Ультразвук в природі і техніці презентація. Ультразвук, його властивості та застосування. Дослідження внутрішніх органів

Звук - це фізичний процес поширення пружних хвиль в середовищі, з одного боку, а з іншого - це психофізіологічний процес, пов'язаний з першим процесом.

У фізиці звуком називають будь-які пружні хвилі, при цьому хвилі, частота яких менше 16 Гц називаються інфразвуковими, а хвилі з частотами більшими 20 кГц називаються ультразвуковими. Ультразвукові хвилі з частотами вище $ (10) ^ 9Гц $ називають гіперзвуковими.

ультразвук

Ультразвукова хвиля складається з чергувань згустків і ділянок розрядження часток середовища. Ультразвукова хвиля поширюється зі швидкістю, яка залежить від властивостей речовини і його температури. Швидкість звукової хвилі в повітрі при температурі 200 ° С дорівнює приблизно 343,1 $ \\ frac (м) (с) $.

Так як довжина хвилі ($ \\ lambda $) залежить від частоти, з ростом частоти довжина хвилі зменшується, отже, довжина ультразвукової хвилі багато менше, ніж довжина хвилі звуку, який чує людина.

Випромінювачі і приймачі ультразвуку

Ультразвуком називаються механічні хвилі, частота яких більше 2 $ \\ cdot (10) ^ 4 $ Гц. Верхня межа частоти ультразвуку визначають відстані між молекулами, отже, залежить від агрегатного стану середовища, в якій він поширюється. Ультразвук може виникати як в результаті природних процесів, так і генеруватися штучно.

До природних джерел ультразвуку можна віднести тварин, які його видають. Тварини генерують і сприймають ультразвук за допомогою спеціальних рецепторних апаратів. Ультразвук допомагає їм орієнтуватися в просторі. Ультразвукові коливання, що створюються тваринами, відбиваються від предметів і сприймаються спеціалізованими органами слуху як перешкоди на шляху. Видавати ультразвуки можуть так само, наприклад, коники, цвіркуни, дельфіни. Слуховий апарат деяких комах, птахів і тварин здатний сприймати більш широкий діапазон коливань звуку, ніж у людини.

Так верхня межа звукових частот сприймаються:

жабами становить $ \\ nu \u003d 3 \\ cdot (10) ^ 4Гц $;
собаками $ \\ \\ nu \u003d 6 \\ cdot (10) ^ 4Гц $;
кішками $ \\ nu \u003d (10) ^ 5Гц $;
кониками $ \\ nu \u003d (10) ^ 5Гц $;
кажанами $ \\ nu \u003d 1,5 \\ cdot (10) ^ 5Гц $;
метеликами $ \\ nu \u003d 1,6 \\ cdot (10) ^ 5Гц $;
дельфінами $ \\ nu \u003d 2 \\ cdot (10) ^ 5Гц $;
чайками $ \\ nu \u003d 8 \\ cdot (10) ^ 3Гц. $

Генерувати ультразвук може і нежива природа. Він виникає при вітрі, ультразвукові частоти є в шумі водоспаду і звуках моря.

Технічні пристрої при своїй роботі здатні видавати ультразвук, наприклад, деякі двигуни й верстати.

Ультразвук отримують цілеспрямовано за допомогою генераторів ультразвуку. Для того щоб реєструвати і аналізувати ультразвук використовують п'єзоелектричні або магнітострикційні датчики.

Біологічні наслідки впливу хвиль ультразвуку

Біологічні ефекти, які здатні викликати ультразвукові хвилі залежать від інтенсивності, частоти і тривалості впливу. Якщо ультразвукові хвилі мають низьку інтенсивність і ними опромінюють біологічний об'єкт, то виникає мікровібрація на рівні клітини. При цьому активізуються транспортні процеси, поліпшуються процеси обміну в тканинах, досягається позитивний ефект. При збільшенні інтенсивності ультразвукове тиск може вести до пошкодження молекул. При тривалому впливі ультразвуку, наприклад, на виробництві у людини виникає підвищена стомлюваність, сонливість, може наступити розлад нервової системи.

інфразвук

Інфразвуком називають пружні механічні хвилі, що мають частоти нижче частот чутного людиною звуку. Верхня межа інфразвукових хвиль 16-25 Гц, верхня межа не визначена.

Інфразвук мало поглинається в різних речовинах, тому ці хвилі здатні поширюватися на великі відстані.

джерела інфразвуку

Інфразвук мається на шумі атмосфери, дерев в лісі і води в море. У корі Землі можна детектувати інфразвукові частоти від різних джерел, наприклад, обвалів, вибухів, роботи транспорту.

Так званий «голос моря» - це хвилі інфразвуку, які з'являються над морською поверхнею, як результат утворення вихорів за гребенями хвиль при сильному вітрі. Так як інфразвук мало поглинається, то «голос моря» може поширюватися на великі відстані і досить великою швидкістю. Це властивість інфразвуку служить для передбачення шторму. Деякі живі організми здатні сприймати інфразвук. Так медузи мають «інфа вуха», які чують інфразвук, який має частоту 8-13 Гц. Якщо шторм знаходиться ще за сотні кілометрів від берега і наблизиться до нього майже через добу, то медузи його вже чують і йдуть в глибину вод.

Джерелом інфразвуку є: урагани, бурі і деякі види землетрусів. Деякі тварини використовують інфразвук при полюванні, так вважають, що тигр може видавати рев, який має частоту 18 Гц. Слони застосовують інфразвук для комунікацій.

Людина не чує інфразвук, але ці хвилі здатні викликати у нього занепокоєння, страх. Інфразвук може викликати у людини агресію.

Деякі музичні інструменти дозволяють генерувати інфразвуки. Деякі музичні твори, що складаються з переривчастих пульсацій, можуть викликати біопсихічних реакцію організму людини, яка може вплинути на функції органів людини.

Механізми, які працюють з частотами меншими 20 $ \\ frac (про) (с), $ генерують інфразвук. Якщо автомобіль переміщається зі швидкістю понад 100 $ \\ frac (км) (ч) $, то він джерело інфразвуку, що з'являється за рахунок відриву потоку повітря з його поверхні.

Дія хвиль інфразвуку

Багато процесів, які відбуваються в організмі людини, знаходяться в діапазоні частот відповідному частоті інфразвуку, так:

людське серце скорочується з частотою 1-2 Гц;
дельта - ритм мозку становить 0,5-3,5 Гц;
альфа ритм мозку - 8-13 Гц.

Якщо коливання інфразвуковий хвилі збігається з коливаннями органів людини, то внаслідок резонансу, можна отримати травму резонуючого органу. Від 8 до 15 Гц - це власна частота коливань людського тіла. Можна сказати, що будь-який рух кожного м'яза створює загасаючу мікро судому тіла з цією частотою. Якщо на тіло людини впливати інфразвуком і потрапити в резонанс, амплітуда мікро судом збільшиться в десятки разів.

При частоті інфразвуку 7-13 Гц (частота землетрусів і тайфунів, виверження вулканів) тварини намагаються покинути вогнище стихійного лиха.

Найнебезпечнішим вважають інфразвук з частотами 6-9 Гц. Частота інфразвуку 7 Гц відповідає коливанням мозку в стані спокою, при такому звуці психотропний ефект максимальний, будь-яка розумова навантаження неможлива, голова розривається. В середині XX століття експериментально встановили, що при частоті інфразвуку 6 Гц людина відчуває втому, потім занепокоєння, яке переходить в жах. При 7 Гц можливе настання паралічу серця і нервової системи.

Приклади завдань з рішенням

приклад 1

Завдання. Летюча миша видає ультразвук з частотою $ (\\ nu) _0, $ рухаючись в напрямку нерухомого резонатора, який налаштований на частоту $ (\\ nu) _r \\ (рис.1) $. З якою швидкістю рухалася миша, якщо створені їй звукові хвилі викликали коливання резонатора? Температура повітря $ T, \\ $ молярна маса $ \\ Mu $, коефіцієнт Пуассона - $ \\ gamma $.

