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

Ce poate face ultrasunetele?

Introducere și context

Să începem cu definiția: „Ultrasunetele (US) sunt vibrații elastice și unde a căror frecvență depășește 15–20 kHz. Limita superioară a frecvențelor ultrasonice se datorează naturii fizice a undelor elastice și atinge 1 GHz. În spatele acestei scurte definiții se află o lume uriașă a acusticii, izbitoare cu o varietate de fenomene fizice, originalitatea soluțiilor tehnice și însăși posibilitatea de a „a auzi inaudibilul”.

Ca multe alte fenomene fizice, undele ultrasonice își datorează descoperirea întâmplării. În 1876 un fizician englez Frank Galton, studiind generarea sunetului prin fluiere de design special (rezonatoarele Helmholtz), care acum îi poartă numele, a constatat că la anumite dimensiuni ale camerei, sunetul încetează să mai fie audibil. S-ar putea presupune că sunetul pur și simplu nu radiază, dar Galton a concluzionat că sunetul nu se aude deoarece frecvența lui devine prea mare. Pe lângă considerentele fizice, reacția animalelor (în primul rând a câinilor) la utilizarea unui astfel de fluier a mărturisit în favoarea acestei concluzii.

Fluier Galton (rezonator Helmholtz)

Evident, este posibil să emiti ultrasunete folosind fluiere, dar nu foarte convenabil. Situația s-a schimbat după descoperirea efectului piezoelectric Pierre Curieîn 1880, când a devenit posibil să se emită sunet fără a sufla un curent de aer prin rezonator, ci prin aplicarea unei tensiuni electrice alternative piezocristalului. Cu toate acestea, în ciuda apariției unor surse și receptoare de ultrasunete destul de convenabile (același efect piezoelectric vă permite să convertiți energia undelor acustice în vibrații electrice) și succesele uriașe ale acusticii fizice ca știință asociată cu nume precum William Strutt (Lord Rayleigh) ultrasunetele a fost considerată în principal ca obiect de studiu, dar nu pentru aplicare.

Tomografia cu ultrasunete a unei fisuri într-un metal

Tomografia cu ultrasunete a mâinii

Următorul pas a fost făcut în 1912, când la doar două luni după scufundarea Titanicului, un inginer austriac Alexandru Bem a creat primul ecosonor din lume. Imaginează-ți cum s-ar putea schimba istoria! Din acel moment și până în prezent, sonarul cu ultrasunete a rămas un instrument indispensabil pentru navele de suprafață și submarine.

O altă schimbare fundamentală în dezvoltarea tehnologiei cu ultrasunete a fost făcută în anii 1920. Secolul XX: în URSS, primele experimente au fost efectuate cu privire la sondarea metalului solid prin ultrasunete cu recepție la marginea opusă a probei, iar tehnica de înregistrare a fost concepută astfel încât să fie posibilă obținerea de imagini bidimensionale de umbră ale fisuri în metal, similare cu razele X (conducta S.A. Sokolov). Astfel a început detectarea defectelor cu ultrasunete, care vă permite să „vedeți invizibilul”.

Evident, utilizarea ultrasunetelor nu se putea limita la aplicații tehnice. În 1925, remarcabilul fizician francez Paul Langevin, s-a angajat în echiparea flotei cu ecosonde, a investigat trecerea ultrasunetelor prin țesuturile moi umane și efectul undelor ultrasonice asupra corpului uman. Aceeași S.A.Sokolovîn 1938 a primit primele tomograme ale unei mâini umane „la lumină”. Și în 1955, inginerii britanici Ian Donaldși Tom Brown a construit primul tomograf cu ultrasunete din lume, în care o persoană era scufundată într-o baie de apă, iar un operator cu emițător de ultrasunete și receptor de ultrasunete trebuia să ocolească obiectul cercetării în cerc. Ei au fost primii care au aplicat principiul ecolocației unei persoane și au primit nu o tomogramă translucidă, ci o tomogramă reflectorizante.

Următorii cincizeci de ani (practic până în prezent) pot fi caracterizați ca o eră a pătrunderii ultrasunetelor în tot felul de domenii ale diagnosticului tehnic și medical și a utilizării ultrasunetelor în domenii tehnologice, unde de multe ori vă permite să faceți ceea ce este imposibil în natură. Dar mai multe despre asta.

Ecolocația în tehnologie

Cel mai simplu tip de ecolocație este unidimensional. Un impuls de tensiune este aplicat unui element radiant (generator), care trimite un impuls acustic scurt în mediu. Dacă se întâlnește un obstacol în calea undei sonore (o interfață între straturi cu proprietăți acustice diferite, de exemplu, o fisură în metal), atunci o parte a semnalului este reflectată și poate fi recepționată de un senzor, cel mai adesea plasat în același loc cu emițătorul. Semnalul este convertit în electric, amplificat și apare pe ecran.

Pe principiul funcționării unui localizator cu ultrasunete unidimensional

Măsurând timpul de întârziere al impulsului primit în raport cu τ emis și cunoscând viteza sunetului în mediu c, puteți determina distanța L la reflector: L=cτ/2. Este evident că în condiții reale este necesar să se ia măsuri pentru a se asigura că sonarul nu prezintă ținte slabe pentru a exclude alarmele false. Pentru a face acest lucru, există proceduri pentru estimarea nivelului prag minim al sensibilității de detecție. În plus, este rezonabil să ne limităm la o anumită zonă de interes în ceea ce privește L, excluzând din aceasta zona apropiată, unde există întotdeauna interferențe puternice, și zona îndepărtată, unde semnalul util devine comparabil ca amplitudine cu zgomotul. Dacă la aceasta adăugăm controlul amplificării semnalului recepționat (și poate fi făcut dependent de gamă pentru a compensa atenuarea semnalului cu distanța), obținem un sonar universal care poate fi folosit cu mici variații pentru a rezolva multe probleme de ordin tehnic și diagnostice medicale.

