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.
Одной из важных характеристик деятельности слуховой системы человека и животных является пространственный слух, т. е. ориентация в пространстве благодаря восприятию звуковых сигналов. В процессе эволюции были выработаны определенные виды пространственного слуха, с большой точностью используемые животными и человеком при акустической ориентации в пространстве. Подавляющему большинству видов животных, в том числе и человеку, обладающих достаточно развитой слуховой системой, свойственна пространственная акустическая ориентация с помощью пассивной локации. Этот вид пространственного слуха характеризуется локацией источников звуков, излучаемых внешними объектами. Благодаря пассивной локации биологическим объектам удается локализовать положение звучащего объекта в вертикальной и горизонтальной плоскостях и его удаленность от тела. Однако кроме этого наиболее распространенного типа локации, существует и другой, очень своеобразный тип пространственного слуха, присущий лишь некоторым видам животных, - эхолокация.
Эхолокация состоит в определении пространственного положения какого-либо объекта благодаря отражению этим объектом звуковых сигналов, излучаемых самим животным-наблюдателем. Данные свидетельствуют о том, что животные, обладающие эхолокационным механизмом, способны не только определять пространственное положение объекта, но и опознавать с помощью эхолокации размеры, форму и материал объектов, от которых отражается издаваемый самим животным звуковой сигнал. Следовательно, эхолокационный механизм помимо чисто пространственных характеристик объекта предоставляет животному сведения о других его свойствах, весьма существенных при ориентировке во внешнем мире.
Достоверно известно, что эхолокацией среди животных пользуются все летучие мыши, представители одного рода крыланов, несколько видов стрижей-саланганов из Юго-Восточной Азии, один вид козодоевых - гуахаро из Венесуэлы, по-видимому, все представители зубатых китов и один вид из отряда ластоногих - калифорнийский морской лев. Из этого перечисления следует, что эхолокация как способ дистантной ориентации развилась независимо у разных представителей позвоночных животных, столь далеких друг от друга в филогенетическом и экологическом отношении, что любое сопоставление на первый взгляд может показаться искусственным и неправомочным. И тем не менее только при таком сопоставлении можно лучше понять причины возникновения этого особого акустического способа контактирования со средой.
Прежде всего следует обратить внимание на то, что все указанные представители по крайней мере часть своей активной жизни проводят в таких условиях где функции зрительного анализатора ограничены или полностью исключаются!
Стрижи-саланганы - дневные насекомоядные птицы, но гнездятся на высоких скалах подземных гротов, куда дневной свет практически не проникает. Гуахаро и крыланы - фруктоядные животные, дневку проводят также в глубоких подземельях и вылетают на кормежку с наступлением сумерек. Для большинства видов летучих мышей пещеры являются родным домом, где они отдыхают в светлое время суток, размножаются и переживают неблагоприятные погодные условия, впадая в спячку. Таким образом, жизненная необходимость обитания в глубоких подземельях с постоянным режимом температуры и влажности в течение всех сезонов года, представляющих, кроме того, надежное укрытие от многочисленных хищников, послужила тем решающим обстоятельством, которое заставило сухопутных животных искать новые средства дистантной ориентации в условиях подземного мира.
Животные заняли новую экологическую нишу, и если не принять это положение, то мы встаем в тупик перед вопросом: почему другие ночные животные например ближайшие родственники летучих мышей из подотряда крыланов проводящие дневку открыто на деревьях, другие представители отряда козодоевых, кроме гуахаро, или, наконец, совы не приняли участия в эксперименте Природы при развитии столь прогрессивного и несомненно удачного способа ориентации в темноте, а ограничились лишь совершенствованием зрения к ночному видению и некоторыми дополнительными приспособлениями к пассивной слуховой локации? По-видимому, для ночных полетов в условиях естественной освещенности этого вполне достаточно, но явно не хватает для беспрепятственного передвижения в абсолютной темноте извилистых подземелий
Относительно причин появления эхолокации у некоторых водных млекопитающих (зубатых китов и одного вида ластоногих), которые охотятся за рыбой в основном в дневное время суток, следует иметь в виду три обстоятельства. Во-первых, при прохождении в водную среду дневной свет подвергается Рассеиванию и даже в самой прозрачной воде видимость ограничивается лишь
несколькими десятками метров, тогда как вблизи побережья морей, особенно в местах впадения рек, видимость сокращается до нескольких сантиметров. Во-вторых, боковое расположение глаз на голове китов и некоторых ластоногих препятствует хорошему обзору непосредственно впереди плывущего животного. В-третьих, распространение звука в воде на более далекие расстояния, чем свет, создает благоприятные условия для более эффективного использования поиска косяков рыбы и своевременного обнаружения подводных препятствий.