Рішення. Відповідно до ефекту Доплера частота звуку, який буде сприймати резонатор, дорівнює:

\\ [\\ Nu \u003d \\ frac (v "+ u) (v" -v) (\\ nu) _0 \\ left (1.1 \\ right), \\]

де $ (\\ nu) _0 $ - частота звуку, який видає миша; $ V "$ - швидкість звуку в речовині (в повітрі). Так як резонатор нерухомий, то вираз (1.1) перетворимо до виду:

\\ [\\ Nu \u003d \\ frac (v ") (v" -v) (\\ nu) _0 \\ left (1.2 \\ right), \\]

З формули (1.2) отримаємо швидкість польоту миші:

Швидкість звуку знайдемо, як:

Для того щоб хвилі, які приходять до резонатора викликали його коливання їх частота повинна збігатися з власною частотою резонатора:

\\ [\\ Nu \u003d (\\ nu) _r \\ left (1.5 \\ right). \\]

З огляду на (1.4) і (1.5) вираз (1.3) перетворимо до виду:

Відповідь. $ V \u003d \\ sqrt (\\ frac (\\ gamma RT) (\\ mu)) \\ left (1 \\ frac ((\\ nu) _0) ((\\ nu) _r) \\ right) \\ \\ frac (м) (з ) $

приклад 2

Завдання. Чому для комунікації дельфіни застосовують ультразвуки з частотою порядку 10-400 Гц, а для звукової локації використовують частоти 750 - $ 3 \\ cdot (10) ^ 5Гц $?

Рішення. Для того щоб отримати більшу точність розташування оточуючих об'єктів слід застосовувати хвилі, що мають великі частоти (невеликі довжини), так як якщо розміри предметів більше довжини хвилі, то виходить дзеркальне відображення хвилі. З метою здійснення комунікації доцільніше використовувати довгі хвилі (низькі частоти), які слабо загасають при подоланні істотних відстаней.

C розвитком акустики в кінці XIX століття був виявлений ультразвук, тоді ж почалися перші дослідження ультразвуку, але основи його застосування були закладені тільки в першій третині XX-століття.

Ультразвук і його властивості

У природі ультразвук зустрічається в якості компонента багатьох природних шумів: в шумі вітру, водоспаду, дощу, морської гальки, перекочується прибоєм, в грозових розрядах. Багато ссавці, наприклад кішки і собаки, мають здатність сприйняття ультразвуку частотою до 100 кГц, а локаційні здатності кажанів, нічних комах і морських тварин всім добре відомі.

ультразвук- механічні коливання, що знаходяться вище області частот, чутних людським вухом (зазвичай 20 кГц). Ультразвукові коливання переміщаються в формі хвилі, подібно поширенню світла. Однак на відміну від світлових хвиль, які можуть поширюватися в вакуумі, ультразвук вимагає пружну середу таку як газ, рідина або тверде тіло.

Основними параметрами хвилі є довжина хвилі, частота і період. Ультразвукові хвилі за своєю природою не відрізняються від хвиль чутного діапазону і підкоряються тим же фізичним законам. Але, у ультразвуку є специфічні особливості, які визначили його широке застосування в науці і техніці. Ось основні з них:

1. Мала довжина хвилі. Для найнижчого ультразвукового діапазону довжина хвилі не перевищує в більшості середовищ декількох сантиметрів. Мала довжина хвилі обумовлює променевої характер поширення УЗ хвиль. Поблизу випромінювача ультразвук поширюється у вигляді пучків за розміром близьких до розміру випромінювача. Потрапляючи на неоднорідності в середовищі, ультразвуковий пучок поводиться як світловий промінь, відчуваючи відображення, заломлення, розсіювання, що дозволяє формувати звукові зображення в оптично непрозорих середовищах, використовуючи чисто оптичні ефекти (фокусування, дифракцію і ін.).
2. Малий період коливань, що дозволяє випромінювати ультразвук у вигляді імпульсів і здійснювати в середовищі точну тимчасову селекцію розповсюджуються сигналів.

Можливість отримання високих значень енергії коливань при малій амплітуді, тому що енергія коливань пропорційна квадрату частоти. Це дозволяє створювати УЗ пучки і поля з високим рівнем енергії, не вимагаючи при цьому великогабаритної апаратури.

В ультразвуковому полі розвиваються значні акустичні течії. Тому вплив ультразвуку на середу породжує специфічні ефекти: фізичні, хімічні, біологічні та медичні. Такі як кавітація, звукокапілярний ефект, диспергування, емульгування, дегазація, знезараження, локальний нагрів і багато інших.

потреби морського флоту провідних держав - Англії і Франції, для дослідження морських глибин, Викликали інтерес багатьох вчених в області акустики, тому що це єдиний вид сигналу, здатний далеко поширюватися в воді. Так в 1826 році французький учений Колладон визначив швидкість звуку у воді. У 1838 році, в США, звук вперше застосували для визначення профілю морського дна з метою прокладки телеграфного кабелю. Результати досвіду виявилися невтішними. Звук дзвони, давав дуже слабке відлуння, майже не чутне серед інших звуків моря. Треба було йти в область більш високих частот, що дозволяють створювати спрямовані звукові пучки.

Перший генератор ультразвуку зробив в 1883 році англієць Френсіс Гальтон. Ультразвук створювався подібно свисту на вістрі ножа, якщо на нього дути. Роль такого вістря в свистку Гальтона грав циліндр з гострими краями. Повітря або інший газ, що виходить під тиском через кільцеве сопло, діаметром таким же, як і кромка циліндра, набігав на кромку, і виникали високочастотні коливання. Продуваючи свисток воднем, вдалося отримати коливання до 170 кГц.

У 1880 році П'єр і Жак Кюрі зробили вирішальний для ультразвукової техніки відкриття. Брати Кюрі помітили, що при чиненні тиску на кристали кварцу генерується електричний заряд, прямо пропорційний прикладається до кристалу силі. Це явище було названо "п'єзоелектрику" від грецького слова, що означає "натиснути". Крім того, вони продемонстрували зворотний п'єзоелектричний ефект, який проявлявся тоді, коли швидко змінюється електричний потенціал застосовувався до кристалу, викликаючи його вібрацію. Відтепер з'явилася технічна можливість виготовлення малогабаритних випромінювачів і приймачів ультразвуку.

Загибель «Титаніка» від зіткнення з айсбергом, необхідність боротьби з новою зброєю - підводними човнами вимагали швидкого розвитку ультразвукової гідроакустики. У 1914 році, французький фізик Поль Ланжевен спільно з талановитим російським ученим-емігрантом - Костянтином Васильовичем Шиловським вперше розробили гідролокатор, що складається з випромінювача ультразвуку і гідрофону - приймача УЗ коливань, заснований на п'єзоефекті. гідролокатор Ланжевена - Шиловського, був першим ультразвуковим пристроєм, Що застосовувався на практиці. Тоді ж російський вчений С.Я.Соколов розробив основи ультразвукової дефектоскопії в промисловості. У 1937 році німецький лікар-психіатр Карл Дуссік, разом з братом Фрідріхом, фізиком, вперше застосували ультразвук для виявлення пухлин головного мозку, але результати, отримані ними, виявилися недостовірними. У медичній практиці ультразвук вперше почали застосовувати тільки з 50-х років XX-го століття в США.

Вступ

2. Ехопеленг

3. Типи природних сонаров

4. Дотик допомагає кажанам уникати перешкоди

5. Летючі мишіорибалки

6. І кажани помиляються

7. Крики в безодні

8. Радар водяного слона

висновок

література

Вступ

Відкриття ехолокації пов'язано з ім'ям італійського натураліста Лазаро Спалланцани. Він звернув увагу на те, що кажани вільно літають в абсолютно темній кімнаті (де виявляються безпорадними навіть сови), не зачіпаючи предметів. У своєму досвіді він засліпив кілька тварин, однак і після цього вони літали нарівні зі зрячими. Колега Спалланцани Ж. Жюріна провів інший досвід, в якому заліпив воском вуха кажанів, - звірята натикалися на всі предмети. Звідси вчені зробили висновок, що кажани орієнтуються по слуху. Однак ця ідея була висміяна сучасниками, оскільки нічого більшого сказати не можна - короткі ультразвукові сигнали в той час ще було неможливо зафіксувати.

Вперше ідея про активну звуковий локації у кажанів була висловлена \u200b\u200bв 1912 році Х. Максимом. Він припускав, що кажани створюють низькочастотні ехолокаційні сигнали помахами крил з частотою 15 Гц.

Про ультразвуку здогадався в 1920 році англієць Х. Хартрідж, що відтворював досліди Спалланцани. Підтвердження цьому знайшлося в 1938 році завдяки Біоакустика Д. Гриффину і фізику Г. Пірсу. Гріффін запропонував назву ехолокація (по аналогії з радіолокації) для іменування способу орієнтації кажанів за допомогою ультразвуку.