Pionierii localizării cu ultrasunete: F. Galton, A. Bem, S. A. Sokolov, T. Brownși J.Donald

În tehnologia de ecolocație, se pot distinge mai multe clase mari - indicatori de nivel, calibre de grosime, sonde eco, detectoare de defecte. Ele diferă în principal în algoritmii de utilizare a informațiilor acustice primite, în timp ce baza pentru fiecare dintre ei este încă sonarul unidimensional descris mai sus. De exemplu, dacă puneți o sondă cu ultrasunete (care conține elemente emițătoare și receptoare) pe fundul unui recipient închis cu lichid, puteți măsura nivelul acestuia fără să priviți în recipient, care poate conține o substanță toxică sau inflamabilă. Dacă nu cunoaștem proprietățile acustice ale acestui lichid, îl putem pune pe al doilea, așa-zis a sustine, o sondă pe peretele lateral al acestui rezervor și determinați nivelul lichidului în raport cu timpii de întârziere ai semnalelor verticale și orizontale. Un exemplu de astfel de indicator de nivel este un contor de nivel de odorant de gaz natural (mercaptan) într-un recipient care este întotdeauna închis și chiar îngropat în pământ.

Dispozitive cu ultrasunete: stânga– indicator de nivel cu ultrasunete; sus în dreapta– Detector de defecte cu ultrasunete pentru testarea nedistructivă a pieselor mici; în partea de jos– Calibre cu ultrasunete de grosime

Calibrele de grosime cu ultrasunete sunt utilizate pentru măsurarea continuă a grosimii unei foi (oțel, sticlă) în timpul producției, precum și a grosimii unui obiect care este accesibil doar dintr-o parte (de exemplu, grosimea peretelui unui container sau țeavă). . Aici, de multe ori trebuie să se ocupe de întârzieri foarte mici, prin urmare, pentru a îmbunătăți acuratețea măsurătorilor, se utilizează bucla de ecou: primul semnal de ecou primit pornește imediat transmițătorul să emită următorul impuls etc., în timp ce nu timpul de întârziere. este măsurată, dar frecvența de pornire.

Ecosondele, a căror dezvoltare a început în urmă cu aproape o sută de ani, sunt acum folosite pe o mare varietate de obiecte, de la nave de război de suprafață și subacvatice până la bărci gonflabile ale pescarilor amatori. Utilizarea computerelor a făcut posibilă nu numai afișarea profilului de jos pe ecranul sondei, ci și recunoașterea tipului de obiect reflectorizant (pește, lemn de plutire, nămol etc.). Cu ajutorul sondelor ecografice, sunt compilate hărți ale profilului raftului, au fost descoperite fluctuații zilnice ale adâncimii stratului de plancton din ocean.

Detector de defecte cu ultrasunete pe șină ADS-02

Șină puternic defectă la pauză

Poate cea mai importantă aplicație a ecolocației în inginerie este testarea nedistructivă a structurilor (metal, beton, plastic) pentru a detecta defectele acestora cauzate de sarcini mecanice. În cel mai simplu caz, un detector de defecte este un ecosonda, pe ecranul căruia este afișată o ecogramă. Prin deplasarea senzorului cu ultrasunete pe suprafața produsului inspectat, este posibilă detectarea fisurilor. De obicei, un detector de defecte este echipat cu un set de traductoare cu ultrasunete care permit introducerea ultrasunetelor în material sub diferite unghiuri și o semnalizare sonoră că semnalul de eco reflectat depășește pragul.

Dintre structurile metalice, cel mai important obiect al încercărilor nedistructive îl reprezintă șinele de cale ferată. În ciuda progreselor semnificative în introducerea automatizării, controlul manual este cel mai frecvent pe căile ferate rusești. Sonarul multicanal este montat pe un cărucior detașabil împins de operator. Senzorii cu ultrasunete sunt instalați în schiurile care alunecă pe suprafața benzii de rulare. Pentru asigurarea contactului acustic, pe cărucior sunt instalate rezervoare cu lichid de contact (apă vara, alcool iarna). Și mii de operatori merg pe toate căile ferate, împingând cărucioare, pe zăpadă și ploaie, pe căldură și îngheț... Cerințele pentru proiectarea echipamentelor sunt ridicate - dispozitivele trebuie să funcționeze în intervalul de temperatură de la -40 la +50 ° C , să fie rezistent la praf și umezeală, să funcționeze din baterie. Primele detectoare interne de defecte ale căilor ferate din URSS au fost create în urmă cu 50 de ani de către prof. A.K. Gurvich la Leningrad. Dezvoltarea tehnologiei informatice a făcut posibilă în ultimul deceniu crearea de detectoare automate de defecte care permit nu numai detectarea unui defect, ci și înregistrarea întregii ecograme a traseului parcurs pentru vizualizarea informațiilor, stocarea și analizarea în continuare a acesteia în special. centre. Unul dintre aceste dispozitive - ADS-02 - a fost creat de personalul IAP RAS împreună cu compania Meduza și este produs în serie de uzina Nizhny Novgorod care poartă numele. M. Frunze. Până în prezent, peste 300 de dispozitive funcționează pe căile ferate rusești, ajutând la detectarea a câteva mii de așa-numitele defecte acute, fiecare dintre acestea poate provoca un accident. În 2005, detectorul de defecte ADS-02 a câștigat locul 1 la competiția internațională pentru dezvoltatori de sisteme embedded din San Francisco (SUA) pentru utilizarea tehnologiilor moderne de calcul.

