ВходПринцип эхолокации. Болтливый мир безмолвия
ЭХОЛОКАЦИЯ ЭХОЛОКАЦИЯ
у животных (от греч. echo - звук, отголосок и лат. locatio - размещение), излучение и восприятие отражённых, как правило, вы сокочастотных звуковых сигналов с целью обнаружения объектов (добычи, препятствия и др.) в пространстве, а также получения информации об их свойствах и размерах. Э.- один из способов ориентации животных и биокоммуникации. Э. развита у летучих мышей, дельфинов, у нек-рых птиц и землероек. У летучих мышей ультразвук генерируется в гортани особыми надгортанными связками (возможно, и голосовыми тоже) и затем через открытый рот или ноздри направленно излучается в окружающую среду. Воспринимаются ультразвуковые импульсы слуховой системой, к-рая имеет ряд морфологич. особенностей. Э. эффективна у них на расстоянии до 18 м. У дельфинов звуки, вероятно, производятся вибрацией перегородок или складок носовых мешков (по др. версии - в гортани). Дельфины и летучие мыши генерируют ультразвуковые импульсы частотой до 150-200 кГц, длительность сигналов обычно от 0,2 до 4-5 мс. Птицы, живущие в пещерах (гуахаро, саланганы), с помощью Э. ориентируются в темноте; они излучают низкочастотные сигналы в 4-7 кГц. У дельфинов и летучих мышей, кроме общей ориентации, Э. служит для определения пространств. положения цели, в т. ч. добычи, физиол. система (анализатор) животного, обеспечивающая Э., получила в биол. лит-ре назв. сонарной, или сонара (англ. sonar - аббревиатура слов «sound navigation and randing» - «звуковое наведение и определение расстояния» - так назывался эхолокатор, применявшийся для обнаружения подводных объектов
.(Источник: «Биологический энциклопедический словарь.» Гл. ред. М. С. Гиляров; Редкол.: А. А. Бабаев, Г. Г. Винберг, Г. А. Заварзин и др. - 2-е изд., исправл. - М.: Сов. Энциклопедия, 1986.)
эхолока́цияОсобый способ биоориентации и биокоммуникации животных (ночных бабочек, летучих мышей, птиц, зубчатых китов, ластоногих). Эхолокация позволяет совершать сложные движения при плохой видимости или в полной темноте. Животные генерируют звуковые импульсы (птицы от 4 до 7 кГц, а дельфины до 200 кГц), воспринимают отражение (эхо) от окружающих предметов органами слуха. С помощью эхолокации животные охотятся (летучие мыши, птицы и др.), общаются (дельфины), защищаются от нападения (ночные бабочки сем. медведиц имеют генератор ультразвуковых помех для летучих мышей).
.(Источник: «Биология. Современная иллюстрированная энциклопедия.» Гл. ред. А. П. Горкин; М.: Росмэн, 2006.)
Синонимы :
Смотреть что такое "ЭХОЛОКАЦИЯ" в других словарях:
Эхолокация … Орфографический словарь-справочник
- (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.… … Википедия
Эхолотирование, локация Словарь русских синонимов. эхолокация сущ., кол во синонимов: 2 локация (3) … Словарь синонимов
Эхолокация - у животных, см. Биоэхолокация. Экологический энциклопедический словарь. Кишинев: Главная редакция Молдавской советской энциклопедии. И.И. Дедю. 1989. Эхолокация (от эхо и лат. locatio размещение) способность некот … Экологический словарь
ЭХОЛОКАЦИЯ, у животных способность ориентироваться по звуку. Лучше всего она выражена у летучих мышей и китов. Животные испускают ряд коротких звуков высокой частоты и по отражению ЭХА судят о наличии препятствий вокруг себя. Летучие мыши и… … Научно-технический энциклопедический словарь
эхолокация - Метод измерения глубины моря или озера, в прошлом с помощью лота, опускаемого на тросе, ныне с помощью эхолота. Syn.: зондирование … Словарь по географии
I Эхолокация (от Эхо и лат. locatio размещение) у животных, излучение и восприятие отражённых, как правило, высокочастотных, звуковых сигналов с целью обнаружения объектов в пространстве, а также получения информации о свойствах и… … Большая советская энциклопедия
Ж. Ориентировка в пространстве с помощью отражённого ультразвука. Толковый словарь Ефремовой. Т. Ф. Ефремова. 2000 … Современный толковый словарь русского языка Ефремовой
эхолокация - эхолок ация, и … Русский орфографический словарь
эхолокация - эхолока/ция, и … Слитно. Раздельно. Через дефис.
