Сообщение на тему:
«ЭХО, ЭХОЛОТ,
ЭХОЛОКАЦИЯ»
Работа учеников 9 В класса
Косогорова Андрея
СШ № 8 МО РФ
г. Севастополь
ЭХО (от имени нимфы Эхо в древне-греческой мифологии), волна (акустическая, электромагнитная и др.), отражённая от препятствия и принятая наблюдателем. Акустическое эхо можно наблюдать, например., при отражении звукового импульса (стука, короткого отрывистого крика и т. д.) от хорошо отражающих поверхностей. Эхо различимо на слух, если принятый и посланный импульсы разделены интервалом времени t 5= 50-60 мсек. Эхо становится многократным, если имеется несколько отражающих поверхностей (вблизи группы зданий, в горах и т. д.), звук от которых приходит к наблюдателю в моменты времени, различающиеся на интервалы t 50-60 мсек. Гармонич. эхо. возникает при рассеянии звука с широким спектром частот на препятствиях, размеры которых малы по сравнению с длинами волн, составляющих спектра. В помещении отдельные многочисленные эхо сливаются в сплошной отзвук, называется реверберацией. Эхо может служить средством измерения расстояния от источника сигнала до отражающего объекта: г = ст/2, где т - промежуток времени между посылкой сигнала и возвращением Эхо., а с - скорость распространения волн в среде. На этом принципе основаны различные применения эхо-сигналов. Акустическое эхо применяется в гидролокации, а также в навигации, где для измерения глубины дна применяют эхолоты. Электромагнитным эхо пользуются в радиолокации; отражаясь от ионосферы, оно позволяет осуществлять коротковолновую радиосвязь на большие расстояния и судить о свойствах ионосферы. Принцип эхо-волны начинает применяться и в оптическом диапазоне электромагнитных волн, генерируемых квантовым оптическим генератором. Упругие волны, распространяющиеся в земной коре, отражаясь от слоев различных горных пород, образуют сейсмическое эхо., этим пользуются для поиска месторождений ископаемых. При помощи Эхо измеряется глубина буровых скважин («эхометриро-вание» скважин), высота уровня жидкости в баках (ультразвуковые уровнемеры). Эхо-методы широко применяются в ультразвуковой дефектоскопии. Акустическое эхо. для некоторых животных (летучих мышей, дельфинов, китов и др.)служит средством ориентировки и поиска добычи (см. Локация звуковая).
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 размерах лоцируемых целей (добычи или препятствия). Эхо- один из способов ориентации животных в пространстве. Эхо развито у летучих мышей и дельфинов, обнаружена у землероек, ряда видов ластоногих (тюлени), птиц (саланганы и некоторые др.). У дельфинов и летучих мышей Эхо основана на излучении ультразвуковых импульсов частотой до 130-200 кгц при длительности сигналов обычно от 0,2 до 4-5 мсек, иногда более. С помощью эха дельфины даже с закрытыми глазами могут находить пищу не только днем, но и ночью, определять глубину дна, близость берега, погруженые предметы. Их эхолокационные импульсы человек воспринимает как скрип двери, поворачивающейся на на ржавых петлях. Свойственна ли эхолокация усатым китам, издающим сигналы с частотой лишь до нескольких килогерц, пока не выяснено.
Звуковые волны дельфины посылают направленно. Жировая подушка, лежащая на челюстных и межчелюстных костях, и вогнутая передняя поверхность черепа действуют как звуковая линза и рефлектор: они концентрируют сигналы, излученные воздушными мешками, и в виде звукового пучка направляют их на лоцируемый объект.
У птиц, живущих в тёмных пещерах (гуахаро и саланганы), используется для ориентации в темноте; они излучают низкочастотные сигналы в 7-4 кгц. У дельфинов и летучих мышей, кроме общей ориентации, эхо служит для определения пространств, положения цели, размеров, а в ряде случаев - и распознавания облика цели. У упомянутых млекопитающих часто служит важным средством поиска и добычи объектов питания.
Лит.: Айрапетьянц Э. Ш., Константинов А. И., Эхолокация в природе, 2 изд., Л., 1974. Г. Н. Симкин. ЭХОЛОКАЦИЯ, один из способов звуковой локации, при котором расстояние до объекта определяется по времени возвращения эхо-сигнала.
