System orientacji przestrzennej
Kierunek:
Wykonawca: Uczeń 10. klasy Dmitrij Tyukałow
Kierownik: Aminow Jewgienij Witalijewicz
nauczyciel fizyki
Wstęp. 3
Rozdział I. Echolokacja. 4
I.1. Historia. 4
I.2. Zasady echolokacji. 4
I.3. Metody aplikacji. 5
I.5. Zasada pomiaru. 12
I.6. Rodzaje urządzeń. 13
Rozdział II. Arduino. 14
II.1. Aplikacja. 14
II.2. Język programowania. 14
II.3. Różnice w stosunku do innych platform. 14
Wniosek. 18
Spis literatury i źródeł internetowych. 18
Aplikacja. 19
Wstęp
W dzisiejszych czasach ludzie stopniowo opracowują urządzenia, które ułatwiają nam życie. I oczywiście bez orientacji byłyby niekompletne. W tej pracy szczegółowo rozważymy jeden z rodzajów orientacji - echolokację. Przedmiotem moich badań jest orientacja metodą echolokacji, którą rozważamy na przykładzie autonomicznego urządzenia stworzonego w oparciu o Arduino. Problem w tym, czy jest to wygodne i skuteczne.
Celem tej pracy było: identyfikacja zalet i wad orientacji w oparciu o zasadę lokalizacji echa.
Aby osiągnąć ten cel, należy rozwiązać następujące zadania:
1. Zbadaj istotę zjawiska.
2. Poznaj samodzielne urządzenie Arduino.
3. Tworzenie urządzenia.
4. Pisanie programu.
5. Testowanie w różnych warunkach.
6. Znajdź godny użytek.
Problem ten nie był poruszany w przeszłości, ale samo zjawisko lokalizacji echa rozważał Pierre Curie w 1880 r., a jego zastosowanie w życiu stało się możliwe dzięki Aleksandrowi Boehmowi w 1912 r. Stworzył pierwszą na świecie echosondę.
Chyba ta orientacja oparta na zasadzie lokalizacji echa jest bardzo skuteczna i może pomóc ludziom w sytuacjach zagrożenia życia.
Rozdział I. Echolokacja
Chciałbym zacząć od daleka, a mianowicie od definicji:
Echolokacja (echo i łac. locatio - „pozycja”) to metoda, za pomocą której położenie obiektu określa się na podstawie czasu opóźnienia powrotu fali odbitej. Jeśli fale są mocne, to jest to sonar, jeśli radio - radar.
I.1. Historia
Echolokacja jako zjawisko w robotyce i mechanice wywodzi się z biologii. Jego odkrycie wiąże się z nazwiskiem włoskiego przyrodnika Lazzaro Spallanzaniego. Zauważył, że nietoperze latają swobodnie w całkowicie ciemnym pomieszczeniu, nie dotykając przedmiotów. W swoim eksperymencie oślepił kilka zwierząt, ale nawet potem latały na równi z widzącymi. Kolega Spallanzaniego, J. Zhurin, przeprowadził kolejny eksperyment, w którym pokrył woskiem uszy nietoperzy – a zwierzęta zderzyły się ze wszystkimi przedmiotami. Na tej podstawie naukowcy doszli do wniosku, że nietoperze nawigują za pomocą słuchu. Jednak współcześni wyśmiewali ten pomysł, ponieważ nic więcej nie można powiedzieć - krótkie sygnały ultradźwiękowe w tamtym czasie nadal nie były możliwe do zarejestrowania.
Pomysł aktywnego umiejscowienia dźwięku u nietoperzy został po raz pierwszy zaproponowany w 1912 roku przez H. Maxima. Zaproponował, aby nietoperze wytwarzały sygnały echolokacyjne o niskiej częstotliwości, machając skrzydłami z częstotliwością 15 Hz.
Ultradźwięki odkrył w 1920 roku Anglik H. Hartridge, który odtworzył eksperymenty Spallanzaniego. Potwierdzenie tego uzyskano w 1938 roku dzięki bioakustykowi D. Griffinowi i fizykowi G. Pierce'owi. Griffin zaproponował nazwę echolokacja, aby nazwać sposób, w jaki nietoperze orientują się za pomocą ultradźwięków.
I.2. Zasady echolokacji
Echolokacja zaczyna się od ultradźwięków, więc dowiedzmy się więcej na ten temat.
Podobnie jak wiele innych zjawisk fizycznych, fale ultradźwiękowe zawdzięczają swoje odkrycie przypadkowi. W 1876 roku angielski fizyk Frank Galton, badając powstawanie dźwięku przez gwizdki specjalnej konstrukcji (rezonatory Helmholtza), obecnie noszące jego imię, odkrył, że przy pewnych rozmiarach komór dźwięk przestaje być słyszalny. Można by założyć, że dźwięk po prostu nie został wyemitowany, ale Galton doszedł do wniosku, że dźwięk nie został usłyszany, ponieważ jego częstotliwość stała się zbyt wysoka. Oprócz względów fizycznych wniosek ten potwierdzono reakcją zwierząt (głównie psów) na użycie takiego gwizdka.
Oczywiście możliwe jest emitowanie ultradźwięków za pomocą gwizdków, ale jest to mało wygodne. Sytuacja uległa zmianie po odkryciu efektu piezoelektrycznego przez Pierre'a Curie w 1880 roku, kiedy stało się możliwe emitowanie dźwięku bez przedmuchiwania strumienia powietrza przez rezonator, ale poprzez przyłożenie zmiennego napięcia elektrycznego do kryształu piezoelektrycznego. Jednak pomimo pojawienia się dość wygodnych źródeł i odbiorników ultradźwięków (ten sam efekt piezoelektryczny umożliwia zamianę energii fal akustycznych na drgania elektryczne) i ogromnych sukcesów akustyki fizycznej jako nauki kojarzonej z takimi nazwiskami jak William Strutt ( Lorda Rayleigha), ultradźwięki traktowano głównie jako przedmiot badań, ale nie zastosowań.
