivan kyljeille kehittämät melun suunnanhakuvastaanottimien järjestelmät ovat kalojen lateraalisen reseptorilinjan kanssa!

On löydetty kahdenlaisia ​​kuulokojeita: kuulokojeet, jotka eivät liity uimarakkoon, ja kuulolaitteet, joissa on uimarakko. Kupla toimii kuin resonaattori, ja tyypin 2 kuulokojeilla varustettujen kalojen kuulo on herkempi.
Ihmisen kuulon herkkyys eri taajuuksilla määritetään yksinkertaisesti. Tietyn taajuuden äänen voimakkuus kasvaa hitaasti. Tietyllä intensiteetillä henkilö sanoo: "Kuulen." Kuulon kynnysherkkyys tällä taajuudella määritetään. Ja miten kala ilmoittaa kuulevansa tämän äänen? Amerikkalaiset tutkijat, jotka tutkivat vedenalaista ääntä, määrittelivät hetken, jolloin hai alkoi havaita ääntä sydänlihaksensa reaktiolla. Maksimi oli hain kuulon herkkyys taajuusalueella 20-160 hertsiä, ja on mielenkiintoista, että hain väliaineen hiukkasten äänenpaineen, värähtelysiirtymän ja värähtelynopeuden kuulokynnykset vaihtelivat paljon suuremmiksi. laajemmin kuin ihmisillä.

Valtava määrä teoksia on omistettu delfiinien äänisignaaleille. Nämä signaalit ovat erityisen monipuolisia ja täydellisiä. Jotkut tutkijat näkevät yhtäläisyyksiä delfiinisignaalien ja muinaisten ihmiskielten välillä. Delfiinien ilmiömäinen kyky onomatopoeiaan. Tässä suhteessa on odotettavissa, että jonakin päivänä alkaa tietoinen vuoropuhelu delfiinin ja ihmisen välillä.

Eri merien tappajavalaat ja delfiinit voivat ilmeisesti ymmärtää toisiaan tavalla tai toisella, kuten tällainen kokeilu osoittaa. Kaksi miekkavalaa, jotka olivat siihen asti hiljaisia, saivat mahdollisuuden puhua puhelimessa kokonaisen tunnin ajan (hydrofonit tietysti toimivat äänen vastaanottimina ja lähettäjinä). Toinen miekkavalaista oli akvaariossa Washingtonin osavaltiossa ja toinen Vancouverissa (Kanada). Tutkijat totesivat, että keskustelu oli erittäin vilkasta.

Hylkeillä ei ole vain korkea kyky jäljitellä ääntä, vaan myös korva musiikille. Ryhmä kokeellisia hylkeitä lauloi osan Hebridien asukkaiden kansanlaulusta. Yksi sinetistä toisti melodian selkeästi vastakkain.
Meren elävien äänien tutkimista helpotti suuresti erilaisten vedenalaisten ajoneuvojen laaja käyttö. Maassamme perustuksen loi sotilaskautensa palvellut Severyanka-sukellusvene, joka muutettiin sitten syvänmeren tutkimukseen. Veneen miehistön yllätys oli suuri, kun he silakkaparveen joutuessaan huomasivat, että tämä pieni kala pystyy pitämään melko voimakkaita korkeita ääniä!

Uudet sukelluskoneet - hinattavat, autonomiset - sukeltavat syvyyksiin, joihin edellisen sukupolven sukellusvene ei pääse. Ja täällä hydronautit löytävät muun muassa uusia akustisia ilmiöitä.
Kirjoittaja on pitkään halunnut puhua tästä M. I. Girsin kanssa, jolla on maassamme eniten syvänmeren sukelluksia erilaisilla ajoneuvoilla ja jota toimittajat kutsuvat "hydronautiksi nro 1". Mutta kuinka nähdä hänet, jos Kanariansaarilla, joissa sukellusolosuhteet ovat erityisen kätevät, hän tapahtuu ehkä useammin kuin kotona, Vasiljevskin saarella?