Книги
- Занимательное волноведение. Волнения и колебания вокруг нас , Претор-Пинней Гэвин. Г. Претор-Пинни увлекательно и запросто знакомит всех желающих с теорией волн, а также с тем, какое значение волны имеют в нашей повседневной жизни. Вас ждет кругосветное путешествие по…
История
Открытие эхолокации связано с именем итальянского естествоиспытателя Ладзаро Спалланцани . Он обратил внимание на то, что летучие мыши свободно летают в абсолютно тёмной комнате (где оказываются беспомощными даже совы), не задевая предметов. В своём опыте он ослепил несколько животных, однако и после этого они летали наравне со зрячими. 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 (по аналогии с радиолокацией) для именования способа ориентации летучих мышей при помощи ультразвука .
Эхолокация у животных
Происхождение эхолокации у животных остаётся неясным; вероятно, она возникла как замена зрению у тех, кто обитает в темноте пещер или глубин океана. Вместо световой волны для локации стала использоваться звуковая .
Данный способ ориентации в пространстве позволяет животным обнаруживать объекты, распознавать их и даже охотиться в условиях полного отсутствия света, в пещерах и на значительной глубине.
Среди членистоногих эхолокация обнаружена только у ночных бабочек совок .
Техническое обеспечение эхолокации
Средства звукового наблюдения времен Первой мировой войны
Эхолокация может быть основана на отражении сигналов различной частоты - радиоволн , ультразвука и звука . Первые эхолокационные системы направляли сигнал в определённую точку пространства и по задержке ответа определяли её удалённость при известной скорости перемещения данного сигнала в данной среде и способности препятствия, до которого измеряется расстояние, отражать данный вид сигнала. Обследование участка дна таким образом при помощи звука занимало значительное время.
Сейчас используются различные технические решения с одновременным использованием сигналов различной частоты, которые позволяют существенно ускорить процесс эхолокации.
Wikimedia Foundation . 2010 .
Синонимы :Смотреть что такое "Эхолокация" в других словарях:
Эхолокация … Орфографический словарь-справочник
У животных (от греч. echo звук, отголосок и лат. locatio размещение), излучение и восприятие отражённых, как правило, вы сокочастотных звуковых сигналов с целью обнаружения объектов (добычи, препятствия и др.) в пространстве, а также получения… … Биологический энциклопедический словарь
Эхолотирование, локация Словарь русских синонимов. эхолокация сущ., кол во синонимов: 2 локация (3) … Словарь синонимов
Эхолокация - у животных, см. Биоэхолокация. Экологический энциклопедический словарь. Кишинев: Главная редакция Молдавской советской энциклопедии. И.И. Дедю. 1989. Эхолокация (от эхо и лат. locatio размещение) способность некот … Экологический словарь
ЭХОЛОКАЦИЯ, у животных способность ориентироваться по звуку. Лучше всего она выражена у летучих мышей и китов. Животные испускают ряд коротких звуков высокой частоты и по отражению ЭХА судят о наличии препятствий вокруг себя. Летучие мыши и… … Научно-технический энциклопедический словарь
эхолокация - Метод измерения глубины моря или озера, в прошлом с помощью лота, опускаемого на тросе, ныне с помощью эхолота. Syn.: зондирование … Словарь по географии
I Эхолокация (от Эхо и лат. locatio размещение) у животных, излучение и восприятие отражённых, как правило, высокочастотных, звуковых сигналов с целью обнаружения объектов в пространстве, а также получения информации о свойствах и… … Большая советская энциклопедия
Ж. Ориентировка в пространстве с помощью отражённого ультразвука. Толковый словарь Ефремовой. Т. Ф. Ефремова. 2000 … Современный толковый словарь русского языка Ефремовой
эхолокация - эхолок ация, и … Русский орфографический словарь
эхолокация - эхолока/ция, и … Слитно. Раздельно. Через дефис.