Articolul a fost pregătit cu sprijinul MegaZabor. Dacă decideți să cumpărați un gard de înaltă calitate și fiabil, care va dura mulți ani, atunci cea mai bună soluție ar fi să contactați MegaZabor. Compania MegaZabor este angajată în vânzarea și instalarea de garduri de diferite lungimi, înălțimi și complexitate de design și s-a impus deja ca un furnizor de servicii de calitate. Informații mai detaliate pot fi găsite pe site-ul www.Megazabor.Ru.

Mesaj înrudit:

„ECHO, ECO SONDAR,

ECOLOCARE"

Munca elevilor din clasa a IX-a

Kosogorova Andrei

Scoala Nr 8 MO RF

Sevastopol

ECOU(în numele nimfei Echo în mitologia greacă antică), o undă (acustică, electromagnetică etc.) reflectată de un obstacol și acceptată de un observator. Ecoul acustic poate fi observat, de exemplu, atunci când un impuls sonor (ciocănire, strigăt scurt de staccato etc.) este reflectat de suprafețele puternic reflectorizante. Ecoul este audibil dacă impulsurile primite și transmise sunt separate printr-un interval de timp t 5= 50-60 ms. Ecoul devine multiplu daca exista mai multe suprafete reflectorizante (in apropierea unui grup de cladiri, in munti etc.), sunetul de la care iese observatorului in momente care difera prin intervale t 50-60 ms. armonic ecou. apare atunci când sunetul cu un spectru larg de frecvențe este împrăștiat de obstacole ale căror dimensiuni sunt mici în comparație cu lungimile de undă care alcătuiesc spectrul. Într-o cameră, numeroase ecouri individuale se îmbină într-un ecou continuu, numit reverberație. Ecoul poate servi ca mijloc de măsurare a distanței de la sursa semnalului la obiectul care reflectă: r = st / 2, unde t este intervalul de timp dintre trimiterea semnalului și revenirea ecoului, iar c este viteza de propagare a undelor în mediu. Pe acest principiu se bazează diverse aplicații de eco. Ecoul acustic este folosit în sonar, precum și în navigație, unde ecosoundele sunt folosite pentru a măsura adâncimea fundului. Ecoul electromagnetic este utilizat în radar; reflectând din ionosferă, face posibilă efectuarea de comunicații radio cu unde scurte pe distanțe lungi și judecarea proprietăților ionosferei. Principiul undelor ecou începe să fie aplicat în domeniul optic al undelor electromagnetice generate de un generator optic cuantic. Undele elastice care se propagă în scoarța terestră, reflectându-se din straturi de diferite roci, formează un ecou seismic, care este folosit pentru căutarea zăcămintelor minerale. Cu ajutorul lui Echo se măsoară adâncimea forajelor („ecometria” puțurilor), înălțimea nivelului lichidului din rezervoare (indicatoare de nivel cu ultrasunete). Metodele de eco sunt utilizate pe scară largă în detectarea defectelor cu ultrasunete. ecou acustic. pentru unele animale (lilieci, delfini, balene etc.) servește ca mijloc de orientare și căutare a prăzii (vezi Locația sunetului).

ECOLOCAREA(din ecou și lat. locatio - plasare) la animale, radiația și percepția semnalelor sonore reflectate, de obicei de înaltă frecvență, pentru a detecta obiectele din spațiu, precum și pentru a obține informații despre proprietățile și dimensiunile țintelor aflate în localizare ( prada sau obstacole). Ecoul este unul dintre modurile prin care animalele se orientează în spațiu. Ecoul este dezvoltat la lilieci și delfini, care se găsește la scorpii, o serie de specii de pinipede (foci), păsări (salangans și unele altele). La delfini și lilieci, ecoul se bazează pe emisia de impulsuri ultrasonice cu o frecvență de până la 130-200 kHz, cu o durată a semnalului de obicei de la 0,2 la 4-5 ms, uneori mai mare. Cu ajutorul unui ecou, ​​delfinii, chiar și cu ochii închiși, pot găsi hrană nu numai ziua, ci și noaptea, pot determina adâncimea fundului, proximitatea coastei și obiectele scufundate. O persoană își percepe impulsurile de ecolocație ca pe scârțâitul unei uși care se aprinde pe balamale ruginite. Nu a fost încă clarificat dacă ecolocația este caracteristică balenelor cu fani, care emit semnale cu o frecvență de doar câțiva kiloherți.

Delfinii trimit unde sonore într-o direcție. Padul adipos situat pe maxilar și oasele premaxilare și suprafața anterioară concavă a craniului acționează ca o lentilă de sunet și reflector: ele concentrează semnalele emise de sacii de aer și le direcționează sub forma unui fascicul sonor către obiectul localizat. .

La păsările care trăiesc în peșteri întunecate (guajaro și salangans), se folosește pentru orientarea în întuneric; emit semnale de joasă frecvență de 7-4 kHz. La delfini și lilieci, pe lângă orientarea generală, ecoul servește la determinarea spațiilor, poziția țintei, dimensiunea și, în unele cazuri, la recunoașterea aspectului țintei. La mamiferele menționate mai sus, servește adesea ca un mijloc important de găsire și obținere a produselor alimentare.

Lit .: Airapetyants E. Sh., Konstantinov A. I., Echolocation in nature, ed. a II-a, L., 1974. G. N. Simkin. ECOLOCAREA, una dintre metodele de localizare a sunetului, în care distanța până la un obiect este determinată de timpul de întoarcere a semnalului ecou.