Таким образом, возникновение эхолокации у животных можно оценить как способ замещения в определенных условиях зрительной функции.
Следующий важный вывод, вытекающий из сопоставления современных жизненных форм эхолоцирующих животных, заключается в том, что использование активной акустической локации стало возможным и более эффективным только тогда, когда животные оторвались от земли и освоили воздушное пространство или перешли в водную среду. Быстрое передвижение в свободном трехмерном пространстве создало благоприятные условия для распространения акустических колебаний и получения отчетливых эхо от встречаемых на пути предметов.
Процесс совершенствования эхолокации как функции дистантной ориентации в биологических системах включает в себя несколько последовательных этапов (рис. 4.33).
У истоков ее возникновения может быть поставлено так называемое чувство препятствия, или непроизвольная эхолокация, обнаруживаемая у слепых людей. Она основана на том, что у слепого человека очень обострен слух. Поэтому он подсознательно воспринимает звуки, отражающиеся от предметов, которые сопутствуют его движению. При закрытых ушах или при наличии постороннего шума эта способность у слепых пропадает. Аналогичные результаты были получены на ослепленных белых крысах, которые после длительной тренировки могли обнаруживать препятствия акустическими средствами.
Следующий этап естественным образом вытекал из предыдущего - требовалось уже преднамеренно издать какой-либо акустический сигнал, чтобы он вернулся как эхо от объекта. Этот этап уже сознательного (человек) или рефлекторного (животное) озвучивания пространства, который основан на использовании первоначально коммуникационных сигналов, характеризует начало освоения оптически неблагоприятных условий для обитания. Такие эхолокационные системы можно назвать неспециализированными.
В дальнейшем функциональная эволюция шла в направлении создания уже специализированных сонаров (от англ. so(und) na(vigation) and r(anging) - звуковая навигация и определение дальности) с отбором образцов специальных сигналов, определенных частотных, временных и амплитудных характеристик, предназначенных для сугубо локационных целей и соответствующих перестроек в слуховой системе.
Среди существующих специализированных биосонаров самыми примитивными являются звуковые сонары пещерных птиц, представителей рода летучих собак из семейства крылановых и ушастых тюленей, которые могут служить примером конвергентного развития одной и той же функции одними и теми же средствами у совершенно различных представителей разных отрядов и даже классов позвоночных животных.
Все они используют в качестве локационных сигналов широкополосные щелчки, основная энергия которых у птиц сосредоточена в слышимом диапазоне частот 4-6 кГц, у морского льва 3-13 кГц, у летучих собак захватывает и низкие ультразвуки. Щелчки эти издаются наиболее простым механическим способом - прищелкивание клювом или языком. Звуковое частотное заполнение сигналов обусловливает низкую разрешающую способность их сонаров, которые, по-видимому, выполняют единственную функцию - обнаружение препятствия и оценку расстояния до него. В комплексе дистантных анализаторов эхолокация у этих животных играет лишь соподчиненную роль при хорошо развитой зрительной рецепции.
Наибольшего совершенства эхолокационная функция достигла у представителей подотрядов летучих мышей и зубатых китообразных. Качественное отличие их эхолокации от эхолокации птиц и крыланов заключается в использовании ультразвукового диапазона частот.
Малая длина волны ультразвуковых колебаний создает благоприятные условия для получения четких отражений даже от небольших предметов, которые волны слышимого диапазона огибают. Кроме того, ультразвук можно излучать узким, почти параллельным пучком, что позволяет концентрировать энергию в нужном направлении. В формировании локационных сигналов у летучих мышей и зубатых китов участвуют специализированные гортанные механизмы и система носовых мешков, а в качестве каналов для излучения ультразвука используются ротовая и носовая полости, а также специализированный лобный выступ - мелон.
Таким образом, возникновение эхолокации стало возможным лишь после освоения животными трехмерного пространства (воздушной или водной сред) в таких экологических условиях, где оптическими средствами было невозможно получить какую-либо информацию о наличии препятствий (пещеры - для наземных позвоночных, подводный мир - для китообразных и ластоногих).
В своем развитии биологические сонары прошли, по-видимому, длительный путь от непроизвольной эхолокации с использованием различных коммуникационных сигналов до совершенных ультразвуковых систем с образцами импульсов, предназначенных специально для зондирования пространства.
