Echoortung in Natur und Technik. Was ist Echoortung? Technische Unterstützung der Echoortung

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"ECHO, ECHOSCHALLGERÄT,

Echoortung"

Die Arbeit der Schüler der 9. Klasse

Kosogorova Andrej

Schule Nr. 8 MO RF

Sewastopol

ECHO(im Namen der Nymphe Echo in der antiken griechischen Mythologie), eine Welle (akustisch, elektromagnetisch usw.), die von einem Hindernis reflektiert und von einem Beobachter akzeptiert wird. Akustisches Echo kann beispielsweise beobachtet werden, wenn ein Schallimpuls (Klopfen, kurzes Stakkato, etc.) von stark reflektierenden Oberflächen reflektiert wird. Das Echo ist hörbar, wenn die empfangenen und gesendeten Impulse durch einen Zeitabstand t 5 = 50–60 ms getrennt sind. Das Echo vervielfacht sich bei mehreren reflektierenden Flächen (in der Nähe einer Gebäudegruppe, im Gebirge etc.), deren Schall den Betrachter zu unterschiedlichen Zeitpunkten von t 50-60 ms erreicht. harmonisch Echo. tritt auf, wenn Schall mit einem breiten Frequenzspektrum von Hindernissen gestreut wird, deren Abmessungen im Vergleich zu den Wellenlängen, aus denen das Spektrum besteht, klein sind. In einem Raum verschmelzen einzelne zahlreiche Echos zu einem kontinuierlichen Echo, das als Nachhall bezeichnet wird. Das Echo kann als Maß für die Entfernung von der Signalquelle zum reflektierenden Objekt dienen: r = st / 2, wobei t die Zeitspanne zwischen dem Senden des Signals und der Rückkehr des Echos und c die Geschwindigkeit ist der Wellenausbreitung im Medium. Auf diesem Prinzip basieren verschiedene Echo-Anwendungen. Akustisches Echo wird im Sonar sowie in der Navigation verwendet, wo Echolote verwendet werden, um die Tiefe des Bodens zu messen. Elektromagnetisches Echo wird im Radar verwendet; von der Ionosphäre reflektiert, ermöglicht es, kurzwellige Funkkommunikation über große Entfernungen durchzuführen und die Eigenschaften der Ionosphäre zu beurteilen. Das Echowellenprinzip wird allmählich im optischen Bereich elektromagnetischer Wellen angewendet, die von einem quantenoptischen Generator erzeugt werden. Elastische Wellen, die sich in der Erdkruste ausbreiten und von verschiedenen Gesteinsschichten reflektiert werden, bilden ein seismisches Echo, das zur Suche nach Mineralvorkommen genutzt wird. Mit Hilfe von Echo wird die Tiefe von Bohrlöchern gemessen („Echometrie“ von Brunnen), die Höhe des Flüssigkeitsspiegels in Tanks (Ultraschall-Füllstandsmessgeräte). Echoverfahren sind in der Ultraschall-Fehlerprüfung weit verbreitet. akustisches Echo. bei manchen Tieren (Fledermäuse, Delfine, Wale etc.) dient es als Orientierungs- und Beutesuchmittel (siehe Schallortung).

Echoortung(von Echo und lat. Ortung) bei Tieren, die Abstrahlung und Wahrnehmung von reflektierten, meist hochfrequenten Schallsignalen, um Objekte im Weltraum zu detektieren, sowie Informationen über die Beschaffenheit und Größe von zu ortenden Zielen zu erhalten ( Beute oder Hindernisse). Echo ist eine der Möglichkeiten, wie sich Tiere im Raum orientieren. Echo entwickelt sich in Fledermäusen und Delphinen, kommt in Spitzmäusen, einer Reihe von Arten von Flossenfüßern (Robben), Vögeln (Salangans und einigen anderen) vor. Bei Delphinen und Fledermäusen basiert das Echo auf der Aussendung von Ultraschallimpulsen mit einer Frequenz von bis zu 130-200 kHz, mit einer Signaldauer von normalerweise 0,2 bis 4-5 ms, manchmal mehr. Mit Hilfe eines Echos können Delfine auch mit geschlossenen Augen nicht nur tagsüber, sondern auch nachts Nahrung finden, die Tiefe des Bodens, die Nähe der Küste und untergetauchte Objekte bestimmen. Eine Person nimmt ihre Echoortungsimpulse als das Knarren einer Tür wahr, die sich an rostigen Scharnieren dreht. Ob die Echoortung charakteristisch für Bartenwale ist, die Signale mit einer Frequenz von nur wenigen Kilohertz aussenden, ist noch nicht geklärt.

Delfine senden Schallwellen in eine Richtung. Die an Kiefer- und Zwischenkieferknochen anliegenden Fettpolster und die konkave Vorderfläche des Schädels wirken als Schalllinse und Reflektor: Sie bündeln die von den Luftsäcken ausgesandten Signale und lenken sie in Form eines Schallbündels auf das zu ortende Objekt .

Bei in dunklen Höhlen lebenden Vögeln (Guajaro und Salangans) dient es der Orientierung im Dunkeln; sie senden niederfrequente Signale von 7-4 kHz aus. Bei Delphinen und Fledermäusen dient das Echo neben der allgemeinen Orientierung zur Bestimmung der Räume, der Position des Ziels, der Größe und in einigen Fällen zur Erkennung des Aussehens des Ziels. Bei den oben genannten Säugetieren dient es oft als wichtiges Mittel, um Nahrung zu finden und zu beschaffen.

Lit.: Airapetyants E. Sh., Konstantinov A. I., Echolocation in nature, 2. Aufl., L., 1974. G. N. Simkin. ECHOLOCATION, eine der Methoden der Schallortung, bei der die Entfernung zu einem Objekt durch die Rückkehrzeit des Echosignals bestimmt wird.

