Эхо

Оглавление:





1.Введение________________________________________3-4 стр.



2.Отражение звука. Эхо.____________________________4-5стр.



3.Виды эхо_______________________________________ 5-7 стр.            



4.Как разыскивать эхо?_____________________________7-10стр.



	5.Практическое применение. Эхолокация._____________10-12стр.



      5.1. Техническое обеспечение эхолокации________________12стр.

 

      5.2. Эхолокация у животных___________________________12-13стр.



           Эхолокационная система бабочек___________________________13-16стр.



              Эхолофия у дельфинов____________________________________16-20стр.



       5.3. Эхолокация слепых людей_________________________20-21стр.



 6.Мировое эхо____________________________________21-24стр.



7. Список использованной литературы________________24 стр.





























1.Введение:



                                                                     Ревет ли зверь в лесу глухом, 

                                                                     Трубит ли рог, гремит ли гром,

                                                                     Поет ли дева за холмом-

                                                                     На всякий звук

                                                                     Свой отклик в воздухе пустом

                                                                     Родишь ты вдруг…

                                                                                            А.С.Пушкин 



      Эти стихотворные строки описывают интересное физическое явление – эхо.  Все мы знакомы с ним. Мы слышим эхо, находясь на лесной поляне,  в ущелье, плывя по реке между высоких берегов, путешествуя в горах. 

     Считается, что одушевленный образ эхо -  это образ нимфы, которую можно услышать, но нельзя увидеть.

     Согласно легенде древних греков, лесная нимфа Эхо влюбилась в прекрасного юношу Нарцисса. Но тот не обращал на нее никакого  внимания, он был всецело занят тем, что без конца глядел в воду, любуясь своим отражением. Бедная нимфа от горя окаменела, от нее остался лишь голос, который мог повторять только окончания произнесенных поблизости слов. 



Я увидала, зажглась и, оплакав отвергнутой участь,
Стала лишь голосом я, отзвуком, ветром, ничем.

                                            Перевод с древнегреческого Сергея Ошерова







                             Александр Канабель, «Эхо», 1887



     Согласно другой легенде, нимфа Эхо была наказана супругой Зевса - Герой. Произошло это оттого, что Эхо пыталась своими речами отвлечь внимание Геры от Зевса, который в это время ухаживал за другими нимфами. Заметив это, Гера разгневалась и сделала так, чтобы Эхо не могла говорить, когда другие молчат, и не могла молчать, когда другие говорят. В мифе о нимфе Эхо отразились попытки древних объяснить физическое явление эхо, заключающееся в многократном отражении звуковых волн.

        По другой легенде Эхо была влюблена в лесное божество Пана и у них была общая дочь - Ямба, в честь которой назван стихотворный размер ямб.
     Образ нимфы, иногда веселый, а чаще грустный,  можно встретить в стихотворениях поэтов различных эпох. Так, мы встречаемся с ним в стихотворении римского поэта IV в. Децима Магна Авсония:     

В ваших ушах я, Эхо, живу, проходящая

                                                         всюду,

 Хочешь меня написать    –   голос возьми  

                                                          напиши.



      Образ нимфы Эхо встречается в одном из стихотворений А.А.Блока:



 Листва кружевная!

                                                          Осеннее злато!

Зову – и трикраты

                                                          Мне издали звонко

                                       Ответствует нимфа, ответствует Эхо…

      В стихотворении А.А.Фета эхо вздыхает, даже стонет:

       

         Та же птичка, что певала, 

                                                        Ночью песнь  свою поет,    

                                                        Но та песнь грустнее стала,      

         Радость на сердце нейдет.        

                                                        Эхо  тихо простонало:          

                    Да, нейдет…



2.Отражение звука. Эхо:

 

    Эхо образуется в результате отражения звука от различных преград – стен большого   пустого помещения, леса, сводов высокой арки в здании.





   Мы слышим эхо лишь в том случае, когда отраженный звук воспринимается отдельно от произнесенного. Для этого нужно, чтобы промежуток времени между воздействием этих двух звуков на ушную барабанную перепонку составлял не менее 0,06 с. 

   Чтобы определить, через какое время после произнесенного человеком короткого возгласа отраженный звук достигнет его уха, если он стоит на расстоянии 2 м от этой стены. Звук должен пройти двойное расстояние – до стены и обратно, т.е. 4 м, распространяясь со скоростью 340 м/с. На это потребуется время t=s : v, т.е.



                              t= 4 м : 340 м/с  ≈ 0,01с.



     В данном случае интервал между двумя воспринимаемыми человеком звуками  - произнесенным и отраженным - значительно меньше того, который необходим, чтобы услышать эхо. Кроме того  образованию  эха в комнате  препятствует находящаяся  в ней мебель, шторы  и другие предметы, частично поглощающие отраженный звук. Поэтому в таком помещении речь людей и другие звуки не искажаются эхом, а звучат четко и разборчиво. 

    Большие полупустые помещения с гладкими стенами, полом и потолком обладают свойством очень хорошо отражать звуковые волны. В таком помещении благодаря набеганию предшествующих звуковых волн на последующие получается наложение звуков, и образуется гул. Для улучшения звуковых свойств больших залов и аудиторий их стены часто облицовывают звукопоглощающими материалами. 

    На свойстве звука отражаться от гладких поверхностей основано действие рупора – расширяющейся трубы обычно круглого или прямоугольного сечения.  При его использовании звуковые волны  не рассеиваются во все стороны, а образуют узконаправленный пучок, за счет чего мощность звука увеличивается и он распространяется на большее расстояние. 







3.Виды эхо:



ЭХО





          Однократное                           Многократное                                                       





      Однократное эхо- это волна, отраженная от препятствия и принятая наблюдателем.

      Обратимся к рисунку:









     Источник звука О находится на расстоянии L от стены. Отражаясь от стены по направлению АВ, звуковая волна возвращается к наблюдателю, и тот слышит эхо.

   Многократное эхо – это эхо, возникающее при каком – нибудь громком звуке, что порождает не один, а несколько следующих друг за другом звуковых откликов.