1. Ультразвуки в живій природі

За останні десять - п'ятнадцять років біофізики з подивом встановили, що природа, мабуть, не надто скупилася, коли наділяла своїх дітей сонарами. Від кажанів до дельфінів, від дельфінів до риб, птахів, щурів, мишей, мавпам, до морським свинкам, жукам переходили дослідники зі своїми приладами, всюди виявляючи ультразвуки.

Ехолотом озброєні, виявляється, багато птахів. Зуйки-галстучник, кроншнепи, сови і деякі співочі птахи, захоплені в польоті туманом і темрявою, розвідують шлях за допомогою звукових хвиль. Криком вони «обмацують» землю і за характером луни дізнаються про висоту польоту, близькості перешкод, про рельєф місцевості.

Очевидно, з метою ехолокації видають ультразвуки невеликий частоти (двадцять - вісімдесят кілогерц) і інші тварини - морські свинки, щури, тагуанові і навіть деякі американські мавпи.

Миші і землерийки в експериментальних лабораторіях, перш ніж пуститися в дорогу по темних закутках лабіринтів, в яких відчували їхню пам'ять, посилали вперед бистрокрилих розвідників - ультразвуки. У повній темряві вони відмінно знаходять нори в землі. І тут допомагає ехолот: з цих дірок луна не повертається!

Жирні Дрімлюги, або гуахаро, як їх називають в Америці, живуть в печерах Перу, Венесуели, Гвіани і на острові Тринідад. Якщо надумаєте нанести їм візит, запасіться терпінням, а головне сходами і електричними ліхтарями. Необхідно також і деяке знайомство з основами альпінізму, тому що Дрімлюги гніздяться в горах і часто, щоб до них дістатися, доводиться дертися по стрімких скелях.

А як ви ввійдете з усім цим спорядженням в печеру, вчасно заткніть вуха, тому що тисячі птахів, розбуджених світлом, зірвуться з карнизів і стін і з оглушливим криком стануть кидатися у вас над головою. Птахи великі, до метра в розмаху крил, шоколадно-коричневі з великими білими плямами. Дивлячись на їх віртуозні маневри в похмурих гротах Аідова царства, все уражаються і ставлять одне і те ж питання: як примудряються ці пернаті троглодити, літаючи в повній темряві, що не натикатися на стіни, на всякі там сталактити і сталагміти, які підпирають склепіння підземель?

Погасіть світло і прислухайтеся. Політавши трохи, птиці скоро заспокояться, перестануть кричати, і тоді ви почуєте м'які помахи крил і як акомпанемент до них неголосне клацання. Ось і відповідь на ваше запитання!

Звичайно, це працюють ехолоти. Їх сигнали вловлює і наше вухо, тому що звучать вони в діапазоні порівняно низьких частот - близько семи кілогерц. Кожне клацання триває одну або дві тисячні частки секунди. Дональд Гріффін, вже відомий нам дослідник сонаров кажанів, заткнув ватою вуха деяких гуахаро і випустив їх в темний зал. І віртуози нічних польотів, глухим, тут же і «осліпли»: безпорадно натикалися на всі предмети в приміщенні. Чи не чуючи відлуння, вони не могли орієнтуватися в темряві.

Денні години гуахаро проводять в печерах. Там же влаштовують і свої глиняні гнізда, приліпивши їх абияк карнизів стін. Ночами птахи залишають підземелля і летять туди, де багато фруктових дерев і пальм з м'якими, схожими на сливи плодами. Тисячними зграями атакують і плантації олійних пальм. Плоди ковтають цілими, а кісточки потім вже, повернувшись в печери, відригують. Тому в підземеллях, де гніздяться гуахаро, завжди багато молодих фруктових «саджанців», які швидко, однак, гинуть: не можуть рости без світла.

Черевце тільки що оперилися пташенят гуахаро покрито товстим шаром жиру. Коли виповниться юним троглодитами приблизно два тижні, в печери приходять люди зі смолоскипами і довгими жердинами. Вони розоряють гнізда, вбивають тисячі рідкісних птахів і тут же, біля входу в печери, витоплюють з них жир. Хоча у цього жиру непогані і харчові якості, вживають його головним чином як пальне в ліхтарях і лампах.

Горить він краще гасу і дешевше його - так вважають на батьківщині птиці, яка злою іронією долі засуджена все життя провести в темряві, щоб померши дати світло оселі людини.

У Південній Азії, від Індії до Австралії, живе ще одна птах, яка знаходить в темряві дорогу до гнізда за допомогою сонара. Вона теж гніздиться в печерах (іноді, правда, і на скелях під відкритим небом). Це знаменита саланган, добре відомий усім місцевим гурманам стриж: з його гнізд варять суп.

Саланган ось як в'є гніздо: причепиться лапками до скелі і змащує клейкою слиною камінь, малюючи на ньому силует люльки. Водить головою вправо і вліво - слина тут же застигає, перетворюється в бурувате корочку. А саланган все змащує її зверху. Ростуть стінки у гнізда, і виходить маленька колиска на величезній скелі.

Колиска ця, кажуть, дуже смачна. Люди забираються на високі кручі, деруться при світлі смолоскипів на стіни печер і збирають гнізда саланган. Варять потім їх в окропі (або курячому бульйоні!), І виходить відмінний суп, як запевняють знавці.

Зовсім недавно відкрили, що салангани становлять інтерес не тільки для гастрономів, а й для біофізиків: ці птахи, літаючи в темряві, теж висилають вперед акустичних розвідників, які «тріщать, як дитяча заводна іграшка».

2. Ехо пеленг

З фізичної точки зору всякий звук - це коливальні рухи, що поширюються хвилеподібно в пружною середовищі.

Чим більше вібрацій здійснює в секунду тіло, що коливається (або пружне середовище), тим вище частота звуку. Найнижчий людський голос (бас) володіє частотою коливань близько вісімдесяти разів в секунду, або, як кажуть фізики, частота його коливань досягає вісімдесяти герц. Найвищий голос (наприклад, сопрано перуанської співачки Іми Сумак) близько 1400 герц.

У природі і техніці відомі звуки ще більш високих частот - в сотні тисяч і навіть мільйони герц. Рекордно високий звук у кварцу - до одного мільярда герц! Потужність звуку хитається в рідини кварцової пластинки в 40 тисяч разів перевищує силу звуку мотора літака. Але ми не можемо оглухнути від цього «пекельного гуркоту», тому що не чуємо його. Людське вухо сприймає звуки з частотою коливань лише від шістнадцяти до двадцяти тисяч герц. Більш високочастотні акустичні коливання прийнято називати ультразвуками, їх хвилями кажани і «обмацують» околиці.

Ультразвуки виникають в гортані кажана. Тут у вигляді своєрідних струн натягнуті голосові зв'язки, які, вібруючи, роблять звук. Гортань адже за своїм устроєм нагадує звичайний свисток: видихається з легких повітря вихором проноситься через неї - виникає «свист» дуже високої частоти, до 150 тисяч герц (людина його не чує).

Летюча миша може періодично затримувати потік повітря. Потім він з такою силою виривається назовні, немов викинутий вибухом. Тиск котився через гортань повітря вдвічі більше, ніж в паровому котлі. Непогане досягнення для звірка вагою 5 - 20 грамів!

У гортані кажана порушуються короткочасні високочастотні звукові коливання - ультразвукові імпульси. У секунду слід від 5 до 60, а у деяких видів навіть від 10 до 200 імпульсів. Кожен імпульс, «вибух», триває всього 2 - 5 тисячних часток секунди (у подковоносов 5 - 10 сотих секунди).

Стислість звукового сигналу - дуже важливий фізичний фактор. Лише завдяки йому можлива точна відлуння локація, тобто орієнтування за допомогою еле.

Від перешкоди, яке віддалене на сімнадцять метрів, відбитий звук повертається до звірку приблизно через 0,1 секунди. Якщо звуковий сигнал триватиме більше 0,1 секунди, то його відлуння, відбите від предметів, розташованих ближче сімнадцяти метрів, буде сприйматися органами слуху звірка одночасно з основним звучанням.

А адже саме по проміжку часу між кінцем посилається сигнал і першими звуками повернувся луни кажан інстинктивно отримує уявлення про відстані до предмета, який відбив ультразвук. Тому звуковий імпульс так коротко.

Радянський вчений Е. Я. Пумпер зробив в 1946 році дуже цікаве припущення, яке добре пояснює фізіологічну природу луна локації. Він вважає, що кажан кожен новий звук видає відразу ж, після того як почує відлуння попереднього сигналу. Таким чином, імпульси рефлекторно слідують один за одним, а подразником, що викликає їх, служить луна, сприймається вухом. Чим ближче кажан підлітає до перешкоди, тим швидше повертається відлуння і, отже, тим частіше видає звірятко нові «крики». Нарешті при безпосередньому наближенні до перешкоди звукові імпульси починають слідувати один за одним з винятковою швидкістю. Це сигнал небезпеки. Летюча миша інстинктивно змінює курс польоту, ухиляючись від напрямку, звідки відображені звуки приходять занадто швидко.

Дійсно, досліди показали, що кажани перед стартом видають в секунду лише 5 - 10 ультразвукових імпульсів. У польоті частішають їх до 30. При наближенні до перешкоди звукові сигнали йдуть ще швидше - до 50-60 разів на секунду. Деякі кажани під час полювання на нічних комах, наздоганяючи видобуток, видають навіть 250 «криків» в секунду.

Ехолокатор кажанів - дуже точний навігаційний «прилад»: він в змозі запеленгувати навіть мікроскопічно малий предмет - діаметром всього 0,1 міліметра!

І тільки коли експериментатори зменшили товщину дроту, натягнутій в приміщенні, де пурхали летючі миші, до 0,07 міліметра, звірятка стали натикатися на неї.

Кажани нарощують темп ехолотірующіх сигналів приблизно за два метри від дроту. Значить, за два метри вони її і «намацують» своїми «криками». Але летюча миша не відразу змінює напрямок, летить і далі прямо на перешкоду і лише в декількох сантиметрах від нього різким помахом крила відхиляється в сторону.

За допомогою сонарів, якими їх наділила природа, кажани не тільки орієнтуються в просторі, але і полюють за своїм хлібом насущним: комарами, метеликами та іншими нічними комахами.

У деяких дослідах звірків змушували ловити комарів в невеликому лабораторному залі. Їх фотографували, зважували - одним словом, весь час стежили за тим, наскільки успішно вони полюють. Одна кажан вагою в сім грамів за годину наловила грам комах. Інша малятко, яка важила всього три з половиною грами, так швидко ковтала комарів, що за чверть години «погладшала» на десять відсотків. Кожен комар важить приблизно 0,002 грама. Значить, за п'ятнадцять хвилин полювання було спіймано 175 комарів - кожні шість секунд один комар! Дуже жвавий темп. Гріффін говорить, що якби не сонар, то кажан, навіть всю ніч літаючи з відкритим ротом, зловила б «за законом випадку» одного-єдиного комара, і то якщо б комарів навколо було багато.

3. Типи природних сонаров

До недавнього часу думали, що природними сонарами володіють тільки дрібні комахоїдні кажани начебто наших ночниц і кажанів, а великі літаючі лисиці і собаки, які пожирають тонни фруктів в тропічних лісах, їх нібито позбавлені. Можливо, це так, але тоді, значить, роузеттус представляє виняток, тому що літаючі собаки цього роду наділені ехолокаторами.

У польоті роузеттуси весь час клацають мовою. Звук проривається назовні в кутах рота, які у роузеттуса завжди відкриті. Клацання кілька нагадують своєрідне цокання мовою, до якого вдаються іноді люди, засуджуючи що-небудь. Примітивний сонар летючої собаки працює, однак, досить точно: міліметрову дріт він засікає з відстані в кілька метрів.

Всі без винятку дрібні летючі миші з підряду Microchiroptera, тобто мікро-рукокрилі, наділені ехолотом. Але моделі цих «приладів» у них різні. Останнім часом дослідники виділяють в основному три типи природних сонаров: шепоче, скандують і стрекочущій, або частотно-модулирующий тип.

Шепочуть кажани живуть в тропіках Америки. Багато з них подібно летючим собакам харчуються фруктами. Ловлять також і комах, але не в повітрі, а на листках рослин. Їх ехолотірующіе сигнали - дуже короткі і дуже тихі клацання. Кожен звук триває тисячну частку секунди і дуже слабкий. Почути його можуть тільки дуже чутливі прилади. Іноді, правда, кажани-шептуни «шепочуть» так голосно, що і людина їх чує. Але зазвичай сонар їх працює на частотах 150 кілогерц.

Знаменитий вампір теж шептун. Нашіптуючи невідомі нам «заклинання», він шукає в гнилих лісах Амазонії змучених мандрівників і смокче їх кров. Помітили, що собаки рідко бувають покусані вампірами: тонкий слух заздалегідь попереджає їх про наближення кровососів. Собаки прокидаються і тікають. Адже вампіри нападають тільки на сплячих тварин. Були зроблені навіть такі досліди. Собак видресирували: коли чули вони «шепіт» вампіра, зараз же починали гавкати і будили людей. Передбачається, що майбутні експедиції в американські тропіки будуть супроводжувати ці дресировані «вампіролокатори».

Скандують підковоноси. Деякі з них живуть на півдні нашої країни - в Криму, на Кавказі і в середній Азії. Підковоніс вони названі за нарости на морді, у вигляді шкірястою підкови подвійним кільцем оточують ніздрі і рот. Нарости не пусті прикраси: це свого роду рупор, що направляє звукові сигнали вузьким пучком в ту сторону, куди дивиться летюча миша. Зазвичай тваринка висить вниз головою і, повертаючись (майже на триста шістдесят градусів!) То вправо, то вліво, обмацує звуком околиці. Тазостегнові суглоби у тропічних подковоносов дуже гнучкі, тому і можуть вони проробляти свої артистичні повороти. Як тільки в поле їх локатора потрапить комар або жук, самонавідний літальний апарат зривається з гілки і пускається в погоню за пальним, чи то пак за їжею.

І цей «літальний апарат», здається, в змозі навіть визначити, використовуючи добре відомий фізикам ефект Доплера, куди летить їжа: чи наближається до суку, на якому висить подковонос, або віддаляється від нього. Згідно з цим змінюється і тактика переслідування.

Підковоноси користуються на полюванні дуже тривалими (якщо порівнювати їх з «криками» інших кажанів) і однотонними звуками. Кожен сигнал триває десяту або двадцяту частку секунди, і частота його звучання не змінюється - завжди дорівнює ста або ста двадцяти кілогерц.

Але ось наші звичайні кажани і їх північноамериканські родичі ехолотіруют простір модульовані по частотах звуками, як і кращі моделі створених людиною сонаров. Тон сигналу постійно змінюється, отже, змінюється і висота відбитого звуку. А це в свою чергу означає, що в кожен даний момент висота прийнятого луни не збігається з тоном відправляється сигналу. І неспеціалісту зрозуміло, що такий пристрій значно полегшує ехолотування.

4. Дотик допомагає кажанам уникати перешкоди

До вирішення цієї цікавої проблеми вчені прийшли майже одночасно в різних країнах.

Голландець Свен Дійграаф вирішив перевірити, чи дійсно дотик допомагає кажанам уникати перешкоди. Він перерізав відчутні нерви крил - оперовані тварини відмінно літали. Значить, дотик тут ні при чому. Тоді експериментатор позбавив кажанів слуху - вони відразу точно осліпли.

Дійграаф міркував так: оскільки стіни і предмети, що зустрічаються кажанам в польоті, чи не видають жодних звуків, значить, кричать самі миші. Відлуння їх власного голосу, відбите від навколишніх предметів, повідомляє звіряток про перешкоду на шляху.

Дійграаф зауважив, що летюча миша, перш ніж пуститися в політ, розкриває рот. Очевидно, видає нечутні для нас звуки, «обмацуючи» ними околиці. У польоті кажани теж раз у раз відкривають роти (навіть коли не полюють за комахами).

Це спостереження подало Дійграафу думку проробити наступний експеримент. Він надів на голову звірка паперовий ковпак. Спереду, точно забрало у лицарського шолома, в ковпаку відкривалася і закривалася маленька дверцята.

Летюча миша із закритою дверцятами на ковпаку не могла літати, натикалася на предмети. Варто було лише в паперовому шоломі підняти забрало, як звір перетворювався, його політ знову ставав точним і впевненим.