Echolot(von Echo und Lot), ein Navigationsgerät zur automatischen Messung der Tiefe von Gewässern mit hydroakustischen Echosignalen. Üblicherweise ist im Boden des Behälters ein Vibrator eingebaut, dem vom Generator periodisch elektrische Impulse zugeführt werden, die von ihm in akustische umgewandelt werden und sich in einem begrenzten Raumwinkel vertikal nach unten ausbreiten. Der vom Boden reflektierte akustische Impuls wird vom selben Vibrator empfangen, der ihn in einen elektrischen umwandelt. Nach der Verstärkung gelangt der Impuls in den Tiefenindikator, der die Zeitspanne (in Sekunden) vom Senden des Impulses bis zum Zurückkehren des Echos vom Grund markiert und in visuelle Anzeigen oder eine Tiefenaufzeichnung umwandelt. h = st/ 2 in m, wobei die Schallgeschwindigkeit c = 1500 m/s ist. Die Impulsdauer beträgt 0,05 bis 20 ms bei einer Füllfrequenz von 10 bis 200 kHz. Kurze Dauer und hohe Frequenzen werden verwendet, wenn geringe Tiefen gemessen werden, lange Dauer und niedrige Frequenzen werden verwendet, wenn große Tiefen gemessen werden. Der Vibrator kann ein magnetostriktiver oder ein piezokeramischer Wandler sein. Als Tiefenanzeiger werden blinkende Anzeigen mit einem rotierenden Neonlicht verwendet, das im Moment des Empfangs eines Echosignals blinkt; Zeiger-, Elektronenstrahl- und Digitalanzeiger sowie Schreiber, die gemessene Tiefen auf einem sich bewegenden Papierband mit einem elektrothermischen oder elektrochemischen Verfahren aufzeichnen. Echolote werden für verschiedene Tiefenintervalle von 0,1 bis 12.000 m hergestellt und arbeiten bei Schiffsgeschwindigkeiten von bis zu 30 Knoten (55 km/h) und sogar mehr. Sonarfehler von 1 % bis Hundertstel Prozent. Das Echolot wird auch zur Suche nach Fischschwärmen, U-Booten, zur Untersuchung von Schallstreuschichten, zur Bestimmung der Bodenart, zur Schichtung von Bodensedimenten und für andere hydroakustische Messungen eingesetzt. 1958 wurde die maximale Tiefe (11.022 m) des Weltozeans in der Mariinsky-Senke im westlichen Teil des Pazifik See. Auf die Idee eines Echolots kamen unabhängig voneinander und fast gleichzeitig mehrere Personen: der deutsche Ingenieur A. Bem aus Danzig (Gdansk), der amerikanische Ingenieur R. A. Fessenden, der französische Physiker P. Langevin und der Ingenieur Konstantin Vasilievich Shilovsky (1880-1952) aus Ryazan, der in Frankreich arbeitete. Langevin und Shilovsky schufen auch das erste Sonar

Siehe Hydroakustik.

Lit .: Fedorov I. I., Navigationsecholote, M.-L., 1948; his, Echolote und andere hydroakustische Mittel, L., 1960; Tolmachev D., Fedorov I., Navigationsecholote, "Technik und Waffen", 1977, Nr. 1. I.I. Fjodorow.

ECHOENCEPHALOGRAPHIE(aus Echo und Enzephalographie), Ultraschall-Enzephalographie, eine Methode zur Untersuchung des Gehirns mit Ultraschall. Sie beruht auf der Eigenschaft des Ultraschalls, von den Grenzen unterschiedlich dichter Medien (Strukturgebilde des Gehirns) reflektiert zu werden. Das wichtigste diagnostische Kriterium (vorgeschlagen 1955-56 vom schwedischen Arzt L. Lexell) ist die Abweichung des Median-Echos oder M-Echos (M - vom späten lateinischen Te-Dialis - Median), das eine Reflexion des Ultraschalls ist aus den mittleren Strukturen des Gehirns (Zirbeldrüse, 3 Ventrikel, Septum pellucidum, interhemisphärischer Spalt). Normalerweise fällt das M-Echo, das als Peak im Ultraschall-Enzephalogramm aufgezeichnet wird, mit der Mittellinie des Kopfes zusammen. Bei Vorliegen eines intrakraniellen Tumors, einer Blutung, eines Abszesses und anderer pathologischer Formationen wird das M-Echo in Richtung der gesunden Hemisphäre verschoben (siehe Abb.). Andere diagnostische Kriterien wurden ebenfalls vorgeschlagen: eine Vergrößerung des Abstands zwischen Echosignalen von den Seitenwänden des 3. Ventrikels bei Hydrozephalus; relativ schnelle Normalisierung der resultierenden Verschiebung des M-Echos bei akutem Verschluss der Halsschlagader etc. Bei der ECHOENCEPHALOGRAPHY werden spezielle Ultraschall-Enzephalographen verwendet, die die reflektierten Ultraschallsignale in elektrische Impulse umwandeln. Diese Pulse werden auf dem Bildschirm des Gerätes grafisch dargestellt und fotografiert.

Lit.: Klinische Echoenzephalographie, M., 1973; L e ks e 1 1 L., Echo-Enzephalog" rapy. Nachweis intrakranieller Komplikationen nach Kopfverletzung, "Acta chirurgica scan" dinavica", 1956, v. 110, S. 301-315.

V. E. Grechko.

ECHO, eine Kompositions- und Aufführungstechnik, die auf der Wiederholung von Musen basiert. Phrasen mit geringerer Klangfülle durch dieselben oder andere Stimmen, Instrumente.