   Встречается в скалистых местностях, горных районах, в каменных замках.

   Многократное эхо возникает, когда имеется несколько отражающих поверхностей, находящихся на разных расстояниях от источника звука ( наблюдателя). На рисунке показано как может возникнуть двойное эхо.  Первый эхо-сигнал приходит к наблюдателю по направлению АВ, а второй – по СD.  Время прихода первого эхо – сигнала, отсчитываемое от начала исходного сигнала, равно 2L1/с; соответственно время второго – равно 2L2/с.

























4.Как разыскивать эхо?



                                                     Никто его не видывал,

                                                                   А слышать – всякий слыхивал,

                                                      Без тела, а живет оно,

                                                Без языка – кричит.

                                                                                                     Некрасов.

   Среди рассказов американского юмориста Марка Твена есть смешная выдумка о злоключениях коллекционера, возымевшего мысль составить себе коллекцию эхо! Чудак неутомимо скупал все те участки земли, где воспроизводились многократные или чем-либо иным замечательные эхо. 

 «Прежде всего, он купил эхо в штате Джорджия, которое повторялось четыре раза, потом шестикратное в Мериленде, затем 13-кратное в Мэне. Следующей покупкой было 9-кратное эхо в Канзасе, дальнейшей — 12-кратное в Тенесси, дешево приобретенное, потому что нуждалось в ремонте: часть утеса обвалилась. Он думал, что его можно починить достройкой; но архитектор, который взялся за это дело, никогда еще не страивал эха  и потому испортил его в конец,— после обработки оно могло годиться разве лишь для приюта глухонемых...» 

  Это, конечно, шутка, однако замечательные  эхо существуют в различных, преимущественно горных, местностях земного шара, и некоторые издавна приобрели всемирную известность. 

	     Несколько знаменитых многократных эхо:  в замке Вудсток в Англии эхо отчетливо повторяет 17 слогов.  Развалины замка Деренбург возле Гальберштадта давали 27-сложное эхо, которое, однако, умолкло с тех пор, как одна стена была взорвана. Скалы, раскинутые в форме круга возле Адерсбаха в Чехословакии, повторяют  в определенном месте, троекратно 7 слогов; но в нескольких шагах от этой точки даже звук выстрела не дает никакого эхо. Весьма многократное эхо наблюдалось в одном (ныне несуществующем) замке близ Милана: выстрел, произведенный из окна флигеля, повторялся эхом 40—50 раз, а громкое слово — раз 30…  В частном  случае  эхо составляет сосредоточение звука посредством отражения его от вогнутых кривых поверхностей. Так, если источник звука помещен в одном из двух фокусов эллипсоидального свода, то звуковые волны собираются в другом его фокусе. Таким образом объясняется, например, знаменитое "ухо Диониса" в Сиракузах — грот или углубление в стене, из которого каждое слово, произнесенное заключенными в нем, могло быть услышано в некотором удаленном от него месте. Подобным акустическим свойством обладала одна церковь в Сицилии, где в известном месте можно было слышать произносимые шепотом слова в исповедальне. Известны также в этом отношении храм мормонов у Соленого озера в Америке и гроты в монастырском парке Олива около Данцига.  В Олимпии ( Греция) в храме Зевса сохранился до наших дней «Портик Эхо». В нем голос повторяется 5…7 раз. В Сибири на реке Лене севернее Киренска есть удивительное место. Рельеф скалистых берегов там таков, что эхо гудков идущих по реке теплоходов может повторяться до 10 и даже 20 раз (при благоприятных погодных условиях). Такое эхо подчас воспринимается как постепенно затухающий звук, а иногда как звук, порхающий с различных направлений. Многократное эхо можно слышать также на Телецком озере в горах Алтая. Это озеро имеет 80 км в длину и всего несколько километров в ширину; его берега высоки и круты, покрыты лесами. Выстрел из ружья или резкий громкий крик порождает здесь до 10 эхо-сигналов, которые звучат в течение 10…15 с. Любопытно, что часто звуковые отклики представляются наблюдателю приходящими откуда – то сверху, как если бы эхо было подхвачено прибрежными возвышенностями. 

     В зависимости от рельефа местности, места и ориентации наблюдателя, погодных условий, времени года и суток эхо изменяет свою громкость, тембр, длительность; меняется число его повторений. Кроме того, может измениться и частота звукового отклика; она может оказаться более высокой или, напротив, более низкой по сравнению с частотой исходного звукового сигнала.

   Не так просто отыскать место, где эхо отчетливо слышно и один раз. В России, впрочем, найти подобные места сравнительно легко. Есть много равнин, окруженных лесами, много полян в лесах; стоит громко крикнуть на такой поляне, чтобы от стены леса донеслось более или менее отчетливое эхо. 

  В горах эхо бывает разнообразнее, чем на равнинах, зато встречается гораздо реже. Услышать эхо в горной местности труднее, чем на окаймленной лесом равнине. 

   Если представить, что человек  находится  у подножия горы, а препятствие, которое должно отразить звук, помещается выше его, например в АВ. Легко видеть, что звуковые волны, распространяющиеся по линиям Са, СЬ, С c , отразившись, не достигнут его уха, а рассеются в пространстве по направлениям аа, bb, cc . 

     



   Другое дело, если человек поместится  на уровне препятствия или даже чуть выше него. Звук, идущий вниз по направлениям Са, C b, возвратится к нему по ломаным линиям C ааС или С bb С, отразившись от почвы один или два раза. Углубление почвы между обоими пунктами еще более способствует отчетливости эхо, действуя как вогнутое зеркало. Напротив, если почва между точками С и В выпукла, эхо будет слабое и даже совсем не достигнет человеческого уха: такая поверхность рассеивает лучи звука, как выпуклое зеркало. 

Разыскивание эхо на неровной местности требует известной сноровки. Даже найдя благоприятное место, надо еще уметь эхо вызвать. Прежде всего, не следует помещаться чересчур близко к препятствию: надо, чтобы звук прошел достаточно длинный путь, иначе эхо вернется слишком рано и сольется с самим звуком. Зная, что звук проходит 340 м в секунду, легко понять, что, поместившись на расстоянии 85 м от препятствия, мы должны услышать эхо через полсекунды после звука. 