ЭХОЛОКАЦИЯ ЭХОЛОКАЦИЯ
у животных (от греч. echo - звук, отголосок и лат. locatio - размещение), излучение и восприятие отражённых, как правило, вы сокочастотных звуковых сигналов с целью обнаружения объектов (добычи, препятствия и др.) в пространстве, а также получения информации об их свойствах и размерах. Э.- один из способов ориентации животных и биокоммуникации. Э. развита у летучих мышей, дельфинов, у нек-рых птиц и землероек. У летучих мышей ультразвук генерируется в гортани особыми надгортанными связками (возможно, и голосовыми тоже) и затем через открытый рот или ноздри направленно излучается в окружающую среду. Воспринимаются ультразвуковые импульсы слуховой системой, к-рая имеет ряд морфологич. особенностей. Э. эффективна у них на расстоянии до 18 м. У дельфинов звуки, вероятно, производятся вибрацией перегородок или складок носовых мешков (по др. версии - в гортани). Дельфины и летучие мыши генерируют ультразвуковые импульсы частотой до 150-200 кГц, длительность сигналов обычно от 0,2 до 4-5 мс. Птицы, живущие в пещерах (гуахаро, саланганы), с помощью Э. ориентируются в темноте; они излучают низкочастотные сигналы в 4-7 кГц. У дельфинов и летучих мышей, кроме общей ориентации, Э. служит для определения пространств. положения цели, в т. ч. добычи, физиол. система (анализатор) животного, обеспечивающая Э., получила в биол. лит-ре назв. сонарной, или сонара (англ. sonar - аббревиатура слов «sound navigation and randing» - «звуковое наведение и определение расстояния» - так назывался эхолокатор, применявшийся для обнаружения подводных объектов
.(Источник: «Биологический энциклопедический словарь.» Гл. ред. М. С. Гиляров; Редкол.: А. А. Бабаев, Г. Г. Винберг, Г. А. Заварзин и др. - 2-е изд., исправл. - М.: Сов. Энциклопедия, 1986.)
эхолока́цияОсобый способ биоориентации и биокоммуникации животных (ночных бабочек, летучих мышей, птиц, зубчатых китов, ластоногих). Эхолокация позволяет совершать сложные движения при плохой видимости или в полной темноте. Животные генерируют звуковые импульсы (птицы от 4 до 7 кГц, а дельфины до 200 кГц), воспринимают отражение (эхо) от окружающих предметов органами слуха. С помощью эхолокации животные охотятся (летучие мыши, птицы и др.), общаются (дельфины), защищаются от нападения (ночные бабочки сем. медведиц имеют генератор ультразвуковых помех для летучих мышей).
.(Источник: «Биология. Современная иллюстрированная энциклопедия.» Гл. ред. А. П. Горкин; М.: Росмэн, 2006.)
Синонимы :
Смотреть что такое "ЭХОЛОКАЦИЯ" в других словарях:
Эхолокация … Орфографический словарь-справочник
- (эхо и лат. locatio «положение») способ, при помощи которого положение объекта определяется по времени задержки возвращений отражённой волны. Если волны являются звуковыми, то это звуколокация, если радио радиолокация.… … Википедия
Эхолотирование, локация Словарь русских синонимов. эхолокация сущ., кол во синонимов: 2 локация (3) … Словарь синонимов
Эхолокация - у животных, см. Биоэхолокация. Экологический энциклопедический словарь. Кишинев: Главная редакция Молдавской советской энциклопедии. И.И. Дедю. 1989. Эхолокация (от эхо и лат. locatio размещение) способность некот … Экологический словарь
ЭХОЛОКАЦИЯ, у животных способность ориентироваться по звуку. Лучше всего она выражена у летучих мышей и китов. Животные испускают ряд коротких звуков высокой частоты и по отражению ЭХА судят о наличии препятствий вокруг себя. Летучие мыши и… … Научно-технический энциклопедический словарь
эхолокация - Метод измерения глубины моря или озера, в прошлом с помощью лота, опускаемого на тросе, ныне с помощью эхолота. Syn.: зондирование … Словарь по географии
I Эхолокация (от Эхо и лат. locatio размещение) у животных, излучение и восприятие отражённых, как правило, высокочастотных, звуковых сигналов с целью обнаружения объектов в пространстве, а также получения информации о свойствах и… … Большая советская энциклопедия
Ж. Ориентировка в пространстве с помощью отражённого ультразвука. Толковый словарь Ефремовой. Т. Ф. Ефремова. 2000 … Современный толковый словарь русского языка Ефремовой
эхолокация - эхолок ация, и … Русский орфографический словарь
эхолокация - эхолока/ция, и … Слитно. Раздельно. Через дефис.