ЭХОЛОТ (от эхо и лот), навигационный прибор для автоматического измерения глубины водоёмов с помощью гидроакустических эхо-сигналов. Обычно в днище судна устанавливается вибратор, к которому периодически подаются от генератора электрические импульсы, преобразуемые им в акустические, распространяющиеся в ограниченом телесном угле вертикально вниз. Отражённый дном акустический импульс принимается тем же вибратором, который преобразует его в электрический. После усиления импульс поступает на индикатор глубины, отмечающий отрезок времени (в сек) от момента посылки импульса до момента возвращения эхо от дна и преобразующий его в визуальные показания или запись глубины h = ст/2 в м, где скорость звука с = 1500 м/сек. Длительность импульсов - от 0,05 до 20 мсек с частотой заполнения от 10 до 200 кгц. Малые длительности и высокие частоты используются при измерениях малых глубин, большие длительности и низкие частоты- при измерении больших глубин. Вибратором может служить магнитострикционный преобразователь или пьезокерамический. В качестве индикаторов глубин применяются проблесковые указатели с вращающейся неоновой лампочкой, вспыхивающей в момент приёма эхо-сигнала; стрелочные, электроннолучевые и цифровые указатели, а также самописцы, записывающие измеряемые глубины на движущейся бумажной ленте электротермическим или электрохимическим методом. Эхолот изготовляются на разные интервалы глубин, в пределах от 0,1 до 12 000 м и работают при скоростях хода судна до 30 узлов (55 км/ч) и даже более. Погрешность Эхолота от 1% до сотых долей процента. Эхолот используются также для поиска косяков рыбы, подводных лодок, для исследования звукорассеивающих слоев, определения типа грунта, стратификации донных осадков и других гидроакустических измерений. В 1958 г. на советском судне «Витязь» эхолотом обнаружена и точно измерена максимальная глубина (11 022 м) Мирового океана в Мариинской впадине в западной части Тихого океана. К идее эхолота независимо и практически одновременно пришли сразу несколько человек: немецкий инженер А.Бем из Данцига (Гданьска), американский инженер Р. А. Фессен-ден, французский физик П. Ланжевен и инженер Константин Васильевич Шиловский (1880-1952) из Рязани, работавший во Франции. Ланжевен и Шиловский создали ещё и первый гидролокатор
См. Гидроакустика.
Лит.: Федоров И. И., Навигационные эхолоты, М.-Л., 1948; его же, Эхолоты и другие гидроакустические средства, Л., 1960; Толмачев Д., Федоров И., Навигационные эхолоты, «Техника и вооружение», 1977, № 1. И.И. Федоров.
ЭХОЭНЦЕФАЛОГРАФИЯ (от эхо и энцефалография), ультразвуковая энцефалография, метод исследования головного мозга с помощью ультразвука. Основан на свойстве ультразвука отражаться от границ сред (структурных образований мозга) различной плотности. Основной диагностический критерий (предложен в 1955-56 швед, врачом Л. Лекселлем) - отклонение срединного эха, или М-эха (М - от позднелат. те-dialis - срединный), представляющего собой отражение ультразвука от срединных структур мозга (эпифиза, 3-го желудочка, прозрачной перегородки, межполу-шарной щели). В норме М-эхо, регистрируемое в виде пика на ультразвуковой энцефалограмме, совпадает со средней линией головы. При наличии внутричерепной опухоли, кровоизлияния, абсцесса и др. патологических образований М-эхо смещено в сторону здорового полушария (см. рис.). Предложены и др. диагностические критерии: увеличение расстояния между эхо-сигналами от боковых стенок 3-го желудочка при гидроцефалии; относительно быстрая нормализация возникшего смещения М-эха при острой непроходимости сонной артерии и т. д. При ЭХОЭНЦЕФАЛОГРАФИИ применяют специальные ультразвуковые энцефалографы, преобразующие отражённые ультразвуковые сигналы в электрические импульсы. Эти импульсы отображаются графически на экране аппарата и фотографируются.
Лит.: Клиническая эхоэнцефалография, М., 1973; L е ks е 1 1 L., Echo-encephalog» raphy. Detection of intracranial complications following head injury, «Acta chirurgica scan» dinavica», 1956, v. 110, S. 301 - 315.
В. Е. Гречко.
ЭХО , композиционный и исполнительский приём, основанный на повторении муз. фразы с меньшей силой звучности теми же или другими голосами, инструментами.
Применяется главным образом в хоровой, оперной, оркестровой, камерной инструментальной музыке. На основе использования приёма эхо иногда создаются целые музыкальные пьесы, например «Эхо» О. Лассо для хора и пьеса того же назв. из «Французской увертюры» для клавесина И. С. Баха. Эхо название также один из регистров органа.
Лит.: Р э л е и Д ж., Теория звука, пер. с англ., 2 изд., т. 2, М., 1955; Г р и ф ф и н Д., Эхо в жизни людей и животных, пер. с англ., М., 1961.
Эхолокация у животных - излучение и восприятие отраженных, как правило высокочастотных звуковых сигналов с целью обнаружения объектов (добычи, препятствия и др.) в пространстве, а также получения информации об их свойствах и размерах.