 Хотя эхо родит «на всякий звук свой отклик в воздухе пустом», но не на все звуки откликается оно одинаково отчетливо. Эхо не одинаково, «ревет ли зверь в лесу глухом, трубит ли рог, гремит ли гром, поет ли дева за холмом». Чем резче, отрывистее звук, тем эхо отчетливее. Лучше всего вызвать эхо хлопаньем в ладоши. Звук человеческого голоса для этого менее пригоден, особенно голос мужчины; высокие тона женских и детских голосов дают более отчетливое эхо. 

     Существует  эффект порхающего эха в больших помещениях размером 20 и более метров, когда имеются две параллельные гладкие стены, или потолок и пол, между которыми находится источник звука.    Он называется флаттер. 

     В результате многократного отражения в точке приема звук периодически усиливается, а на коротких импульсных звуках, в зависимости от частотных компонент эха и интервала между ними, приобретает характер дребезга, тресков или ряда последовательных и затухающих сигналов эха.





5.Практическое применение. Эхолокация:

  Долгое время человек не извлекал из эха никакой пользы, пока не придуман был способ измерять с помощью его глубину морей и океанов. Изобретение это зародилось случайно. В 1912 году затонул почти со всеми пассажирами огромный океанский пароход «Титаник»,— затонул от случайного столкновения с большой льдиной. Чтобы предупредить подобные катастрофы, пытались в туман или в ночное время пользоваться эхом для обнаружения присутствия ледяной преграды впереди судна. Способ на практике себя не оправдал, "зато натолкнул на другую мысль: измерять глубину морей с помощью отражения звука от морского дна. Мысль оказалась очень удачной. 

На рисунке, изображенном ниже, показана схема установки. У одного борта корабля помещается в трюме, близ днища, патрон, порождающий при зажигании резкий звук. Звуковые волны несутся сквозь водную толщу, достигают дна моря, отражаются и бегут обратно, неся с собой эхо. Оно улавливается чувствительным прибором, установленным, как и патрон, у днища корабля. Точные часы измеряют промежуток времени между возникновением звука и приходом эхо. Зная скорость звука в воде, легко вычислить расстояние до отражающей преграды, то есть определить глубину моря или океана. 

Эхолот, как назвали эту установку, совершил настоящий переворот в практике измерения морских глубин. Пользование глубомерами прежних систем возможно было лишь с неподвижного судна и требовало много времени. Лотлинь приходится спускать с колеса, на котором он намотан, довольно медленно ( 150 м в минуту); почти так же медленно производится и обратный подъем. Измерение глубины в 3 км этим способом отнимает 3/4 часа. С помощью эхолота тоже измерение можно произвести в несколько секунд, на полном ходу корабля, получая при этом результат, несравненно более надежный и точный. Ошибка в этих измерениях не превосходит четверти метра (для чего промежутки времени определяются с точностью до 3000-й доли секунды). 

Если точное измерение больших глубин имеет важное значение для науки океанографии, то возможность быстро, надежно и точно определять глубину в мелких местах является существенным подспорьем в мореплавании, обеспечивая его безопасность: благодаря эхолоту судно может смело и быстрым ходом приближаться к берегу. 

В современных эхолотах применяются не обычные звуки, а чрезвычайно интенсивные «ультразвуки», неслышимые человеческим ухом, с частотой порядка нескольких миллионов колебаний в секунду. Такие звуки создаются колебаниями кварцевой пластинки (пьезокварца), помещенной в быстропеременное электрическое поле. 











































    Поскольку звуковые волны в воздушной среде обладают постоянной скоростью распространения (около 330 метров в секунду), время, необходимое звуку для возвращения может служить источником данных об удалении предмета. Чтобы определить расстояние до предмета в метрах, необходимо засечь время в секундах до возвращения эха, разделить его на два (звук проходит расстояние до предмета и обратно) и умножить на 330 — получится  примерное расстояние в метрах. На этом принципе основана эхолокация, применяемая, в основном, для промеров глубины водоемов (в этом случае нео бходимо учитывать, что в воде звуковые волны распространяются быстрее, чем в воздухе). Но неверно определять расстояние до молнии по разнице во времени между молнией и громом. Ударная волна движется быстрее скорости звука.

     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 извесной 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 позвляют существенно ускорить процесс эхолокации.

   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.).

    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.

     Радиоволны также обладают возможностью отражаться от непрозрачных для радиоволн (металл, ионосфера или др.) поверхностей — на этом свойстве радиоволн основана радиолокация.

     Эхо является существенной помехой для аудиозаписи. Поэтому стены комнат, в которых проходит запись песен, радиорепортажей, а также начитка текстов телерепортажей, обычно оборудуются звукогасящими экранами из мягких или ребристых материалов, поглощающих звук. Принцип их работы в том, что звуковая волна, попадая на такую поверхность, не отражается обратно, затухает внутри за счёт вязкого трения газа. Этому особенно способствуют пористые поверхности выполненные в виде пирамид, так как даже отражённые волны переизлучаются вглубь впадины между пирамидами и дополнительно ослабляются при каждом последующем отражении.

5.1.Техническое обеспечение эхолокации:

   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 извесной 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 позвляют существенно ускорить процесс эхолокации.

5.2.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.).

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.

	Эхолокационная система  бабочек.

   Совки (Noctuidae), или ночницы, - самое богатое видами семейство чешуекрылых, которое включает более 20 тыс. видов (в нашей стране около 2 тыс. видов).  Теплыми летними вечерами эти пушистые бабочки со сверкающими желтыми глазами часто бьются о стекла дачных веранд, привлеченные светом ламп. К семейству совок принадлежат также красивые крупные бабочки - "ленточницы", или "орденские ленты", (Catocalinae) с красным, желтым или голубым рисунком на задних крыльях. Эти совершенно безобидные создания чаще всего страдают от коллекционеров за свою красоту. Совки кормятся нектаром цветов или забродившим соком растений, но в стадии гусеницы нередко становятся злейшими вредителями сельского хозяйства. Из них особенно известны капустная совка (Mamestra brassicae) и совка озимая (Agrotis segetum).