I.3. Metody aplikacji
Kolejny krok podjęto w 1912 roku, kiedy zaledwie dwa miesiące po zatonięciu Titanica austriacki inżynier Aleksandra Bema stworzył pierwszą na świecie echosondę. Wyobraź sobie, jak historia mogła się zmienić! Od tego czasu sonar ultradźwiękowy pozostaje niezbędnym narzędziem na statkach nawodnych i podwodnych.
Kolejna zasadnicza zmiana w rozwoju technologii ultradźwiękowej nastąpiła w latach dwudziestych XX wieku. XX wiek: w ZSRR przeprowadzono pierwsze eksperymenty z sondowaniem litego metalu za pomocą ultradźwięków z odbiorem na przeciwległej krawędzi próbki, a sprzęt rejestrujący został zaprojektowany w taki sposób, aby możliwe było uzyskanie dwuwymiarowych obrazów cieni pęknięć w metalu, podobnych do promieni rentgenowskich (lampa S.A. Sokołowa). Tak rozpoczęła się ultradźwiękowa detekcja wad, która pozwala „zobaczyć niewidzialne”.
Oczywiście zastosowanie ultradźwięków nie może ograniczać się do zastosowań technicznych. W 1925 roku wybitny francuski fizyk Paweł Langevin, zajmował się wyposażaniem floty w echosondy, badał przejście ultradźwięków przez tkanki miękkie człowieka i wpływ fal ultradźwiękowych na organizm ludzki. To samo S.A. Sokołow w 1938 roku uzyskał pierwsze tomogramy „transmisyjne” ludzkiej ręki. A w 1955 r. brytyjscy inżynierowie Iana Donalda I Toma Browna zbudował pierwszy na świecie tomograf ultradźwiękowy, w którym zanurzano człowieka w kąpieli wodnej, a operator wyposażony w emiter i odbiornik ultradźwięków musiał chodzić po okręgu wokół obiektu badań. Jako pierwsi zastosowali zasadę echolokacji u ludzi i uzyskali tomogram nie przepuszczalny, ale refleksyjny.
Następne pięćdziesiąt lat (praktycznie do chwili obecnej) można określić jako erę przenikania ultradźwięków do różnych dziedzin diagnostyki technicznej i medycznej oraz wykorzystania ultradźwięków w dziedzinach technologicznych, gdzie często umożliwia ona robienie tego, co jest niemożliwe w naturze. Ale więcej na ten temat.
Być może najważniejszym zastosowaniem echolokacji w technologii są badania nieniszczące konstrukcji (metalowych, betonowych, plastikowych) w celu identyfikacji ich uszkodzeń spowodowanych obciążeniami mechanicznymi. W najprostszym przypadku defektoskopem jest echolokator, na którego ekranie wyświetlany jest echogram. Przesuwając czujnik ultradźwiękowy po powierzchni kontrolowanego produktu, można wykryć pęknięcia. Defektoskop wyposażony jest zazwyczaj w zestaw przetworników ultradźwiękowych, które umożliwiają wprowadzenie ultradźwięków w materiał pod różnymi kątami oraz w alarm dźwiękowy w przypadku przekroczenia progu odbitego sygnału echa.
Wśród konstrukcji metalowych najważniejszym obiektem badań nieniszczących są szyny kolejowe. Pomimo znaczących sukcesów we wprowadzaniu urządzeń automatyki, na rosyjskich kolejach najczęściej stosuje się sterowanie ręczne. Echolokator wielokanałowy montowany jest na wyjmowanym wózku, który pchany jest przez operatora. Czujniki ultradźwiękowe instalowane są w nartach ślizgających się po powierzchni szyny. Aby zapewnić kontakt akustyczny, na wózku zamontowane są zbiorniki z płynem kontaktowym (latem woda, zimą alkohol). A tysiące operatorów chodzą po wszystkich liniach kolejowych, pchając wózki, w śniegu i deszczu, w upale i mrozie... Wymagania dotyczące konstrukcji sprzętu są wysokie - urządzenia muszą pracować w zakresie temperatur od -40 do +50 ° C, być pyłoszczelny, zasilany z baterii Pierwsze krajowe defektoskopy kolejowe w ZSRR zostały stworzone 50 lat temu przez prof. A.K. Gurvich w Leningradzie. Rozwój technologii komputerowej umożliwił w ostatniej dekadzie stworzenie zautomatyzowanych defektoskopów, które pozwalają nie tylko wykryć defekt, ale także zarejestrować cały echogram przebytej drogi w celu przeglądania informacji, przechowywania ich i dalszej analizy w specjalnych ośrodkach. Jedno z tych urządzeń - ADS-02 - zostało stworzone przez pracowników naszego Instytutu Fizyki Stosowanej RAS wspólnie z firmą Meduza i jest produkowane masowo przez zakład w Niżnym Nowogrodzie im. M. Frunze. Do tej pory na rosyjskich kolejach działa ponad 300 urządzeń, które pomagają wykryć kilka tysięcy tzw wady ostre, z których każdy może spowodować awarię. Za wykorzystanie nowoczesnych technologii komputerowych defektoskop ADS-02 zdobył I miejsce w międzynarodowym konkursie dla twórców systemów wbudowanych w San Francisco (USA) w roku 2005.
Grubościomierze ultradźwiękowe służą do ciągłego pomiaru grubości blachy (stal, szkło) w trakcie produkcji, a także grubości przedmiotu, do którego można uzyskać dostęp tylko z jednej strony (np. grubości ścianki pojemnika lub rury). Często mamy tu do czynienia z bardzo małymi opóźnieniami, dlatego w celu poprawy dokładności pomiarów stosuje się cykliczną pracę echolokatora: pierwszy odebrany sygnał echa natychmiast powoduje, że nadajnik wyemituje kolejny impuls itp., i to nie czas opóźnienia ma znaczenie jest mierzona, ale częstotliwość wyzwalania.
Echosondy, których rozwój rozpoczął się prawie sto lat temu, są obecnie stosowane w wielu różnych obiektach, od nawodnych i podwodnych statków wojskowych po nadmuchiwane łodzie rybaków amatorów. Zastosowanie komputerów umożliwiło nie tylko wyświetlenie na ekranie echosondy profilu dna, ale także rozpoznanie rodzaju obiektu odbijającego (ryba, drewno wyrzucone na brzeg, bryła mułu itp.). Za pomocą echosond opracowano mapy profili szelfów; odkryto dzienne wahania głębokości warstwy planktonu w oceanie.