Книги
- Занимательное волноведение. Волнения и колебания вокруг нас , Претор-Пинней Гэвин. Г. Претор-Пинни увлекательно и запросто знакомит всех желающих с теорией волн, а также с тем, какое значение волны имеют в нашей повседневной жизни. Вас ждет кругосветное путешествие по…
А. М.
Рейман
,
, ИПФ РАН, г. Нижний Новгород
Что умеет ультразвук?
Введение и предыстория
Начнём с определения: «Ультразвук (УЗ) – упругие колебания и волны, частота которых превышает 15–20 кГц. Верхняя граница УЗ-частот обусловлена физической природой упругих волн и достигает 1 ГГц» . За этим кратким определением скрывается огромный мир акустики, поражающей разнообразием физических явлений, оригинальностью технических решений, да и самой возможностью «услышать неслышимое».
Как и многие другие физические явления, УЗ-волны обязаны своим открытием случаю. В 1876 г. английский физик Фрэнк Гальтон, изучая генерацию звука свистками особой конструкции (резонаторов Гельмгольца), носящими теперь его имя, обнаружил, что при определённых размерах камеры звук перестаёт быть слышимым. Можно было предположить, что звук просто не излучается, однако Гальтон сделал вывод, что звук не слышен потому, что его частота становится слишком высокой. Кроме физических соображений, в пользу этого вывода свидетельствовала реакция животных (прежде всего собак) на применение такого свистка.
Свисток Гальтона (резонатор Гельмгольца)
Очевидно, что излучать ультразвук с помощью свистков можно, но не слишком удобно. Ситуация изменилась после открытия пьезоэффекта Пьером Кюри в 1880 г., когда появилась возможность излучать звук, не продувая резонатор потоком воздуха, а подавая на пьезокристалл переменное электрическое напряжение. Однако, несмотря на появление достаточно удобных источников и приёмников ультразвука (тот же пьезоэффект позволяет преобразовывать энергию акустических волн в электрические колебания) и на огромные успехи физической акустики как науки, связанной с такими именами, как Уильям Стрэтт (лорд Рэлей), ультразвук рассматривался в основном как объект для изучения, но не для применения.
УЗ-томограмма трещины в металле
УЗ-томограмма руки
Следующий шаг был сделан в 1912 г., когда всего через два месяца после гибели «Титаника» австрийский инженер Александр Бем создал первый в мире эхолот. Представьте себе, как могла измениться история! С этих пор и до настоящего времени УЗ-гидролокация остаётся незаменимым инструментом для надводных и подводных кораблей.
Ещё один принципиальный сдвиг в развитии УЗ-техники был сделан в 20-е гг. XX в.: в СССР были проведены первые эксперименты по прозвучиванию сплошного металла ультразвуком с приёмом на противоположном краю образца, причём регистрирующая техника была устроена так, что можно было получать двумерные теневые изображения трещин в металле, подобные рентгеновским (трубка С.А.Соколова). Так началась УЗ-дефектоскопия, позволяющая «увидеть невидимое».
Очевидно, что применение ультразвука не могло ограничиться лишь техническими приложениями. В 1925 г. выдающийся французский физик Поль Ланжевен, занимавшийся оснащением флота эхолотами, исследовал прохождение ультразвука через мягкие ткани человека и воздействие ультразвуковых волн на организм человека. Тот же С.А.Соколов в 1938 г. получил первые томограммы руки человека «на просвет». А в 1955 г. английские инженеры Ян Дональд и Том Браун построили первый в мире УЗ-томограф, в котором человек погружался в ванну с водой, а оператор с УЗ-излучателем и УЗ-приёмником должен был обходить объект исследований по кругу. Они же впервые применили к человеку принцип эхолокации и получили не просветную, а отражательную томограмму.
Следующие пятьдесят лет (практически до наших дней) можно охарактеризовать как эпоху проникновения ультразвука во всевозможные области технической и медицинской диагностики и применения ультразвука в технологических областях, где он позволяет сделать зачастую то, что невозможно в природе. Но об этом подробнее.