    Свое название совки получили из-за сходства с совами, а внешний облик тех и других во многом определяется спецификой ночного образа жизни. Имеются и другие элементы конвергентного сходства: зрение, адаптированное к очень низкой освещенности, высокочувствительная слуховая система и, как необходимое условие реализации возможностей слуха, - способность к бесшумному полету. И совы, и совки используют слух при пассивной локации: птицы по характерному шуршанию определяют положение добычи, а бабочки, воспринимая эхолокационные сигналы летучих мышей, могут вовремя сманеврировать и уйти от своего основного врага.

      В отличие от системы пассивной локации сов, эхолокатор летучих мышей - активная система, так как они сами излучают ультразвуковые зондирующие импульсы. С помощью эхолокатора мыши хорошо ориентируются в полной темноте, при полете в густых зарослях улавливают акустические отражения от мелких насекомых даже на фоне листвы. Бабочки могут услышать громкие щелчки мышей с расстояния 35 м; это в пять-шесть раз больше дальности обнаружения насекомого мышью. Такое соотношение заставило хищников перестраивать стратегию охоты. Некоторые виды мышей, подлетая к жертве, не пользуются эхолокатором, а ориентируются на шум полета самого насекомого; другие перестраивают свою локационную систему в сторону снижения громкости зондирующих сигналов и смещения доминирующих частот в те области ультразвукового диапазона, в которых совки менее чувствительны.

      Планомерно изучать акустические взаимоотношения летучих мышей и бабочек начали в 50-е годы с появлением адекватного оборудования. Эти исследования неразрывно связаны с именами американских ученых К.Редера, Э.Трита, Г.Эйджи, В.Адамса, канадца Дж.Фулларда и датских биоакустиков под руководством А.Михельсена. Благодаря усилиям этих и многих других исследователей были установлены основные количественные соотношения в системе "эхолокационного противодействия" ночных бабочек и летучих мышей.

     Однако не все известные факты хорошо вписывались в концепцию защитной функции слуховой системы бабочек. В частности, совки, обитающие на островах (Гавайских и Фарерских), где нет летучих мышей, тем не менее воспринимают ультразвуки так же хорошо, как и их континентальные собратья. Возможно, предки островных бабочек когда-то соседствовали с летучими мышами, но их пространственная изоляция от хищников длится уже несколько десятков тысяч лет. Сохранность у островных совок высокой акустической чувствительности в широком диапазоне частот указывает на то, что их слуховая система может выполнять не только функцию защиты от летучих мышей. Интересно, что у бабочек, перешедших от ночного образа жизни к дневному, обнаружены признаки редукции слуховой системы.

     Еще в прошлом веке было известно, что многие ночные бабочки в полете сами издают короткие щелчки. Сигналам медведиц (Arctiidae) ныне приписывают защитно-предупредительную функцию, поскольку в отличие от большинства других эти насекомые несъедобны. Совки (как самцы, так и самки) в полете также могут щелкать. Человек способен услышать эти звуки, напоминающие тихие разряды статического электричества. Субъективно невысокую громкость щелчков можно объяснить тем, что только малая часть спектральных составляющих сигнала сосредоточена в том диапазоне частот, который доступен нашему слуху. Способность совок к акустической эмиссии нельзя объяснить в рамках сложившейся концепции защитного поведения, поскольку, издавая ультразвуки, они только демаскируют себя перед летучими мышами, использующими при эхолокации тот же диапазон частот.



Совка, освещенная импульсной лампой в момент регистрации эхолокационного щелчка.





Осциллограмма и спектр акустического щелчка совки Amphipyra perflua. По вертикальной оси спектрального графика - амплитуда (относ. ед.) гармонических составляющих в линейном масштабе. 

    Предположение о способности ночных бабочек к эхолокации впервые высказал английский энтомолог Г.Е.Хинтон на заседании Лондонского Королевского энтомологического общества в 1955 г. Идея вызвала резонанс: появилось несколько работ, в том числе с теоретическими расчетами возможной дальности действия эхолокатора бабочек. Оценки разных исследователей отличались более чем на порядок - от 10 см до 2 м. И хотя техника 50-х годов уже позволяла экспериментально проверить эхолокационную гипотезу, это направление по каким-то причинам не получило развития.

    О способности ночных бабочек к активной акустической локации писал отечественный энтомолог Г.Н.Горностаев. "Принято считать, что тимпанальные органы бабочек служат для перехвата ультразвуковых импульсов охотящейся летучей мыши. Однако едва ли эта их роль является основной, а тем более единственной. На наш взгляд, бабочки, летающие в самое темное время суток, должны иметь, подобно летучим мышам, эхолокационную систему, в которой тимпанальные органы могли бы выполнять функцию приемников отраженных сигналов"1.

    Для того чтобы проиллюстрировать динамику полета совки средних размеров (длиной 3 см) со скоростью 1 м/с в привычных человеку масштабах, проведем простой расчет: за 1 с бабочка пролетает 1 м или 33 своих габарита. Автомобиль длиной 3 м, проезжающий за 1 с 33 свои длины, движется со скоростью 100 м/с или 360 км/ч. Какое надо иметь зрение, чтобы при такой скорости ориентироваться, пользуясь светом от звезд? Следует отметить, что совки на открытых пространствах летают со скоростью, значительно превышающей 1 м/с. Однако в зарослях бабочки обычно летят медленно, но и освещенность там за счет затенения листвой примерно на порядок меньше, чем под звездным небом. Таким образом, даже очень чувствительного зрения может быть недостаточно для ориентации в быстро меняющейся обстановке. Надо, правда, признать, что в отличие от автомобиля столкновение насекомого с препятствием не станет столь катастрофическим событием.

    При планировании экспериментов по изучению эхолокационных способностей бабочек нам пришлось решать целый комплекс взаимно противоречивых задач. Первая и, может быть, наиболее сложная - как разделить ориентацию, основанную на эхолокационной и зрительной информации? Если бабочкам замазать глаза какой-нибудь краской, они перестают летать, а если опыты проводить в темноте, то как регистрировать поведение насекомого? Инфракрасную технику мы не стали использовать, поскольку у ночных бабочек уже давно подозревают способность воспринимать длинноволновое оптическое излучение. Во-вторых, бабочки во время полета сильно возмущают воздушную среду. Рядом с летящим насекомым и за ним от каждого взмаха образуются воздушные вихри. Предметы, попадающие в зону этих вихрей, неминуемо искажают воздушные потоки, а такие изменения бабочка в принципе может почувствовать с помощью многочисленных механорецепторов, расположенных на ее крыльях и теле. И наконец, при постановке опытов желательно иметь какую-то априорную информацию о параметрах гипотетической эхолокационной системы, так как экспериментальные установки, основанные на расчетной дальности действия 10 см и 2 м, могут быть конструктивно совершенно разными.

Эхолокация у дельфинов.

  

  Лет двадцать тому назад дельфины были в большой моде. Не было недостатка в фантастических спекуляциях на любую тему, касавшуюся этих животных. Со временем мода прошла, и спекуляции заслуженно забыты. 

   А что же осталось? То, что привлекало ученых с самого начала. Дельфины - весьма своеобразно устроенные животные. Из-за исключительно водного образа жизни все системы организма дельфина - органы чувств, системы дыхания, кровообращения и др. - работают в совершенно иных условиях, чем аналогичные системы наземных млекопитающих. Поэтому изучение дельфинов позволяет по-новому взглянуть на многие функции организма и глубже понять фундаментальные механизмы, лежащие в их основе. 

  Среди всех систем организма дельфина одна из самых интересных - слуховая. Дело в том, что под водой возможности зрения ограничены из-за невысокой прозрачности воды. Поэтому основные сведения об окружающей обстановке дельфин получает с помощью слуха. При этом он использует активную локацию: анализирует эхо, возникающее при отражении издаваемых им звуков от окружающих предметов. Эхо дает точные сведения не только о положении предметов, но и об их величине, форме, материале, т.е. позволяет дельфину создать картину окружающего мира не хуже или даже лучше, чем с помощью зрения. То, что дельфины имеют необычайно развитый слух, известно уже десятки лет. Объем отделов мозга, ответственных за слуховые функции, у дельфинов в десятки  раз больше, чем у человека (хотя общий объем мозга примерно одинаков). Дельфины воспринимают частоты акустических колебаний почти в 8 раз более высокие (до 150 кГц), чем человек (до 20 кГц). Они способны слышать звуки, мощность которых в 10-30 раз ниже доступных слуху человека. Но чтобы ориентироваться в обстановке с помощью слуха, мало слышать звуки. Нужно еще тонко отличать один звук от другого. А способность дельфинов к различению звуковых сигналов была исследована слабо. Мы постарались восполнить этот пробел. 

   Звук - колебания воздуха, воды или другой среды с частотами от 16 до 20000 Гц. Любой естественный звук - это набор колебаний разных частот. От того, из колебаний каких частот составлен звук, зависят его высота, тембр, т.е. то, чем один звук отличается от другого. Ухо животного или человека способно анализировать звук, то есть определять, из какого набора частот он состоит. Это обусловлено тем, что ухо работает как набор частотных фильтров, каждый из которых откликается на свою частоту колебаний. Чтобы анализ был точным, настройка частотных фильтров должна быть "острой". Чем острее настройка, тем меньшую разницу частот различает ухо, тем выше его частотная разрешающая способность (ЧРС). Но звук - не просто набор колебаний разных частот. Каждое из них еще меняется со временем: становится то сильнее, то слабее. Слуховая система должна успевать отслеживать эти быстрые изменения звука, и чем лучше она это делает, тем богаче сведения о свойствах звука. Поэтому помимо ЧРС очень важна временная разрешающая способность (ВРС). ЧРС и ВРС определяют способность отличать один звук от другого. Именно эти характеристики слуха  измеряют у дельфинов. 

   Чтобы измерить какую-либо характеристику слуха, нужно решить две задачи. Во-первых, нужно подобрать пробные сигналы, то есть звуки с такими свойствами, чтобы возможность услышать их зависела от измеряемого свойства слуха. Например, чтобы измерить чувствительность, нужно использовать звуки разной интенсивности: чем слабее звук, который удается услышать, тем чувствительность выше. Для измерения разрешающей способности набор пробных звуков должен быть сложнее, но об этом - ниже. Во-вторых, нужно узнать, слышит или не слышит животное пробный сигнал.      Начнем со второй задачи. Чтобы узнать, что слышит дельфин, мы использовали регистрацию электрической активности мозга. При воздействии звука одновременно возбуждается много клеток, и продуцируемые ими электрические потенциалы складываются в довольно мощный сигнал, называемый вызванным потенциалом (ВП). Электрическую активность отдельной нервной клетки можно зарегистрировать только введя микроскопический датчик-электрод в мозг животного. На высокоорганизованных животных такие эксперименты запрещены. Суммарную же активность многих клеток (т.е. ВП) можно зарегистрировать, прикоснувшись электродом к поверхности головы. Такая процедура совершенно безвредна. ВП - хороший показатель того, слышит ли дельфин звук. Если после подачи звука зарегистрирован ВП, значит, слуховая система реагирует на этот звук. Если величина ВП падает - звук воспринимается на пределе возможного. Если ВП нет - скорее всего, звук не воспринимается. А теперь о пробных сигналах, которые используются для измерения ЧРС. Для измерения используется прием, называемый маскировкой. Сначала дается пробный сигнал - посылка звука определенной частоты. Этот звук вызывает электрический ответ мозга - ВП. Затем к звуку добавляется другой звук - помеха. Помеха заглушает пробный сигнал, который становится хуже слышимым, и амплитуда ВП падает. Чем сильнее помеха, тем сильнее заглушение, и при определенной интенсивности помехи ВП совсем исчезает: достигнут порог маскировки. Маскировка используется для измерения ЧРС потому, что она зависит от частотно-избирательных свойств слуха. При различных частотах пробы и помехи, для маскировки помеха нужна намного сильнее, чем когда частоты совпадают. Это и есть проявление частотной селективности: слуховая система способна разграничить частоты пробного сигнала и помехи, если они различаются. Чем острее частотная селективность, тем резче маскировка ослабевает при различии частот пробы и помехи. Чтобы получить точные количественные данные, нужно найти, как пороги маскировки зависят от разности частот между пробой и помехой. 

Основной результат, полученный при измерении ЧРС методом маскировки: острота слуховых фильтров, настроенных на разные звуковые частоты. Чтобы охарактеризовать остроту фильтров, здесь использован показатель, называемый отношением частоты настройки к эквивалентной ширине фильтра. Не будем вдаваться в детали того, как он вычисляется: важно, что это единая оценка для всех настроечных кривых, и чем выше этот показатель, тем острее настройка. О чем говорят эти результаты? 

Прежде всего - об исключительно высокой ЧРС, особенно в области высоких частот (десятки кГц). Здесь уровень ЧРС доходит до 50 единиц, т.е. слух дельфина различает частоты, отличающиеся всего на 1/50. Это в 4-5 раз лучше, чем у других животных и у человека. Но такая высокая ЧРС наблюдается только в области высоких частот, недоступных слуху человека. В том диапазоне, который доступен слуху и человека, и дельфина, ЧРС слуха дельфина заметно меньше - примерно как у человека. Как измерить временную разрешающую способность слуха? Для этого есть несколько способов. Можно использовать пары коротких звуковых импульсов: если интервал между импульсами в паре больше некоторой величины, то они слышатся раздельно, а если меньше, то сливаются в один щелчок. Тот минимальный интервал, при котором можно расслышать два отдельных импульса - мера ВРС. Можно использовать звук, интенсивность которого ритмически пульсирует (модуляция звука): та предельная частота пульсаций, при которой они еще не сливаются в монотонный звук, - тоже мера ВРС. Еще один способ: в непрерывном звуке делается короткая пауза. Если длительность паузы очень мала, то она "проскакивает" незамеченной. Минимальная длительность паузы, при которой ее можно обнаружить, - тоже мера ВРС. А как узнать, слышит ли животное повторный звуковой импульс, или пульсации громкости, или короткую паузу? Тоже регистрируя ВП. С уменьшением длительности паузы уменьшается и ВП, пока не исчезнет совсем. Так же определяется слышимость и других пробных сигналов. Эксперименты дали впечатляющие результаты. ВРС у дельфина оказалась не в 2-3, и даже не в 10, а в десятки (почти в 100) раз выше, чем у человека. Слух человека позволяет различать интервалы времени более одной сотой секунды (10 мс). Дельфины различают интервалы в десятитысячные доли секунды (0,1-0,3 мс). Пульсации громкости звука вызывают ВП, когда их частота приближается к 2 кГц (у человека - 50-70 Гц). 

   Почему вообще слуховая система имеет тот или иной предел ЧРС и ВРС? Простейший ответ: потому что это предел возможного для природы. Именно такое впечатление создавалось в результате изучения слуха человека и многих лабораторных животных: у всех у них ЧРС и ВРС довольно близки. Но дельфины показывают, что на самом деле слуховой системе доступны и намного более острая частотная настройка, и лучшее различение интервалов времени. Почему же таких показателей не достигла слуховая система других животных? По-видимому, все дело в неизбежном противоречии между частотной и временной разрешающей способностью: чем лучше ЧРС, тем хуже ВРС, и наоборот. Это чисто математическая закономерность, справедливая для любой колебательной системы, а не только для уха: если система остро настроена на определенную частоту (высокая частотная селективность), то она имеет низкое временное разрешение. Это можно выразить простым соотношением: Q = F/B, где Q - частотная селективность (острота), F - частота, на которую настроен фильтр, B - полоса пропускания фильтра (т.е. диапазон частот, который он пропускает). Темп, с которым может меняться амплитуда сигнала, зависит от B: чем она больше, тем более быстрые изменения сигнала фильтр пропускает, но тем он "тупее" (меньше Q). Поэтому слуховая система должна найти некоторый компромисс между ЧРС и ВРС, ограничив обе эти характеристики на некотором уровне. Улучшение одной из них возможно только за счет ухудшения другой. Противоречие между ЧРС и ВРС становится менее драматическим по мере увеличения частоты F: При высокой частоте можно сочетать широкую полосу B с острой избирательностью Q. Именно это и наблюдается у дельфина, который освоил диапазон ультразвуковых частот. Например, при частоте звука 100 кГц и Q = 50 (очень высокая селективность) полоса пропускания фильтра B = 2 кГц, т.е. возможна передача очень быстрых, до 2 кГц, модуляций звука. А на частоте 1 кГц фильтр с такой же селективностью позволил бы пропускать модуляции с частотой только 20 Гц - это слишком мало. Тут необходим компромисс: например, при частотной селективности равной 10 возможна передача модуляций до 100 Гц, это уже приемлемо. И действительно, именно таковы ЧРС и ВРС на этой частоте и у человека, и у дельфина. Значит, ЧРС и ВРС слуха реально обусловлены не пределом возможного для слуховой системы, а разумным компромиссом между этими двумя характеристиками. Так исследование, казалось бы, экзотического животного позволяет понять фундаментальные принципы построения слуховой системы всех животных и человека. 