Es wird hauptsächlich in der Chor-, Opern-, Orchester- und Kammerinstrumentalmusik verwendet. Basierend auf der Verwendung der Echotechnik entstehen manchmal ganze Musikstücke, zum Beispiel O. Lassos "Echo" für den Chor und ein gleichnamiges Stück. aus der "Französischen Ouvertüre" für Cembalo von J. S. Bach. Echoname ist auch eines der Register der Orgel.

Lit.: R e l e und J., Theory of Sound, übers. aus dem Englischen, 2. Aufl., Bd. 2, M., 1955; Gr und f f und n D., Echo im Leben der Menschen und Tiere, übers. aus dem Englischen, M., 1961.

Echoortungbei Tieren - das Aussenden und Wahrnehmen von reflektierten, meist hochfrequenten Schallsignalen, um Objekte (Beute, Hindernisse etc.) im Raum zu erkennen, sowie Informationen über deren Beschaffenheit und Grösse zu erhalten.

Echos sind allgegenwärtig. Stark oder schwach, es tritt häufig auf. Es wäre seltsam, wenn Tiere mit ihrem subtilen, hochentwickelten Gehör dieses Phänomen nicht bemerken und nicht lernen würden, es zu nutzen. Tatsächlich empfangen viele Tiere das Echo nicht ohne Nutzen. Spechte ernähren sich von Insekten, die auf Bäumen leben. Der Specht höhlt nicht alle Bäume hintereinander aus, sonst würde er einfach verhungern. Durch Klopfen auf die Rinde stellt der Specht sofort fest, ob sich Borkenkäfer darin befinden. Die scharfnasigen Wärter des Waldes sind so virtuos, dass sie den verschlungenen Weg der Borkenkäferlarve per Ton nachzeichnen und am Ende genau dort einhämmern, wo sich der Schöpfer des Baumlabyrinths versteckt.

Besondere Virtuosen in Sachen Echoortung - die Fledermäuse. Sie verwenden Ultraschall zur Echoortung. So erkennen Mäuse in der Luft Schukow, Nacht Schmetterlinge, Motten. Die Maus fängt ein Insekt mit einem Ultraschall-"Suchscheinwerfer" und versucht, ihre Beute nicht zu verlieren, holt sie ein und fängt sie.

Bis vor kurzem erstaunten Fledermäuse die Vorstellungskraft von Wissenschaftlern mit der Perfektion ihres Sonars. In der Tat sind sie Meister unter den Landtieren. Aber wie sich in den letzten Jahrzehnten herausstellte, gehört die Palme nicht ihnen. Die Luftumgebung ist für die Echoortung ungünstig. Schall breitet sich in der Luft relativ langsam aus und klingt schnell ab. Wasser ist eine andere Sache. Darin breitet sich der Schall fünfmal schneller aus als in der Luft und überwindet große Entfernungen, ohne zu verblassen. Pioniere der Hydroakustik - Neunaugen und Fisch.

Fischgeheimnisse sind seit langem bekannt. Fischer haben wiederholt große Raubfische gefangen, völlig blind. Die gefangenen Fische sahen nicht krank oder unterernährt aus. Wie konnten sie, ohne Sicht, Beute fangen?

Der Körper von Fischen ist mit einem erstaunlichen Sinnesorgan ausgestattet. Es hat den Namen des Seitenlinienorgans erhalten, da es sich wirklich entlang des Körpers befindet. Fische verwenden das Seitenlinienorgan als echten Ortungsgerät. Wenn sie schwimmen, läuft eine Welle voraus. Von entgegenkommenden Objekten reflektiert, kehrt es zum Seitenlinienorgan zurück und informiert die Fische über Unterwasserhindernisse. Deshalb stolpern blinde Fische nicht an den Wänden des Aquariums und orientieren sich in Gewässern, wobei sie alle Felsen oder Uferbiegungen umgehen.

Wenn viel über das Fischsonar bekannt ist, dann Delfine stellten die Wissenschaftler eine Reihe noch ungelöster Rätsel. Die erste davon ist die Stimme eines Delphins. Die meisten Vögel und Säugetiere machen Geräusche mit ihren Stimmbändern. Delfine haben sie nicht. Was sie ersetzt, ist noch nicht genau bekannt. Anscheinend ist das Prinzip der Ultraschallerzeugung weit verbreitet - die Vibration der Wände einiger Kanäle, wenn Luft durch sie geblasen wird. Nur alle Tiere vibrieren Stimmbänder, während Delfine etwas anderes haben. Überhaupt Atmungssystem Wale sehr originell arrangiert. Die Nasenlöcher von Delfinen befinden sich am Hinterkopf und vereinen sich zu einem großen Loch, dem Blasloch. Anscheinend lässt es sich so leichter atmen, man muss nicht absichtlich den Kopf aus dem Wasser heben. Delfine atmen unterwegs und steigen alle ein bis zwei Minuten an die Oberfläche. Auf dem Kopf des Delphins befindet sich ein Gerät, mit dem Sie Ultraschall in die richtige Richtung schießen können. Im Wesentlichen ist ein Ultraschall-Suchscheinwerfer auf der Stirn des Delphins montiert, nur gibt er keinen Dauerstrahl ab, sondern blinkt schnell und schnell. Im Bereich der Luftsäcke erzeugter Ultraschall wird von den flachen Schädelknochen nach vorne reflektiert. Sie wirken als Reflektoren. Reflektierter Ultraschall fällt in das Fettpolster, das die Oberseite der Luftsäcke bedeckt. In seiner Form ähnelt es einer großen Linse und wird als Linse verwendet. Es wird angenommen, dass die das Fettpolster umgebende Muskulatur seine Form verändern kann. Dadurch können die Delfine den Ultraschallstrahl fokussieren. Wenn sie ein kleines Objekt "beleuchten" müssen, machen sie den Strahl extrem schmal; Wenn Sie den umgebenden Raum breiter "beleuchten" möchten, machen Sie den Strahl so breit wie möglich. Außerdem glauben Wissenschaftler, dass Tiere irgendwie in der Lage sind, den Ultraschallstrahl in jede Richtung zu lenken – zum Beispiel seitwärts.

