Звуковой локатор
МОУ «Средняя общеобразовательная школа №45»
Курсовая работа
Звуковой локатор.
Проверила: Стародубцева Е. А.
Выполнил: ученик 11 «б» класса
Ковалёв Дмитрий Васильевич
Кемерово.
2008 г.
Содержание
Введение
Кто они, летучие мыши
История открытия эхолокации
Использование локации в технике
Эхолокатор
Человеку есть чему поучиться у летучей мыши
Принцип действия модели звукового локатора
Усилитель сигнала
Усилитель мощности
Звуковой генератор и детектор
Частотомер
Сборка звукового локатора
Литература
Введение
Под словом «локация» понимается определение местоположения предметов, измерение их координат и параметров движения. В живой природе используются разнообразные формы и способы локации. Человек и большинство животных определяют местоположение окружающих предметов благодаря органам чувств, в основном зрению и слуху. 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 рецепторными приборами, способными улавливать инфракрасные лучи, а своеобразные органы — «термолокаторы» гремучих змей служат для поисков добычи (они воспринимают тепловое излучение живых существ и реагируют на разность температур в тысячную долю градуса).
Приведенные примеры, несмотря на их разнообразие, представляют собой различные варианты так называемой пассивной локации, когда исследуемые животные обнаруживают какие-либо объекты только путем приема той энергии, которую непосредственно излучают или переизлучают сами. Сравнительно недавно казалось, что возможности живой природы ограничиваются лишь средствами пассивной локации, т. е. более или менее чувствительными органами дистантного обнаружения.
В самом начале XX в. человечество создало принципиально новый, активный способ локации; при котором невидимую прежде цель облучают потоком электромагнитной или ультразвуковой энергии и обнаруживают с помощью той же энергии, но уже отраженной от цели. Радио- и гидролокационные станции (приборы активной локации) пришли на смену различного рода «слухачам» (приборам пассивного обнаружения) и в настоящее время получили широкое распространение при решении народно-хозяйственных, военных и космических проблем.
Области применения в технике радио- и акустической локации различны, ибо различны степень ослабления применяемых видов колебаний при распространении в неоднородных средах и скорость распространения электромагнитных и звуковых волн. Известно, что радиоволны в водной среде очень быстро затухают, тогда как звуковые волны распространяются на большие расстояния, и, наоборот, в воздухе звуковые колебания ослабляются во много раз сильнее, чем электромагнитные. Для обнаружения объекта в атмосфере и за ее пределами применяют радиолокаторы, так как скорость распространения радиоволн 300000 км/с, а скорость распространения звука в воздухе — лишь 340 м/с. Акустическая локация воздушных и особенно космических целей часто невозможна, ибо их собственная скорость может во много раз превосходить скорость звука. Акустическая локация или гидролокация стала основным средством обнаружения подводных объектов (скорость распространения звука в воде — 1550 м/с).
Принципы радиолокации, несомненно, подсказали биологам путь к решению одной из старых загадок природы, которая на протяжении длительною времени не поддавалась научному объяснению. Эту загадку поставили перед учеными обыкновенные летучие мыши. Что же это за животные и почему, они будоражили ученый мир на протяжении 150 лет? Попробуем в этом разобраться.
Кто они, летучие мыши
С давних пор совершенно необоснованно летучие мыши (см. приложения, рисунки 2, 3, 4) пользуются дурной славой. «Вопрос о летучих мышах есть вопрос другого света, вопрос, который пахнет ересью... Все покрыто тайной, обманом и мраком в этих двусмысленных существах, представляющих собой высшую степень противоестественности, мерзости и фантастичности. Летучая мышь - это химера, чудовищное невозможное существо, символ грез, кошмаров, призраков больного воображения. Всеобщая неправильность и чудовищность, замеченная в организме летучей мыши, безобразные аномалии в устройстве чувств, допускающие гадкому животному слышать носом и видеть ушами, все это как будто нарочно приноровлено к тому, чтобы летучая мышь была символом душевного расстройства и безумия». Так описывал летучих мышей французский натуралист А. Туссенель в 70-х годах прошлого столетия, выражая тем самым широко распространенное мнение об этих ночных безобидных животных. И даже в наше время, когда летучая мышь полностью «реабилитирована» и раскрыта ее тайна ориентации в темноте, все же для многих встреча с ней оставляет неприятное ощущение, и летучие мыши продолжают подвергаться бессмысленному гонению и даже уничтожению.
История открытия эхолокации
Хоть и велик человек, но не бесконечна его жизнь. Перед ним необъятная ширь пространства и необозримая глубь времени. Обо всем хочется узнать. Но вот беда — слишком быстро бегут годы.
Много ли человек может пройти, измерить своими маленькими шагами? И много ли он может сделать за те считанные дни, которые живет на земле? Но он не один, и в этом его сила.