Эхолокация в технике
Простейший вид эхолокации – одномерный. Импульс напряжения подаётся на излучающий элемент (генератор), тот направляет в среду короткий акустический импульс. Если на пути звуковой волны встречается препятствие (граница раздела слоёв с разными акустическими свойствами, например, трещина в металле), то часть сигнала отражается и может быть принята датчиком, чаще всего размещаемым там же, где и излучатель. Сигнал преобразуется в электрический, усиливается и появляется на экране.
К принципу действия одномерного УЗ-локатора
Измеряя время запаздывания принятого импульса относительно излучённого τ и зная скорость звука в среде c , можно определить расстояние L до отражателя: L = c τ/2. Очевидно, что в реальных условиях приходится принимать меры к тому, чтобы эхолокатор не показывал слабые цели для исключения ложного срабатывания. Для этого существуют процедуры оценки минимального порогового уровня чувствительности обнаружения. Кроме того, разумно ограничиться некоторой зоной интереса по L , исключив из неё ближнюю зону, где всегда имеются мощные помехи, и дальнюю зону, где полезный сигнал становится сравним по амплитуде с шумами. Если к этому добавить управление усилением принятого сигнала (причём его можно сделать зависящим от дальности, чтобы скомпенсировать ослабление сигнала с расстоянием), мы получим универсальный эхолокатор, который с небольшими вариациями может быть использован для решения множества задач технической и медицинской диагностики.
Пионеры ультразвуковой локации: Ф.Гальтон, А.Бем, С.А.Соколов, Т.Браун и Я.Дональд
В эхолокационной технике можно выделить несколько больших классов – уровнемеры, толщиномеры, эхолоты, дефектоскопы. Различаются они в основном алгоритмами использования получаемой акустической информации, тогда как основой для каждого из них по-прежнему является описанный выше одномерный эхолокатор. Например, если поставить УЗ-зонд (в котором находятся излучающий и приёмный элементы) на днище закрытой ёмкости с жидкостью, удастся измерить её уровень, не заглядывая в ёмкость, где может находиться ядовитая или огнеопасная субстанция. Если же нам неизвестны акустические свойства этой жидкости, можно поставить второй, так называемый опорный, зонд на боковую стенку этой ёмкости и определять уровень жидкости по отношению времён запаздывания вертикального и горизонтального сигналов. Примером такого уровнемера является измеритель уровня одоранта природного газа (меркаптана) в ёмкости, которая всегда закрыта, да ещё и закопана в землю.
УЗ-приборы: слева – УЗ-уровнемер; справа вверху – УЗ-дефектоскоп для неразрушающего контроля маленьких деталей; внизу – УЗ-толщиномер
УЗ-толщиномеры применяются для непрерывных измерений толщины листа (стального, стеклянного) при производстве, а также толщины объекта, к которому имеется доступ лишь с одной стороны (например, толщины стенки ёмкости или трубы). Здесь зачастую приходится иметь дело с очень малыми задержками, поэтому для повышения точности измерений применяют зацикливание эхолокатора: первый принятый эхосигнал сразу же запускает передатчик для излучения следующего импульса и т.д., при этом измеряют не время задержки, а частоту запуска.
Эхолоты, развитие которых началось почти сто лет назад, используются сейчас на самых разнообразных объектах, от надводных и подводных военных кораблей до надувных лодок рыбаков-любителей. Применение компьютеров позволило не просто отображать на экран эхолота профиль дна, но и распознавать тип отражающего объекта (рыба, топляк, сгусток ила и т.п.). С помощью эхолотов составляются карты профиля шельфа, были обнаружены суточные колебания глубины расположения слоя планктона в океане.
Рельсовый УЗ-дефектоскоп АДС-02
Остродефектный рельс на изломе
Пожалуй, наиболее важным применением эхолокации в технике является неразрушающий контроль конструкций (металлических, бетонных, пластмассовых) для выявления в них дефектов, вызванных механическими нагрузками. В простейшем случае дефектоскоп – это эхолокатор, на экране которого отображается эхограмма. Перемещая УЗ-датчик по поверхности контролируемого изделия, можно обнаруживать трещины. Обычно дефектоскоп снабжается набором УЗ-преобразователей, позволяющих вводить ультразвук в материал под разными углами, и звуковой сигнализацией превышения порога отражённым эхосигналом.