Sonda eco(de la echo și lot), un dispozitiv de navigație pentru măsurarea automată a adâncimii corpurilor de apă folosind semnale de ecou hidroacustic. De obicei, în fundul vasului este instalat un vibrator, căruia îi sunt furnizate periodic impulsuri electrice de la generator, care sunt convertite de acesta în cele acustice, propagăndu-se vertical în jos într-un unghi solid limitat. Impulsul acustic reflectat de fund este primit de același vibrator, care îl transformă într-unul electric. După amplificare, pulsul intră în indicatorul de adâncime, care marchează durata de timp (în secunde) din momentul transmiterii pulsului până la momentul în care ecoul revine de jos și îl transformă în indicații vizuale sau o înregistrare de adâncime h = st/ 2 în m, unde viteza sunetului este c = 1500 m/sec. Durata impulsului este de la 0,05 la 20 ms cu o frecvență de umplere de la 10 la 200 kHz. Duratele scurte și frecvențele înalte sunt utilizate când se măsoară adâncimi mici, duratele lungi și frecvențele joase sunt folosite când se măsoară adâncimi mari. Vibratorul poate fi un traductor magnetostrictiv sau piezoceramic. Ca indicatori de adâncime, se folosesc indicatoare intermitente cu o lumină de neon rotativă care clipește în momentul recepționării unui semnal de ecou; indicatori, indicatori cu fascicul de electroni și digitali, precum și înregistratoare care înregistrează adâncimile măsurate pe o bandă de hârtie în mișcare folosind o metodă electrotermală sau electrochimică. Sondele ecografice sunt fabricate pentru diferite intervale de adâncime, variind de la 0,1 la 12.000 m și funcționează la viteze ale navei de până la 30 de noduri (55 km/h) și chiar mai mult. Eroare sonar de la 1% la sutimi de procent. Ecosonda este, de asemenea, folosit pentru a căuta bancuri de pești, submarine, pentru a studia straturile de împrăștiere a sunetului, pentru a determina tipul de sol, pentru stratificarea sedimentelor de fund și alte măsurători hidroacustice. În 1958, adâncimea maximă (11.022 m) a Oceanului Mondial în depresiunea Mariinsky din partea de vest a Oceanului Pacific a fost detectată și măsurată cu precizie de un ecosonda de pe nava sovietică Vityaz. Mai multe persoane au venit cu ideea unui ecosound independent și aproape simultan: inginerul german A. Bem din Danzig (Gdansk), inginerul american R. A. Fessenden, fizicianul francez P. Langevin și inginerul Konstantin Vasilievich Shilovsky (1880-1952) din Ryazan care a lucrat în Franța. Langevin și Shilovsky au creat și primul sonar

Vezi Hidroacustică.

Lit.: Fedorov I. I., Sondele de navigație, M.-L., 1948; lui, Sondele eco și alte mijloace hidroacustice, L., 1960; Tolmachev D., Fedorov I., Sondele de navigație, „Tehnica și arme”, 1977, nr. 1. I.I. Fedorov.

ECOENCEFALOGRAFIE(din ecou și encefalografie), encefalografie cu ultrasunete, o metodă de studiere a creierului cu ajutorul ultrasunetelor. Se bazează pe proprietatea ultrasunetelor de a se reflecta de la limitele mediilor (formațiuni structurale ale creierului) de densitate diferită. Principalul criteriu de diagnostic (propus în 1955-56 de suedez, doctorul L. Lexell) este deviația ecoului median, sau M-echo (M - din latină târzie te-dialis - mediană), care este o reflectare a ultrasunetelor. din structurile mediane ale creierului (glanda pineală, 3 ventricule, sept pellucidum, fisura interemisferică). În mod normal, ecoul M, înregistrat ca un vârf pe encefalograma cu ultrasunete, coincide cu linia mediană a capului. În prezența unei tumori intracraniene, hemoragie, abces și alte formațiuni patologice, ecoul M este deplasat către emisfera sănătoasă (vezi Fig.). Au mai fost propuse și alte criterii de diagnostic: creșterea distanței dintre semnalele eco de la pereții laterali ai ventriculului 3 în hidrocefalie; normalizarea relativ rapidă a deplasării rezultate a ecoului M în obstrucția acută a arterei carotide etc.În ECOENCEFALOGRAFIE se folosesc encefalografe ultrasonice speciale care transformă semnalele ultrasonice reflectate în impulsuri electrice. Aceste impulsuri sunt afișate grafic pe ecranul dispozitivului și fotografiate.

Lit.: Ecoencefalografia clinică, M., 1973; L e ks e 1 1 L., Echo-encephalog" raphy. Detectarea complicațiilor intracraniene în urma traumatismelor craniene, „Acta chirurgica scan” dinavica”, 1956, v. 110, S. 301-315.

V. E. Grechko.

ECOU, o tehnică compozițională și interpretativă bazată pe repetarea muzelor. fraze cu sonoritate mai mică de către aceleași voci, instrumente sau alte voci.

Este folosit în principal în muzică corală, operă, orchestrală, instrumentală de cameră. Pe baza utilizării tehnicii ecou, ​​se creează uneori piese muzicale întregi, de exemplu „Echoul” lui O. Lasso pentru cor și o piesă cu același nume. din „Uvertura franceză” pentru clavecin de J. S. Bach. Numele ecou este, de asemenea, unul dintre registrele organului.

Lit.: R e l e şi J., Teoria sunetului, trad. din engleză, ed. a II-a, vol. 2, M., 1955; Gr și f f și n D., Ecoul în viața oamenilor și a animalelor, trad. din engleză, M., 1961.