W odróżnieniu od tomografów rentgenowskich i NMR (a także pierwszych aparatów ultradźwiękowych „transmisyjnych”), nowoczesne urządzenia do ultrasonograficznego badania narządów (USG) działają w takim samym trybie, jak ich odpowiedniki w diagnostyce technicznej, tj. wykrywać interfejsy pomiędzy mediami o różnych właściwościach akustycznych. Różnica pomiędzy właściwościami tkanek miękkich nie przekracza 10%, a jedynie tkanki kostne zapewniają niemal 100% odbicia. Zatem prawie całe bogactwo informacji uzyskiwanych przez medyczne urządzenia ultradźwiękowe opiera się na analizie tych słabych sygnałów.
Jednym z pierwszych zastosowań lokalizacji jednowymiarowej w medycynie był echoencefaloskop ultradźwiękowy. Jego idea jest prosta: echogramy struktur wewnątrzczaszkowych uzyskuje się poprzez sondowanie głowy w okolicy skroniowej po lewej i prawej stronie. Pojawienie się uszkodzeń wewnątrzczaszkowych (krwiaki, guzy) prowadzi do zaburzenia symetrii echogramów, a takich pacjentów łatwo jest zidentyfikować i skierować na bardziej szczegółowe i kosztowne badanie.
Zastosowanie ultradźwięków w kardiologii doprowadziło do opracowania ważnej technologii dla ultrasonografii - reprezentacji echogramu we współrzędnych głębokości i czasu, gdy amplituda sygnału jest reprezentowana przez poziom szarości. Umożliwiło to rozpoczęcie systematycznych, nieinwazyjnych badań ruchu struktur wewnętrznych serca i dużych naczyń oraz uzyskanie nowych, ważnych informacji fizjologicznych. Udowodniono na przykład, że przekrój aorty nie zmienia się, jak wcześniej zakładali lekarze.
Pierwsze urządzenia kardiologiczne były jednowymiarowe, a sondę trzeba było obracać pod różnymi kątami, aby zbadać różne struktury. Następnie udało się zautomatyzować ten proces, a nowoczesne urządzenia ultradźwiękowe stały się echotomografami, czyli tzw. umożliwiają uzyskanie dwuwymiarowych przekrojów badanego obszaru ciała i obserwację szybkiego ruchu elementów strukturalnych serca - zastawek, przegród. W przypadku konstrukcji stałych wszystko jest znacznie prostsze. Pierwsze tomogramy ultradźwiękowe uzyskano, gdy nie było skomplikowanej elektroniki i komputerów, jednak w tym celu konieczne było zanurzenie osoby w kąpieli wodnej i spacerowanie po okręgu z czujnikiem jednowymiarowym. Obecnie stosuje się metody interferencji drgań wielu małych elementów, które umożliwiają sterowanie kierunkiem wiązki ultradźwiękowej. Takie badanie ultrasonograficzne narządów i tkanek stało się powszechną procedurą, nieporównywalnie tańszą niż inne rodzaje tomografii.
Jednocześnie pozostały prywatne zastosowania jednowymiarowej lokalizacji ultradźwiękowej. Jednym z nich jest pomiar grubości podskórnej warstwy tłuszczu, co pozwala oszacować wskaźnik otyłości, np. BFI. Metodę tę zaimplementowano w urządzeniu Bodymetrix2000, wspólnym rosyjsko-amerykańskim opracowaniu, które obecnie stosowane jest w salonach kosmetycznych i klubach fitness na całym świecie.
Być może najciekawszym ze złożonych nowoczesnych urządzeń do ultradźwiękowej diagnostyki medycznej są systemy trójwymiarowe. W tych systemach wiązka ultradźwiękowa jest obracana w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach, a odebrane sygnały echa są przetwarzane tak, aby uzyskać obraz ciągłej powierzchni obiektu znajdującego się wewnątrz ciała człowieka, czy to narządu wewnętrznego, czy zarodka. Jeśli zbieranie i przetwarzanie informacji następuje wystarczająco szybko, wówczas możliwa jest obserwacja ruchu obiektu w czasie rzeczywistym, np. badanie zachowania nienarodzonego dziecka, jego reakcji itp. Być może jedyną kwestią jest tutaj zapewnienie bezpieczeństwo, tj. utrzymanie natężenia promieniowania ultradźwiękowego na poziomie 50–100 mW/cm2.
Jedną z ważnych cech działania układu słuchowego ludzi i zwierząt jest słuch przestrzenny, czyli orientacja w przestrzeni dzięki percepcji sygnałów dźwiękowych. W procesie ewolucji wykształciły się pewne typy słuchu przestrzennego, wykorzystywane z dużą dokładnością przez zwierzęta i ludzi do orientacji akustycznej w przestrzeni. Zdecydowana większość gatunków zwierząt, w tym człowiek, posiadająca dość rozwinięty narząd słuchu, charakteryzuje się przestrzenną orientacją akustyczną za pomocą lokalizacja pasywna. Ten typ słyszenia przestrzennego charakteryzuje się lokalizacją źródeł dźwięków emitowanych przez obiekty zewnętrzne. Dzięki lokalizacji pasywnej obiekty biologiczne potrafią zlokalizować położenie obiektu sondującego w płaszczyźnie pionowej i poziomej oraz jego odległość od ciała. Jednak oprócz tego najczęstszego rodzaju lokalizacji istnieje inny, bardzo unikalny rodzaj słyszenia przestrzennego, właściwy tylko niektórym gatunkom zwierząt - echolokacja.
Echolokacja polega na określeniu położenia przestrzennego obiektu na podstawie odbicia przez ten obiekt sygnałów dźwiękowych emitowanych przez samo obserwujące zwierzę. Dane wskazują, że zwierzęta wyposażone w mechanizm echolokacji są w stanie nie tylko określić położenie przestrzenne obiektu, ale także wykorzystać echolokację do identyfikacji wielkości, kształtu i materiału obiektów, od których odbija się sygnał dźwiękowy emitowany przez samo zwierzę. W konsekwencji mechanizm echolokacji, oprócz czysto przestrzennych cech obiektu, dostarcza zwierzęciu informacji o innych jego właściwościach, które są bardzo ważne dla orientacji w świecie zewnętrznym.