Свої спостереження Дійграаф опублікував в 1940 році. А в 1946 році радянський вчений професор А. П. Кузякин почав серії дослідів над кажанами. Він заліпив їм пластиліном рот і вуха і випустив в кімнаті з натягнутими уздовж і поперек мотузками - майже всі звірята не змогли літати. експериментатор встановив цікавий факт: Кажани, вперше пущені в приміщення для пробного польоту з відкритими очима, «багато разів і з великою силою, Як тільки що спіймані птиці, вдарялися об шибки незавішеного вікон ». Це відбувалося днем. Увечері при світлі електричної лампи миші вже не натикалися на скла. Значить, вдень, коли добре видно, кажани довіряють більше зору, ніж іншим органам почуттів. Але ж зору кажанів багато дослідників схильні були зовсім не надавати значення.

Професор А. П. Кузякин продовжував досліди в лісі. На голови тваринкам - рудим вечорниць - він надів ковпачки з чорного паперу. Звірки не могли тепер ні бачити, ні спожити свій акустичний радар. Кажани не ризикнули летіти в невідомість Вони розкривали крила і опускалися на них, як на парашутах, на землю. Лише деякі відчайдушні полетіли на авось. Результат був сумним: вони вдарилися об дерева і впали на землю. Тоді в чорних ковпачках вирізали три отвори: одне для рота, два для вух. Тваринки без страху пустилися в політ. А. П. Кузякин прийшов до висновку, що органи звуковий орієнтування кажанів "можуть майже повністю замінити зір, а органи дотику ніякої ролі в орієнтуванні не грають, і звірята ними в польоті не користуються».

Кількома роками раніше американські вчені Д. Гріффін і Р. Галамбоса застосували іншу методику для вивчення загадкових здібностей кажанів.

Почали вони з того, що просто піднесли цих звіряток до апарату Пірса - приладу, який міг «чути» ультразвуки. І відразу ж стало ясно, що кажани «видають безліч криків, але майже всі вони потрапляють в діапазон частот, що лежать за порогом можливостей людського вуха», - писав Дональд Гріффін пізніше.

За допомогою електротехнічної апаратури Гріффін і Галамбоса зуміли виявити і досліджувати фізичну природу «криків» кажанів. Встановили також, вводячи особливі електроди у внутрішнє вухо піддослідних звірят, який частоти звуки сприймають органи їх слуху.

5. Летючі мишіорибалки

Мала руда нічниця починає своє сюрчання звуком з частотою близько дев'яноста кілогерц, а закінчує його нотою в сорок п'ять кілогерц. За дві тисячні частки секунди, поки триває її «крик», сигнал пробігає за шкалою частот вдвічі довший діапазон, ніж весь спектр сприймаються людським вухом звуків! У «крику» близько п'ятдесяти звукових хвиль, але серед них немає і двох однакової довжини. Таких частотно-модульованих «криків» слід десять або двадцять кожну секунду. Наближаючись до перешкоди або до зникаючого комару, кажан прискорює свої сигнали. Тепер уже скрекоче вона не 12, а 200 раз в секунду.

Гріффін пише: «В одному із зручних типів підслуховуючої апаратури кожен високочастотний писк, видаваний кажаном, прозвучить в телефоні, як клацання». Якщо з цим апаратом прийти на узлісся, де кажани полюють за комарами, то, коли одна з них буде пролітати повз, почуємо в навушниках не надто поквапливе постукування «Путті-Путті-Путті-Путті», «як від старого ледачого газолінового мотора ».

Але ось кажан кинулася доганяти за метеликом або вирішила обстежити підкинутий вгору камінчик - зараз же скоромовкою застукало «піт-піт-піт-піт-біззз». Тепер уже «звуки слідують один за одним, як вихлопи розгониться мотоцикла».

Метелик відчув погоню і спритними маневрами намагається врятувати своє життя. Але кажан спритна не менш, виписуючи в небі химерні піруети, наздоганяє його - і в телефоні вже не дробові вихлопи, а монотонне дзижчання електропилки.

Порівняно недавно були відкриті кажани-рибалки. Сонар у них теж частотно-модуляционного типу. Вже описано чотири види таких мишей. Живуть вони в тропічній Америці. В сутінки (а деякі навіть і після полудня) вилітають вони на видобуток і полюють всю ніч. Пурхають низько над водою, раптом опускають в воду лапки, вихоплюють рибку і тут же відправляють її в рот. Лапки у рукокрилих рибалок довгі і кігті на них гострі і криві, як у скопи - їх пернатого конкурента, тільки, звичайно, не такі великі.

Деяких рибоядних кажанів називають заяче-губимі. Роздвоєна нижня губа відвисає у них вниз, і вважають, що цим каналом порхающая над морем миша направляє свої зондувальні звуки прямо вниз, в воду.

Пробивши товщу вод, «сюрчання» відбивається від плавального міхура рибок і його відлуння повертається до рибалці. Оскільки тіло риби більше ніж на дев'яносто відсотків складається з води, воно майже не відображає підводні звуки. Але наповнений повітрям плавальний міхур являє собою досить «непрозорий» для звуку екран.

Коли звук з повітря потрапляє у воду і, навпаки, з води в повітря, то втрачає понад 99,9 відсотка своєї енергії. Це давно відомо фізикам. Навіть якщо звук падає на поверхню води під прямим кутом, лише 0,12 відсотка його енергії поширюється під водою. Значить, сигнали кажана, зробивши подвійний похід через кордон «повітря - вода», повинні втратити через високі тарифи, які тут існують, так багато енергії, що сила звуку стане в півтора мільйона разів слабкіше!

Крім того, будуть і інші втрати: не вся звукова енергія відіб'ється від риби і не вся, пробившись знову в повітря, потрапить у вуха ехолотірующего звірка.

Після всіх цих міркувань не дуже-то віриться, що ехолокація «повітря - вода» не міф, а реальність.

Однак Дональд Гріффін підрахував, що кажани риболов отримує назад з-під води лише вчетверо менш потужне відлуння, ніж звичайна кажан, ехолотірующая комах в повітрі. Це вже не так погано. Більше того, якщо допустити, що сонари кажанів засікає комах не за два метри, як він припускав при своїх розрахунках, а вже з двох метрів вісімдесяти сантиметрів (що цілком можливо), то інтенсивність поворотного сигналу буде однаковою у обох - і у рибалки, і у комароловкові.

«Здоровий глузд, - робить висновок Гріффін, - і перше враження можуть ввести в оману, коли ми маємо справу з питаннями, що лежать поза області звичайного людського досвіду, на якому адже якраз і побудовано те, що ми називаємо здоровим глуздом».

6. І кажани помиляються

Подібно людям кажани теж можуть помилятися. І таке нерідко трапляється, коли вони втомилися або ще толком не прокинулися після проведеного в темних кутках дня. Це доводять понівечені трупи кажанів, щоночі розбиваються об Емпайр-Білдінг і інші хмарочоси.

Якщо низько над річкою натягнути дріт, то кажани зазвичай зачіпають за неї, коли спускаються до води, щоб втамувати спрагу декількома злизала на льоту краплями. Тваринки чують одночасно два луни: гучне від поверхні води і слабке від дроту - і не звертають уваги на останнє, тому й розбиваються об дріт.

Кажани, звикаючи літати по давно випробуваним трасах, обирають гідом свою пам'ять і не прислухаються тоді до протестів сонара. Дослідники провели з ними такі ж досліди, що і з бджолами на старому аеродромі. (Пам'ятаєте?) Спорудили різного роду перешкоди на второваних століттями шляхах, якими кажани щовечора вилітали на полювання, а на світанку поверталися назад. Тваринки натрапили на ці перешкоди, хоча їх сонари працювали і заздалегідь подавали пілотам сигнали тривоги. Але вони більше вірили своїй пам'яті, ніж вухам. Нерідко помиляються кажани ще й тому, що комашки, за якими вони полюють, теж не простаки: обзавелися багато з них анти сонарами.

В процесі еволюції у комах виробився ряд захисних від ультразвуку пристосувань. Багато нічні метелики, наприклад, густо вкриті дрібними волосками. Справа в тому, що м'які матеріали: пух, вата, шерсть - поглинають ультразвук. Значить, волохатих метеликів важче запеленгувати. У деяких нічних комах розвинулися чутливі до ультразвуку органи слуху, які допомагають їм завчасно дізнаватися про небезпеку, що наближається. Потрапляючи в радіус дії ехолота кажана, вони починають кидатися з одного боку в бік, намагаючись вибратися з небезпечної зони. Нічні метелики і жуки, запеленгувати кажаном, застосовують навіть такий тактичний прийом: складають крила і падають вниз, завмираючи в нерухомості на землі. У цих комах органи слуху сприймають зазвичай звуки двох різних діапазонів: низькочастотного, на якому «розмовляють» їх родичі, і високочастотного, на якому працюють сонари кажанів. До проміжних частотах (між двома цими діапазонами) вони глухі.

7. Крики в безодні

ехолокація ехопеленг дельфін радар

Після полудня 7 березня 1949 року дослідне судно «Атлантік» прослуховувало море в ста сімдесяти милях на північ від Пуерто-Ріко. Внизу під кораблем були величезні глибини. П'ятикілометрового товщі солоної води наповнювали велетенську западину в землі.

І ось з цієї безодні долинули гучні крики. Один крик, потім його відлуння. Ще крик, і знову відлуння. Багато криків поспіль з інтервалом приблизно півтори секунди. Кожен тривав близько третини секунди, і висота його тону була п'ятсот герц.

Тут же підрахували, що невідома істота вправлялися в вокальних соло на глибині приблизно трьох з половиною кілометрів. Відлуння його голосу відбивалося від морського дна і тому добігти до приладів корабля з деяким запізненням.

Оскільки кити не поринають так глибоко, а раки і краби не виробляють настільки гучних звуків, біологи вирішили, що в безодні кричала якась риба. І кричала з метою: звуком зондувала океан. Вимірювала, просто кажучи, його глибину. Вивчала місцевість, рельєф дна.

Ідея ця тепер мало кому здається неймовірною. Бо вже точно встановлено, що риби, яких довго вважали німими, видають тисячі всіляких звуків, б'ючи особливими м'язами по плавальним бульбашок, як по барабану. Інші скрегочуть зубами, клацають кісточками своєї броні. Багато з цих тріску, скрипів і писків звучать в ультракороткому діапазоні і вживаються, мабуть, для ехолокації і орієнтування в просторі. Значить, як і у кажанів, у риб є свої сонари.

Ехолокатори риб ще не вивчені, але у дельфінів досліджені вони прекрасно. Дельфіни дуже «балакучі». Ні хвилини не помовчать. Велика частина їх криків становить розмовний, так би мовити, лексикон, але він нас зараз не цікавить. Інші ж явно обслуговують сонари.

Дельфін афаліна свистить, клацає, хрюкає, гавкає, вищить на різні голоси в діапазоні частот від ста п'ятдесяти до ста п'ятдесяти п'яти тисяч герц. Але коли він і «мовчки» пливе, його сонар постійно обмацує околиці «дощем» швидких криків, або, кажуть ще, Клак. Вони тривають не більше декількох мілісекунд і повторюються зазвичай п'ятнадцять - двадцять разів на секунду. А іноді і сотні разів!

Найменший сплеск на поверхні - і дельфін зараз же прискорює свої крики, «обмацуючи» ними занурюється предмет. Ехолокатор дельфіна настільки чутливий, що навіть маленька дробинка, обережно опущена в воду, не вислизне від його уваги. Риба, кинута у водойму, засікається негайно. Дельфін пускається в погоню. Не бачачи в каламутній воді видобуток, безпомилково переслідує її. Слідом за рибою точно змінює курс. Прислухаючись до луни свого голосу, дельфін злегка нахиляє голову то в одну, то в іншу сторону, як і людина, що намагається точніше встановити напрямок звуку.

Якщо опустити в невеликий басейн кілька десятків вертикальних стрижнів, дельфін швидко пливе між ними, не зачіпаючи їх. Однак крупноячеистой мережі він, мабуть, не може виявити своїм ехолокатором. Дрібнопористий «намацує» легко.

Справа тут, мабуть, в тому, що великі вічка занадто «прозорі» для звуку, а дрібні відображають його, майже як суцільна перешкода.

Вільям Шевілл і Барбара Лоренс-Шевілл, наукові співробітники Вудсхольского океанографічного інституту, серією цікавих дослідів показали, наскільки тонка у дельфіна акустичне «дотик».

Дельфін плавав в невеликий, відгородженій від моря бухточке і весь час «поскрипував». А іноді прилад дико скреготав від занадто швидких, скоромовкою вимовлених Клак. Траплялося це тоді, коли в воду кидали шматочки риби. Не просто кидали, а тихенько без всякого сплеску укладали на дно. Але від дельфіна було важко приховати саме безшумне підкидання їжі в ставок, навіть якщо він плавав на іншому його кінці за двадцять метрів від місця диверсії. А вода в цій калюжі була така каламутна, що коли занурювали в неї на півметра металеву пластинку, та немов розчинялася: навіть самий зірке людське око не міг її побачити.

Експериментатори опускали в воду маленьких рибок сантиметрів близько п'ятнадцяти довжиною. Дельфін моментально засікав рибку ехолокатором, хоча вона ледь була занурена: людина тримав її за хвіст.

Вважають, що клаки служать дельфіна для ближньої орієнтування. Загальна розвідка місцевості та обмацування більш віддалених предметів виробляються свистом. І свист цей частотно модульований! Але на відміну від такого ж типу сонаров кажанів починається він більш низькими нотами, а закінчується високими.

Інші кити - і кашалоти, і фінвали, і білухи - теж, мабуть, орієнтуються за допомогою еле. Ось тільки не знають ще, ніж вони видають ці звуки. Одні дослідники думають, що дихалом, тобто ніздрів і воздухоноснимі мішками дихального каналу, інші - що горлом. Хоча справжніх голосових зв'язок у китів і немає, але їх з успіхом можуть замінити - так дехто вважає - особливі нарости на внутрішніх стінках гортані.

А може бути, і дихало, і гортань в рівній мірі обслуговують передавальну систему сонара.

8. Радар водяного слона

Серед численних священних тварин стародавнього Єгипту була одна рибка, що володіє абсолютно унікальними здібностями.

Риба ця - мормірус, або водяний слон. Щелепи у неї витягнуті в невеликий хоботок. Незрозуміла здатність морміруса бачити невидиме здавалася надприродним чудом. Винахід радіолокатора допомогло розкрити таємницю.

Виявляється, природа наділила водяного слона дивовижним органом - радаром!

У багатьох риб, всім відомо, є електричні органи. У морміруса в хвості поміщається теж невелика «кишенькова батарейка». Напруга струму, який вона виробляє, невелика - всього шість вольт, але цього достатньо.

Кожну хвилину радіолокатор морміруса посилає в простір вісімдесят - сто електричних імпульсів. Виникаючі від розрядів «батарейки» електромагнітні коливання частково відбиваються від навколишніх предметів і у вигляді радіоеха знову повертаються до мормірусу. «Приймач», який ловитиме відлуння, розташований в підставі спинного плавця дивовижною рибки. Мормірус «обмацує» околиці з допомогою радіохвиль!

Повідомлення про незвичайні властивості морміруса було зроблено в 1953 році східно-африканським іхтіологічним інститутом. Співробітники інституту помітили, що містилися в акваріумі морміруси починали неспокійно метатися, коли в воду опускали який-небудь предмет, що володіє високою електропровідністю, наприклад шматок дроту. Схоже, мормірус має здатність відчувати зміни електромагнітного поля, Порушеної його електричним органом? Анатоми досліджували рибку. Парні гілки великих нервів проходили уздовж її спини від головного мозку до основи спинного плавця, де, розгалужуючись на дрібні гілочки, закінчувалися в тканинних утвореннях на рівних друг від друга інтервалах. Мабуть, тут міститься орган, який ловитиме відображені радіохвилі. Мормірус з перерізаними нервами, що обслуговують цей орган, втрачав чутливість до електромагнітного випромінювання.

Живе мормірус на дні річок і озер і харчується личинками комах, яких витягує з мулу довгими щелепами, наче пінцетом. Під час пошуків їжі рибка оточена зазвичай густою хмарою збаламученого мулу і нічого навколо не бачить. Капітани кораблів по власного досвіду знають, наскільки незамінний в таких умовах радіолокатор.

Мормірус не єдиний на світі «живий радар». Чудовий радіоглаз виявлений також в хвості електричного вугра Південної Америки, «Акумулятори» якого розвивають рекордну напруга струму - до п'ятисот вольт, а за деякими даними, до восьмисот вольт!