EcholocationEcholocation (echo și lat. locatio -
„poziție”) – o cale, cu ajutorul
pe care se determină poziția obiectului
prin timpul de întârziere la întoarcere
undă reflectată. Dacă valurile sunt
sunet, atunci aceasta este locația sunetului, dacă radioul
- radar.

Ecolocație

Descoperirea ecolocației este asociată cu numele
Naturalistul italian Lazzaro
Spallanzani. A atras atenția asupra
că liliecii sunt liberi să zboare
cameră complet întunecată (unde
neputincioase chiar și bufnițe), fără să rănească
articole. În experiența sa, a orbit
mai multe animale, însă, după aceea
zburau la egalitate cu cei văzători.

Ecolocație

Colegul lui Spallanzani, J.
Zhurin a efectuat un alt experiment,
în care a acoperit cu ceară
urechi de liliac și
animalele s-au ciocnit de tot
articole. De aici oamenii de știință
a concluzionat că volatil
soarecii sunt ghidati de
auz. Cu toate acestea, această idee a fost
ridiculizat de contemporani
pentru că nimic mai mult
era imposibil de spus
scurt ultrasonic
mai existau semnale pe vremea aceea
imposibil
repara.

Ecolocație

Pentru prima dată ideea unui sunet activ
locația la lilieci a fost exprimată în
1912 de H. Maxim. El a presupus asta
liliecii creează frecvență joasă
semnale de ecolocație ale bateriei aripilor
cu o frecvență de 15 Hz.

Ecolocația la animale

Animalele folosesc ecolocația pentru a
orientare în spaţiu şi pentru
locația obiectului
în jur, în principal prin
semnale sonore de înaltă frecvență.
Cele mai dezvoltate la lilieci şi
delfini, se mai foloseste
scorpii, o serie de specii de pinipede (foci),
păsări (guajaro, salangans etc.).

Ecolocația la om

Nu numai că poți naviga după sunete
lilieci și delfini, dar și unii oameni.
Ecolocația a fost găsită la oameni cu mult timp în urmă - în
anii 1950 Oamenii o folosesc de obicei
orb aproape de la naştere. Cel mai
un exemplu celebru de om-liliac este
Daniel Kish. Pierdut din vedere din cauza cancerului
retină, este încă un băiețel
și-a dat seama că putea determina înălțimea până la care
se urcă într-un trunchi de copac, ascultând ecoul sunetelor
clicuri pe care le face cu ajutorul limbii.
Acum știe cât de departe nu doar să urce
copaci, dar și, de exemplu, plimbare
bicicleta, folosind aceeași tehnică
„ecolocație umană”.

Ecolocația în tehnologie

Ecolocația este folosită și în tehnologie.
În tehnologia de ecolocație, mai multe mari
clase - indicatori de nivel, calibre de grosime, ecosonde, detectoare de defecte.
Oamenii bazați pe ecolocație creează dispozitive de măsurare
nivel odorant gaze naturale, calibre de grosime care
folosit pentru măsurarea continuă a grosimii tablei și
multe altele.

• Citește: Comunicarea și limbajul animalelor
• Citește mai mult: Zvonuri. analizor auditiv

Esența ecolocației

Cuvântul „locație” înseamnă determinarea locației obiectelor, măsurarea coordonatelor și parametrilor de mișcare ale acestora. În viața sălbatică, se folosesc diverse forme și metode de localizare. La oameni și majoritatea animalelor, determinarea locației obiectelor din jur se realizează datorită sistemelor de analiză cu acțiune la distanță, în principal vizuale și auditive, iar aceste sisteme sunt aduse funcțional la cea mai înaltă perfecțiune la unele animale. Este suficient să ne amintim acuitatea vizuală extraordinară a păsărilor de pradă diurne sau acuratețea direcției sunetului de a găsi prada de către bufnițe.

Unele animale folosesc și alte tipuri de informații pentru a detecta obiectele din mediu. Calamarii de adâncime, de exemplu, pe lângă organele obișnuite de vedere, sunt înzestrați cu receptori speciali capabili să capteze razele infraroșii, iar organele deosebite - „termolocatoare” - ale șarpelor cu clopoței servesc la căutarea prăzii, percepând radiația termică a ființe vii și reacționând la o diferență de temperatură de o miime de grad.

Exemplele date, în ciuda diversităţii lor, sunt variante diferite ale aşa-numitei locaţii pasive, când detectarea obiectelor se realizează numai prin primirea energiei care este direct emisă sau reemisă de obiectele înseşi.

Relativ recent, se părea că organele mai mult sau mai puțin sensibile ale detectării de la distanță ca mijloace de localizare pasivă au limitat posibilitățile faunei sălbatice.

Chiar la începutul secolului al XX-lea. omenirea avea dreptul să fie mândră de faptul că a creat o metodă activă de localizare fundamental nouă, în care o țintă invizibilă anterior este iradiată cu un flux de energie electromagnetică sau ultrasonică și detectată folosind aceeași energie, dar deja reflectată de la ţintă. Stațiile radio și sonar - aceste dispozitive de localizare activă - au înlocuit diferite tipuri de „auzitoare” - dispozitive de detectare pasivă - și au primit acum o dezvoltare extraordinară în rezolvarea problemelor economice, militare și spațiale. Totodată, nu există nicio îndoială că principiile radarului i-au îndemnat pe biologi calea spre rezolvarea problemei formelor de orientare spațială la unele animale, ceea ce nu putea fi explicat prin funcționarea unor binecunoscute analizoare de acțiune la distanță.