Niezawodnie wiadomo, że z echolokacji wśród zwierząt korzystają wszystkie nietoperze, przedstawiciele jednego rodzaju nietoperzy owocożernych, kilka gatunków jerzyków z Azji Południowo-Wschodniej, jeden gatunek lelków - Guajaro z Wenezueli, najwyraźniej wszyscy przedstawiciele zębowców i jeden gatunek z rząd płetwonogich - lew morski kalifornijski. Z tego wyliczenia wynika, że echolokacja jako metoda dalekiej orientacji rozwinęła się niezależnie u różnych przedstawicieli kręgowców, tak odległych od siebie filogenetycznie i ekologicznie, że jakiekolwiek porównanie na pierwszy rzut oka może wydawać się sztuczne i nieuprawnione. A jednak tylko dzięki takiemu porównaniu możemy lepiej zrozumieć przyczyny pojawienia się tej szczególnej akustycznej metody kontaktu z otoczeniem.
Przede wszystkim należy zwrócić uwagę na fakt, że wszyscy ci przedstawiciele przynajmniej część swojego aktywnego życia spędzają w warunkach, w których funkcje analizatora wizualnego są ograniczone lub całkowicie wyeliminowane!
Jerzyki - Są to ptaki owadożerne, które prowadzą dzienny tryb życia, ale gniazdują na wysokich skałach podziemnych grot, gdzie światło dzienne praktycznie nie dociera. Guajaro I nietoperze owocożerne - owocożerne, w których również spędzają dzień głęboko lochach i wylatywać na żer o zmierzchu. Dla większości gatunków nietoperzy jaskinie są ich domem, gdzie odpoczywają w ciągu dnia, rozmnażają się i przeżywają niesprzyjające warunki pogodowe poprzez hibernację. Zatem konieczność życia w głębokich lochach o stałym reżimie temperatury i wilgotności przez wszystkie pory roku, co dodatkowo stanowi niezawodne schronienie przed licznymi drapieżnikami, stała się decydującą okolicznością, która zmusiła zwierzęta lądowe do poszukiwania nowych środki dalekiej orientacji w warunkach świata podziemnego.
Zwierzęta zajęły nową niszę ekologiczną i jeśli nie zaakceptujemy tego stanowiska, to jesteśmy w ślepym zaułku przed pytaniem: dlaczego inne zwierzęta nocne, na przykład najbliżsi krewni nietoperzy z podrzędu nietoperzy owocożernych, spędzają swoje dzień otwarty na drzewach, inni przedstawiciele rzędu Lelek, z wyjątkiem Guajaro, czy wreszcie sów, nie brali udziału w eksperymencie Natury w opracowaniu tak postępowej i niewątpliwie skutecznej metody orientacji w ciemności, ale ograniczonej się jedynie do poprawy widzenia w nocy i kilku dodatkowych adaptacji do pasywnego umiejscowienia słyszenia? Najwyraźniej to wystarczy na nocne loty w warunkach naturalnego oświetlenia, ale wyraźnie nie wystarczy do swobodnego poruszania się w absolutnej ciemności krętych lochów
Odnośnie przyczyn pojawienia się echolokacji u niektórych ssaków wodnych (zębowce i jeden typ płetwonogie), którzy polują na ryby głównie w ciągu dnia, należy mieć na uwadze trzy okoliczności. Po pierwsze, światło dzienne przedostające się do środowiska wodnego ulega rozproszeniu i nawet w najczystszej wodzie widoczność jest ograniczona jedynie
kilkudziesięciu metrów, natomiast w pobliżu wybrzeża morskiego, zwłaszcza u zbiegu rzek, widoczność ogranicza się do kilku centymetrów. Po drugie, boczne położenie oczu na głowach wielorybów i niektórych płetwonogich uniemożliwia dobry widok bezpośrednio przed pływające zwierzę. Po trzecie, propagacja dźwięku w wodzie na większe odległości niż światło stwarza dogodne warunki do efektywniejszego wykorzystania poszukiwań ławic ryb i szybkiego wykrywania podwodnych przeszkód.
Zatem pojawienie się echolokacji u zwierząt można ocenić jako metodę substytucji funkcji wzrokowej w określonych warunkach.
Kolejnym ważnym wnioskiem wynikającym z porównania współczesnych form życia zwierząt echolokujących jest to, że wykorzystanie aktywnej lokalizacji akustycznej stało się możliwe i bardziej efektywne dopiero w momencie, gdy zwierzęta oderwały się od ziemi i opanowały przestrzeń powietrzną lub przeniosły się do środowiska wodnego. Szybki ruch w swobodnej przestrzeni trójwymiarowej stworzył korzystne warunki do propagacji drgań akustycznych i odbioru wyraźnych ech od obiektów napotkanych po drodze.
Proces doskonalenia echolokacji w funkcji odległej orientacji w układach biologicznych składa się z kilku następujących po sobie etapów (ryc. 4.33).
Początków jego występowania można doszukiwać się w tzw uczucie przeszkody Lub mimowolna echolokacja, spotykane u osób niewidomych. Polega ona na tym, że osoba niewidoma ma bardzo ostry słuch. Dlatego podświadomie odbiera dźwięki odbite od obiektów towarzyszących jego ruchowi. Kiedy uszy są zamknięte lub w obecności obcego hałasu, ta zdolność u niewidomych zanika. Podobne wyniki uzyskano u oślepionych szczurów albinosów, które po intensywnym treningu były w stanie wykryć przeszkody za pomocą środków akustycznych.
Następny etap w naturalny sposób wynikał z poprzedniego - należało celowo wyemitować jakiś sygnał akustyczny, aby powrócił jako echo od obiektu. Ten etap świadomego (ludzkiego) lub odruchowego (zwierzęcego) sondowania przestrzeni, który opiera się na wykorzystaniu początkowo komunikacyjnych sygnałów, charakteryzuje początek rozwoju optycznie niekorzystnych warunków życia. Takie systemy echolokacyjne można nazwać niewyspecjalizowany.