Das Delphin-Sonar ist ein erstaunliches Gerät. Mit seiner Hilfe können Tiere aus der Ferne viel über verschiedene Objekte lernen. Beispielsweise verwenden Delfine die Echoortung, um sogar einen kleinen Unterschied in der Größe identischer Objekte zu bestimmen. Das Delphin-Sonar funktioniert wie ein Röntgengerät. Tiere unterscheiden leicht eine monolithische Stahlkugel von derselben Kugel, aber hohl.

Mit Echo können Sie einen Fischschwarm finden, den sie für 100-500 Meter bestimmen können, es hängt von der Dichte des Schwarms ab.

Unsere Polardelfine könnten ohne Sonar nicht existieren - Beluga Wale. Sie verbringen ihr ganzes Leben im Eis und tauchen mutig unter die Eisfelder. Ihr Ortungsgerät informiert Sie darüber, dass irgendwo vor Ihnen Scheidungen anstehen, und Sie können dort frische Luft schnappen. Anscheinend nutzen auch Wale die Echoortung. Pottwale Manchmal muss man in völliger Dunkelheit jagen, riesige Tintenfische finden und besiegen.

Geschichte

Die Entdeckung der Echoortung ist mit dem Namen des italienischen Naturforschers Lazzaro Spallanzani verbunden. Er machte darauf aufmerksam, dass Fledermäuse in einem völlig dunklen Raum (wo sogar Eulen hilflos sind) frei herumfliegen, ohne Gegenstände zu berühren. In seinem Experiment blendete er mehrere Tiere, aber auch danach flogen sie auf Augenhöhe mit sehenden. Spallanzanis Kollege J. Zhyurin führte ein weiteres Experiment durch, bei dem er die Ohren von Fledermäusen mit Wachs bedeckte und die Tiere über alle Gegenstände stolperten. Daraus schlossen Wissenschaftler, dass Fledermäuse nach Gehör navigieren. Diese Idee wurde jedoch von den Zeitgenossen belächelt, da nichts mehr zu sagen war – kurze Ultraschallsignale waren damals noch nicht feststellbar.

Die Idee der aktiven Schallortung bei Fledermäusen wurde erstmals 1912 von H. Maxim vorgebracht. Er stellte die Hypothese auf, dass Fledermäuse niederfrequente Echoortungssignale mit 15-Hz-Flügelschlägen erzeugen.

Der Engländer H. Hartridge, der die Experimente von Spallanzani reproduzierte, vermutete 1920 Ultraschall. Die Bestätigung dafür wurde 1938 dank der Bioakustik D. Griffin und des Physikers G. Pierce gefunden. Griffin schlug den Namen vor Echoortung(ähnlich wie Radar) zur Benennung der Methode zur Orientierung von Fledermäusen mittels Ultraschall.

Echoortung bei Tieren

Der Ursprung der Echoortung bei Tieren bleibt unklar; Es entstand wahrscheinlich als Ersatz für das Sehen bei denen, die in der Dunkelheit von Höhlen oder den Tiefen des Ozeans leben. Anstelle einer Lichtwelle wurde eine Schallwelle zur Ortung verwendet.

Diese Art der Orientierung im Raum ermöglicht es Tieren, Objekte zu erkennen, zu erkennen und sogar bei völliger Lichtlosigkeit, in Höhlen und in großen Tiefen zu jagen.

Unter den Arthropoden wurde die Echoortung nur bei den nachtaktiven Schaufelfaltern gefunden.

Echoortungshardware

Schallüberwachungsgeräte aus dem Ersten Weltkrieg

Die Echoortung kann auf der Reflexion von Signalen verschiedener Frequenzen basieren - Funkwellen, Ultraschall und Schall. Die ersten Echoortungssysteme sendeten ein Signal zu einem bestimmten Punkt im Raum und bestimmten durch die Antwortverzögerung seine Entfernung bei bekannter Bewegungsgeschwindigkeit eines bestimmten Signals in einer bestimmten Umgebung und die Fähigkeit eines Hindernisses, zu dem die Entfernung gemessen wird spiegeln diese Art von Signal wider. Die Untersuchung eines Abschnitts des Bodens auf diese Weise mit Hilfe von Schall nahm viel Zeit in Anspruch.

Derzeit werden verschiedene technische Lösungen bei gleichzeitiger Verwendung von Signalen unterschiedlicher Frequenzen verwendet, die den Echoortungsprozess erheblich beschleunigen können.

Wikimedia-Stiftung. 2010 .