Ладзаро Спалланцани (см. приложения, рисунок 1.) спешил. Ему уже было за шестьдесят. Годы давали о себе знать. Несколько лет выдающийся итальянский натуралист, профессор университета в Павии, занимался летучими мышами. Эти небольшие животные охотятся почти исключительно ночью, часто настигая добычу сверху или в лесных зарослях. Ясно, что визуальное обнаружение насекомых в таких условиях невозможно. Но тогда как же «видят» летучие мыши, как они находят дорогу в темноте? Вот вопрос, который мучил ученого.
Шел 1793 год. Только что кончилось время «высоких» и отвлеченных умозрительных рассуждений, наука приступала к экспериментальной проверке всего того, что окружало человека.
Ранним летним утром на колокольню собора города Павии поднялся старый человек. Это был Спалланцани. Сумрак только что начинал рассеиваться, и летучие мыши, возвращаясь из ночных полетов, прятались по разным закоулкам под сводами старой башни. Ученый ловил летучих мышей и сажал в мешок. Потом, нагруженный тяжелой ношей, он спустился с колокольни и пошел домой.
Дома Спалланцани выпустил пойманных зверьков в большом зале. Он решил вплотную заняться секретом ночных полетов летучих мышей. Только эксперимент мог дать ответ на этот вопрос. От потолка к полу были натянуты тонкие нити, они опутали всю комнату. Выпуская мышь из мешка, экспериментатор заклеивал ей глаза воском. И вот по старому залу заметались крылатые тени.
Но ни одна слепая летучая мышь не задела за нитку! Ни одна! Словно глаза им были и не нужны, чтобы видеть.
Не удовлетворившись опытами, в которых летучие мыши продолжали спокойно порхать с заклеенными глазами, Спалланцани решил продолжить начатый эксперимент, изменив несколько условия. Он выпустил на волю несколько зверьков, лишенных зрения, и через четыре дня снова отправился на колокольню собора.
В этот раз ученый снова наловил целый мешок летучих мышей. Среди них были и слепые мыши. В их желудках было полно комаров. Поймать в темноте насекомое—задача более сложная, чем пролететь между двумя натянутыми нитями. Значит, чтобы охотиться, этим зверькам совсем не нужны глаза. Спалланцани решил, что летучие мыши наделены каким-то особым, неведомым нам шестым чувством, которое и помогает им ориентироваться в полете.
Еще на целом ряде опытов ученый убедился, что мыши великолепно обходятся без зрения, но зато всякое повреждение слуха для них губительно.
В чем дело? Не могут же они видеть ушами?
Так зародилось сомнение. Чтобы все это объяснить, нужны были новые эксперименты. Для этого были изготовлены крошечные медные трубочки, полые внутри, которые вставлялись в уши летучих мышей. Но они по-прежнему спокойно летали, свободно и уверенно лавируя между десятками тонких нитей, натянутых в комнате. Зато стоило заткнуть трубочки пробками, как мыши бессильно падали, натыкаясь на все подряд.
Но как слух заменял им зрение? На этот вопрос никто не мог ответить. Мыши летали беззвучно, а стены и натянутые нити звуков не издавали, поэтому отличную ориентацию мышей вовсе нельзя было объяснить обостренным чувством слуха. Тогда как же видели летучие мыши? Этого Спалланцани так и не узнал. Его открытия в те годы были отвергнуты, высмеяны, а потом и забыты. Осталось только название «спалланцаниева проблема».
В середине прошлого столетия решением этой проблемы ученые заинтересовались одновременно в разных странах.
Любопытно, что первый, кто ею занялся, был не зоолог, а инженер — американский изобретатель Хайрем Максим. В годы гражданской войны его фамилией называли станковый пулемет, который он изобрел. Установленный на тачанке «максимка» был грозным оружием против белогвардейцев.
Плодовитый изобретатель, пытавшийся, между прочим, в свое время построить самолет с паровым двигателем, заинтересовался навигационным методом летучих мышей. Он предположил, что мыши издают звуки, неслышимые для человеческого уха, и ориентируются по возвратившемуся эху. На основании собственной биологической гипотезы Максим предложил новый прибор — эхолокатор, который должен был предотвращать в тумане столкновения судов с айсбергами.
Верная в принципе догадка была все же неточна. Ее автор считал, что первичным сигналом у мышей является звук от взмахов их крыльев. Поэтому он рекомендовал оборудовать суда источником звука очень низкой частоты, порядка 15 Гц. Приемник низкочастотных сигналов предполагалось установить в носовой части корабля. Слабое эхо, по замыслу изобретателя, должно было приводить в действие маленький колокольчик, а сильное — большой гонг, чтобы команда могла судить о серьезности опасности.
Новая идея навигации не привела ни к каким практическим результатам. Ошибка Максима была в том, что он неправильно определил частоту звукового сигнала, на который работал его прибор. Летучие мыши действительно пользуются в полете звуком, но не низких, а очень высоких частот— ультразвуком.
Другой ученый, голландец Свен Дийграаф, заметил, что летучая мышь прежде, чем пуститься в полет, раскрывает рот. Очевидно, предположил ученый, она издает неслышимые для человека звуки и «ощупывает» ими окрестности. В полете летучие мыши тоже то и дело раскрывают рот, даже когда не охотятся за насекомыми.
