Ученых давно интересовал такой вопрос: как летучие мыши ухитряются расслышать сравнительно негромкое эхо в том оглушительном ультразвуковом сигнале, который сами же излучают? Как им удается не оглохнуть?
Поиском ответа на этот вопрос занялся доктор О. Хенсон — анатом Уэльского университета. Ему удалось доказать правоту своего предположения, высказанного лет сорок назад. Оказалось, что у летучих мышей есть мышцы, закрывающие уши в момент излучения разведывательных ультразвуковых криков. Точно такое же устройство имеется в радиолокаторе. Когда его передатчик излучает импульс огромной мощности, приемник надежно заперт электронным устройством.
В первых радиолокаторах «рот» и «уши» — передающая и приемная антенны — помещались вдали друг от друга. Но так как передатчик и приемник все равно не могут работать одновременно, то такое разделение оказалось бесполезным. Теперь одна и та же антенна поочередно обслуживает то передатчик, то приемник.
Время, которое потратит радиосигнал на путешествие до цели и обратно, измеряет прибор, который называется индикатором радиолокационного изображения. Внешне он похож на обычный школьный осциллограф. По его экрану то и дело слева направо пробегает зеленый «зайчик», оставляя в виде следа светящуюся прямую линию.
В момент посылки станцией радиосигнала световой луч получает боковой толчок. От этого толчка светящаяся линия на экране подскакивает, образуя зигзаг. Такой же толчок получит луч в момент возвращения радиоэха. Светящаяся линия опять подскочит, образуя новый зигзаг. Расстояние между двумя зигзагами на линии, прочерченной электронным лучом, дает возможность определить расстояние до вражеского корабля или самолета. При этом никаких сложных вычислений делать не приходится. На экран заранее накладывается шкала с километровыми отметками.
Теперь грузовой или пассажирский пароход идет в туманной мгле или ночью так же уверенно, как и в ясный солнечный день. Радиолокатор заранее предупреждает капитана о приближении встречного судна или айсберга, в тумане пересекающего путь кораблю. Штурман больше не сетует на облака, скрывающие от него солнце и звезды, мешающие ориентироваться. Он так же уверенно чувствует себя при отсутствии видимости, как и летучая мышь ночью.
Для кибернетики и летучая мышь, и радиолокационная станция — это машины. А объединяет их тот обратный сигнал, который в том и в другом случае несет информацию о расстоянии до препятствия.
Эхолокатор
Всем удобен эхолокатор «Редут-0001», но вот беда — слишком мал радиус действия. Уметь определять препятствия на расстоянии до одного метра часто оказывается недостаточным.
Хорошо установить звуковой локатор на катер и отправиться с товарищами в длительное путешествие. Никакой туман не страшен, и можно уверенно плыть в темноте. Но для этого нужно, чтобы прибор определял дистанцию до препятствия на расстоянии 4—5 м так же уверенно, как и на одном метре.
На рисунке (см. приложения) в самом верху приведена временная диаграмма импульсных посылок летучей мыши. Там же дана формула, связывающая частоту посылок с расстоянием до препятствия.
В справедливости формулы можно убедиться, сравнивая экспериментальные данные, полученные американским ученым Дональдом Гриффином, с расчетными. Зоолог был далек от рассмотрения летучей мыши как машины с обратной связью и потому допустил неточность. Отсутствие кибернетического подхода при рассмотрении механизма работы живого локатора не дало ему возможности усмотреть имеющуюся закономерность. А то, что такая связь существует, видно из таблицы. Для расстояний 1,5 и 4 м экспериментальные и расчетные данные почти сходятся (см. приложения, таблица 1).
Человеку есть чему поучиться у летучей мыши
Пещеры служат убежищем иногда для нескольких тысяч и даже миллионов летучих мышей. Известно, что в Бракенской пещере, расположенной на юге США, обитает свыше 20 миллионов летучих мышей.
Каждый вечер это огромное количество зверьков покидает свое убежище, чтобы снова вернуться в него утром. При этом мыши, как правило, не сталкиваются и не мешают друг другу. Можно только удивляться совершенству их приемного аппарата, как при такой сложной звуковой какофонии каждая мышь безошибочно выделяет и принимает эхо именно принадлежащего ей сигнала.
Сейчас, когда в эфире работает столько радиостанций, порой мешающих друг другу, отличные «мышиные» принципы селекции собственных звуков привлекают внимание радиофизиков и инженеров.
Принцип действия модели звукового локатора
Создавая модель звукового локатора, мы также воспользовались решениями, используемыми летучей мышью. Блок-схема аппаратуры, данная на рисунке (см. приложения, рисунок 10), поможет разобраться в ее работе.
Всего в аппаратуре четыре «черных ящика», плюс громкоговоритель, микрофон и частотомер со стрелочным прибором. Назначение усилителей не требует пояснений — они усиливают сигнал. Звуковой генератор — это прибор, вырабатывающий сигнал определенной частоты. В разбираемой схеме частота равна 5000 Гц. Детектор выделяет из звукового импульса его огибающую. Частотомер измеряет частоту сигнала. По показаниям стрелочного прибора можно определять расстояние до препятствия, поскольку оно однозначно связано с частотой генерации.
Работает схема так. Сразу же после включения аппаратуры начинает действовать звуковой генератор. Но мощность его выходного сигнала, к сожалению, невелика.