   Сигналы, издаваемые дельфинами, используются для связи и ориентации по отраженным звукам. Сигналы у одного и того же вида разнообразны. Оказалось, что имеются сигналы питания, беспокойства, страха, бедствия, спаривания, боли и т.п. Замечены также видовые и индивидуальные отличия в сигналах китообразных. По сигналам высокой частоты, улавливая эхо этих сигналов, животные ориентируются в пространстве. С помощью эха дельфины даже с закрытыми глазами могут находить пищу не только днем, но и ночью, определять глубину дна, близость берега, погруженные предметы. Их эхолокационные импульсы человек воспринимает как скрип двери, поворачивающейся на на ржавых петлях. Свойственна ли эхолокация усатым китам, издающим сигналы с частотой лишь до нескольких килогерц, пока не выяснено.



     Звуковые волны дельфины посылают направленно. Жировая подушка, лежащая на челюстных и межчелюстных костях, и вогнутая передняя поверхность черепа действуют как звуковая линза и рефлектор: они концентрируют сигналы, излученные воздушными мешками, и в виде звукового пучка направляют их на лоцируемый объект. Экспериментальные доказательства действия такого ультразвукового прожектора получены в СССР (Е.В.Романенко, А.Г.Томилин, Б.А.Артеменко) и за рубежом (В.Эванс, Д.Прескотт, В.Сутерланд, Р.Бейл). Образование эхолокационного аппарата с системой воздушных мешков, возможно, и привело к асимметрии черепа: кости рыла зубатых китов справа и слева развиты неодинаково, особенно в зоне излучения звуков. Связывают это с тем, что один звуковой проход больше используется для издавания звуков, а другой - для дыхания.

5.3.Эхолокация слепых людей.

   Для ориентировки в мире люди со зрительными нарушениями вполне могут использовать эхолокацию, причём — собственную, "природную", не требующую применения никаких технических приспособлений. Удивительно, что человек с такими умениями может многое, даже кататься на велосипедах или роликовых коньках. 

Кажется невероятным, но использовать эхолокацию люди могут, в общем-то, так же, как ею пользуются животные, вроде летучих мышей или дельфинов. Человека можно научить распознавать звуковые волны, отражённые окружающими объектами, определять положение, удалённость и даже размер объектов, находящихся поблизости. 

Соответственно, если бы у человека была возможность узнать, где и что находится, то он мог бы перемещаться в пространстве безо всяких проблем. Такая методика ориентации уже разработана и преподаётся слепым людям. 

Разработчик и популяризатор человеческой эхолокации (human echolocation — так называется эта техника) – Дэниел Киш (Daniel Kish). Сам он совершенно слепой и научился ориентироваться в окружающем мире с помощью звуков. Суть способа очень проста: он щёлкает языком и слушает эхо, возникающее при отражении звуков от разных поверхностей. 

Казалось бы, этой методикой можно пользоваться лишь "постольку-поскольку", ведь эхо едва слышно. Однако это совсем не так: с её помощью Дэниел может перемещаться по заросшей местности и даже – уж во что трудно поверить! – кататься на велосипеде. 

Некоторые слепые люди считают, что некоторые их ощущения имеют экстрасенсорную природу. Например, такой человек, прогуливаясь по аллее, может почувствовать "давление" со стороны каждого дерева, мимо которого проходит. Причина этого вполне объяснима: очевидно, дело в эхе от их шагов, которое обрабатываются подсознанием. Более того, как оказывается, это такой опыт, который вполне можно перенять. 



6. Мировое эхо:

     Неоднократно фиксировавшиеся с самого начала эры радио  задержки радиосигналов называютя  "парадокс Штермера", "мировое эхо", "long delayed echoes" (LDE). Имеются в виду радиоэхо с очень длительными задержками и аномально малыми потерями энергии. В отличие от известных эхо с задержками в доли секунды, механизм которых давно объяснен, задержки радиосигналов в секунды, в десятки секунд и даже минуты остаются одной из самых давних и интригующих загадок физики ионосферы. Сейчас трудно себе представить, но в начале века любые зарегистрированные радиошумы первым делом и с легкостью эпохи штурма и натиска, рассматривались как сигналы внеземной цивилизации:

"Отмеченные мной перемены происходили в определенное время, и аналоги между ними и цифрами была настолько четкой, что не мог увязать их ни с одной известной мне причиной. Мне знакомы естественные электрические помехи возникающие из-за солнца, полярного сини и теллурических токов, и я был уверен, как только можно быть уверенным в фактах, что эти помехи не вызваны ни одной из обычных причин... Только через какое-то время меня осенило, что наблюдаемые мною помехи могли возникнуть в результате сознательных действий. Все сильнее охватывает меня предчувствие, что первым услышал приветствие от одной планеты другой... Несмотря на слабость и нечеткость, оно дало мне глубокую убежденность и веру, что вскоре все люди как один устремят на небосвод над нами взгляды, переполненные любовью и почтением, захваченные радостной новостью: Братья! Мы получили сообщение с другой планеты, неизвестной и далекой. И звучало оно: раз... два... три..."
                                                                                                              Николай Тесла, 1900

    Но с LDE было не так, - идея о том, что радиоэхо может быть искусственным явлением, своеобразной визитной карточкой; внеземного спутника, привлекающего наше внимание, эта идея была выдвинута только после публикации астрономом Рональдом Брейсуэллом краткой заметки напечатанной в журнале Nature, в 1960 году. В начале же, LDE были восприняты как свидетельства наличия в космическом пространстве специфических облаков быстро движущейся плазмы, способных не просто отражать радиосигналы, подобно земной ионосфере, но и фокусировать исходный сигнал так, что мощность отраженного сигнала превышает треть мощности исходного! Исходным моментом послужило письмо инженера Йоргена Халса известному астрофизику Карлу Штермеру.

   Астрофизик Штермер, физик Ван-дер-Поль (знаменитое уравнение Ван-дер-Поля) и инженер Халс организовали серию экспериментов, целью которых было: проверить наличие феномена и его частоту проявления.