Następnie ewolucja funkcjonalna skierowała się w stronę stworzenia już wyspecjalizowane sonary(z angielskiego so(und) na(vigation) i r(anging) - nawigacja dźwiękowa i zasięg) z wyborem próbek sygnałów specjalnych, określonych charakterystyk częstotliwościowych, czasowych i amplitudowych przeznaczonych do celów czysto lokalizacyjnych i odpowiadających im zmian w słuchowym system.
Wśród istniejących specjalistycznych biosonary najbardziej prymitywne są sonary dźwiękowe ptaków jaskiniowych, przedstawicieli rodzaju latających psów z rodziny nietoperzy owocożernych i uszatek, co może służyć jako przykład zbieżnego rozwoju tej samej funkcji tymi samymi środkami u zupełnie różnych przedstawicieli różnych rzędów, a nawet klas kręgowców.
Wszystkie wykorzystują jako sygnały lokalizacyjne kliknięcia szerokopasmowe, których główna energia u ptaków skupia się w słyszalnym zakresie częstotliwości 4–6 kHz, u lwów morskich 3–13 kHz, a u latających psów wychwytuje także niskie ultradźwięki. Kliknięcia te powstają w najprostszy sposób mechaniczny – klikanie dziobem lub językiem. Zawartość częstotliwości dźwięku w sygnałach determinuje niską rozdzielczość ich sonarów, które najwyraźniej pełnią jedyną funkcję - wykrywanie przeszkody i szacowanie odległości do niej. W zespole odległych analizatorów echolokacja u tych zwierząt odgrywa jedynie podrzędną rolę z dobrze rozwiniętym odbiorem wizualnym.
Największą doskonałość funkcji echolokacyjnej osiągnęli przedstawiciele podrzędów nietoperzy i odontocetes. Jakościowa różnica pomiędzy ich echolokacją a echolokacją ptaków i nietoperzy owocożernych polega na wykorzystaniu zakresu częstotliwości ultradźwiękowych.
Mała długość fali drgań ultradźwiękowych stwarza korzystne warunki do uzyskania wyraźnych odbić nawet od małych obiektów, wokół których zaginają się fale zakresu słyszalnego. Dodatkowo ultradźwięki mogą być emitowane wąską, niemal równoległą wiązką, co pozwala na skupienie energii w pożądanym kierunku. W powstawaniu sygnałów lokalizacyjnych u nietoperzy i zębowców biorą udział wyspecjalizowane mechanizmy krtani oraz układ worków nosowych, a kanałami emisji ultradźwięków są jama ustna i nosowa oraz wyspecjalizowana wypukłość czołowa. melon.
Zatem pojawienie się echolokacji stało się możliwe dopiero po opanowaniu przez zwierzęta przestrzeni trójwymiarowej (środowiska powietrzne lub wodne) w warunkach środowiskowych, w których niemożliwe było uzyskanie jakiejkolwiek informacji o obecności przeszkód za pomocą środków optycznych (jaskinie kręgowców lądowych, świat podwodny dla waleni i płetwonogich).
W swoim rozwoju sonary biologiczne najwyraźniej przeszły długą drogę od mimowolnej echolokacji wykorzystującej różne sygnały komunikacyjne do wyrafinowanych systemów ultradźwiękowych z wzorami impulsów zaprojektowanymi specjalnie do wykrywania przestrzeni.
ECHOLOKACJA ECHOLOKACJA
u zwierząt (z greckiego echo – dźwięk, echo i łac. locatio – rozmieszczenie), promieniowanie i percepcja odbitych sygnałów dźwiękowych, zwykle o wysokiej częstotliwości, w celu wykrywania obiektów (ofiar, przeszkód itp.) w przestrzeni, a także uzyskiwania informacji o ich właściwościach i rozmiarach. E. jest jedną z metod orientacji i biokomunikacji zwierząt. E. rozwija się u nietoperzy, delfinów oraz niektórych ptaków i ryjówek. U nietoperzy ultradźwięki generowane są w krtani przez specjalne struny nadgłośniowe (być może także struny głosowe), a następnie kierowane do otoczenia przez otwarte usta lub nozdrza. Impulsy ultradźwiękowe są odbierane przez układ słuchowy, który ma wiele krawędzi morfologicznych.
.cechy. E. działa u nich na odległość do 18 m. U delfinów dźwięki powstają prawdopodobnie w wyniku drgań przegród lub fałdów worków nosowych (według innej wersji – w krtani). Delfiny i nietoperze wytwarzają impulsy ultradźwiękowe o częstotliwości do 150-200 kHz, czas trwania sygnału wynosi zwykle od 0,2 do 4-5 ms. Ptaki żyjące w jaskiniach (guajaros, jerzyki) wykorzystują E. do poruszania się w ciemności; emitują sygnały o niskiej częstotliwości 4-7 kHz. U delfinów i nietoperzy, oprócz ogólnej orientacji, E. służy do definiowania przestrzeni. pozycja docelowa, w tym ofiara, fizjol. system (analizator) zwierzęcia dostarczający E. otrzymano w biol. imię literackie sonar, czyli sonar (angielski sonar - skrót od słów „nawigacja dźwiękowa i zasięg” - „przewodnictwo dźwiękowe i określanie odległości” - tak nazywał się echolokator używany do wykrywania obiektów podwodnych
(Źródło: „Biological Encyclopedic Dictionary”. Redaktor naczelny M. S. Gilyarov; Redakcja: A. A. Babaev, G. G. Vinberg, G. A. Zavarzin i inni - wyd. 2, poprawione. - M.: Sov.Specjalna metoda bioorientacji i biokomunikacji zwierząt (ćmy, nietoperze, ptaki, zębowce, płetwonogi). Echolokacja pozwala na wykonywanie skomplikowanych ruchów w warunkach słabej widoczności lub całkowitej ciemności. Zwierzęta generują impulsy dźwiękowe (ptaki od 4 do 7 kHz, a delfiny do 200 kHz), narządem słuchu odbierają odbicia (echa) od otaczających obiektów. Za pomocą echolokacji zwierzęta polują (nietoperze, ptaki itp.), komunikują się (delfiny) i chronią się przed atakiem (ćmy z rodziny niedźwiedzi posiadają generator ultradźwiękowy dla nietoperzy).