Книги
- Занимательное волноведение. Волнения и колебания вокруг нас , Претор-Пинней Гэвин. Г. Претор-Пинни увлекательно и запросто знакомит всех желающих с теорией волн, а также с тем, какое значение волны имеют в нашей повседневной жизни. Вас ждет кругосветное путешествие по…
Открытие эхолокации связано с именем итальянского естествоиспытателя Ладзаро Спалланцани . Он обратил внимание на то, что летучие мыши свободно летают в абсолютно тёмной комнате (где оказываются беспомощными даже совы), не задевая предметов. В своём опыте он ослепил несколько животных, однако и после этого они летали наравне со зрячими . Коллега Спалланцани Ж. Жюрин провёл другой опыт, в котором залепил воском уши летучих мышей, - и зверьки натыкались на все предметы. Отсюда учёные сделали вывод, что летучие мыши ориентируются по слуху . Однако эта идея была высмеяна современниками, поскольку ничего большего сказать было нельзя - короткие ультразвуковые сигналы в то время ещё было невозможно зафиксировать .
Впервые идея об активной звуковой локации у летучих мышей была высказана в 1912 году Х. Максимом . Он предполагал, что летучие мыши создают низкочастотные эхолокационные сигналы взмахами крыльев с частотой 15 Гц .
Об ультразвуке догадался в 1920 году англичанин Х. Хартридж, воспроизводивший опыты Спалланцани. Подтверждение этому нашлось в 1938 году благодаря биоакустику Д. Гриффину и физику Г. Пирсу. Гриффин предложил название эхолокация (по аналогии с радиолокацией) для именования способа ориентации летучих мышей при помощи ультразвука .
Эхолокация у животных
Животные используют эхолокацию для ориентации в пространстве и для определения местоположения объектов вокруг, в основном при помощи высокочастотных звуковых сигналов. Наиболее развита у летучих мышей и дельфинов , также её используют землеройки , ряд видов ластоногих (тюлени), птиц (гуахаро , саланганы и др.).
Происхождение эхолокации у животных остаётся неясным; вероятно, она возникла как замена зрению у тех, кто обитает в темноте пещер или глубин океана. Вместо световой волны для локации стала использоваться звуковая .
Данный способ ориентации в пространстве позволяет животным обнаруживать объекты, распознавать их и даже охотиться в условиях полного отсутствия света, в пещерах и на значительной глубине.
Среди членистоногих эхолокация обнаружена только у ночных бабочек совок .
Человек в некотором роде тоже использует эхолокацию: услышав звук в помещении, человек может определить приблизительный объём помещения, мягкость стен и т. п.
Техническое обеспечение эхолокациии
Эхолокация может быть основана на отражении сигналов различной частоты - радиоволн , ультразвука и звука . Первые эхолокационные системы направляли сигнал в определённую точку пространства и по задержке ответа определяли её удалённость при известной скорости перемещения данного сигнала в данной среде и способности препятствия, до которого измеряется расстояние, отражать данный вид сигнала. Обследование участка дна таким образом при помощи звука занимало значительное время.
Сейчас используются различные технические решения с одновременным использованием сигналов различной частоты, которые позволяют существенно ускорить процесс эхолокации.
См. также
- Сонар (гидролокатор)
Напишите отзыв о статье "Эхолокация"
Примечания
Библиография
- Сергеев Б.Ф. . - Л. : Гидрометеоиздат , 1980. - 150 с.
- Гриффин Д. Р. Эхо в жизни людей и животных. Пер. с англ. К. Э. Виллер. Под ред. М. А. Исаковича. - М.: Физматгиз, 1961. - 110 с.
Отрывок, характеризующий Эхолокация
На другой день после приема в ложу, Пьер сидел дома, читая книгу и стараясь вникнуть в значение квадрата, изображавшего одной своей стороною Бога, другою нравственное, третьею физическое и четвертою смешанное. Изредка он отрывался от книги и квадрата и в воображении своем составлял себе новый план жизни. Вчера в ложе ему сказали, что до сведения государя дошел слух о дуэли, и что Пьеру благоразумнее бы было удалиться из Петербурга. Пьер предполагал ехать в свои южные имения и заняться там своими крестьянами. Он радостно обдумывал эту новую жизнь, когда неожиданно в комнату вошел князь Василий.– Мой друг, что ты наделал в Москве? За что ты поссорился с Лёлей, mon сher? [дорогой мoй?] Ты в заблуждении, – сказал князь Василий, входя в комнату. – Я всё узнал, я могу тебе сказать верно, что Элен невинна перед тобой, как Христос перед жидами. – Пьер хотел отвечать, но он перебил его. – И зачем ты не обратился прямо и просто ко мне, как к другу? Я всё знаю, я всё понимаю, – сказал он, – ты вел себя, как прилично человеку, дорожащему своей честью; может быть слишком поспешно, но об этом мы не будем судить. Одно ты помни, в какое положение ты ставишь ее и меня в глазах всего общества и даже двора, – прибавил он, понизив голос. – Она живет в Москве, ты здесь. Помни, мой милый, – он потянул его вниз за руку, – здесь одно недоразуменье; ты сам, я думаю, чувствуешь. Напиши сейчас со мною письмо, и она приедет сюда, всё объяснится, а то я тебе скажу, ты очень легко можешь пострадать, мой милый.
Князь Василий внушительно взглянул на Пьера. – Мне из хороших источников известно, что вдовствующая императрица принимает живой интерес во всем этом деле. Ты знаешь, она очень милостива к Элен.
Несколько раз Пьер собирался говорить, но с одной стороны князь Василий не допускал его до этого, с другой стороны сам Пьер боялся начать говорить в том тоне решительного отказа и несогласия, в котором он твердо решился отвечать своему тестю. Кроме того слова масонского устава: «буди ласков и приветлив» вспоминались ему. Он морщился, краснел, вставал и опускался, работая над собою в самом трудном для него в жизни деле – сказать неприятное в глаза человеку, сказать не то, чего ожидал этот человек, кто бы он ни был. Он так привык повиноваться этому тону небрежной самоуверенности князя Василия, что и теперь он чувствовал, что не в силах будет противостоять ей; но он чувствовал, что от того, что он скажет сейчас, будет зависеть вся дальнейшая судьба его: пойдет ли он по старой, прежней дороге, или по той новой, которая так привлекательно была указана ему масонами, и на которой он твердо верил, что найдет возрождение к новой жизни.
– Ну, мой милый, – шутливо сказал князь Василий, – скажи же мне: «да», и я от себя напишу ей, и мы убьем жирного тельца. – Но князь Василий не успел договорить своей шутки, как Пьер с бешенством в лице, которое напоминало его отца, не глядя в глаза собеседнику, проговорил шопотом:
– Князь, я вас не звал к себе, идите, пожалуйста, идите! – Он вскочил и отворил ему дверь.
– Идите же, – повторил он, сам себе не веря и радуясь выражению смущенности и страха, показавшемуся на лице князя Василия.
– Что с тобой? Ты болен?
– Идите! – еще раз проговорил дрожащий голос. И князь Василий должен был уехать, не получив никакого объяснения.
Через неделю Пьер, простившись с новыми друзьями масонами и оставив им большие суммы на милостыни, уехал в свои именья. Его новые братья дали ему письма в Киев и Одессу, к тамошним масонам, и обещали писать ему и руководить его в его новой деятельности.
И дельфины испускают ультразвук. Зачем это нужно и как оно работает? Давайте разберемся, что такое эхолокация и как она помогает животным и даже людям.
Что такое эхолокация
Эхолокация, также называемая биосонаром, представляет собой биологический гидролокатор, используемый несколькими видами животных. Эхолоцирующие животные излучают сигналы в окружающую среду и слушают отголоски тех вызовов, которые возвращаются из разных объектов рядом с ними. Они используют эти эхо-сигналы для поиска и идентификации объектов. Эхолокация применяется для навигации и для фуража (или охоты) в различных условиях.
Принцип работы
Эхолокация - это то же самое, что и активный сонар, который использует звуки, воспроизводимые самим животным. Ранжирование осуществляется путем измерения временной задержки между собственным звуковым излучением животного и любыми эхо-сигналами, возвращающимися из окружающей среды.
В отличие от некоторых гидролокаторов, созданных человеком, которые полагаются на чрезвычайно узкие лучи и множество приемников для локализации мишени, метод эхолокации животных основан на одном передатчике и двух приемниках (уши). Эхо-сигналы, возвращающиеся к двум ушам, поступают в разное время и на разных уровнях громкости, в зависимости от положения объекта, генерирующего их. Различия во времени и громкости используются животными для восприятия расстояния и направления. С эхолокацией летучая мышь или другое животное может видеть не только расстояние до предмета, но и его размер, то, какое это животное, и другие особенности.