    В 1927 году передатчик, расположенный в Эйндховене начал передавать импульсы, которые регистрировались Халсом в Осло. Первоначально каждый сигнал представлял собой последовательность трех точек Морзе. Эти сигналы Повторялись каждые 5 секунд. В сентябре режим передатчика был изменен: интервалы были увеличены до 20 секунд. Детали эксперимента описаны недостаточно подробно, так как публикация условий эксперимента произошла в трудах конференции и в ограниченном объеме. 11 октября 1928 года, наконец, были зарегистрированы серии радиоэхо, об этом Ван-дер Поль сообщает в своей телеграмме Штермеру и Халсу: "Прошлой ночью наши сигналы сопровождались эхо, время эхо варьировалось между 3 и 15 секундами, половина эхо больше чем 8 секунд!" Халс и Штермер в свою очередь подтвердили получение эти эхо в Осло. Были получены несколько серий эхо. Регистрировавшиеся радиозадержки варьировались от 3 секунд, до 3.5 минут! В ноябре 1929 года эксперимент был завершен. Были точно зарегистрированные 5 серий радиозадержек.   В мае того же 1929 года Ж. Голль и Г. Талон провели новое успешное исследование LDE феномена.

   В 1934 году феномен "задержанного радиоэха" наблюдал англичанин Е.Эпплтон и его данные, оформленные в виде гистограммы, являются одними из наиболее четко оформленных материалов по LDE экспериментам.





    В 1967 году эксперименты по обнаружению LDE проводились в Стэнфордском университете Ф.Кроуфордом. Феномен удалось подтвердить, но особо длинные радиоэхо и серии, подобные тем, что наблюдались в 20-30-х годах, не были обнаружены. Часто встречались задержки со временами 2 и 8 секунд, со сдвигом частоты и сжатием времени между импульсами эхо по сравнению со времене между импульсами основного сигнала. Опыт исследования известных данных LDE приводит к еще одному любопытному наблюдению - в любом новом диапазоне радиоволн, т.е. в том диапазоне, который только начинает использоваться, феномен проявляется четко и серийно, так же, как и в 20-х годах, затем, по прошествии нескольких лет эхо "расплываются" и перестают фиксироваться серии.

     Английский астроном Лунен обратил внимание на то, что эхо, наблюдавшиеся в 20-х годах, были свободны от временного сжатия, и не было доплеровского сдвига частот, и интенсивность штермеровских частот оставалась постоянной, независимо от времени запаздывания. Последний факт очень трудно объяснить, оставаясь в рамках предположений о естественности сигнала - естественные радиоэхо с задержкой 3 секунды и 3 минуты принципиально не могут быть одной интенсивности - происходит рассеивание сигнала, так как волна испускаемая передатчиком это все-таки не когерентный лазерный импульс!

    Именно Дункан Лунен выдвинул гипотезу о том, что эхо штермеровских серий представляет собой сигнал межзвездного зонда и изменение времени запаздывания представляет собой попытку передачи какой-то информации. Предполагая, что информация эта о месте нахождении планетной системы, с которой прибыл зонд, он, основываясь на аналогии с картиной созвездий на звездной сфере, пришел к выводу, что родная звезда отправителей зонда - это эпсилон Волопаса. Им была рассмотрена одна из штермеровских серий 1928 года.

    Произвольность геометрических построений Лунена была показана почти сразу же и не скептиками, а самими энтузиастами - болгарские любители астрономии с помощью иного способа дешифровки получили другую "родину" отправителей - звезду дзета Льва, а способ расшифровки А.Шпилевского, наконец, позволил получить и всем известную, так всеми ожидаемую, тау Кита.

    Сложившаяся ситуация была очень похожа на ту, которую описал в своем романе "Глас Господа" Станислав Лем - краткая заметка, промелькнувшая в печати и содержащая намек на Контакт была утоплена в море псевдонаучных публикаций, после которых любой серьезный человек не рассматривал весь массив информации без предвзятости. Правда в случае Лунена не понадобилось участие спецслужб, и не понадобилась, дезинформация - все случившееся можно рассматривать, как процедуру верификации, проведенную, как мы уже упоминали, самими энтузиастами ... То, что подобные "картинки" можно продуцировать без особого труда показывает рисунок, изображенный ниже. 





     На нем изображены координаты импульсов зарегистрированных в эксперименте МЕТА и опубликованные в Астрофизическом журнале. Каждый из этих импульсов был подобен широко известному "сигналу" Wow! и они были зарегистрированы на той самой "горячей" линии – волне длиной 21 см!  Если соединить небесные координаты сигналов по порядку определяемому датами, то получается "траектория" некоего космического корабля. 

    Казалось бы все - вот они! Но, к сожалению, это всего лишь артефакт - устройство, с помощью которого сканировалось небо, сканировало лишь очень маленький интервал по вертикали, и день ото дня интервал этот поднимался вверх, а затем, достигнув максимальной вертикальной отметки, начал опускаться вниз. 



















	

	

	7.Список использованной литературы:

	1. Учебник физики  9 класс / А.В.Перышкин, Е.М.Гутник - Москва : «Дрофа», 2004;

	2. Занимательная физика; книга 1/ Я.И.Перельман – Москва: «Наука», 1986;

	3. Физика в природе; книга для учащихся / Л.В.Тарасов – Москва : «Просвещение», 1988;

	4. Что? Зачем? Почему? большая книга вопросов и ответов / Пер. К.Мишиной, А.Зыковой – Москва: «ЭКСМО – Пресс», 2002;

	5. Теория звука 2 том/ Р э л е и Д ж. пер. с англ. - Москва, 1955; 6. Эхо в жизни людей и животных/ Г р и ф ф и н  Д. пер. с англ.- Москва, 1961;

	7. Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия; 2 CD – 2002;

	8. Европейские поэты Возрождения. – Москва ;: Художественная  литература; 1974;

       9. Эхо в жизни людей и животных, пер. с англ., Гриффин Д., Москва, 1961;
       10. Навигацион-ные эхолоты, Федоров И. И., Москва, 1948;

       11. Эхолоты и другие гидроакустические средства, Федоров И. И.,  1960; 

       12. Навигационные эхолоты, “Техника и вооружение”, Толмачев Д., Федоров И., 1977;

	       13.   Эхолокация в природе, 2 изд.,  Айрапетьянц Э. Ш., Константинов А. И, 1974. 

	





2