.(Źródło: „Biologia. Nowoczesna ilustrowana encyklopedia.” Redaktor naczelny A. P. Gorkin; M.: Rosman, 2006.)
Synonimy:
Zobacz, co kryje się pod hasłem „ECHOLOKACJA” w innych słownikach:
Echolokacja... Słownik ortografii – podręcznik
- (echo i łac. locatio „pozycja”) metoda określania położenia obiektu na podstawie czasu opóźnienia powrotu fali odbitej. Jeśli fale są mocne, to jest to lokalizacja dźwiękowa, jeśli radio to radiolokacja... ... Wikipedia
Echosonda, lokalizacja Słownik rosyjskich synonimów. echolokacja rzeczownik, liczba synonimów: 2 lokalizacja (3) ... Słownik synonimów
Echolokacja- u zwierząt, patrz Bioecholokacja. Ekologiczny słownik encyklopedyczny. Kiszyniów: Główna redakcja Mołdawskiej Encyklopedii Radzieckiej. I.I. Dedu. 1989. Echolokacja (od echa i łac. lokacji) zdolność niektórych... Słownik ekologiczny
ECHOLOKACJA, zwierzęta mają zdolność poruszania się za pomocą dźwięku. Najlepiej wyraża się u nietoperzy i wielorybów. Zwierzęta wydają serię krótkich dźwięków o wysokiej częstotliwości i na podstawie odbicia echa oceniają obecność przeszkód wokół nich. Nietoperze i... Naukowy i techniczny słownik encyklopedyczny
echolokacja- Metoda pomiaru głębokości morza lub jeziora, dawniej za pomocą liny opuszczonej na kablu, obecnie za pomocą echosondy. Syn.: sondowanie... Słownik geografii
I Echolokacja (od echa i łac. locatio rozmieszczenia) u zwierząt, promieniowanie i percepcja odbitych, zwykle o wysokiej częstotliwości, sygnałów dźwiękowych w celu wykrywania obiektów w przestrzeni, a także uzyskiwania informacji o właściwościach i... ... Wielka encyklopedia radziecka
G. Orientacja w przestrzeni za pomocą odbitych ultradźwięków. Słownik wyjaśniający Efraima. T. F. Efremova. 2000... Nowoczesny słownik objaśniający języka rosyjskiego autorstwa Efremowej
echolokacja- echolokacja i... Słownik ortografii rosyjskiej
echolokacja- echolokacja/tencja i... Razem. Osobno. Pisany z łącznikiem.
Książki
- Zabawne badania fal. Niepokój i wahanie wokół nas, Pretorze-Pinney Gavin. G. Pretor-Pinney w zabawny i łatwy sposób wprowadza każdego w teorię fal, a także znaczenie fal w naszym codziennym życiu. Czeka Cię podróż dookoła świata…
Odkrycie echolokacji wiąże się z nazwiskiem włoskiego przyrodnika Lazzaro Spallanzaniego. Zauważył, że nietoperze latają swobodnie w całkowicie ciemnym pomieszczeniu (w którym nawet sowy są bezradne), nie dotykając przedmiotów. W swoim eksperymencie oślepił kilka zwierząt, ale nawet potem latały na równi z widzącymi zwierzętami. Kolega Spallanzaniego, J. Zhurin, przeprowadził kolejny eksperyment, w którym pokrył woskiem uszy nietoperzy – a zwierzęta zderzyły się ze wszystkimi przedmiotami. Na tej podstawie naukowcy doszli do wniosku, że nietoperze nawigują za pomocą słuchu. Jednak współcześni wyśmiewali ten pomysł, ponieważ nic więcej nie można powiedzieć - krótkie sygnały ultradźwiękowe w tamtym czasie nadal nie były możliwe do zarejestrowania.
Pomysł aktywnego umiejscowienia dźwięku u nietoperzy został po raz pierwszy zaproponowany w 1912 roku przez H. Maxima. Zaproponował, aby nietoperze wytwarzały sygnały echolokacyjne o niskiej częstotliwości poprzez trzepotanie skrzydłami z częstotliwością 15 Hz.
Ultradźwięki odkrył w 1920 roku Anglik H. Hartridge, który odtworzył eksperymenty Spallanzaniego. Potwierdzenie tego uzyskano w 1938 roku dzięki bioakustykowi D. Griffinowi i fizykowi G. Pierce'owi. Griffin zasugerował nazwę echolokacja(podobny do radaru), aby nazwać metodę orientowania nietoperzy za pomocą ultradźwięków.
Echolokacja u zwierząt
Zwierzęta wykorzystują echolokację do poruszania się w przestrzeni i określania położenia otaczających je obiektów, głównie za pomocą sygnałów dźwiękowych o wysokiej częstotliwości. Najbardziej rozwinięta jest u nietoperzy i delfinów, wykorzystuje ją także ryjówki, wiele gatunków płetwonogich (fok), ptaków (guajaros, jerzyki itp.).
Pochodzenie echolokacji u zwierząt pozostaje niejasne; prawdopodobnie powstał jako substytut wzroku wśród tych, którzy żyją w ciemnościach jaskiń lub głębinach oceanu. Zamiast fali świetlnej do lokalizacji zaczęto wykorzystywać dźwięk.
Ten sposób orientacji w przestrzeni umożliwia zwierzętom wykrywanie obiektów, rozpoznawanie ich, a nawet polowanie w warunkach całkowitego braku światła, w jaskiniach i na znacznych głębokościach.
Wśród stawonogów echolokację stwierdzono jedynie u ćm nocnych.
Osoba w jakiś sposób korzysta również z echolokacji: po usłyszeniu dźwięku w pomieszczeniu osoba może określić przybliżoną objętość pomieszczenia, miękkość ścian itp.
Wsparcie techniczne w zakresie echolokacji
Echolokacja może opierać się na odbiciu sygnałów o różnych częstotliwościach - fal radiowych, ultradźwięków i dźwięku. Pierwsze systemy echolokacyjne wysyłały sygnał w określone miejsce w przestrzeni i na podstawie opóźnienia reakcji wyznaczały jego odległość, mając znaną prędkość przemieszczania się danego sygnału w danym środowisku oraz zdolność przeszkody, do której odległość była wyznaczana. mierzone w celu odzwierciedlenia tego typu sygnału. Sprawdzenie w ten sposób fragmentu dna za pomocą dźwięku zajęło sporo czasu.