Эхо вездесуще. Сильное или слабое, оно возникает часто. Было бы странно, если бы животные с их тонким, изощренным слухом не заметили это явление и не научились им пользоваться. И действительно, многие животные не без пользы для себя принимают эхо. Дятлы питаются насекомыми, живущими на деревьях. Дятел не долбит все без разбору деревья подряд, иначе бы он просто умер с голоду. Постучав по коре, дятел сразу определяет, есть ли внутри ходы короедов. Остроносые санитары леса такие виртуозы, что прослеживают по звуку извилистый ход личинки короеда и, дойдя до конца, долбят именно там, где прячется создательница древесного лабиринта.
Особые виртуозы по части эхолокации - летучие мыши . Они используют для эхолокации ультразвук. Так мыши обнаруживают в воздухе жуков , ночных бабочек , мотыльков. Поймав лучом ультразвукового «прожектора» насекомое, мышь старается не потерять свою жертву, нагоняет и ловит ее.
Еще недавно летучие мыши поражали воображение ученых совершенством своего эхолокатора. Действительно, из наземных животных они чемпионы. Но, как выяснилось, в последние десятилетия, пальма первенства не за ними. Воздушная среда малоблагоприятна для эхолокации. Звук распространяется в воздухе относительно медленно, быстро затухает. Другое дело вода. В ней звук распространяется в пять раз быстрее, чем в воздухе, и, не затухая, покрывает огромные расстояния. Пионеры гидроакустики - миноги и рыбы.
Рыбьи секреты известны давно. Рыбаки не раз вылавливали крупных хищных рыб, абсолютно слепых. Пойманные рыбы не выглядели ни больными, ни истощенными. Как же они, лишенные зрения, могли ловить добычу?
Тело рыб снабжено удивительным органом чувств. Он получил название органа боковой линии, так как действительно располагается вдоль тела. Рыбы используют орган боковой линии как настоящий локатор. Когда они плывут, впереди бежит волна. Отразившись от встречных предметов, она возвращается к органу боковой линии, информируя рыбу о подводных препятствиях. Вот почему слепые рыбы не натыкаются на стенки аквариума и ориентируются в водоемах, обходят все камни или изгибы берега.
Если об эхолокаторе рыб известно достаточно много, то дельфины задали ученым серию еще до конца не разгаданных загадок. Первая из них - голос дельфина. Большинство птиц и млекопитающих звуки издают с помощью голосовых связок. У дельфинов их нет. Что их заменяет, точно пока не известно. Видимо, принцип производства ультразвуков обычный - вибрация стенок каких-то каналов при продувании сквозь них воздуха. Только у всех животных вибрируют голосовые связки, а у дельфинов что-то другое. Вообще дыхательная система китообразных устроена весьма оригинально. Ноздри у дельфинов находятся на затылке и слились в одно крупное отверстие, называемое дыхалом. Видимо, так удобнее дышать, не надо специально выставлять из воды голову. Дельфины дышат на ходу, раз в одну-две минуты поднимаясь к поверхности. На голове дельфина находится устройство, позволяющее выстреливать ультразвуками в нужном направлении. По существу, на дельфиньем лбу смонтирован ультразвуковой прожектор, только дающий не сплошной луч, а быстро-быстро мигающий. Ультразвуки, возникающие в районе воздушных мешков, отражаются вперед плоскими костями черепа. Они выполняют роль рефлекторов. Отраженные ультразвуки попадают в прикрывающую сверху воздушные мешки жировую подушку. По форме она напоминает большую чечевицу и используется как линза. Предполагают, что мышцы , окружающие жировую подушку, могут менять ее форму. Это позволяет дельфинам фокусировать ультразвуковой луч. Когда им нужно «осветить» небольшой предмет, они делают луч предельно узким; когда хочется «осветить» окружающее пространство пошире, делают луч возможно шире. Кроме того, ученые считают, что животные каким-то образом способны направлять ультразвуковой луч в любую сторону - вбок, например.
Эхолокатор дельфинов - удивительное устройство. С его помощью животные на расстоянии способны узнавать о различных предметах очень многое. Например, дельфины с помощью эхолокации определяют даже маленькую разницу в величине одинаковых предметов. Эхолокатор дельфина работает как рентгеновский аппарат. Животные без труда отличают монолитный стальной шар от такого же шара, но полого.
Эхо позволяет находить стаю рыб, которую они могут определить за 100-500 метров, это зависит от плотности косяка.
Не смогли бы существовать без эхолокатора наши полярные дельфины - белухи . Они всю жизнь проводят среди льдов, смело ныряя под ледяные поля. Их локатор информирует, что где-то впереди есть разводы и там можно глотнуть свежего воздуха. Пользуются эхолокацией, видимо, и киты. Кашалотам иногда приходится охотиться в полной темноте, находить и побеждать огромных кальмаров.