Synonyme:

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Echoortung- Eine Methode, um die Tiefe eines Meeres oder Sees zu messen, früher mit einem Lot, das an einem Kabel abgesenkt wurde, jetzt mit Hilfe eines Echolots. Syn.: Sondieren … Geographisches Wörterbuch

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Orientierungssystem im Raum

Richtung:

Testamentsvollstrecker: Schüler der 10. Klasse Dmitry Tyukalov

Aufsicht: Evgeniy Aminov

Physik Lehrer

Einführung. 3

Kapitel I. Echoortung. 4

I.1. Geschichte. 4

I.2. Prinzipien der Echoortung. 4

I.3. Anwendungsmethoden. 5

I.5. Messprinzip. 12

I.6. Arten von Geräten. 13

Kapitel II. Arduino. 14

II.1. Anwendung. 14

II.2. Programmiersprache. 14

II.3. Unterschiede zu anderen Plattformen. 14

Abschluss. 18

Literaturverzeichnis und Internetquellen. 18

Anwendung. 19

Einführung

Heutzutage entwickeln die Menschen nach und nach Geräte, die uns das Leben erleichtern. Und natürlich wären sie ohne Orientierung unterlegen. In diesem Artikel werden wir uns ausführlich mit einer der Orientierungsarten befassen - der Echoortung. Gegenstand meiner Forschung ist die Orientierung durch die Methode der Echoortung, die wir am Beispiel eines auf Arduino-Basis erstellten autonomen Geräts betrachten. Das Problem ist, ob es bequem und effektiv ist.

Das Ziel dieser Arbeit war: Ermittlung der Vor- und Nachteile der Orientierung nach dem Prinzip der Echoortung.

Um dieses Ziel zu erreichen, müssen folgende Aufgaben gelöst werden:

1. Studieren Sie die Essenz des Phänomens.

2. Erkunden Sie ein eigenständiges Arduino-Gerät.

3. Erstellen Sie ein Gerät.

4. Ein Programm schreiben.

5. Testen unter verschiedenen Bedingungen.

6. Finden Sie eine würdige Anwendung.

Dieses Problem wurde in der Vergangenheit nicht entwickelt, aber das eigentliche Phänomen der Echoortung wurde 1880 von Pierre Curie betrachtet, und seine Anwendung im Leben wurde 1912 dank Alexander Bem möglich. Er schuf das erste Echolot der Welt.

Ich nehme an dass die Orientierung nach dem Prinzip der Echoortung sehr effektiv ist und Menschen in lebensbedrohlichen Situationen helfen kann.

Kapitel I. Echoortung

Ich möchte von weitem anfangen, nämlich mit der Definition:

Echoortung (Echo und lat. Ortung - „Position“) ist ein Verfahren, bei dem die Position eines Objekts durch die Verzögerungszeit der Rückkehr der reflektierten Welle bestimmt wird. Wenn die Wellen Schall sind, dann ist dies Sonar, wenn das Radio Radar ist.

I.1. Geschichte

Die Echoortung als Phänomen in der Robotik und Mechanik kommt aus der Biologie. Seine Entdeckung ist mit dem Namen des italienischen Naturforschers Lazzaro Spallanzani verbunden. Er machte darauf aufmerksam, dass Fledermäuse in einem völlig dunklen Raum frei herumfliegen, ohne Gegenstände zu berühren. In seinem Experiment blendete er mehrere Tiere, aber auch danach flogen sie auf Augenhöhe mit sehenden. Spallanzanis Kollege J. Zhyurin führte ein weiteres Experiment durch, bei dem er die Ohren von Fledermäusen mit Wachs bedeckte und die Tiere über alle Gegenstände stolperten. Daraus schlossen Wissenschaftler, dass Fledermäuse nach Gehör navigieren. Diese Idee wurde jedoch von den Zeitgenossen belächelt, da nichts mehr zu sagen war – kurze Ultraschallsignale waren damals noch nicht feststellbar.

Der Engländer H. Hartridge, der die Experimente von Spallanzani reproduzierte, vermutete 1920 Ultraschall. Die Bestätigung dafür wurde 1938 dank der Bioakustik D. Griffin und des Physikers G. Pierce gefunden. Griffin prägte den Namen Echoortung, um sich auf die Art und Weise zu beziehen, wie Fledermäuse mithilfe von Ultraschall navigieren.

I.2. Prinzipien der Echoortung

Die Echoortung beginnt mit Ultraschall, also lernen wir mehr darüber.

Wie viele andere physikalische Phänomene verdanken Ultraschallwellen ihre Entdeckung dem Zufall. 1876 entdeckte der englische Physiker Frank Galton bei der Untersuchung der Schallerzeugung durch Pfeifen besonderer Bauart (Helmholtz-Resonatoren), die heute seinen Namen tragen, dass bei bestimmten Kammergrößen kein Schall mehr hörbar ist. Man könnte annehmen, dass der Ton einfach nicht abstrahlt, aber Galton schloss daraus, dass der Ton nicht gehört wird, weil seine Frequenz zu hoch wird. Neben physikalischen Erwägungen sprach auch die Reaktion von Tieren (vor allem Hunden) auf die Verwendung einer solchen Pfeife für diese Schlussfolgerung.

Natürlich ist es möglich, Ultraschall mit Pfeifen auszusenden, aber nicht sehr bequem. Die Situation änderte sich nach der Entdeckung des piezoelektrischen Effekts durch Pierre Curie im Jahr 1880, als es möglich wurde, Schall zu emittieren, ohne einen Luftstrom durch den Resonator zu blasen, sondern durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung an den piezoelektrischen Kristall. Doch trotz des Aufkommens ziemlich bequemer Ultraschallquellen und -empfänger (derselbe piezoelektrische Effekt ermöglicht es Ihnen, die Energie akustischer Wellen in elektrische Schwingungen umzuwandeln) und der großen Erfolge der physikalischen Akustik als Wissenschaft, die mit Namen wie William Strutt (Lord Rayleigh) wurde Ultraschall hauptsächlich als Studienobjekt, aber nicht als Anwendungsobjekt betrachtet.

I.3. Anwendungsmethoden

Der nächste Schritt wurde 1912 getan, als nur zwei Monate nach dem Untergang der Titanic ein österreichischer Ingenieur Alexander Bemm schuf das erste Echolot der Welt. Stellen Sie sich vor, wie sich die Geschichte ändern könnte! Von dieser Zeit bis heute ist das Ultraschallsonar ein unverzichtbares Werkzeug für Überwasser- und U-Boot-Schiffe geblieben.