Американський дослідник Христофор Коутес після серії експериментів, проведених в Нью-йоркському акваріумі, прийшов до висновку, що невеликі бородавки на голові електричного вугра - антени радіолокатора. Вони вловлюють відбиті від навколишніх предметів електромагнітні хвилі, випромінювач яких розташований в кінці хвоста вугра. Чутливість радарної системи цієї риби така, що вугор, очевидно, може встановити, який природи предмет потрапив в поле дії локатора. Якщо це придатне в їжу тварина, електричний вугор негайно повертає голову в його бік. Потім пускає в хід потужні електричні органи передньої частини тіла - метає в жертву «блискавки» - і не поспішаючи пожирає вбиту електричним розрядом видобуток.

У тих же річках, де ліниво дрімають у дна електричні вугри, снують в заростях елегантні ножі-риби - айгенманіі. Вигляд у них дивний: спинних плавників немає і хвостового теж (лише голий тонкий шпиль на хвості). І поводяться ці риби незвично: крутять цим самим шпилем на всі боки, немов принюхуються хвостом. І перш ніж залізти під корч або в печеру на дні, сунуть в щілину спочатку знов-таки хвіст, а потім, якщо обстеження дало позитивні, так би мовити, результати, самі туди забираються. Але лізуть не головою вперед, а хвостом. Схоже, рибки йому більше довіряють, ніж очам.

Все пояснилося дуже просто: на самому кінці нитевидного хвоста айгенманіі вчені виявили електричний «очей», як у морміруса.

У гімнотід, дуже схожих на айгенманіі тропічних американських рибок, мабуть, теж є радари, хоча це ще й не доведено.

Нещодавно доктор Ліссман з Кембриджа знову зацікавився давно вже вивченим зоологами електричним сомом, що мешкають в річках Африки. Ця риба, здатна розвинути напруга струму до двохсот вольт, полює вночі. Але у неї дуже «короткозорі» очі, і в темряві вона погано бачить. Як же тоді знаходить сом видобуток? Доктор Ліссман довів, що подібно до електричного угрю електричний сом свої потужні акумулятори використовує і як радар.

висновок

З вище викладеного можна зробити висновок, що природа, мабуть, не надто скупилася, коли наділяла своїх дітей сонарами. Від кажанів до дельфінів, від дельфінів до риб, птахів, щурів, мишей, мавпам, до морським свинкам, жукам переходили дослідники зі своїми приладами, всюди виявляючи ультразвуки. Тварини використовують ехолокацію для орієнтації в просторі і для визначення місця розташування об'єктів навколо, в основному за допомогою високочастотних звукових сигналів. Найбільш розвинена у кажанів і дельфінів, також її використовують землерийки, ряд видів ластоногих (тюлені), птахів (гуахаро, салангани і ін.).

Походження ехолокації у тварин залишається неясним; ймовірно, вона виникла як заміна зору у тих, хто живе в темряві печер або глибин океану. Замість світлової хвилі для локації стала використовуватися звукова.

Даний спосіб орієнтації в просторі дозволяє тваринам виявляти об'єкти, розпізнавати їх і навіть полювати в умовах повної відсутності світла, в печерах і на значній глибині.

ультразвук - пружні звукові коливання високої частоти. Людське вухо сприймає що поширюються в середовищі пружні хвилі частотою приблизно до 16-20 кГц; коливання з більш високою частотою є ультразвук (за межею чутності). Зазвичай ультразвуковим діапазоном вважають смугу частот від 20 000 до мільярда Гц. Звукові коливання з більш високою частотою називають гіперзвуком. У рідинах і твердих тілах звукові коливання можуть досягати 1000 ГГц

Хоча про існування ультразвука ученим було відомо давно, практичне використання його в науці, техніці і промисловості почалося порівняно недавно. Зараз ультразвук широко застосовується в різних областях фізики, технології, хімії та медицини.

джерела Ультразвуку

Частота надвисокочастотних ультразвукових хвиль, що застосовуються в промисловості і біології, лежить в діапазоні порядку декількох МГц. Фокусування таких пучків зазвичай здійснюється за допомогою спеціальних звукових лінз і дзеркал. Ультразвуковий пучок з необхідними параметрами можна отримати за допомогою відповідного перетворювача. Найбільш поширені керамічні перетворювачі з титаніту барію. У тих випадках, коли основне значення має потужність ультразвукового пучка, зазвичай використовуються механічні джерела ультразвуку. Спочатку все ультразвукові хвилі отримували механічним шляхом (камертони, свистки, сирени).

У природі УЗ зустрічається як в якості компоненти багатьох природних шумів (в шумі вітру, водоспаду, дощу, в шумі гальки, перекочується морським прибоєм, в звуках, які супроводжують грозові розряди, і т. Д.), Так і серед звуків тваринного світу. Деякі тварини користуються ультразвуковими хвилями для виявлення перешкод, орієнтування в просторі.

Випромінювачі ультразвуку можна поділити на дві великі групи. До першої відносяться випромінювачі-генератори; коливання в них порушуються через наявність перешкод на шляху постійного потоку - струменя газу або рідини. Друга група випромінювачів - електроакустичні перетворювачі; вони перетворять вже задані коливання електричної напруги або струму в механічне коливання твердого тіла, яке і випромінює в навколишнє середовище акустичні волни.Прімери випромінювачів: свисток Гальтона, рідинний і ультразвукової свисток, сирена.

Поширення ультразвуку.

Поширення ультразвуку - це процес переміщення в просторі і в часі збурень, що мають місце в звуковій хвилі.

Звукова хвиля поширюється в речовині, що знаходиться в газоподібному, рідкому або твердому стані, в тому ж напрямку, в якому відбувається зсув частинок цієї речовини, тобто вона викликає деформацію середовища. Деформація полягає в тому, що відбувається послідовне розрядження і стиснення певних об'ємів середовища, причому відстань між двома сусідніми областями відповідає довжині ультразвукової хвилі. Чим більше питомий акустичний опір середовища, тим більше ступінь стиснення і розрядження середовища при даній амплітуді коливань.

Частинки середовища, що беруть участь в передачі енергії хвилі, коливаються біля положення своєї рівноваги. Швидкість, з якою частинки коливаються біля середнього положення рівноваги називається коливальної

швидкістю.

Дифракція, інтерференція

При поширенні ультразвукових хвиль можливі явища дифракції, інтерференції і відображення.

Дифракція (огибание хвилями перешкод) має місце тоді, коли довжина ультразвукової хвилі порівнянна (або більше) з розмірами знаходиться на шляху перешкоди. Якщо перешкода в порівнянні з довжиною акустичної хвилі велика, то явища дифракції немає.

При одночасному русі в тканини декількох ультразвукових хвиль в певній точці середовища може відбуватися суперпозиція цих хвиль. Таке накладення хвиль один на одного носить загальна назва інтерференції. Якщо в процесі проходження через біологічний об'єкт ультразвукові хвилі перетинаються, то в певній точці біологічного середовища спостерігається посилення або ослаблення коливань. Результат інтерференції буде залежати від просторового співвідношення фаз ультразвукових коливань в даній точці середовища. Якщо ультразвукові хвилі досягають певної ділянки середовища в однакових фазах (синфазно), то зміщення частинок мають однакові знаки і інтерференція в таких умовах сприяє збільшенню амплітуди ультразвукових коливань. Якщо ж ультразвукові хвилі приходять до конкретної ділянки в протифазі, то зсув частинок буде супроводжуватися різними знаками, що призводить до зменшення амплітуди ультразвукових коливань.

Інтерференція грає важливу роль при оцінці явищ, що виникають в тканинах навколо ультразвукового випромінювача. Особливо велике значення має інтерференція при поширенні ультразвукових хвиль в протилежних напрямках після відображення їх від перешкоди.

Поглинання ультразвукових хвиль

Якщо середовище, в якій відбувається поширення ультразвуку, володіє в'язкістю і теплопровідністю або в ній є інші процеси внутрішнього тертя, то при поширенні хвилі відбувається поглинання звуку, тобто в міру віддалення від джерела амплітуда ультразвукових коливань стає менше, так само як і енергія, яку вони несуть. Середовище, в якому поширюється ультразвук, вступає у взаємодію з проходить через нього енергією і частина її поглинає. Переважна частина поглиненої енергії перетворюється в тепло, менша частина викликає в передавальному речовині незворотні структурні зміни. Поглинання є результатом тертя часток один про одного, в різних середовищах воно різне. Поглинання залежить також від частоти ультразвукових коливань. Теоретично, поглинання пропорційно квадрату частоти.