Среди металлоконструкций наиболее важным объектом неразрушающего контроля являются железнодорожные рельсы. Несмотря на значительные успехи внедрения средств автоматики, на железных дорогах России наиболее распространён ручной контроль. Многоканальный эхолокатор устанавливается на съёмную тележку, которую толкает оператор. УЗ-датчики устанавливаются в лыжи, скользящие по поверхности катания рельсов. Для обеспечения акустического контакта на тележке устанавливаются баки с контактной жидкостью (летом – вода, зимой – спирт). И шагают тысячи операторов по всем железным дорогам, толкая тележки, в снег и дождь, в жару и мороз... Требования к конструкции аппаратуры высоки – приборы должны работать в диапазоне температур от –40 до +50 °С, быть пылевлагонепроницаемыми, работать от аккумулятора. Первые отечественные рельсовые дефектоскопы в СССР были созданы 50 лет назад проф. А.К.Гурвичем в Ленинграде. Развитие вычислительной техники дало возможность в последнее десятилетие создать автоматизированные дефектоскопы, позволяющие не только обнаружить дефект, но и записать всю эхограмму пройденного пути для просмотра информации, её хранения и дальнейшего анализа в специальных центрах. Один из таких приборов – АДС-02 – был создан сотрудниками нашего ИПФ РАН совместно с фирмой «Медуза» и выпускается серийно Нижегородским заводом им. М.Фрунзе. К настоящему времени более 300 приборов работают на российских железных дорогах, помогая обнаруживать в год по несколько тысяч так называемых острых дефектов, каждый из которых может стать причиной крушения. За применение современных компьютерных технологий дефектоскоп АДС-02 получил в 2005 г. 1-е место на международном конкурсе разработчиков встраиваемых систем в Сан-Франциско (США).
Статья подготовлена при поддержке компании «МегаЗабор». Если Вы решили приобрести качественный и надежный забор, который простоит многие годы, то оптимальным решением станет обратиться в компанию «МегаЗабор». Компания «МегаЗабор» занимается продажей и установкой заборов разной длинны высоты и сложности конструкции и уже успела зарекомендовать себя как качественный поставщик услуг. Более подробную информацию Вы сможете найти на сайте www.Megazabor.Ru.
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.
Открытие эхолокации связано с именем итальянского естествоиспытателя Ладзаро Спалланцани . Он обратил внимание на то, что летучие мыши свободно летают в абсолютно тёмной комнате (где оказываются беспомощными даже совы), не задевая предметов. В своём опыте он ослепил несколько животных, однако и после этого они летали наравне со зрячими . 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 (по аналогии с радиолокацией) для именования способа ориентации летучих мышей при помощи ультразвука .
Эхолокация у животных
Животные используют эхолокацию для ориентации в пространстве и для определения местоположения объектов вокруг, в основном при помощи высокочастотных звуковых сигналов. Наиболее развита у летучих мышей и дельфинов , также её используют землеройки , ряд видов ластоногих (тюлени), птиц (гуахаро , саланганы и др.).
Происхождение эхолокации у животных остаётся неясным; вероятно, она возникла как замена зрению у тех, кто обитает в темноте пещер или глубин океана. Вместо световой волны для локации стала использоваться звуковая .
Данный способ ориентации в пространстве позволяет животным обнаруживать объекты, распознавать их и даже охотиться в условиях полного отсутствия света, в пещерах и на значительной глубине.
Среди членистоногих эхолокация обнаружена только у ночных бабочек совок .
Человек в некотором роде тоже использует эхолокацию: услышав звук в помещении, человек может определить приблизительный объём помещения, мягкость стен и т. п.
Техническое обеспечение эхолокациии
Эхолокация может быть основана на отражении сигналов различной частоты - радиоволн , ультразвука и звука . Первые эхолокационные системы направляли сигнал в определённую точку пространства и по задержке ответа определяли её удалённость при известной скорости перемещения данного сигнала в данной среде и способности препятствия, до которого измеряется расстояние, отражать данный вид сигнала. Обследование участка дна таким образом при помощи звука занимало значительное время.
Сейчас используются различные технические решения с одновременным использованием сигналов различной частоты, которые позволяют существенно ускорить процесс эхолокации.
См. также
- Сонар (гидролокатор)
Напишите отзыв о статье "Эхолокация"
Примечания
Библиография
- Сергеев Б.Ф. . - Л. : Гидрометеоиздат , 1980. - 150 с.
- Гриффин Д. Р. Эхо в жизни людей и животных. Пер. с англ. К. Э. Виллер. Под ред. М. А. Исаковича. - М.: Физматгиз, 1961. - 110 с.
Отрывок, характеризующий Эхолокация
На другой день после приема в ложу, Пьер сидел дома, читая книгу и стараясь вникнуть в значение квадрата, изображавшего одной своей стороною Бога, другою нравственное, третьею физическое и четвертою смешанное. Изредка он отрывался от книги и квадрата и в воображении своем составлял себе новый план жизни. Вчера в ложе ему сказали, что до сведения государя дошел слух о дуэли, и что Пьеру благоразумнее бы было удалиться из Петербурга. Пьер предполагал ехать в свои южные имения и заняться там своими крестьянами. Он радостно обдумывал эту новую жизнь, когда неожиданно в комнату вошел князь Василий.– Мой друг, что ты наделал в Москве? За что ты поссорился с Лёлей, mon сher? [дорогой мoй?] Ты в заблуждении, – сказал князь Василий, входя в комнату. – Я всё узнал, я могу тебе сказать верно, что Элен невинна перед тобой, как Христос перед жидами. – Пьер хотел отвечать, но он перебил его. – И зачем ты не обратился прямо и просто ко мне, как к другу? Я всё знаю, я всё понимаю, – сказал он, – ты вел себя, как прилично человеку, дорожащему своей честью; может быть слишком поспешно, но об этом мы не будем судить. Одно ты помни, в какое положение ты ставишь ее и меня в глазах всего общества и даже двора, – прибавил он, понизив голос. – Она живет в Москве, ты здесь. Помни, мой милый, – он потянул его вниз за руку, – здесь одно недоразуменье; ты сам, я думаю, чувствуешь. Напиши сейчас со мною письмо, и она приедет сюда, всё объяснится, а то я тебе скажу, ты очень легко можешь пострадать, мой милый.
Князь Василий внушительно взглянул на Пьера. – Мне из хороших источников известно, что вдовствующая императрица принимает живой интерес во всем этом деле. Ты знаешь, она очень милостива к Элен.
Несколько раз Пьер собирался говорить, но с одной стороны князь Василий не допускал его до этого, с другой стороны сам Пьер боялся начать говорить в том тоне решительного отказа и несогласия, в котором он твердо решился отвечать своему тестю. Кроме того слова масонского устава: «буди ласков и приветлив» вспоминались ему. Он морщился, краснел, вставал и опускался, работая над собою в самом трудном для него в жизни деле – сказать неприятное в глаза человеку, сказать не то, чего ожидал этот человек, кто бы он ни был. Он так привык повиноваться этому тону небрежной самоуверенности князя Василия, что и теперь он чувствовал, что не в силах будет противостоять ей; но он чувствовал, что от того, что он скажет сейчас, будет зависеть вся дальнейшая судьба его: пойдет ли он по старой, прежней дороге, или по той новой, которая так привлекательно была указана ему масонами, и на которой он твердо верил, что найдет возрождение к новой жизни.
– Ну, мой милый, – шутливо сказал князь Василий, – скажи же мне: «да», и я от себя напишу ей, и мы убьем жирного тельца. – Но князь Василий не успел договорить своей шутки, как Пьер с бешенством в лице, которое напоминало его отца, не глядя в глаза собеседнику, проговорил шопотом:
– Князь, я вас не звал к себе, идите, пожалуйста, идите! – Он вскочил и отворил ему дверь.
– Идите же, – повторил он, сам себе не веря и радуясь выражению смущенности и страха, показавшемуся на лице князя Василия.
– Что с тобой? Ты болен?
– Идите! – еще раз проговорил дрожащий голос. И князь Василий должен был уехать, не получив никакого объяснения.
Через неделю Пьер, простившись с новыми друзьями масонами и оставив им большие суммы на милостыни, уехал в свои именья. Его новые братья дали ему письма в Киев и Одессу, к тамошним масонам, и обещали писать ему и руководить его в его новой деятельности.