Ca urmare a unor cercetări minuțioase cu ajutorul noilor echipamente electronice, s-a putut stabili că un număr de animale folosesc metode de localizare activă folosind două tipuri de energie - acustică și electrică. Locația electrică este folosită de unii pești tropicali, cum ar fi mirusul de mare sau elefantul de apă, în timp ce locația acustică activă a fost descoperită la mai mulți reprezentanți ai vertebratelor terestre și acvatice la diferite niveluri de dezvoltare evolutivă.

Locația acustică servește ca mijloc de detectare a obiectelor datorită undelor sonore care se propagă într-un mediu dat.

Prin analogie cu radarul, se disting două forme de localizare acustică: pasivă, când detecția se realizează numai prin primirea energiei care este direct emisă sau reemisă de obiectele studiate în sine, și to-t și în nu yu, în care analiza obiectului se bazează pe iradierea prealabilă a semnalelor sonore ale acestuia cu perceperea ulterioară a aceleiași energie, dar deja reflectată din ea. Prima formă de locație acustică a fost denumită de mult timp auz sau percepție auditivă, iar vibrațiile sonore sunt recepționate de analizorul auditiv.

A doua formă, adică locația acustică activă, a fost numită ecolocație de către omul de știință american D. Griffin, care a descoperit-o pentru prima dată la lilieci. De-a lungul timpului, termenii „ecolocație”, „locație acustică” și „orientare acustică” au devenit într-o oarecare măsură sinonimi și sunt folosiți pe scară largă în literatura biologică pentru a descrie forma activă de localizare la animale. Adevărat, în ultimii ani, s-au încercat folosirea termenilor „locație acustică”, „locație pasivă” pentru a se referi la funcțiile sistemului auditiv la bufnițe, care cu mare precizie localizează localizarea prăzii lor după ureche în timpul vânătorii nocturne. (Iliichev, 1970; Payne, 1971) . Prin aceasta ei doresc să sublinieze rolul enorm pe care auzul îl joacă în comportamentul de hrănire al bufnițelor și să compare modalitățile de orientare ale acestor păsări cu cele ale liliecilor, deși această comparație nu este valabilă, deoarece aceștia din urmă s-au ridicat la următorul, nivel calitativ nou de locație acustică, utilizând spațiul activ sondarea semnalelor acustice proprii. Înainte de a trece la caracteristicile ecolocației, să ne oprim pe scurt asupra conceptelor și definițiilor de bază din domeniul acusticii necesare înțelegerii stimulilor fizici ai aparatului receptor auditiv.

E.Sh.AIRAPETYANTS A.I.KONSTANTINOV. ECOLOCAREA ÎN NATURĂ. Editura „NAUKA”, LENINGRAD, 1974

Cei care condamnă toți peștii la tăcere și surditate știu foarte puține despre natura peștilor. - Claudius Elian

Nu este nevoie să vorbim despre vocile păsărilor și animalelor: fiecare persoană le-a auzit de multe ori, când cu plăcere, când cu anxietate. Lucrarea ornitologului și zoologului din secolul al XIII-lea F. Hohenstaufen conținea deja informații interesante despre structura sistemului auditiv al unor păsări. Vom sublinia doar că acum vocile păsărilor sunt uneori folosite în scopuri practice. Deci, pentru a preveni ciocnirea păsărilor cu aeronave (pentru care astfel de coliziuni pot fi fatale), acestea difuzează printr-un difuzor puternic înregistrări ale țipetelor de groază ale păsărilor înseși, iar aceste țipete sperie păsările de pe ruta aeronavei. . Experiența reproducerii înregistrărilor pe casetă ale acelorași voci de păsări este cunoscută pentru a alunga hoardele de insecte din culturi sau grădini.

Cu totul altă problemă - vocile locuitorilor mării. Desigur, a fost uitată remarca scriitorului antic roman Elian despre posibilitatea comunicării lor sonore și chiar și marele acvanaut Jacques-Yves Cousteau, care până atunci nu era interesat de acustica subacvatică, a numit una dintre primele sale cărți despre adâncuri. al oceanului „Lumea tăcerii” (mai târziu el, însă, a folosit deja definiția „Lumea fără soare”). Hidrofoanele sensibile și echipamentele sofisticate de analiză a sunetului au făcut posibil în vremea noastră bioacusticii marine să ajungă din urmă cu omologii lor în acustica faunei aeriene și terestre într-un timp scurt.

Acum întrebarea începe să fie pusă altfel: există mulți reprezentanți ai faunei subacvatice care nu recurg la comunicarea sonoră, deoarece sunetul se propagă în apă mult mai bine decât undele electromagnetice.

Au fost studiate natura și scopul semnalelor sonore emise de ființele vii subacvatice. În general, au aceeași origine și scop ca și cele ale ființelor vii terestre: sunt semnale de chemare, de agresiune („strigătul de luptă”), de apărare. În timpul perioadei de depunere a icrelor, activitatea sonoră a peștilor crește. Gobiul Azov, de exemplu, interpretează cântece întregi de reproducere. Sunetele de depunere a icrelor seamănă cu croaitul, scârțâitul, scârțâitul; ele activează femelele, care încep să se miște spre sursa sunetului.

La amfibieni, un semnal atât de complex a fost identificat ca fiind semnalul unei femele care depune icre și avertizează masculul să nu irosească, în cuvintele biologilor, „potențialul de reproducere”. După cum puteți vedea, comunicarea solidă în acest caz contribuie la punerea în aplicare a legii înțelepte a naturii privind conservarea fiecărei specii biologice.