Ein weiterer grundlegender Wandel in der Entwicklung der Ultraschalltechnologie erfolgte in den 1920er Jahren. XX Jahrhundert: In der UdSSR wurden die ersten Experimente zur Sondierung von massivem Metall durch Ultraschall mit Empfang am gegenüberliegenden Rand der Probe durchgeführt, und die Aufnahmetechnik wurde so konzipiert, dass zweidimensionale Schattenbilder von erhalten werden konnten Risse im Metall, ähnlich wie Röntgenstrahlen (Rohr S.A. Sokolov). So begann die Ultraschall-Fehlererkennung, mit der Sie "das Unsichtbare sehen" können.

Offensichtlich konnte der Einsatz von Ultraschall nicht auf technische Anwendungen beschränkt werden. 1925 der herausragende französische Physiker Paul Langevin, beschäftigte sich mit der Ausrüstung der Flotte mit Echoloten, untersuchte den Durchgang von Ultraschall durch menschliche Weichteile und die Wirkung von Ultraschallwellen auf den menschlichen Körper. Derselbe S.A.Sokolov 1938 erhielt er die ersten Tomogramme einer menschlichen Hand „im Licht“. Und 1955 britische Ingenieure Jan Donald Und Tom Brown baute den weltweit ersten Ultraschalltomographen, bei dem eine Person in ein Wasserbad getaucht wurde und ein Bediener mit einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempfänger im Kreis um das Forschungsobjekt herumgehen musste. Sie wandten als erste das Prinzip der Echoortung auf eine Person an und erhielten kein durchscheinendes, sondern ein reflektierendes Tomogramm.

Die nächsten fünfzig Jahre (praktisch bis heute) können als Ära des Vordringens des Ultraschalls in alle möglichen Bereiche der technischen und medizinischen Diagnostik und des Einsatzes des Ultraschalls in technologischen Bereichen bezeichnet werden, in denen er oft das ermöglicht, was zu tun ist unmöglich in der Natur. Aber dazu mehr.

Die vielleicht wichtigste Anwendung der Echoortung im Ingenieurwesen ist die zerstörungsfreie Prüfung von Strukturen (Metall, Beton, Kunststoff), um durch mechanische Belastungen verursachte Defekte in ihnen zu erkennen. Ein Fehlersuchgerät ist im einfachsten Fall ein Echolot, auf dessen Bildschirm ein Echogramm dargestellt wird. Durch das Bewegen des Ultraschallsensors über die Oberfläche des zu prüfenden Produkts können Risse erkannt werden. Typischerweise ist ein Fehlersuchgerät mit einer Reihe von Ultraschallwandlern ausgestattet, die es ermöglichen, dass Ultraschall in verschiedenen Winkeln in das Material eingeführt wird, und ein akustisches Signal gibt, dass das reflektierte Echosignal den Schwellenwert überschreitet.

Unter den Metallkonstruktionen sind Eisenbahnschienen das wichtigste Objekt der zerstörungsfreien Prüfung. Trotz erheblicher Fortschritte bei der Einführung der Automatisierung Eisenbahnen In Russland ist die manuelle Steuerung am weitesten verbreitet. Das Mehrkanal-Sonar ist auf einem abnehmbaren Wagen montiert, der vom Bediener geschoben wird. Ultraschallsensoren werden in Skiern installiert, die auf der Schienenlauffläche gleiten. Um den akustischen Kontakt zu gewährleisten, sind auf dem Wagen Tanks mit Kontaktflüssigkeit installiert (Wasser im Sommer, Alkohol im Winter). Und Tausende von Bedienern laufen auf allen Schienen, schieben Karren, bei Schnee und Regen, bei Hitze und Frost ... Die Anforderungen an die Konstruktion von Geräten sind hoch - die Geräte müssen im Temperaturbereich von -40 bis +50 ° C funktionieren , staub- und feuchtigkeitsbeständig sein, Batteriebetrieb. Die ersten inländischen Schienenfehlerprüfgeräte in der UdSSR wurden vor 50 Jahren von Prof. A. K. Gurvich in Leningrad. Die Entwicklung der Computertechnologie hat es im letzten Jahrzehnt ermöglicht, automatisierte Fehlerdetektoren zu schaffen, die es ermöglichen, nicht nur einen Fehler zu erkennen, sondern auch das gesamte Echogramm des zurückgelegten Weges aufzuzeichnen, um Informationen anzuzeigen, zu speichern und insbesondere weiter zu analysieren Zentren. Eines dieser Geräte - ADS-02 - wurde von den Mitarbeitern unseres IAP RAS zusammen mit der Firma Meduza entwickelt und wird im gleichnamigen Werk in Nischni Nowgorod in Serie hergestellt. M. Frunze. Bis heute sind mehr als 300 Geräte auf russischen Eisenbahnen in Betrieb und helfen dabei, mehrere tausend sogenannte akute Defekte, die jeweils einen Absturz verursachen können. Im Jahr 2005 gewann der Fehlerdetektor ADS-02 den 1. Platz beim internationalen Wettbewerb für Entwickler eingebetteter Systeme in San Francisco (USA) für den Einsatz moderner Computertechnologien.