Obecnie stosuje się różne rozwiązania techniczne przy jednoczesnym wykorzystaniu sygnałów o różnych częstotliwościach, co może znacznie przyspieszyć proces echolokacji.
Zobacz także
- Sonar (sonaru)
Napisz recenzję o artykule "Echolokacja"
Notatki
Bibliografia
- Siergiejew B.F.. - L.: Gidrometeoizdat, 1980. - 150 s.
- Griffin D. R. Echo w życiu ludzi i zwierząt. Za. z angielskiego K.E. Wheeler. wyd. MA Isakovich.- M.: Fizmatgiz, 1961. - 110 s.
Fragment charakteryzujący echolokację
Następnego dnia po przyjęciu do loży Pierre siedział w domu, czytał książkę i próbował zrozumieć znaczenie kwadratu, który z jednej strony przedstawiał Boga, z drugiej moralnego, z trzeciej fizycznego, a z czwartego mieszanego . Od czasu do czasu podnosił wzrok znad księgi i placu i w wyobraźni układał sobie nowy plan na życie. Wczoraj w loży powiedziano mu, że do władcy dotarła pogłoska o pojedynku i że dla Pierre'a będzie rozsądne opuszczenie Petersburga. Pierre zamierzał udać się do swoich południowych posiadłości i tam zaopiekować się swoimi chłopami. Radośnie rozmyślał o nowym życiu, gdy nagle do pokoju wszedł książę Wasilij.– Przyjacielu, co zrobiłeś w Moskwie? Dlaczego pokłóciłeś się z Lelyą, mon сher? [moja droga?] „Mylisz się” – powiedział książę Wasilij, wchodząc do pokoju. „Wszystko się dowiedziałem, słusznie mogę powiedzieć, że Helena jest przed wami niewinna, jak Chrystus przed Żydami”. „Pierre chciał odpowiedzieć, ale mu przerwał. „I dlaczego nie zwróciłeś się do mnie bezpośrednio i po prostu jak do przyjaciela?” „Wiem wszystko, wszystko rozumiem” – powiedział – „zachowałeś się jak przystało na osobę, która ceni swój honor; Może to zbyt pochopne, ale nie będziemy tego oceniać. Pamiętajcie tylko, w jakiej pozycji stawiacie ją i mnie w oczach całego społeczeństwa, a nawet sądu” – dodał, zniżając głos. – Ona mieszka w Moskwie, ty tu jesteś. Pamiętaj, moja droga – pociągnął go za rękę – jest tu jedno nieporozumienie; Myślę, że sam to czujesz. Napisz do mnie teraz list, a ona tu przyjdzie, wszystko się wyjaśni, bo inaczej ci powiem, bardzo łatwo możesz zostać zraniona, kochanie.
Książę Wasilij patrzył na Pierre'a imponująco. „Wiem z dobrych źródeł, że cesarzowa wdowa żywo interesuje się całą tą sprawą”. Wiesz, ona jest bardzo miłosierna dla Heleny.
Pierre kilka razy miał coś powiedzieć, ale z jednej strony książę Wasilij mu na to nie pozwolił, z drugiej strony sam Pierre bał się zacząć mówić tym tonem zdecydowanej odmowy i sprzeciwu, w którym stanowczo postanowił odpowiedz teściowi. Dodatkowo przyszły mu na myśl słowa statutu masońskiego: „bądź życzliwy i przyjacielski”. Krzywił się, rumienił, wstawał i upadał, pracując nad sobą w najtrudniejszym zadaniu w swoim życiu - powiedzieć komuś w twarz coś nieprzyjemnego, powiedzieć coś, czego ta osoba, nieważne kim była, oczekiwała. Był tak przyzwyczajony do słuchania tego tonu beztroskiej pewności siebie księcia Wasilija, że nawet teraz czuł, że nie będzie w stanie się temu oprzeć; czuł jednak, że cały jego dalszy los będzie zależał od tego, co powie teraz: czy pójdzie starą, dawną drogą, czy też nową, którą tak atrakcyjnie wskazali mu masoni i w którą mocno wierzył, że odrodzi się do nowego życia.
„No cóż, moja droga”, powiedział żartobliwie książę Wasilij, „powiedz mi: „tak”, a ja napiszę do niej w swoim imieniu i zabijemy tłuste cielę. - Ale książę Wasilij nie miał czasu dokończyć żartu, gdy Pierre z wściekłością na twarzy, która przypominała mu ojca, nie patrząc rozmówcy w oczy, powiedział szeptem:
- Książę, nie wezwałem cię do siebie, idź, proszę, idź! „Podskoczył i otworzył mu drzwi.
„Idź” – powtórzył, nie wierząc sobie i ciesząc się z wyrazu zażenowania i strachu, który pojawił się na twarzy księcia Wasilija.
- Co się z tobą dzieje? Czy jesteś chory?
- Iść! – odezwał się ponownie drżący głos. A książę Wasilij musiał wyjechać bez otrzymania żadnych wyjaśnień.
Tydzień później Pierre, pożegnawszy się ze swoimi nowymi przyjaciółmi, masonami i zostawiając im duże sumy jałmużny, wyjechał do swoich posiadłości. Nowi bracia przesłali mu listy do Kijowa i Odessy, do tamtejszych masonów, i obiecali, że będą do niego pisać i kierować go w nowej działalności.
A delfiny emitują ultradźwięki. Dlaczego jest to potrzebne i jak to działa? Dowiedzmy się, czym jest echolokacja i jak pomaga zwierzętom, a nawet ludziom.
Co to jest echolokacja
Echolokacja, zwana także biosonarem, to sonar biologiczny używany przez kilka gatunków zwierząt. Zwierzęta echolokujące emitują sygnały do otoczenia i słuchają echa tych wezwań, które powracają z różnych obiektów w ich pobliżu. Używają tych ech do wyszukiwania i identyfikowania obiektów. Echolokacja służy do nawigacji i żerowania (lub polowania) w różnych warunkach.