Величину поглинання можна характеризувати коефіцієнтом поглинання, який показує, як змінюється інтенсивність ультразвуку в опромінюється середовищі. З ростом частоти він збільшується. Інтенсивність ультразвукових коливань в середовищі зменшується за експоненціальним законом. Цей процес обумовлений внутрішнім тертям, Теплопровідністю поглинаючого середовища і її структурою. Його орієнтовно характеризує величина полупоглощающего шару, яка показує на якій глибині інтенсивність коливань зменшується в два рази (точніше в 2,718 рази або на 63%). За Пальману при частоті, рівній 0,8 МГц середні величини полупоглощающего шару для деяких тканин такі: жирова тканина - 6,8 см; м'язова - 3,6 см; жирова і м'язова тканини разом - 4,9 см. Зі збільшенням частоти ультразвуку величина полупоглощающего шару зменшується. Так при частоті, рівній 2,4 МГц, інтенсивність ультразвуку, що проходить через жирову і м'язову тканини, зменшується в два рази на глибині 1,5 см.

Крім того, можливо аномальне поглинання енергії ультразвукових коливань в деяких діапазонах частот - це залежить від особливостей молекулярної будови даної тканини. Відомо, що 2/3 енергії ультразвуку загасає на молекулярному рівні і 1/3 на рівні мікроскопічних тканинних структур.

Глибина проникнення ультразвукових хвиль

Під глибиною проникнення ультразвуку розуміють глибину, при якій інтенсивність зменшується на половину. Ця величина обернено пропорційна поглинанню: чим сильні серед поглинає ультразвук, тим менше відстань, на якому інтенсивність ультразвуку послаблюється наполовину.

Розсіювання ультразвукових хвиль

Якщо в середовищі є неоднорідності, то відбувається розсіювання звуку, яке може суттєво змінити просту картину поширення ультразвуку і, в кінцевому рахунку, також викликати затухання хвилі в первісному напрямку поширення.

Переломлення ультразвукових хвиль

Так як акустичне опір м'яких тканин людини не набагато відрізняється від опору води, можна припускати, що на кордоні розділу середовищ (епідерміс - дерма - фасція - м'яз) буде спостерігатися переломлення ультразвукових хвиль.

Відображення ультразвукових хвиль

На явищі відображення заснована ультразвукова діагностика. Відображення відбувається в прикордонних областях шкіри і жиру, жиру і м'язів, м'язів і кісток. Якщо ультразвук при поширенні наштовхується на перешкоду, то відбувається відображення, якщо перешкода мало, то ультразвук його як би обтікає. Неоднорідності організму не викликають значних відхилень, тому що в порівнянні з довжиною хвилі (2 мм) їх розмірами (0,1-0,2 мм) можна знехтувати. Якщо ультразвук на своєму шляху наштовхується на органи, розміри яких більше довжини хвилі, то відбувається заломлення та відбиття ультразвуку. Найбільш сильне відображення спостерігається на кордонах кістка - навколишні її тканини і тканини - повітря. У повітря мала щільність і спостерігається практично повне відображення ультразвуку. Відображення ультразвукових хвиль спостерігається на кордоні м'яз - окістя - кістка, на поверхні порожнистих органів.

Ті, що біжать і стоячі ультразвукові хвилі

Якщо при поширенні ультразвукових хвиль в середовищі не відбувається їх відображення, утворюються біжать хвилі. В результаті втрат енергії коливальні рухи частинок середовища поступово згасають, і чим далі розташовані частинки від випромінюючої поверхні, тим менше амплітуда їх коливань. Якщо ж на шляху поширення ультразвукових хвиль є тканини з різними питомими акустичними опорами, то в тій чи іншій мірі відбувається відображення ультразвукових хвиль від прикордонного розділу. Накладення падаючих і відбиваються ультразвукових хвиль може призводити до виникнення стоячих хвиль. Для виникнення стоячих хвиль відстань від поверхні випромінювача до поверхні, що відбиває повинно бути кратним половині довжини хвилі.

Вступ

1. Ультразвуки в живій природі

2. Ехопеленг

3. Типи природних сонаров

4. Дотик допомагає кажанам уникати перешкоди

5. Летючі мишіорибалки

6. І кажани помиляються

7. Крики в безодні

8. Радар водяного слона

висновок

література

Вступ

1. Ультразвуки в живій природі

2. Ехо пеленг

З фізичної точки зору всякий звук - це коливальні рухи, що поширюються хвилеподібно в пружною середовищі.

3. Типи природних сонаров

Скандують підковоноси. Деякі з них живуть на півдні нашої країни - в Криму, на Кавказі і в Середній Азії. Підковоніс вони названі за нарости на морді, у вигляді шкірястою підкови подвійним кільцем оточують ніздрі і рот. Нарости не пусті прикраси: це свого роду рупор, що направляє звукові сигнали вузьким пучком в ту сторону, куди дивиться летюча миша. Зазвичай тваринка висить вниз головою і, повертаючись (майже на триста шістдесят градусів!) То вправо, то вліво, обмацує звуком околиці. Тазостегнові суглоби у тропічних подковоносов дуже гнучкі, тому і можуть вони проробляти свої артистичні повороти. Як тільки в поле їх локатора потрапить комар або жук, самонавідний літальний апарат зривається з гілки і пускається в погоню за пальним, чи то пак за їжею.

4. Дотик допомагає кажанам уникати перешкоди

До вирішення цієї цікавої проблеми вчені прийшли майже одночасно в різних країнах.

Свої спостереження Дійграаф опублікував в 1940 році. А в 1946 році радянський вчений професор А. П. Кузякин почав серії дослідів над кажанами. Він заліпив їм пластиліном рот і вуха і випустив в кімнаті з натягнутими уздовж і поперек мотузками - майже всі звірята не змогли літати. Експериментатор встановив цікавий факт: кажани, вперше пущені в приміщення для пробного польоту з відкритими очима, «багато разів і з великою силою, як тільки що спіймані птиці, вдарялися об шибки незавішеного вікон». Це відбувалося днем. Увечері при світлі електричної лампи миші вже не натикалися на скла. Значить, вдень, коли добре видно, кажани довіряють більше зору, ніж іншим органам почуттів. Але ж зору кажанів багато дослідників схильні були зовсім не надавати значення.

5. Летючі мишіорибалки

Після всіх цих міркувань не дуже-то віриться, що ехолокація «повітря - вода» не міф, а реальність.

6. І кажани помиляються

7. Крики в безодні

ехолокація ехопеленг дельфін радар

А може бути, і дихало, і гортань в рівній мірі обслуговують передавальну систему сонара.

8. Радар водяного слона

Серед численних священних тварин Стародавнього Єгипту була одна рибка, що володіє абсолютно унікальними здібностями.

Виявляється, природа наділила водяного слона дивовижним органом - радаром!

Повідомлення про незвичайні властивості морміруса було зроблено в 1953 році східно-африканським іхтіологічним інститутом. Співробітники інституту помітили, що містилися в акваріумі морміруси починали неспокійно метатися, коли в воду опускали який-небудь предмет, що володіє високою електропровідністю, наприклад шматок дроту. Схоже, мормірус має здатність відчувати зміни електромагнітного поля, порушеної його електричним органом? Анатоми досліджували рибку. Парні гілки великих нервів проходили уздовж її спини від головного мозку до основи спинного плавця, де, розгалужуючись на дрібні гілочки, закінчувалися в тканинних утвореннях на рівних друг від друга інтервалах. Мабуть, тут міститься орган, який ловитиме відображені радіохвилі. Мормірус з перерізаними нервами, що обслуговують цей орган, втрачав чутливість до електромагнітного випромінювання.

Живе мормірус на дні річок і озер і харчується личинками комах, яких витягує з мулу довгими щелепами, наче пінцетом. Під час пошуків їжі рибка оточена зазвичай густою хмарою збаламученого мулу і нічого навколо не бачить. Капітани кораблів з власного досвіду знають, наскільки незамінний в таких умовах радіолокатор.

Мормірус не єдиний на світі «живий радар». Чудовий радіоглаз виявлений також в хвості електричного вугра Південної Америки, «акумулятори» якого розвивають рекордну напруга струму - до п'ятисот вольт, а за деякими даними, до восьмисот вольт!

висновок

література

1. Морозов В. П. Цікава біоакустики. Вид. 2-е, доп., Перераб. - М .: Знание, 1987. - 208 с. + 32 с. вкл. - С. 30-36