Ultraschall-Dickenmessgeräte dienen zur kontinuierlichen Messung der Dicke eines Blechs (Stahl, Glas) während der Produktion sowie der Dicke eines nur von einer Seite zugänglichen Objekts (z. B. Wandstärke eines Behälters oder Rohrs) . Hier muss man oft mit sehr kleinen Verzögerungen rechnen, daher wird zur Verbesserung der Messgenauigkeit das Echolot-Looping verwendet: Das erste empfangene Echosignal startet sofort den Sender, um den nächsten Impuls auszusenden usw., während nicht die Verzögerungszeit gemessen wird, sondern die Startfrequenz.

Echolote, deren Entwicklung vor fast hundert Jahren begann, werden heute auf den unterschiedlichsten Objekten eingesetzt, von Überwasser- und Unterwasser-Kriegsschiffen bis hin zu Schlauchbooten von Hobbyfischern. Durch den Einsatz von Computern war es nicht nur möglich, das Bodenprofil auf dem Echolotbildschirm anzuzeigen, sondern auch die Art des reflektierenden Objekts (Fische, Treibholz, Schlick usw.) zu erkennen. Mit Hilfe von Echoloten werden Karten des Schelfprofils erstellt, tägliche Schwankungen in der Tiefe der Planktonschicht im Ozean entdeckt.

Im Gegensatz zu Röntgen- und NMR-Tomographen (sowie den ersten "Durch"-Ultraschallgeräten) arbeiten moderne Geräte zur Ultraschalluntersuchung von Organen (Ultraschall) im gleichen Modus wie ihre Pendants in der technischen Diagnostik, d.h. Grenzflächen zwischen Medien mit unterschiedlichen akustischen Eigenschaften erkennen. Der Unterschied zwischen den Eigenschaften von Weichteilen überschreitet nicht 10% und nur Knochengewebe geben fast 100% Reflexion. Somit liegt fast die gesamte Fülle von Informationen, die medizinische Ultraschallgeräte erhalten, in der Analyse dieser schwachen Signale.

Eine der ersten Anwendungen der eindimensionalen Ortung in der Medizin war das Ultraschall-Echoenzephaloskop. Die Idee ist einfach: Echogramme intrakranieller Strukturen werden durch Sondieren des Kopfes im Schläfenbereich links und rechts gewonnen. Das Auftreten von intrakraniellen Läsionen (Hämatome, Tumore) führt zu einer Verletzung der Symmetrie von Echogrammen, und solche Patienten können leicht identifiziert und zu einer detaillierteren und teureren Untersuchung geschickt werden.

Die Verwendung von Ultraschall in der Kardiologie hat zur Entwicklung einer wichtigen Ultraschalltechnologie geführt - der Darstellung eines Echogramms in Tiefen-Zeit-Koordinaten, wenn die Signalamplitude durch die Graustufe dargestellt wird. Dadurch war es möglich, systematische nicht-invasive Studien der Bewegung der inneren Strukturen des Herzens und der großen Gefäße zu beginnen und neue wichtige physiologische Informationen zu gewinnen. Das ist zum Beispiel bewiesen Querschnitt Aorta verändert sich nicht, wie Ärzte bisher angenommen haben.

Die ersten Herzgeräte waren eindimensional, und um verschiedene Strukturen zu untersuchen, war es notwendig, die Sonde in verschiedenen Winkeln zu drehen. In der Folge gelang es, diesen Vorgang zu automatisieren, und aus modernen Ultraschallgeräten wurden Echotomographen, d.h. ermöglichen, zweidimensionale Schnitte des untersuchten Körperbereichs zu erhalten und die schnelle Bewegung der Strukturelemente des Herzens - Klappen, Trennwände - zu beobachten. Bei festen Strukturen ist alles viel einfacher. Die ersten Ultraschalltomogramme wurden erstellt, als es noch keine ausgefeilte Elektronik und Computer gab, dafür war es jedoch notwendig, eine Person in ein Wasserbad zu tauchen und mit einem eindimensionalen Sensor im Kreis herumzugehen. Jetzt werden Methoden der Interferenz von Schwingungen von vielen kleinen Elementen verwendet, die es ermöglichen, die Richtung des Ultraschallstrahls zu steuern. Eine solche Ultraschalluntersuchung (Ultraschall) von Organen und Geweben ist zu einem gängigen Verfahren geworden, das unvergleichlich billiger ist als andere Arten der Tomographie.

Gleichzeitig blieben private Anwendungen der eindimensionalen Ultraschallortung bestehen. Eine davon ist die Messung der Dicke des subkutanen Fettgewebes, mit der Sie den Grad der Fettleibigkeit beurteilen können, z. B. BFI. Diese Methode ist im Bodymetrix2000-Gerät implementiert, einer russisch-amerikanischen Gemeinschaftsentwicklung, die heute in Schönheitssalons und Fitnessclubs auf der ganzen Welt eingesetzt wird.

Die vielleicht interessantesten der komplexen modernen Geräte für die medizinische Ultraschalldiagnostik sind dreidimensionale Systeme. Bei diesen Systemen wird der Ultraschallstrahl in zwei zueinander senkrechte Richtungen gedreht, und die empfangenen Echosignale werden so verarbeitet, dass man ein Bild der kontinuierlichen Oberfläche eines Objekts innerhalb des menschlichen Körpers erhält, sei es ein solches inneres Organ oder Embryo. Wenn das Sammeln und Verarbeiten von Informationen schnell genug ist, ist es möglich, die Bewegung eines Objekts in Echtzeit zu beobachten, um beispielsweise das Verhalten eines ungeborenen Kindes, seine Reaktionen usw. zu studieren. Vielleicht geht es hier nur darum Sicherheit gewährleisten, d.h. Aufrechterhaltung der Intensität der Ultraschallstrahlung auf dem Niveau von 50–100 mW/cm2.

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Essenz der Echoortung

Das Wort "Ortung" bedeutet, den Ort von Objekten zu bestimmen, ihre Koordinaten und Bewegungsparameter zu messen. In der Tierwelt werden verschiedene Formen und Methoden der Ortung verwendet. Bei Menschen und den meisten Tieren erfolgt die Ortsbestimmung von Objekten in der Umgebung dank ferngesteuerter Analysesysteme, hauptsächlich visuell und auditiv, und diese Systeme werden bei einigen Tieren funktionell zur höchsten Perfektion gebracht. Es genügt, an die außergewöhnliche Sehschärfe tagaktiver Greifvögel oder die Genauigkeit der akustischen Peilung von Beutetieren durch Eulen zu erinnern.

Zur Objekterkennung Umfeld Einige Tiere verwenden auch andere Arten von Informationen. Tiefseekalmare sind beispielsweise zusätzlich zu den üblichen Sehorganen mit speziellen Rezeptoren ausgestattet, die Infrarotstrahlen einfangen können, und besondere Organe - "Thermolocators" - von Klapperschlangen dienen der Suche nach Beute und der Wahrnehmung Wärmestrahlung Lebewesen und reagieren auf einen Temperaturunterschied von einem tausendstel Grad.

Die angeführten Beispiele sind trotz ihrer Vielfalt unterschiedliche Varianten der sogenannten passiven Ortung, bei der die Detektion von Objekten nur durch den Empfang der von den Objekten selbst direkt emittierten oder reemittierten Energie erfolgt.

Vor relativ kurzer Zeit schien es, dass die mehr oder weniger empfindlichen Organe der Ferndetektion als Mittel zur passiven Ortung die Möglichkeiten von Wildtieren einschränken.

Ganz am Anfang des 20. Jahrhunderts. Die Menschheit konnte zu Recht stolz darauf sein, eine grundlegend neue, aktive Ortungsmethode geschaffen zu haben, bei der ein zuvor unsichtbares Ziel mit einem Strom elektromagnetischer oder Ultraschallenergie bestrahlt und mit derselben Energie erfasst, aber bereits von der reflektiert wird Ziel. Radio- und Sonarstationen – diese aktiven Ortungsgeräte – haben verschiedene Arten von „Hörern“ – passive Ortungsgeräte – ersetzt und haben nun eine enorme Entwicklung bei der Lösung wirtschaftlicher, militärischer und Weltraumprobleme erfahren. Gleichzeitig haben die Prinzipien des Radars den Biologen zweifellos den Weg zur Lösung des Problems der Formen der räumlichen Orientierung bei einigen Tieren geebnet, das nicht durch die Funktionsweise bekannter Remote-Action-Analyzer erklärt werden konnte.

Als Ergebnis sorgfältiger Forschung mit Hilfe neuer elektronischer Geräte konnte festgestellt werden, dass eine Reihe von Tieren aktive Ortungsmethoden verwenden, die zwei Arten von Energie verwenden - akustische und elektrische. Die elektrische Ortung wird von einigen tropischen Fischen wie dem See-Mirus oder Wasserelefanten verwendet, während die aktive akustische Ortung bei mehreren Vertretern von Land- und Wasserwirbeltieren auf verschiedenen Entwicklungsstufen entdeckt wurde.

Die akustische Ortung dient als Mittel zur Erkennung von Objekten aufgrund von Schallwellen, die sich in einer bestimmten Umgebung ausbreiten.

In Analogie zum Radar werden zwei Formen der akustischen Ortung unterschieden: passiv, wenn die Erkennung nur durch Empfangen der Energie erfolgt, die direkt von den untersuchten Objekten selbst emittiert oder reemittiert wird, und to-t und in nu yu, in die die Analyse des Objekts auf der vorläufigen Bestrahlung mit Schallsignalen mit anschließender Wahrnehmung der gleichen Energie basiert, die jedoch bereits von ihm reflektiert wird. Die erste Form der akustischen Ortung wird seit langem als Hören oder auditive Wahrnehmung bezeichnet, und Schallschwingungen werden vom auditiven Analysator empfangen.

Die zweite Form, also die aktive akustische Ortung, wurde von dem amerikanischen Wissenschaftler D. Griffin, der sie zuerst bei Fledermäusen entdeckte, Echoortung genannt. Im Laufe der Zeit sind die Begriffe „Echoortung“, „akustische Ortung“ und „akustische Orientierung“ zu einem gewissen Grad zu Synonymen geworden und werden in der biologischen Literatur häufig verwendet, um die aktive Form der Ortung bei Tieren zu beschreiben. Stimmt, hinein letzten Jahren Es wird versucht, mit den Begriffen „akustische Ortung“, „passive Ortung“ die Funktionen des Gehörsystems bei Eulen zu bezeichnen, die bei Nachtjagd mit hoher Genauigkeit den Ort ihrer Beute nach Gehör lokalisieren (Ilyichev, 1970; Payne , 1971). Damit wollen sie die enorme Rolle betonen, die das Gehör für das Fressverhalten der Eulen spielt, und die Orientierungsweisen dieser Vögel mit denen der Fledermäuse vergleichen, wobei dieser Vergleich nicht zutrifft, da letztere in die nächste aufgestiegen sind, qualitativ neue Ebene der akustischen Ortung durch aktive Raumsondierung eigener akustischer Signale. Bevor wir uns den Eigenschaften der Echoortung zuwenden, lassen Sie uns kurz auf die grundlegenden Konzepte und Definitionen aus dem Bereich der Akustik eingehen, die zum Verständnis der physikalischen Reize des auditiven Rezeptorapparats notwendig sind.

E.Sh.AIRAPETJANTS A.I.KONSTANTINOV. ECHOLOCATION IN DER NATUR. Verlag "NAUKA", LENINGRAD, 1974