Anumite informații biologice sunt purtate de sunetele mișcării unor pești; atunci când mănâncă, apar sunete subacvatice asociate cu captarea și măcinarea alimentelor. În URSS au fost publicate atlasuri extinse de sunete făcute de diverși locuitori ai lumii subacvatice.

Cercetătorilor le-a luat destul de mult timp să determine natura și locația organului auditiv (sau grupului de organe) în pești. Receptorii de sunet sunt de obicei localizați în capul peștilor, dar la unii pești (cum ar fi codul), percepția auditivă este posibilă folosind așa-numita linie laterală a corpului. Cât de asemănătoare sunt sistemele de receptori de stabilire a direcției de zgomot dezvoltate de om în anii 1930 pe lateralele unei nave cu linia receptoră laterală a peștilor!

Au fost găsite două tipuri de aparate auditive: aparate auditive care nu se conectează la vezica natatoare și aparatele auditive care conțin o vezică natatoare. Bula acționează ca un rezonator, iar peștii cu aparate auditive de tip 2 au un auz mai sensibil.
Sensibilitatea auzului la oameni la diferite frecvențe este determinată destul de simplu. Intensitatea sunetului unei anumite frecvențe crește încet. La o anumită intensitate, o persoană spune: „Aud”. Se determină sensibilitatea de prag a auzului la această frecvență. Și cum va semnala peștele că aude acest sunet? Oamenii de știință americani, care studiau sunetul subacvatic, au determinat momentul în care un rechin a început să perceapă sunetul prin reacția mușchiului său cardiac. Maximul a fost sensibilitatea auzului rechinului în intervalul de frecvență de 20-160 herți și este interesant că pragurile de auz pentru presiunea sonoră, deplasarea vibrațională și viteza vibrațională a particulelor mediului din rechin au variat la o mult mai mare. mai mult decât la oameni.

Un număr mare de lucrări sunt dedicate semnalelor sonore ale delfinilor. Aceste semnale sunt deosebit de diverse și perfecte. Unii cercetători văd asemănări între semnalele delfinilor și limbile umane antice. Capacitatea fenomenală a delfinilor la onomatopee. În acest sens, este de așteptat ca într-o zi să înceapă un dialog conștient între delfin și om.

Balenele ucigașe și delfinii din mări diferite, aparent, se pot înțelege într-o măsură sau alta, așa cum demonstrează un astfel de experiment. Două balene ucigașe, până atunci tăcute, au avut ocazia să vorbească la telefon timp de o oră întreagă (hidrofoanele, bineînțeles, serveau ca receptori și emițători de sunet). Una dintre balene ucigașe se afla într-un acvariu din statul Washington, cealaltă în Vancouver (Canada). Cercetătorii au remarcat că conversația a fost foarte animată.

Sigiliile au nu numai o mare capacitate de a imita sunetul, ci și o ureche pentru muzică. Un grup de foci experimentale a cântat o parte din cântecul popular al locuitorilor din Hebride. Una dintre sigilii a repetat melodia în contralto clar.
Studiul sunetelor vii ale mării a fost mult facilitat de utilizarea pe scară largă a diferitelor vehicule subacvatice. În țara noastră, fundația a fost pusă de submarinul Severyanka, care își împlinise mandatul militar și apoi a fost convertit pentru cercetările de adâncime. Mare a fost surpriza echipajului ambarcațiunii când, ajungând într-un banc de hering, au descoperit că acest mic pește poate scoate sunete ascuțite destul de intense!

Noile submersibile - remorcate, autonome - se scufundă la adâncimi inaccesibile submarinului din generația anterioară. Și aici hidronauții descoperă, printre altele, noi fenomene acustice.
Autorul își dorește de mult să vorbească despre asta cu M. I. Girs, care are în contul său cel mai mare număr de scufundări de adâncime din țara noastră într-o varietate de dispozitive și este numit de jurnaliști „hidronautul nr. 1”. Dar cum să-l vezi, dacă în Insulele Canare, unde condițiile pentru scufundări sunt deosebit de convenabile, se întâmplă, poate, mai des decât acasă, pe insula Vasilyevsky?

Întâlnirea a avut loc. Pentru început, și-au amintit cum Misha Girs, în vârstă de șapte ani, a stăpânit arta patinării viteze la patinoarul din Parcul Central de Cultură și Odihnă. Se pare că a fost destul de recent, dar acum M. I. Girs este un căpitan-mentor care a stăpânit la perfecțiune tehnica hidronauticii, a învățat mai întâi scufundările de adâncime pentru el însuși (căci nu aveam specialiști în acest domeniu), apoi să multi alti specialisti – hidronauti. A făcut zeci de scufundări diverse, uneori periculoase, în Marea Neagră și Mediterană, în Oceanul Atlantic

Conversația a atins doar o problemă - utilizarea tehnologiei acustice în scufundări și cercetare.
- Desigur, rolul său este foarte mare, - a spus Gears. - Este posibil să se determine locurile de origine a bancilor de pești, căile de migrare a acestora. Deși sistemele de hidrofoane, datorită deplasării relativ mici a vehiculelor subacvatice, sunt mai puțin perfecte decât instrumentele de căutare a direcției zgomotului navelor, hidrofoanele sensibile încă captează cu ușurință sunetele vieții marine. Sunetele emise de balene sunt foarte caracteristice, nu le puteți confunda cu nimic.
Apropo de sunetele locuitorilor mării, am avut până acum în vedere, în primul rând, un scop practic - posibilitatea depistarii și captării acestora. Dar există un alt aspect care nu mai este legat de practică, ci mai degrabă de psihologie. Imaginați-vă pentru o clipă o pădure fără păsări care cântă. Este dificil, trist pentru o persoană într-o pădure moartă. Se poate înțelege de ce scafandrii care sunt liberi de veghe în timpul călătoriilor lungi autonome fără a ieși la suprafață se înghesuie brusc în jurul cabinei hidroacustice și îi cer să asculte măcar puțin ce se întâmplă peste bord. Marinarii se bucură de strigătele orenelor, așa cum s-ar bucura de cântecele păsărilor în pădure, pe câmp, în grădină.
Și cu cât o persoană este mai aproape de epoca hidrocosmosului, cu atât orizonturile mării în care locuiește sunt mai adânci, cu atât va aprecia mai mult sunetele vieții marine care sparg liniștea de rău augur din adâncurile mării negre.

Acum este timpul să vorbim despre semnale sonore mai complexe din lumea animală, semnale asociate cu recepția ecourilor reflectate. Aici, ornitologii și zoologii care studiază fauna de suprafață au depășit, din motive naturale, bioacustica marine. S-a demonstrat mult timp că liliecii folosesc un aparat de localizare a ecoului pentru a căuta hrană seara. Ulterior, au fost stabilite caracteristicile cantitative ale semnalelor de localizare ale diferitelor familii de lilieci - lilieci potcoave, lilieci cu aripi lungi, lilieci cu aripi lungi, lilieci cu aripi lungi. Acestea din urmă au cea mai mare frecvență de umplere a semnalului, atinge 160 kiloherți, adică de aproape zece ori mai mare decât frecvența de limitare superioară a regiunii de audibilitate a urechii umane. La această frecvență, lungimea undei sonore în aer nu depășește 2 milimetri, astfel încât liliacul este capabil să detecteze insecte de dimensiuni foarte mici.
Admirând aparatul sofisticat al sonarului activ, entomologii nu au acordat multă atenție faptului că corpurile fluturilor, care sunt vânate de lilieci, sunt acoperite cu păr. S-a dovedit că această linie de păr absoarbe într-o anumită măsură semnalele ultrasunete de înaltă frecvență ale liliecilor de vânătoare, iar aceștia din urmă le este mai dificil să-și detecteze prada.

Mai departe mai mult. Mai recent, s-a descoperit că există specii de fluturi care pot emite semnale de aceeași frecvență ca și liliecii care caută. Cu interferența lor, fluturii își deturnează pe urmăritori. Cum să nu ne amintim sistemele de interferență active pentru stațiile radio și sonar. Bărbatul era încrezător în prioritatea sa în domeniul protecției active radio și sonare a aeronavelor și navelor, dar natura în fața fluturilor mici era înaintea lui!

Câteva alte păsări - soldați, salangani, misteriosul guajaro (cazul de noapte din America de Sud) au, de asemenea, capacitatea de a localiza ecoul. Aparatul lor de localizare a grădinii zoologice nu este la fel de perfect ca cel al unui liliac, dar le permite totuși să navigheze în spațiu. Pentru viteze, acest lucru este important din cauza vitezei mari de zbor, iar pentru guajaro, care trăiește în peșteri, din cauza dificultății de a se deplasa în întunericul etern.

Și în sfârșit, delfinii. Din punctul de vedere al „locației ecoului live” aceasta este, fără îndoială, coroana naturii. Ele sunt capabile să reducă „automat” durata semnalelor (parcelelor) și intervalele dintre semnale atunci când se apropie de țintă, ceea ce contribuie la o țintire precisă. Padul de grăsime și o adâncime în formă corespunzătoare în partea din față a capului formează o lentilă - un concentrator al energiei sonore emise, iar sectorul în care sunt emise și recepționate semnalele sonore se poate schimba. Modularea în frecvență a semnalului permite delfinului să „detoneze de la interferență” și facilitează recunoașterea caracteristicilor unui obiect care reflectă.
Delfinii pot folosi ecolocația pentru a evalua forma unui corp reflectorizant, dimensiunile acestuia (cu o precizie de câțiva milimetri) și gradul de reflectare a sunetului din acesta. Localizatorul lor este multifuncțional, adică dacă există mai multe obiecte reflectorizante în câmpul de localizare al delfinului, atunci toate sunt fixe. Unii cercetători atribuie delfinului capacitatea de a scana spațiul cu un fascicul de sunet, adică ca și cum ar citi linie cu linie un model de localizare a ecoului la o distanță destul de mare în față.

Fără îndoială, există și pești care au capacitatea de a zo-localiza și doar imperfecțiunea tehnicii de pescuit adânc nu face încă posibilă detectarea acestora. Dar în presa științifică a existat un mesaj despre semnalele de eco-locație ale pinguinului cu păr auriu, care, asemenea delfinilor, îi folosește pentru a căuta hrană.

Cu câteva decenii în urmă, bioacustica era ca un arhipelag de insule separate ale cunoașterii. Acum s-a dezvoltat într-un domeniu complex, avansat din punct de vedere tehnic, de biologie și bionică. Studiul suplimentar al vocilor păsărilor, animalelor și peștilor va întări respectul unei persoane pentru „micuții sims” și va contribui la conservarea lumii sălbatice.

Nuvela noastră despre lumea sunetelor a ajuns la sfârșit. Poate că nu fiecare cititor va trezi pe deplin sentimentul de admirație pentru tot ceea ce este demn de surprins în această lume. Dar, fără îndoială, nimeni nu va refuza acustica în varietatea manifestărilor sale și posibilități largi de aplicare. Și aceasta servește deja drept garanție pentru dezvoltarea în continuare a interesului în acest domeniu al științei și tehnologiei.