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…
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.
- Читать: Коммуникация и язык животных
- Читать дополнительно: Слух. Слуховой анализатор
Сущность эхолокации
Под словом «локация» понимается определение местоположения предметов, измерение их координат и параметров движения. В живой природе используются разнообразные формы и способы локации. У человека и большинства животных определение местоположения окружающих предметов осуществляется благодаря анализаторным системам дистантного действия, в основном зрительной и слуховой, причем эти системы в функциональном отношении у некоторых животных доведены до высочайшего совершенства. Достаточно вспомнить о необычайной остроте зрения у дневных хищных птиц или точности звуковой пеленгации добычи совами.
Для обнаружения объектов окружающей среды некоторые животные используют и другие виды информации. Глубоководные кальмары, например, помимо обычных органов зрения наделены особыми рецепторами, способными улавливать инфракрасные лучи, а своеобразные органы - «термолокаторы» - гремучих змей служат для поисков добычи, воспринимая тепловое излучение живых существ и реагируя на разность температур в тысячную долю градуса.
Приведенные примеры, несмотря на их разнообразие, представляют собой различные варианты так называемой пассивной локации, когда обнаружение объектов осуществляется только путем приема той энергии, которую непосредственно излучают или переизлучают сами исследуемые объекты.
Сравнительно недавно казалось, что более или менее чувствительными органами дистантного обнаружения как средствами пассивной локации ограничиваются возможности живой природы. 
В самом начале XX в. человечество было вправе гордиться тем, что оно создало принципиально новый, активный способ локации, при котором невидимая прежде цель облучается потоком электромагнитной или ультразвуковой энергии и обнаруживается с по- мощью той же энергии, но уже отраженной от цели. Радио- и гидролокационные станции - эти приборы активной локации - пришли на смену различного рода «слухачам» - приборам пассивного обнаружения - ив настоящее время получили огромное развитие в решении народнохозяйственных, военных и космических проблем. В то же время несомненно, что принципы радиолокации подсказали биологам путь к решению вопроса о формах пространственной ориентации у некоторых животных, которые невозможно было объяснить функционированием хорошо известных анализаторов дистантного действия.
В результате кропотливых исследований с помощью новой электронной аппаратуры удалось установить, что ряд животных использует методы активной локации с применением двух видов энергии - акустической и электрической. Электрической локацией пользуются некоторые тропические рыбы, например мор-мирус, или водяной слоник, тогда как активная акустическая локация открыта у нескольких представителей наземных и водных позвоночных, стоящих на разных уровнях эволюционного развития.
Акустическая локация служит средством обнаружения объектов благодаря звуковым волнам, распространяющимся в данной среде.
По аналогии с радиолокацией различают две формы акустической локации: пассивную, когда обнаружение осуществляется только путем приема той энергии, которую непосредственно излучают или переизлучают сами исследуемые объекты, и а к-т и в н у ю, при которой анализ объекта основан на предварительном облучении его звуковыми сигналами с последующим восприятием этой же энергии, но уже отраженной от него. Первая форма акустической локации издавна обозначается как слух или слуховое восприятие, и звуковые колебания принимаются слуховым анализатором.
Вторую форму, т. е. активную акустическую локацию, американский ученый Д. Гриффин, впервые открывший ее у летучих мышей, назвал эхолокацией. Со временем термины «эхолокация», «акустическая локация» и «акустическая ориентация» стали в какой-то степени синонимами и широко используются в биологической литературе при описании активной формы локации у животных. Правда, в последние годы делаются попытки использовать термины «акустическая локация», «пассивная локация» для обозначения функций слуховой системы у сов, которые с высокой точностью производят локализацию местоположения своей добычи на слух во время ночной охоты (Ильичев, 1970; Payne, 1971). Этим хотят подчеркнуть ту огромную роль, которую играет слух в пищевом поведении сов, и сопоставить способы ориентации этих птиц с таковыми у летучих мышей, хотя это сопоставление неправомочно, ибо последние поднялись на следующую, качественно но- вую ступень акустической локации, применив активное зондирование пространства собственными акустическими сигналами. Прежде чем перейти к характеристикам эхолокации, коротко остановимся на основных понятиях и определениях из области акустики, необходимых для понимания физических раздражителей слухового рецепторного аппарата.
Э.Ш.АИРАПЕТЬЯНЦ А.И.КОНСТАНТИНОВ. ЭХОЛОКАЦИЯ В ПРИРОДЕ. Изд-во «НАУКА», ЛЕНИНГРАД, 1974