Tapaaminen tapahtui. Aluksi he muistivat, kuinka seitsemänvuotias Misha Girs hallitsi pikaluistelutaidon Kulttuuri- ja lepokeskuksen luistinradalla. Näyttää siltä, ​​että se oli aivan äskettäin, mutta nyt M. I. Girs on kapteeni-mentori, joka on hallinnut vesivoimatekniikan täydellisesti, opettanut syvänmeren sukellusta ensin itselleen (koska meillä ei ollut tämän alan asiantuntijoita) ja sitten monet muut asiantuntijat - vesinautit. Hän teki kymmeniä erilaisia, joskus vaarallisia sukelluksia Mustalla ja Välimerellä, Atlantin valtamerellä

Keskustelu koski vain yhtä asiaa - akustisen tekniikan käyttöä sukelluksessa ja tutkimuksessa.
- Tietysti sen rooli on erittäin suuri, - sanoi Gears - Kalaparvien alkuperäpaikat, niiden vaellustavat voidaan määrittää. Vaikka hydrofonijärjestelmät ovat vedenalaisten ajoneuvojen suhteellisen pienen siirtymän vuoksi vähemmän täydellisiä kuin laivojen äänen suuntamittarit, herkät hydrofonit poimivat silti helposti meren elämisen äänet. Miekkavalaiden äänet ovat hyvin tyypillisiä, niitä ei voi sekoittaa mihinkään.
Meren asukkaiden äänistä puhuttaessa meillä on toistaiseksi ollut mielessä ennen kaikkea käytännöllinen tavoite - mahdollisuus niiden havaitsemiseen ja pyydystämiseen. Mutta on toinenkin näkökohta, joka ei enää liity käytäntöön, vaan pikemminkin psykologiaan. Kuvittele hetkeksi metsää ilman lintujen laulua. Se on vaikeaa, surullista ihmiselle sellaisessa kuolleessa metsässä. Voidaan ymmärtää, miksi sukeltajat, jotka ovat vapaita pitkillä autonomisilla matkoilla pintaan menemättä, yhtäkkiä ryntäävät hydroakustisen hytin ympärille, pyytävät häntä kuuntelemaan ainakin vähän, mitä yli laidan tapahtuu. Merimiehet iloitsevat miekkavalaiden huudoista aivan kuten he iloitsevat lintujen laulusta metsässä, pellolla, puutarhassa.
Ja mitä lähempänä ihminen on hydrokosmoksen ikää, mitä syvemmällä meren horisontissa hän asuu, sitä enemmän hän arvostaa meren elämän ääniä, jotka rikkovat mustan meren syvyyksien pahaenteisen hiljaisuuden.

Nyt on aika puhua monimutkaisemmista äänisignaaleista eläinmaailmassa, signaaleista, jotka liittyvät heijastuneiden kaikujen vastaanottamiseen. Täällä pintaeläimistöä tutkivat ornitologit ja eläintieteilijät ovat luonnollisista syistä ohittaneet meren bioakustiikan. On jo pitkään osoitettu, että lepakot käyttävät kaikupaikannuslaitetta etsiäkseen ruokaa iltaisin. Myöhemmin määritettiin eri lepakoiden - hevosenkenkälepakoiden, pitkäsiipisten, pitkäsiipisten, lepakkakokkien - sijaintisignaalien kvantitatiiviset ominaisuudet. Jälkimmäisillä on korkein signaalin täyttötaajuus, se saavuttaa 160 kilohertsiä, eli lähes kymmenen kertaa korkeampi kuin ihmiskorvan kuuluvuusalueen ylärajataajuus. Tällä taajuudella ääniaallon pituus ilmassa ei ylitä 2 millimetriä, joten lepakko pystyy havaitsemaan hyvin pienikokoisia hyönteisiä.
Ihaillessaan aktiivisen kaikuluotaimen kehittynyttä laitetta, entomologit eivät pitkään aikaan kiinnittäneet huomiota siihen, että lepakoiden metsästämien perhosten ruumiit ovat peitetty karvalla. Kävi ilmi, että tämä hiusraja absorboi jossain määrin metsästyslepakoiden korkeataajuisia ultraäänisignaaleja, ja jälkimmäisten on vaikeampi havaita saalistaan.

Edelleen lisää. Äskettäin on havaittu, että on olemassa perhoslajeja, jotka voivat lähettää signaaleja samalla taajuudella kuin etsivät lepakot. Perhoset lyövät takaa-ajansa häiriöillään. Kuinka olla muistamatta radio- ja luotainasemien aktiivisia häiriöjärjestelmiä. Mies oli varma prioriteetistaan ​​lentokoneiden ja laivojen aktiivisen radio- ja luotainsuojauksen alalla, mutta luonto pienten perhosten edessä oli häntä edellä!

Joillakin muilla linnuilla - swifts, salangans, salaperäinen guajaro (Etelä-Amerikan yöpurkki) on myös kyky kaikupaikannus. Heidän eläintarhanpaikannuslaitteistonsa ei ole yhtä täydellinen kuin lepakoiden, mutta mahdollistaa silti niiden navigoinnin avaruudessa. Swifteille tämä on tärkeää suuren lentonopeuden vuoksi ja luolissa asuvalle guajarolle, koska ikuisessa pimeydessä liikkuminen on vaikeaa.

Ja lopuksi delfiinit. "Elävän kaiun sijainnin" näkökulmasta tämä on epäilemättä luonnon kruunu. Ne pystyvät "automaattisesti" lyhentämään signaalien (pakettien) kestoa ja signaalien välisiä aikavälejä lähestyessään kohdetta, mikä edistää tarkkaa kohdistusta. Rasvatyyny ja vastaavan muotoinen syvennys pään etuosassa muodostavat linssin - säteilevän äänienergian keskittimen, ja sektori, jossa äänisignaaleja lähetetään ja vastaanotetaan, voi muuttua. Signaalin taajuusmodulaatio mahdollistaa delfiinin "virittymisen häiriöistä" ja helpottaa heijastavan kohteen ominaisuuksien tunnistamista.
Delfiinit voivat käyttää kaikulokaatiota arvioidakseen heijastavan kappaleen muotoa, sen mittoja (usean millimetrin tarkkuudella) ja äänen heijastusastetta siitä. Niiden paikannin on monikäyttöinen, eli jos delfiinin sijaintikentässä on useita heijastavia esineitä, niin ne kaikki ovat kiinteitä. Jotkut tutkijat pitävät delfiinin ansioksi kyvyn skannata avaruutta äänisäteellä, toisin sanoen lukea rivi riviltä kaiun sijaintikuviota melko pitkän matkan päässä.

Epäilemättä on myös kaloja, joilla on eläinpaikannuskyky, ja vain syväkalastuksen tekniikan epätäydellisyys ei vielä mahdollista niiden havaitsemista. Mutta tieteellisessä lehdistössä oli viesti kultakarvaisen pingviinin kaikupaikannussignaaleista, joka, kuten delfiinit, käyttää niitä ruoan etsimiseen.

Muutama vuosikymmen sitten bioakustiikka oli kuin erillisten tiedon saarien saaristo. Nyt siitä on kehittynyt monimutkainen, teknisesti edistynyt biologian ja bioniikan ala. Lintujen, eläinten ja kalojen äänien lisätutkimus vahvistaa ihmisen kunnioitusta "pieniä simiä" kohtaan ja auttaa säilyttämään villieläinten maailman.

Novellimme äänimaailmasta on päättynyt. Ehkä jokainen lukija ei täysin herätä ihailua kaikesta, mikä tässä maailmassa on yllätyksen arvoista. Mutta epäilemättä kukaan ei kieltäydy akustiikasta sen monissa ilmenemismuodoissa ja laajoissa käyttömahdollisuuksissa. Ja tämä on jo tae tämän tieteen ja teknologian alan kiinnostuksen kehittymiselle.