Zasada działania
Echolokacja to to samo, co aktywny sonar, który wykorzystuje dźwięki wytwarzane przez samo zwierzę. Klasyfikacji dokonuje się poprzez pomiar opóźnienia czasowego pomiędzy dźwiękiem emitowanym przez zwierzę a echem powracającym z otoczenia.
W przeciwieństwie do niektórych sonarów stworzonych przez człowieka, które do zlokalizowania celu wykorzystują niezwykle wąskie wiązki i wiele odbiorników, echolokacja zwierząt opiera się na jednym nadajniku i dwóch odbiornikach (uszach). Echa powracające do obu uszu docierają w różnym czasie i przy różnych poziomach głośności, w zależności od położenia obiektu, który je generuje. Różnice w czasie i objętości są wykorzystywane przez zwierzęta do postrzegania odległości i kierunku. Dzięki echolokacji nietoperz lub inne zwierzę może zobaczyć nie tylko odległość do obiektu, ale także jego rozmiar, rodzaj zwierzęcia i inne cechy.
Nietoperze
Nietoperze wykorzystują echolokację do nawigacji i żerowania, często w całkowitej ciemności. Zwykle o zmroku wychodzą ze swoich kryjówek w jaskiniach, na strychach lub na drzewach i polują na owady. Dzięki echolokacji nietoperze zyskały bardzo korzystną pozycję: polują nocą, gdy jest dużo owadów, mniejsza konkurencja o pożywienie i mniej gatunków, które same są w stanie polować na nietoperze.
Nietoperze wytwarzają ultradźwięki przez krtań i emitują dźwięk przez otwarte usta lub, znacznie rzadziej, nos. Emitują dźwięk w zakresie od 14 000 do ponad 100 000 Hz, w większości poza zasięgiem ucha ludzkiego (typowy zakres słyszalności człowieka to 20 Hz do 20 000 Hz). Nietoperze potrafią oszacować ruch celów, interpretując wzorce powstałe w wyniku odbicia echa od specjalnego płata skóry w uchu zewnętrznym.
Niektóre gatunki nietoperzy wykorzystują echolokację w określonych zakresach częstotliwości, które odpowiadają ich warunkom życia i typowi ofiary. Naukowcy czasami wykorzystywali tę informację do określenia gatunku nietoperzy zamieszkujących ten obszar. Po prostu rejestrowali swoje sygnały za pomocą rejestratorów ultradźwiękowych zwanych detektorami nietoperzy. W ostatnich latach badacze z kilku krajów opracowali biblioteki nawoływań nietoperzy zawierające nagrania gatunków rodzimych.
Zwierzęta morskie
Biosonar jest cenny dla podrzędu zębowców, do którego zaliczają się delfiny, orki i kaszaloty. Żyją w siedliskach podwodnych, które mają korzystne właściwości akustyczne i gdzie widoczność jest bardzo ograniczona ze względu na zmętnienie wody.
Najbardziej znaczące wczesne wyniki w opisie echolokacji delfinów osiągnęli William Sheville i jego żona Barbara Lawrence-Sheville. Karmili delfiny i pewnego dnia zauważyli, że bez wątpienia znaleźli kawałki ryby, które cicho zatonęły w wodzie. Po tym odkryciu przeprowadzono szereg innych eksperymentów. Obecnie ustalono, że delfiny posługują się częstotliwościami z zakresu od 150 do 150 000 Hz.
Echolokację płetwali błękitnych badano znacznie mniej. Do tej pory przyjęto jedynie założenia, że „pieśni” wielorybów są sposobem nawigacji i komunikacji z bliskimi. Wiedza ta wykorzystywana jest do liczenia populacji i śledzenia migracji tych zwierząt morskich.
Gryzonie
Jasne jest, czym jest echolokacja u zwierząt morskich i nietoperzy i dlaczego jej potrzebuje. Ale dlaczego gryzonie tego potrzebują? Jedynymi ssakami lądowymi zdolnymi do echolokacji są dwa rodzaje ryjówek, teyreki z Madagaskaru, szczury i szpakowaty. Emitują serię ultradźwiękowych pisków. Nie zawierają odpowiedzi echolokacyjnych z pogłosem i wydają się być używane do prostej orientacji przestrzennej z bliskiej odległości. W przeciwieństwie do nietoperzy ryjówki wykorzystują echolokację wyłącznie do badania siedlisk ofiar, a nie do polowania. Z wyjątkiem dużych, a przez to silnie odbijających światło obiektów (takich jak duży kamień lub pień drzewa), prawdopodobnie nie są one w stanie rozplątać scen z echem.
Najbardziej utalentowani echolokatorzy
Oprócz wymienionych zwierząt istnieją inne zdolne do echolokacji. Są to niektóre gatunki ptaków i fok, ale najbardziej wyrafinowanymi echolokatorami są ryby i minogi. Wcześniej naukowcy uważali, że nietoperze są najbardziej zdolne, ale w ostatnich dziesięcioleciach stało się jasne, że tak nie jest. Środowisko powietrzne nie sprzyja echolokacji – w przeciwieństwie do środowiska wodnego, w którym dźwięk rozchodzi się pięciokrotnie szybciej. Echolokator ryb to narząd linii bocznej, który odbiera wibracje otoczenia. Używany zarówno do nawigacji, jak i polowań. Niektóre gatunki mają również elektroreceptory wykrywające wibracje elektryczne. Czym jest echolokacja dla ryb? Często jest to równoznaczne z przetrwaniem. Wyjaśnia, jak ślepe ryby mogły dożyć sędziwego wieku – nie potrzebowały wzroku.
Echolokacja u zwierząt pomogła wyjaśnić podobne zdolności u osób niedowidzących i niewidomych. Poruszają się w przestrzeni za pomocą wydawanych przez siebie dźwięków klikania. Naukowcy twierdzą, że takie krótkie dźwięki wytwarzają fale, które można porównać do światła latarki. W tej chwili jest zbyt mało danych, aby opracować ten kierunek, ponieważ zdolne echolokatory wśród ludzi są bardzo rzadkie.
Załadunek...