Летучие мыши
Летучие мыши используют эхолокацию для навигации и фуража, часто в полной темноте. Они обычно выходят из своих ночлегов в пещерах, чердаках или деревьях в сумерках и охотятся за насекомыми. Благодаря эхолокации летучие мыши заняли очень выгодную позицию: они охотятся ночью, когда много насекомых, меньше конкуренции за еду и меньше видов, которые могут охотиться на самих летучих мышей.
Летучие мыши генерируют ультразвук через гортань и излучают звук через открытый рот или, что гораздо реже, нос. Они испускают звук в диапазоне от 14 000 до более 100 000 Гц, в основном за пределами человеческого уха (типичный диапазон слуха человека - от 20 Гц до 20 000 Гц). Летучие мыши могут оценить перемещение целей путем интерпретации картин, вызванных отражением эхо-сигналов от специального лоскута кожи во внешнем ухе.
Отдельные виды летучих мышей используют эхолокацию в определенных диапазонах частот, которые соответствуют их условиям жизни и типам добычи. Это иногда использовалось исследователями для определения вида летучих мышей, населяющих этот район. Они просто записывали их сигналы с помощью ультразвуковых регистраторов, известных как детекторы летучих мышей. В последние годы исследователи из нескольких стран разработали библиотеки сигналов летучих мышей, которые содержат записи местных видов.
Морские животные
Биосонар ценен для подотряда зубатых китов, который включает в себя дельфинов, касаток и кашалотов. Они живут в подводной среде обитания, которая обладает благоприятными акустическими характеристиками, и где видение чрезвычайно ограничено из-за мутности воды.
Наиболее значимых первых результатов в описании эхолокации дельфинов добились Уильям Шевилл и его жена Барбара Лоренс-Шевилл. Они занимались кормлением дельфинов и однажды заметили, что те безошибочно находят кусочки рыбы, которые бесшумно опускались в воду. За этим открытием последовал ряд других экспериментов. На данный момент установлено, что дельфины используют частоты в диапазоне от 150 до 150 000 Гц.
Эхолокация синих китов изучена намного меньше. Пока что только строятся предположения, что «песни» китов - это способ навигации и связи с сородичами. Эти знания используются для подсчета популяции и для слежения за миграциями этих морских животных.
Грызуны
Понятно, что такое эхолокация у морских животных и летучих мышей, и для чего она им нужна. Но зачем это грызунам? Единственными наземными млекопитающими, способными к эхолокации, являются два рода землероек, тейреки с Мадагаскара, крысы и щелезубы. Они испускают серию ультразвуковых скрипов. Они не содержат эхолокационных откликов с реверберациями и, по-видимому, используются для простой пространственной ориентации на близком расстоянии. В отличие от летучих мышей, землеройки используют эхолокацию только для изучения мест обитания добычи, а не для охоты. За исключением больших и, таким образом, сильно отражающих объектов (к примеру, большой камень или ствол дерева), они, вероятно, не способны распутывать эхо-сцены.
Самые талантливые эхолокаторы
Кроме перечисленных животных, есть и другие, способные заниматься эхолокацией. Это некоторые виды птиц и тюленей, но самые изощренные эхолокаторы - это рыбы и миноги. Раньше учёные считали летучих мышей самыми способными, но в последние десятилетия выяснилось, что это не так. Воздушная среда не располагает к эхолокации - в отличие от водной, в которой звук расходится в пять раз быстрее. Эхолокатором рыб является орган боковой линии, который воспринимает вибрации окружающей среды. Используется как для навигации, так и для охоты. У некоторых видов есть ещё и электрорецепторы, которые улавливают электрические колебания. Что такое эхолокация для рыб? Часто это синоним выживания. Она объясняет, как ослепшие рыбы могли доживать до почтенного возраста - им и не нужно было зрение.
Эхолокация у животных помогла объяснить схожие способности у слабовидящих и незрячих людей. Они ориентируются в пространстве с помощью издаваемых ними щелкающих звуков. Ученые говорят, что такие короткие звуки издают волны, которые можно сравнить со светом карманного фонарика. На данный момент слишком мало данных для разработки этого направления, поскольку способные эхолокаторы среди людей - большая редкость.
Загрузка...