Поэтому между звуковым генератором и громкоговорителем поставлен усилитель мощности. В результате громкоговоритель будет издавать довольно громкий звук с частотою 5000 Гц.
По прошествии некоторого времени эхо от посланного сигнала попадет на микрофон. Далее оно усилится усилителем сигнала и поступит на детектор. Как только на выходе детектора появится сигнал огибающей, он тут же заставит замолчать звуковой генератор. Так специально устроена схема. Пока на выходе детектора имеется какое-то напряжение, звуковой генератор не работает. Значит, работал генератор ровно столько, сколько времени потребовалось, чтобы сигнал от громкоговорителя дошел до микрофона. Столько же времени после этого громкоговоритель будет молчать.
Рассмотренный цикл, состоящий из звукового импульса и паузы, будет повторяться через каждые Т с. В результате схема будет генерировать звуковые посылки с частотой :
Остается измерить частоту генерации и перевести ее в расстояние до препятствия. Эту задачу решает частотомер. Расстояние до препятствия равно:
где с — скорость звука в метрах за секунду, f — частота генерации в герцах.
Вот так работает мой звуковой локатор. Примерно так же работает и локатор летучей мыши.
Как и большинство кибернетических конструкций, описываемых в книге, модель звукового локатора разбита на самостоятельные платы. Всего плат три: плата усилителя сигнала, плата усилителя мощности и плата звукового генератора совместно с детектором. Начинать нужно с их изготовления и наладки. Тогда сборка всей аппаратуры не займет у вас много времени и локатор непременно сразу же заработает. При такой последовательности в работе вы не только глубже поймете функционирование каждого «черного ящика», но и сможете внести усовершенствования в блок-схему. Схема частотомера настолько проста, что монтируется она вся на небольшой панельке, укрепленной сзади стрелочного прибора.
Усилитель сигнала
Электрическая схема дана на рисунке 11 (см. приложения). Это трехкаскадный усилитель с коэффициентом усиления около 1000. Он одинаково хорошо усиливает переменное напряжение звуковой частоты в пределах от 100 Гц до 10 кГц. В радиоэлектронике в таком случае говорят, что усилитель имеет линейную частотную характеристику в пределах от 100 Гц до 10 кГц.
Схема усилителя интересна для нас еще тем, что она имеет четыре отрицательных обратных связи. На три каскада — четыре обратных связи! Не слишком ли много?
Поскольку все обратные связи отрицательные, то от усилителя можно ожидать стабильной работы. Как бы ни менялись внешние условия, включая температуру и питающее напряжение или параметры отдельных деталей, его основные характеристики будут оставаться неизменными. Это прежде всего относится к коэффициенту усиления.
Отрицательная обратная связь всячески старается свести к нулю любое первоначальное возбуждение схемы и тем самым стабилизирует ее работу. Другое дело положительная обратная связь. Достаточно незначительного отклонения от состояния равновесия, как оно будет все возрастать и возрастать, пока система не придет в другое, новое для нее состояние.
Чтобы пояснить стабилизирующее действие отрицательной обратной связи и дестабилизирующее действие положительной обратной связи, на рисунке 12 (см. приложения) приведены два примера из механики. Левый рисунок эквивалентен устойчивой системе, охваченной отрицательной обратной связью. Если по каким-либо причинам шарик отклонится от состояния равновесия, то после нескольких покачиваний он обязательно все же снова его займет. Что касается правого рисунка, то без пояснения понятно, что в этом случае положение шарика крайне неустойчиво. Он обязательно скатится вправо или влево. Этот случай эквивалентен поведению схемы с положительной обратной связью.
К примерам с шариками мы еще не раз вернемся. Более наглядно, пожалуй, и не расскажешь, что такое устойчивая система и как ведет себя неустойчивая система.
Под рисунками с шариком даны четыре электрические схемы. Три из них — различные усилители с отрицательной обратной связью. Четвертая схема представляет генератор звуковых частот. Эта схема охвачена положительной обратной связью.
Рассмотрение начнем со схемы «а». Это обычный однокаскадный усилитель с обратной связью в цепи эмиттера. Один такой каскад обеспечивает усиление сигнала в 50 — 100 раз.
Для чего понадобилось усложнять схему и включать резистор Rэ, а параллельно ему еще конденсатор Сэ?
Больше всего неприятностей при работе транзистора доставляет зависимость обратного тока коллектора Iк.о. от температуры. При повышении температуры обратный ток транзистора увеличивается примерно в два раза на каждые 10°С. Если, например, при температуре 20°С ток 1К.0 составляет 5 мкА, то при повышении температуры до 50° С он возрастет примерно до 40 мкА. Само по себе такое изменение тока коллектора (всего на 35 мкА) в большинстве случаев было бы не страшно. Но имеется одно «но», которое портит все дело. При включении транзистора в схему «а» в цепи коллектора, помимо тока, равного 10-Д будет протекать так называемый сквозной ток I’к.о.:
I’к.о.= Iк.о·(b+1),
где b — коэффициент усиления транзистора, а Iб — ток базы, определяемый резистором R6.
Из формулы следует, что увеличение тока Iк.о на величину DIк.о =35 мкА будет соответствовать, например при b = 49, увеличению тока коллектора на величину:
