Upotreba ultrazvuka u prirodi i tehnologiji. Kratka poruka o ultrazvuku

Razvojem akustike krajem 19. vijeka otkriven je ultrazvuk, u isto vrijeme počinju i prve studije ultrazvuka, ali su temelji za njegovu primjenu postavljeni tek u prvoj trećini 20. stoljeća.

Ultrazvuk i njegova svojstva

U prirodi se ultrazvuk nalazi kao sastavni dio mnogih prirodnih zvukova: u buci vjetra, vodopada, kiše, morskog kamenčića, kotrljanog daskom, u pražnjenjima groma. Mnogi sisari, poput mačaka i pasa, imaju sposobnost percepcije ultrazvuka frekvencije do 100 kHz, a lokacijske sposobnosti slepih miševa, noćnih insekata i morskih životinja su svima dobro poznate.

Ultrazvuk- mehaničke vibracije iznad frekventnog opsega koji se čuje ljudskom uhu (obično 20 kHz). Ultrazvučne vibracije putuju u talasnom obliku, sličnom širenju svetlosti. Međutim, za razliku od svjetlosnih valova, koji mogu putovati u vakuumu, ultrazvuk zahtijeva elastični medij kao što je plin, tekućina ili čvrsta supstanca.

Glavni parametri talasa su talasna dužina, frekvencija i period. Ultrazvučni talasi se po svojoj prirodi ne razlikuju od talasa čujnog opsega i poštuju iste fizičke zakone. Ali, ultrazvuk ima specifične karakteristike koje su odredile njegovu široku upotrebu u nauci i tehnologiji. Evo glavnih:

• 1. Kratka talasna dužina. Za najniži ultrazvučni opseg, talasna dužina ne prelazi nekoliko centimetara u većini medija. Kratka talasna dužina određuje prirodu zraka širenja ultrazvučnih talasa. U blizini emitera, ultrazvuk se širi u obliku snopa bliskih veličini emitera. Prilikom udaranja u nehomogenosti u mediju, ultrazvučni snop se ponaša kao svjetlosni snop, doživljava refleksiju, prelamanje i rasipanje, što omogućava formiranje zvučnih slika u optički neprozirnim medijima koristeći čisto optičke efekte (fokusiranje, difrakcija, itd.).
• 2. Kratak period oscilovanja, koji omogućava emitovanje ultrazvuka u obliku impulsa i preciznu vremensku selekciju propagirajućih signala u medijumu.

Mogućnost dobijanja visokih vrednosti energije vibracija pri maloj amplitudi, jer energija oscilacija je proporcionalna kvadratu frekvencije. Ovo omogućava stvaranje ultrazvučnih zraka i polja sa visokim nivoom energije bez potrebe za velikom opremom.

U ultrazvučnom polju se razvijaju značajne akustične struje. Dakle, uticaj ultrazvuka na okolinu stvara specifične efekte: fizičke, hemijske, biološke i medicinske. Kao što su kavitacija, zvučno-kapilarni efekat, disperzija, emulzifikacija, otplinjavanje, dezinfekcija, lokalno grijanje i mnogi drugi.

Potrebe ratne mornarice vodećih sila - Engleske i Francuske, za proučavanjem morskih dubina, izazvale su interesovanje mnogih naučnika iz oblasti akustike, jer. ovo je jedini tip signala koji može daleko putovati u vodi. Tako je 1826. godine francuski naučnik Colladon odredio brzinu zvuka u vodi. Godine 1838. u Sjedinjenim Državama zvuk je prvi put korišten za određivanje profila morskog dna kako bi se položio telegrafski kabel. Rezultati eksperimenta bili su razočaravajući. Zvuk zvona davao je preslab odjek, gotovo nečujan među ostalim zvukovima mora. Trebalo je ići u područje viših frekvencija, što bi omogućilo stvaranje usmjerenih zvučnih zraka.

Prvi ultrazvučni generator napravio je 1883. godine Englez Francis Galton. Ultrazvuk je nastao kao zviždaljka na ivici noža ako duneš na njega. Ulogu takve tačke u Galtonovom zvižduku igrao je cilindar oštrih ivica. Vazduh ili drugi gas koji je izlazio pod pritiskom kroz prstenastu mlaznicu prečnika istog prečnika kao ivica cilindra ulazio je u ivicu i dolazilo je do visokofrekventnih oscilacija. Duvanjem vodonika u pištaljku bilo je moguće dobiti oscilacije do 170 kHz.

Godine 1880. Pierre i Jacques Curie su napravili odlučujuće otkriće za ultrazvučnu tehnologiju. Braća Curie primijetili su da kada se pritisak primjenjuje na kristale kvarca, stvara se električni naboj koji je direktno proporcionalan sili primijenjenoj na kristal. Ovaj fenomen je nazvan "piezoelektricitet" od grčke riječi koja znači "pritisnuti". Osim toga, demonstrirali su inverzni piezoelektrični efekat, koji se javlja kada se električni potencijal koji se brzo mijenja na kristal primjenjuje, uzrokujući da on vibrira. Od sada je tehnički postalo moguće proizvoditi male odašiljače i prijemnike ultrazvuka.

Smrt Titanica od sudara sa santom leda, potreba za borbom protiv novog oružja - podmornice zahtijevale su brz razvoj ultrazvučne hidroakustike. Godine 1914. francuski fizičar Paul Langevin, zajedno sa talentiranim ruskim naučnikom emigrantom, Konstantinom Vasiljevičem Šilovskim, prvi je razvio sonar koji se sastoji od ultrazvučnog emitera i hidrofona - prijemnika ultrazvučnih vibracija zasnovanih na piezoelektričnom efektu. Sonar Langevin - Shilovsky, bio je prvi ultrazvučni uređaj primenjeno u praksi. Istovremeno, ruski naučnik S.Ya.Sokolov razvio je osnove ultrazvučne detekcije grešaka u industriji. Godine 1937. njemački psihijatar Karl Dussik, zajedno sa svojim bratom Friedrichom, fizičarem, prvi je koristio ultrazvuk za otkrivanje tumora na mozgu, ali rezultati koje su dobili bili su nepouzdani. U medicinskoj praksi ultrazvuk je prvi put korišten tek 50-ih godina 20. stoljeća u Sjedinjenim Državama.

Oscilacije frekvencije od 20 do 20.000 Hz percipiramo kao zvuk. Ali zvuk nije ograničen na frekvencijski opseg koji ljudsko uho percipira. U zoni sa frekvencijama ispod čujnih leži oblast infrazvuka, a iznad - ultrazvuka.

Definicija 1

Ultrazvuk- elastične oscilacije medija, talasi koji leže u opsegu iznad čujnog područja zvukova (od 20.000 Hz).

Definicija 2

infrazvuk- zvučni talasi sa frekvencijom nižom od praga percepcije od strane ljudskog uha (ispod 20 Hz).

Predstavljamo čitav spektar elastičnih talasa u fizici:

Ultrazvuk i infrazvuk u prirodi

U prirodi su ultrazvuk i infrazvuk rašireni kao i zvučni zvuk.

Na primjer, ultrazvuk je komponenta spektra mnogih prirodnih zvukova: zvuk vodopada, grmljavina. Ultrazvuk brzo slabi u vazduhu, ali se dobro širi u tečnim medijima. Drugi primjer su slepi miševi i neki glodavci koji koriste ultrazvuk za lov i navigaciju u mraku. Kitovi i delfini također generiraju ultrazvučne signale za različite svrhe: lov, plovidbu u nemirnim vodama.

Među prirodnim izvorima infrazvuka: zemljotresi, uragani, udari groma. Mnoge životinje osjećaju učinak infrazvuka i, fiksirajući rastuću infrazvučnu buku, odlaze u sklonište, jer je infrazvuk predznak oluje ili oluje. Infrazvučne signale u divljini koriste i neke životinje za komunikaciju: kitovi, slonovi. Infrazvuk se širi na velike udaljenosti u svim medijima i malo je podložan apsorpciji.

Upotreba ultrazvuka i infrazvuka

Ultrazvuk je poznat ljudima već dugo vremena, ali tek relativno nedavno se aktivno koristi u medicini, proizvodnji i naučnim istraživanjima.

Izvori dobijanja ultrazvuka dijele se na prirodne i umjetne. Među načinima za dobijanje ultrazvuka:

1. Mehanički - žice, cijevi, elastične ploče.
2. Toplotno - impulsna struja i električna pražnjenja u tečnostima i gasovima sa stalnim porastom temperature.
3. Optički - laser.

Infrazvuk nalazi manje praktičnu primjenu i ima negativne posljedice od utjecaja na tijelo. Pri visokim nivoima infrazvuka može doći do pretjeranog umora, pospanosti, agresivnosti i osjećaja pritiska u ušima. Utjecaj infrazvuka na osobu posebno je štetan ako je infrazvuk visok. Na nivou od 180-190 dB, djelovanje infrazvuka je smrtonosno. Međutim, osjetljivost svake osobe na infrazvuk je individualna, a uobičajeni nivoi infrazvuka u svakodnevnom životu ne mogu ozbiljno naštetiti zdravlju.

Primjer

Šišmiš emituje ultrazvuk frekvencije ϑ = 45 kHz i leti okomito na zid brzinom v = 6 m/s. Koja je frekvencija reflektiranog ultrazvuka koju će miš čuti? Pretpostavlja se da je brzina zvuka u vazduhu c = 340 m/s.

Prema Doplerovom efektu, frekvencija reflektiranog zvuka određena je omjerom:

ϑ 1 = c + v c - v ϑ = 340 + 6 340 - 6 45 10 3 = 46, 6 kHz.

Ako primijetite grešku u tekstu, označite je i pritisnite Ctrl+Enter

Frekvencijski opseg ultrazvuka se može podijeliti u tri područja: Niske frekvencije (Hz) - ULF. Srednje frekvencije (Hz) - UCH. Visoke frekvencije (Hz) - UZVCH. Svaku od ovih podoblasti karakteriziraju svoje karakteristike, vrijeme, udaljenost širenja i primjena.

Fizička svojstva i karakteristike širenja: Frekvencijska granica između zvučnih i ultrazvučnih talasa je uslovna. Međutim, zbog viših frekvencija i kratkih talasnih dužina, dolazi do niza karakteristika ultrazvuka. Dakle, za ultrazvučne talasne dužine u vazduhu su cm, a u vodi cm i u čeliku cm.

Skup zaptivki i razrjeđivanja koji prati širenje ultrazvučnog vala je svojevrsna rešetka, na kojoj se može uočiti difrakcija svjetlosnih valova u optički prozirnim tijelima. Mala dužina ultrazvučnih talasa je osnova za razmatranje njihovog širenja u nizu slučajeva metodama geometrijske akustike. Tomogram ljudskog mozga.

Fizički, ovo dovodi do obrasca širenja zraka. To podrazumijeva svojstva ultrazvuka kao što su mogućnost geometrijske refleksije i refrakcije, kao i fokusiranje zvuka. Fokusiranje ultrazvučnog snopa u vodi sa plano-konkavnim sočivom od pleksiglasa (ultrazvučna frekvencija 8 MHz)

Talasi visokog intenziteta praćeni su brojnim efektima koji se mogu opisati samo zakonima nelinearne akustike. Dakle, širenje ultrazvučnih talasa u gasovima i tečnostima je praćeno kretanjem medija, koje se naziva akustični tok. Brzina akustičkog toka zavisi od viskoznosti medija, intenziteta ultrazvuka i njegove frekvencije; ona je mala i iznosi djeliće % brzine ultrazvuka. Fazna brzina harmonijskog talasa

Među važnim nelinearnim fenomenima koji se javljaju tokom širenja intenzivnog ultrazvuka u tečnostima je akustična kavitacija - rast u ultrazvučnom polju mehurića iz postojećih submikroskopskih jezgara gasa ili pare u tečnostima veličine do frakcija od mm, koje počinju da pulsiraju. sa frekvencijom ultrazvuka i kolapsom u pozitivnoj fazi pritiska.

Kada se mjehurići plina kolabiraju, nastaju veliki lokalni pritisci reda hiljada atmosfera i formiraju se sferni udarni valovi. Akustični mikrotokovi se formiraju u blizini pulsirajućih mjehurića. Pojave u polju kavitacije dovode do niza kako korisnih (dobijanje emulzija, čišćenje kontaminiranih dijelova i sl.) tako i štetnih (erozija emitera i sl.) pojava.

Generisanje ultrazvuka: Uređaji za generisanje ultrazvučnih vibracija dijele se u dvije grupe: mehanički (u kojima je izvor ultrazvuka mehanička energija strujanja plina ili tekućine) elektromehanički (ultrazvučna energija se dobija pretvaranjem električne energije) valni oblik (gore) i frekvencija -amplitudski spektar (donji) zvukova klavira (osnovna frekvencija 128 Hz).

Mehanički emiteri: Mehanički ultrazvučni emiteri - vazdušne i tečne zviždaljke i sirene - jednostavni su u dizajnu i radu, ne zahtevaju skupu visokofrekventnu električnu energiju, efikasnost je oko 20-30%. Zviždaljka za srndać rog.

Glavni nedostatak je relativno širok raspon emitovanih frekvencija i nestabilnost frekvencije i amplitude, što ne dozvoljava njihovo korištenje u mjerne svrhe; koriste se uglavnom u industrijskoj ultrazvučnoj tehnologiji i dijelom kao signalni uređaji. Svaki far ima svoj sistem upozorenja. Najčešće su to sirene i dijafoni.

Elektromehanički emiteri: glavna metoda emitiranja ultrazvuka. U ULF opsegu moguća je upotreba elektrodinamičkih i elektrostatičkih emitera. Široku upotrebu u ovom frekventnom opsegu našli su ultrazvučni emiteri koji koriste magnetostriktivni efekat u niklu i u nizu specijalnih legura, kao i u feritima.

Granični intenzitet zračenja određen je čvrstoćom i nelinearnim svojstvima materijala emitera, kao i karakteristikama njihove upotrebe. Raspon intenziteta tokom generisanja je veoma širok: intenziteti od do 0,1 se smatraju malim. Da bi se dobio veći intenzitet nego sa površine emitera, može se koristiti fokusiranje.

L Tretman longitudinalnih talasa L pločom koja osciluje debljinom u čvrsto telo: 1 - kvarcna ploča reza X debljine, gde je talasna dužina u kvarcu; 2 - metalne elektrode; 3 - tečnost (transformatorsko ulje) za akustiku kontakt; 4 - oscilacije električnog generatora; 5 - čvrsto tijelo.

Primene ultrazvuka: Primene ultrazvuka su izuzetno raznolike. Služi kao moćna metoda za proučavanje različitih područja fizike (proučavanje čvrstih tijela i poluvodiča), igra važnu ulogu u proučavanju materije. Ultrazvuk se široko koristi u inženjerstvu, biologiji i medicini. Slika ljudskog fetusa (17 nedelja) dobijena ultrazvukom na frekvenciji od 5 MHz.

Ultrazvuk u tehnologiji. Koristeći fenomen refleksije ultrazvuka na granici različitih medija, ultrazvučni uređaji se koriste za mjerenje dimenzija proizvoda ili za određivanje nivoa vode u nepristupačnim posudama. Ultrazvuk niskog intenziteta se široko koristi u svrhu nerazornog ispitivanja proizvoda.

Uz pomoć ultrazvuka ostvaruje se zvučni vid: pretvaranjem ultrazvučnih vibracija u električne, a njihovih vibracija u svjetlo, moguće je vidjeti određene objekte u mediju neprozirnom za svjetlost. Zvučni vid metodom površinskog reljefa: 1 izvor zvuka; 2 objekt; 3 konkavno ogledalo; 4 tekućina; 5 posuda; 6 ekran.

Ultrazvuk igra vrlo važnu ulogu u hidroakustici, jer su elastični valovi jedina vrsta valova koja se dobro širi u morskoj vodi. Na ovom principu su napravljeni uređaji kao što su ehosonder ili sonar. Princip rada sonara: 1 emiter; 2 prijemnik; 3 reflektirajuće tijelo.

Eksperimentiraj. Za eksperiment smo uzeli ultrazvučni emiter koji stvara vibracije zraka s talasnom dužinom od oko 20 milimetara. Teoretski, kažu naučnici, u takvom akustičnom polju, objekti veličine pola valne dužine, ili čak manje, mogu levitirati. U stvari: ONI SE VIŠE U ZRAKU!

21. vijek je vijek radio elektronike, atoma, istraživanja svemira i ultrazvuka. Nauka o ultrazvuku danas je relativno mlada. Krajem 19. veka, P. N. Lebedev, ruski fiziolog, vodio je svoje prve studije. Nakon toga, mnogi eminentni naučnici počeli su proučavati ultrazvuk.

Šta je ultrazvuk?

Ultrazvuk je talasno širenje čestica medija. Ima svoje karakteristike po kojima se razlikuje od zvukova čujnog opsega. Relativno je lako dobiti usmjereno zračenje u ultrazvučnom opsegu. Osim toga, dobro je fokusiran, pa se kao rezultat toga povećava intenzitet oscilacija. Kada se širi u čvrstim, tečnostima i gasovima, ultrazvuk dovodi do zanimljivih pojava koje su našle praktičnu primenu u mnogim oblastima tehnologije i nauke. To je ono što je ultrazvuk, čija je uloga u raznim sferama života danas vrlo velika.

Uloga ultrazvuka u nauci i praksi

Poslednjih godina ultrazvuk je počeo da igra sve važniju ulogu u naučnim istraživanjima. Uspješno su provedena eksperimentalna i teorijska istraživanja u oblasti akustičkih strujanja i ultrazvučne kavitacije, što je omogućilo naučnicima da razviju tehnološke procese koji se javljaju pri izlaganju ultrazvuku u tečnoj fazi. To je moćna metoda za proučavanje različitih pojava u takvoj oblasti znanja kao što je fizika. Ultrazvuk se koristi, na primjer, u fizici poluvodiča i čvrstog stanja. Danas se formira posebna grana hemije koja se zove "ultrazvučna hemija". Njegova primjena omogućava ubrzavanje mnogih kemijsko-tehnoloških procesa. Rođena je i molekularna akustika - nova grana akustike koja proučava interakciju molekula sa materijom.Pojavile su se nove oblasti primene ultrazvuka: holografija, introskopija, akustoelektronika, ultrazvučno fazno merenje, kvantna akustika.

Pored eksperimentalnog i teorijskog rada u ovoj oblasti, danas je urađeno dosta praktičnog rada. Razvijene su specijalne i univerzalne ultrazvučne mašine, instalacije koje rade pod povećanim statičkim pritiskom itd. U proizvodnju su uvedene automatske ultrazvučne instalacije uključene u proizvodne linije koje mogu značajno povećati produktivnost rada.

Više o ultrazvuku

Hajde da razgovaramo više o tome šta je ultrazvuk. Već smo rekli da su to elastični talasi i ultrazvuk je preko 15-20 kHz. Subjektivna svojstva našeg sluha određuju donju granicu ultrazvučnih frekvencija, koja ga odvaja od frekvencije čujnog zvuka. Ova granica je, dakle, uslovna i svako od nas drugačije definiše šta je ultrazvuk. Gornju granicu označavaju elastični valovi, njihova fizička priroda. Oni se šire samo u materijalnom mediju, to jest, talasna dužina mora biti znatno veća od srednjeg slobodnog puta molekula prisutnih u gasu ili međuatomske udaljenosti u čvrstim materijama i tečnostima. Pri normalnom pritisku u gasovima, gornja granica ultrazvučnih frekvencija je 10 9 Hz, a u čvrstim materijama i tečnostima - 10 12 -10 13 Hz.

Izvori ultrazvuka

Ultrazvuk se u prirodi nalazi i kao sastavni dio mnogih prirodnih zvukova (vodopad, vjetar, kiša, kamenčići koje je kotrljao surf, kao i u zvucima koji prate grmljavinsko pražnjenje itd.), i kao sastavni dio životinjskog svijeta. Neke vrste životinja ga koriste za orijentaciju u prostoru, otkrivanje prepreka. Također je poznato da delfini koriste ultrazvuk u prirodi (uglavnom frekvencije od 80 do 100 kHz). U ovom slučaju, snaga lokacijskih signala koje emituju može biti vrlo velika. Poznato je da delfini mogu otkriti one koji su udaljeni i do kilometar od njih.

Emiteri (izvori) ultrazvuka podijeljeni su u 2 velike grupe. Prvi su generatori, u kojima se oscilacije pobuđuju zbog prisutnosti prepreka u njima postavljenih na putu stalnog protoka - mlaza tekućine ili plina. Druga grupa, u koju se mogu kombinovati izvori ultrazvuka, su elektroakustični pretvarači, koji pretvaraju date strujne ili električne fluktuacije napona u mehaničku vibraciju koju vrši čvrsto tijelo koje zrači akustične valove u okolinu.

Ultrazvučni prijemnici

Na srednjim i ultrazvučnim prijemnicima, elektroakustični pretvarači su najčešće piezoelektričnog tipa. Oni mogu reproducirati oblik primljenog akustičnog signala, predstavljen kao vremenska ovisnost zvučnog pritiska. Uređaji mogu biti širokopojasni ili rezonantni, ovisno o uvjetima primjene za koje su namijenjeni. Termalni prijemnici se koriste za dobijanje vremenski usrednjenih karakteristika zvučnog polja. To su termistori ili termoparovi obloženi supstancom koja apsorbira zvuk. Zvučni pritisak i intenzitet se takođe mogu proceniti optičkim metodama kao što je difrakcija svetlosti ultrazvukom.

Gdje se koristi ultrazvuk?

Postoje mnoga područja njegove primjene, uz korištenje različitih karakteristika ultrazvuka. Ova područja se mogu grubo podijeliti u tri oblasti. Prvi od njih je povezan sa dobijanjem različitih informacija pomoću ultrazvučnih talasa. Drugi smjer je njegov aktivni utjecaj na supstancu. A treći je povezan sa prijenosom i obradom signala. US specific se koristi u svakom slučaju. Pokrićemo samo neke od mnogih oblasti u kojima je pronašao svoju primenu.

Ultrazvučno čišćenje

Kvalitet takvog čišćenja ne može se porediti sa drugim metodama. Prilikom ispiranja dijelova, na primjer, do 80% zagađivača ostaje na njihovoj površini, oko 55% - kod čišćenja vibracijama, oko 20% - kod ručnog čišćenja, a kod ultrazvučnog čišćenja ne ostane više od 0,5% zagađivača. Detalji složenog oblika mogu se dobro očistiti samo uz pomoć ultrazvuka. Važna prednost njegove upotrebe je visoka produktivnost, kao i niski troškovi fizičkog rada. Štoviše, moguće je zamijeniti skupe i zapaljive organske rastvarače jeftinim i sigurnim vodenim otopinama, koristiti tečni freon itd.

Ozbiljan problem predstavlja zagađenje vazduha čađom, dimom, prašinom, metalnim oksidima itd. Ultrazvučnom metodom čišćenja vazduha i gasa možete koristiti gasne otvore, bez obzira na vlažnost i temperaturu okoline. Ako se ultrazvučni emiter stavi u komoru za taloženje prašine, njegova efikasnost će se povećati stotinama puta. Šta je suština takvog pročišćavanja? Čestice prašine koje se nasumično kreću u vazduhu udaraju se jače i češće pod uticajem ultrazvučnih vibracija. Istovremeno, njihova veličina se povećava zbog činjenice da se spajaju. Koagulacija je proces povećanja čestica. Njihove utegnute i uvećane nakupine hvataju se posebnim filterima.

Obrada krhkih i supertvrdih materijala

Ako uđete između radnog komada i radne površine alata koji koristi ultrazvuk, tada će čestice abraziva tijekom rada emitera utjecati na površinu ovog dijela. U tom slučaju materijal se uništava i uklanja, podvrgava obradi pod djelovanjem raznih usmjerenih mikro-udara. Kinematika obrade sastoji se od glavnog pokreta - rezanja, odnosno uzdužnih vibracija koje vrši alat, i pomoćnog - kretanja pomaka koje aparat vrši.

Ultrazvuk može obavljati različite poslove. Za abrazivna zrna izvor energije su uzdužne vibracije. Uništavaju obrađeni materijal. Kretanje hrane (pomoćno) može biti kružno, poprečno i uzdužno. Ultrazvučna obrada je preciznija. U zavisnosti od veličine zrna abraziva, kreće se od 50 do 1 mikrona. Koristeći alate različitih oblika, možete napraviti ne samo rupe, već i složene rezove, zakrivljene sjekire, gravirati, brusiti, napraviti matrice, pa čak i izbušiti dijamant. Materijali koji se koriste kao abrazivi su korund, dijamant, kvarcni pijesak, kremen.

Ultrazvuk u radio elektronici

Ultrazvuk se u inženjerstvu često koristi u oblasti radio elektronike. U ovoj oblasti često postaje potrebno odgoditi električni signal u odnosu na neki drugi. Naučnici su pronašli dobro rješenje predlažući korištenje ultrazvučnih linija za kašnjenje (skraćeno LZ). Njihovo djelovanje zasniva se na činjenici da se električni impulsi pretvaraju u ultrazvučne.Kako se to događa? Činjenica je da je brzina ultrazvuka znatno manja od brzine koju razvijaju elektromagnetne oscilacije. Impuls napona nakon inverzne transformacije u električne mehaničke oscilacije će biti odgođen na izlazu linije u odnosu na ulazni impuls.

Piezoelektrični i magnetostriktivni pretvarači se koriste za pretvaranje električnih u mehaničke vibracije i obrnuto. LZ se dijele na piezoelektrične i magnetostriktivne.

Ultrazvuk u medicini

Različite vrste ultrazvuka se koriste za djelovanje na žive organizme. U medicinskoj praksi njegova upotreba je sada vrlo popularna. Zasnovan je na efektima koji se javljaju u biološkim tkivima kada ultrazvuk prolazi kroz njih. Talasi uzrokuju fluktuacije u česticama medija, što stvara neku vrstu mikromasaže tkiva. A apsorpcija ultrazvuka dovodi do njihovog lokalnog zagrijavanja. Istovremeno se u biološkim medijima dešavaju određene fizičko-hemijske transformacije. Ove pojave u slučaju umjerenog nepovratnog oštećenja ne uzrokuju. Oni samo poboljšavaju metabolizam, pa samim tim doprinose vitalnoj aktivnosti tijela koje im je izloženo. Ovakve pojave se koriste u ultrazvučnoj terapiji.

Ultrazvuk u hirurgiji

Kavitacija i jako zagrijavanje pri visokim intenzitetima dovode do razaranja tkiva. Ovaj efekat se danas koristi u hirurgiji. Za hirurške operacije koristi se fokusirani ultrazvuk koji omogućava lokalnu destrukciju u najdubljim strukturama (npr. mozak), bez oštećenja okolnih. U hirurgiji se koriste i ultrazvučni instrumenti kod kojih radni kraj izgleda kao turpija, skalpel, igla. Vibracije koje im se nameću daju nove kvalitete ovim uređajima. Potrebna sila je značajno smanjena, pa se smanjuje traumatizam operacije. Osim toga, očituje se analgetski i hemostatski učinak. Udar tupim instrumentom pomoću ultrazvuka koristi se za uništavanje određenih vrsta neoplazmi koje su se pojavile u tijelu.

Utjecaj na biološka tkiva vrši se radi uništavanja mikroorganizama i koristi se u procesima sterilizacije lijekova i medicinskih instrumenata.

Pregled unutrašnjih organa

U osnovi, govorimo o proučavanju trbušne šupljine. U tu svrhu može se koristiti poseban za pronalaženje i prepoznavanje različitih anomalija tkiva i anatomskih struktura. Zadatak je često sljedeći: postoji sumnja na malignu formaciju i potrebno je razlikovati je od benigne ili infektivne formacije.

Ultrazvuk je koristan u pregledu jetre i za druge zadatke, koji uključuju otkrivanje opstrukcija i bolesti žučnih puteva, kao i pregled žučne kese radi otkrivanja prisustva kamenaca i drugih patologija u njoj. Osim toga, može se koristiti testiranje na cirozu i druge difuzne benigne bolesti jetre.

U području ginekologije, posebno u analizi jajnika i materice, primjena ultrazvuka je dugo bila glavni pravac u kojem se s posebnim uspjehom provodi. Često je ovdje potrebna i diferencijacija benignih i malignih formacija, što obično zahtijeva najbolji kontrast i prostornu rezoluciju. Slični zaključci mogu biti korisni u proučavanju mnogih drugih unutrašnjih organa.

Upotreba ultrazvuka u stomatologiji

Ultrazvuk je pronašao put i u stomatologiji, gdje se koristi za uklanjanje kamenca. Omogućava brzo, beskrvno i bezbolno uklanjanje plaka i kamenca. Istovremeno, oralna sluznica nije ozlijeđena, a "džepovi" šupljine su dezinficirani. Umjesto bola, pacijent doživljava osjećaj topline.

Uvod

2. Eho ležaj

3. Vrste prirodnih sonara

4. Dodir pomaže slepim miševima da izbjegnu prepreke

5 Šišmiši za pecanje

6. I slepi miševi nisu u pravu

7. Krikovi u ponoru

8 Radar za vodeni slon

Zaključak

Književnost

Uvod

Otkriće eholokacije povezuje se s imenom italijanskog prirodnjaka Lazara Spallanzanija. Skrenuo je pažnju na to da šišmiši slobodno lete u potpuno mračnoj prostoriji (gdje su čak i sove bespomoćne), ne dodirujući predmete. U svom eksperimentu oslijepio je nekoliko životinja, ali su i nakon toga letjele kao one koje vide. Spallanzanijev kolega J. Zhyurin izveo je još jedan eksperiment u kojem je uši slepih miševa pokrivao voskom - životinje su nailazile na sve predmete. Iz ovoga su naučnici zaključili da slepi miševi plove po uhu. Međutim, savremenici su ovu ideju ismijavali, jer se ništa više nije moglo reći - kratke ultrazvučne signale u to vrijeme još uvijek je bilo nemoguće popraviti.

Ideju o aktivnoj zvučnoj lokaciji kod slepih miševa prvi je iznio 1912. godine H. Maxim. On je pretpostavio da slepi miševi stvaraju niskofrekventne eholokacijske signale mašući krilima na frekvenciji od 15 Hz.

Englez H. Hartridge, koji je reproducirao Spallanzanijeve eksperimente, nagađao je o ultrazvuku 1920. godine. Potvrda za to je pronađena 1938. godine zahvaljujući bioakustičaru D. Griffinu i fizičaru G. Pierceu. Griffin je predložio naziv eholokacija (po analogiji s radarom) za imenovanje načina na koji se slepi miševi kreću pomoću ultrazvuka.

1. Ultrazvuk u divljini

U proteklih deset-petnaest godina, biofizičari su sa čuđenjem otkrili da priroda nije bila baš škrta kada je svoju djecu obdarila sonarima. Od slepih miševa do delfina, od delfina do riba, ptica, pacova, miševa, majmuna, do zamoraca, buba, istraživači su se kretali sa svojim instrumentima, otkrivajući ultrazvuk svuda.

Ispostavilo se da su mnoge ptice naoružane ehosonderima. Pljusci, vijuge, sove i neke ptice pjevice, koje su magla i mrak uhvatili u letu, izviđaju put uz pomoć zvučnih valova. Uz plač „opipaju“ tlo i po prirodi jeke saznaju visinu leta, blizinu prepreka i teren.

Očigledno, u svrhu eholokacije, ultrazvuk niske frekvencije (dvadeset-osamdeset kiloherca) emituju druge životinje - zamorci, štakori, tobolčarske leteće vjeverice, pa čak i neki južnoamerički majmuni.

Miševi i rovke u eksperimentalnim laboratorijama, prije nego što su krenuli na put kroz mračne zakutke labirinta u kojima se testiralo njihovo pamćenje, poslali su naprijed brzokrile izviđače - ultrazvuke. U potpunom mraku savršeno pronalaze rupe u zemlji. I tu pomaže ehosonder: eho se ne vraća iz ovih rupa!

U pećinama Perua, Venecuele, Gvajane i na ostrvu Trinidad žive debele noćne jare, ili guajarosi, kako ih zovu u Americi. Ako se odlučite da ih posjetite, budite strpljivi, i što je najvažnije, ljestve i električna svjetla. Neophodno je i određeno poznavanje osnova planinarenja, jer se noćne koze gnijezde u planinama i često se moraju penjati uz strme litice da bi došli do njih.

A kada uđete u pećinu sa svom ovom opremom, na vrijeme začepite uši, jer će hiljade ptica, probuđenih svjetlošću, pasti sa streha i zidova i uz zaglušujući krik projuriti iznad vaše glave. Ptice su velike, do metar u rasponu krila, čokoladno smeđe sa velikim bijelim mrljama. Gledajući njihove virtuozne manevre u sumornim špiljama Hadskog kraljevstva, svi se čude i postavljaju isto pitanje: kako ovi pernati trogloditi, leteći u potpunom mraku, uspijevaju da se ne spotaknu o zidove, o svakojake stalaktite i stalagmite koji podupiru svodove tamnica?

Ugasi svetla i slušaj. Nakon što malo prolete, ptice će se ubrzo smiriti, prestati vrištati, a onda ćete čuti tiho lepršanje krila i, kao pratnju, tihi klik. Evo odgovora na Vaše pitanje!

Naravno, ehosonderi rade. Njihove signale hvata i naše uho, jer zvuče u opsegu relativno niskih frekvencija - oko sedam kiloherca. Svaki klik traje jednu ili dvije hiljaditinke sekunde. Donald Griffin, istraživač sonara slepih miševa kojeg već poznajemo, nagurao je pamuk u uši nekih guajarosa i pustio ih u mračnu sobu. A virtuozi noćnih letova, oglušivši se, odmah su "oslijepili": bespomoćno su naletjeli na sve predmete u prostoriji. Bez da čuju eho, nisu mogli da se kreću u mraku.

Guajarosi provode svoje dnevne sate u pećinama. Tu slažu i svoja glinena gnijezda, nekako ih lijepe za vijence zidova. Noću ptice napuštaju tamnice i lete tamo gde ima mnogo voćaka i palmi sa mekim plodovima nalik na šljive. Hiljade jata također napadaju plantaže uljanih palmi. Plodovi se gutaju cijele, a zatim se kosti vraćaju u pećine. Stoga, u tamnicama u kojima se gnijezde guajaros, uvijek ima mnogo mladih voćnih "sadnica", koje, međutim, brzo umiru: ne mogu rasti bez svjetlosti.

Trbuh novopečenih guajaro pilića prekriven je debelim slojem masti. Kada mladi trogloditi budu stari oko dvije sedmice, ljudi dolaze u pećine s bakljama i dugim motkama. Uništavaju gnijezda, ubijaju na hiljade rijetkih ptica i odmah, na ulazu u pećine, od njih odlažu mast. Iako ova mast ima dobre nutritivne kvalitete, uglavnom se koristi kao gorivo u lampionima i lampama.

Gori bolje od kerozina i jeftinije od njega - tako misle u zavičaju ptice koja je zlobnom ironijom sudbine osuđena da cijeli život provede u mraku da bi umrla da bi osvijetlila čovjekov dom .

U južnoj Aziji, od Indije do Australije, postoji još jedna ptica koja u mraku pronalazi put do gnijezda uz pomoć sonara. Gnijezdi se i u pećinama (ponekad, međutim, na stijenama na otvorenom). Ovo je čuvena salangana, brzalica dobro poznata svim domaćim gurmanima: iz njenih gnezda se kuva supa.

Ovako salangana gradi gnijezdo: šapama se drži kamena i ljepljivom pljuvačkom namaže kamen, crtajući na njemu siluetu kolijevke. Pomiče glavu udesno i ulijevo - pljuvačka se odmah smrzava, pretvara se u smeđkastu koru. A salangana podmazuje sve odozgo. Zidovi kod gnijezda rastu, a na ogromnoj stijeni dobija se mala kolijevka.

Ova kolevka je, kažu, veoma ukusna. Ljudi se penju na visoke litice, penju se na zidove pećina uz svjetlost baklji i skupljaju gnijezda salangana. Zatim se prokuvaju u kipućoj vodi (ili pilećoj juhi!), I dobijete odličnu supu, kako stručnjaci uveravaju.

Nedavno je otkriveno da salangani nisu od interesa samo za gastronome, već i za biofizičare: ove ptice, koje lete u mraku, također šalju naprijed akustične izviđače koji “pucaju kao dječja igračka na navijanje”.

2. Eho ležaj

Sa fizičke tačke gledišta, svaki zvuk je oscilatorno kretanje koje se širi u valovima u elastičnom mediju.

Što više vibracija vibrirajuće tijelo (ili elastični medij) napravi u sekundi, to je veća frekvencija zvuka. Najniži ljudski glas (bas) vibrira oko osamdeset puta u sekundi, ili, kako kažu fizičari, njegova frekvencija doseže osamdeset herca. Najviši glas (na primjer, sopran peruanske pjevačice Yme Sumac) je oko 1400 herca.

U prirodi i tehnologiji poznati su zvuci još viših frekvencija - stotine hiljada, pa čak i milioni herca. Kvarc ima rekordno visok zvuk - do milijardu herca! Zvučna snaga kvarcne ploče koja vibrira u tekućini je 40 000 puta veća od zvučne snage motora aviona. Ali ne možemo oglušiti od ove „paklene graje“, jer je ne čujemo. Ljudsko uho percipira zvukove sa frekvencijom oscilovanja od samo šesnaest do dvadeset hiljada herca. Akustične vibracije viših frekvencija obično se nazivaju ultrazvukom, a slepi miševi svojim talasima „osećaju“ okolinu.

Ultrazvuk nastaje u larinksu šišmiša. Ovdje su u obliku neobičnih žica istegnute glasne žice koje, vibrirajući, proizvode zvuk. Uostalom, larinks po svojoj strukturi podsjeća na običnu zviždaljku: zrak koji se izdahne iz pluća juri kroz njega u vrtlogu - javlja se "zvižduk" vrlo visoke frekvencije, do 150 hiljada herca (osoba ne čuje to).

Šišmiš može povremeno blokirati protok zraka. Tada on eksplodira takvom snagom, kao da je izbačen eksplozijom. Pritisak vazduha koji juri kroz larinks je dvostruko veći od pritiska parnog kotla. Nije loše postignuće za životinju od 5 - 20 grama!

Kratkotrajne visokofrekventne zvučne vibracije - ultrazvučni impulsi - pobuđuju se u larinksu šišmiša. Od 5 do 60, a kod nekih vrsta i od 10 do 200 impulsa u sekundi. Svaki impuls, "eksplozija", traje samo 2 - 5 hiljaditih delova sekunde (slepi miševi imaju 5 - 10 stotinki).

Kratkoća audio signala je vrlo važan fizički faktor. Samo zahvaljujući njemu moguća je točna eholokacija, odnosno orijentacija uz pomoć ultrazvuka.

Od prepreke udaljene sedamnaest metara, reflektirani zvuk se vraća životinji za oko 0,1 sekundu. Ako zvučni signal traje više od 0,1 sekunde, tada će njegov eho, reflektiran od objekata koji se nalaze bliže od sedamnaest metara, percipirati organi sluha životinje istovremeno s glavnim zvukom.

Ali upravo iz vremenskog intervala između kraja poslanog signala i prvih zvukova povratnog eha šišmiš instinktivno dobija predstavu o udaljenosti do objekta koji je reflektovao ultrazvuk. Zbog toga je zvučni puls tako kratak.

Sovjetski naučnik E. Ya. Pumper iznio je 1946. vrlo zanimljivu pretpostavku, koja dobro objašnjava fiziološku prirodu lokacije eha. On vjeruje da šišmiš emituje svaki novi zvuk odmah nakon što čuje eho prethodnog signala. Dakle, impulsi se refleksno prate jedan za drugim, a stimulus koji ih uzrokuje je eho koji percipira uho. Što se šišmiš približava prepreci, to se eho brže vraća i, posljedično, životinja češće emituje novi eho koji zvuči „vrište“. Konačno, kada se prepreci direktno približi, zvučni impulsi počinju da se prate izuzetnom brzinom. Ovo je signal opasnosti. Šišmiš instinktivno mijenja tok leta, izbjegavajući smjer iz kojeg reflektirani zvukovi dolaze prebrzo.

Zaista, eksperimenti su pokazali da slepi miševi emituju samo 5-10 ultrazvučnih impulsa u sekundi prije nego što krenu. U letu se povećavaju na 30. Prilikom približavanja prepreci, zvučni signali prate još brže - do 50-60 puta u sekundi. Neki slepi miševi, loveći noćne insekte, prestižući plijen, naprave i 250 "krikova" u sekundi.

Ehosonder slepih miševa je vrlo precizan navigacijski "uređaj": u stanju je locirati čak i mikroskopski mali predmet - prečnika samo 0,1 mm!

I tek kada su eksperimentatori smanjili debljinu žice razvučene u prostoriji u kojoj su šišmiši lepršali na 0,07 milimetara, životinje su počele nailaziti na nju.

Šišmiši povećavaju brzinu eho sondiranja oko dva metra od žice. Dakle, dva metra „pipaju“ za njom svojim „povicima“. No, šišmiš ne mijenja odmah smjer, leti dalje direktno do prepreke, a samo nekoliko centimetara od nje, oštrim zamahom krila, skrene u stranu.

Uz pomoć sonara, kojima ih je priroda obdarila, šišmiši ne samo da se kreću u svemiru, već i love svoj svakodnevni kruh: komarce, moljce i druge noćne insekte.

U nekim eksperimentima životinje su bile prisiljene da hvataju komarce u maloj laboratorijskoj prostoriji. Slikali su ih, vagali - jednom riječju, cijelo vrijeme su pratili koliko uspješno love. Jedan šišmiš težak sedam grama ulovio je gram insekata za sat vremena. Druga beba, koja je imala samo tri i po grama, progutala je komarce tako brzo da je za četvrt sata "napucala" deset odsto. Svaki komarac teži otprilike 0,002 grama. Dakle, za petnaestak minuta lova uhvaćeno je 175 komaraca - svakih šest sekundi po jedan komarac! Veoma brz tempo. Griffin kaže da bi, da nije bilo sonara, šišmiš, čak i leteći cijelu noć otvorenih usta, ulovio "prema zakonu slučaja" jednog komarca, a onda kada bi bilo mnogo komaraca u blizini.

3. Vrste prirodnih sonara

Donedavno se smatralo da samo mali insektojedi šišmiši poput naših šišmiša i slepih miševa imaju prirodne sonare, dok se čini da su velike leteće lisice i psi koji proždiru tone plodova u tropskim šumama uskraćeni za njih. Možda je to tako, ali onda je rozetus izuzetak, jer su leteći psi ove vrste obdareni eholokatorima.

U letu, rozete cijelo vrijeme škljocaju jezikom. Zvuk izbija u uglovima usana, koji su u rozetusu uvijek otvoreni. Klikovi donekle podsjećaju na nekakvo zveckanje jezikom, kojem ljudi ponekad pribjegavaju, osuđujući nešto. Primitivni sonar letećeg psa radi, međutim, prilično precizno: precizira milimetarsku žicu s udaljenosti od nekoliko metara.

Bez izuzetka, svi mali šišmiši iz podreda Microchiroptera, odnosno mikro-šišmiši, obdareni su ehosonderima. Ali modeli ovih "uređaja" su različiti. Nedavno su istraživači uglavnom razlikovali tri tipa prirodnih sonara: šaputanje, pjevanje i cvrčanje, ili tip koji modulira frekvenciju.

Šišmiši koji šapuće žive u američkim tropima. Mnogi od njih, poput letećih pasa, jedu voće. Hvataju i insekte, ali ne u zraku, već na listovima biljaka. Njihovi signali eho sondiranja su vrlo kratki i vrlo tihi klikovi. Svaki zvuk traje hiljaditi dio sekunde i vrlo je slab. Samo veoma osetljivi uređaji to mogu čuti. Ponekad, međutim, slepi miševi „šapuću“ tako glasno da ih osoba može čuti. Ali obično njihov sonar radi na frekvencijama od 150 kiloherca.

Čuveni vampir je i šaptač. Šapućući nama nepoznate "čarolije", traži iscrpljene putnike u trulim šumama Amazona i siše im krv. Primijetili smo da vampiri rijetko grizu pse: tanko uho ih unaprijed upozorava na približavanje krvopija. Psi se bude i bježe. Na kraju krajeva, vampiri napadaju samo uspavane životinje. Čak su i takvi eksperimenti napravljeni. Psi su bili dresirani: kada su čuli "šapat" vampira, odmah su počeli da laju i budili su ljude. Pretpostavlja se da će buduće ekspedicije u američke tropske krajeve pratiti ovi obučeni "vampirokatori".

Potkovice pjevaju. Neki od njih žive na jugu naše zemlje - na Krimu, Kavkazu i Centralnoj Aziji. Nazvane su potkovice zbog izraslina na njušci, u obliku kožne potkove sa dvostrukim prstenom koji okružuje nozdrve i usta. Izrasline nisu besposleni ukrasi: to je neka vrsta usnika koji uskom snopu usmjerava zvučne signale u pravcu u kojem šišmiš gleda. Obično životinja visi naglavačke i okrećući se (skoro tri stotine šezdeset stepeni!) Sad udesno, pa ulijevo, zvukom osjeća okolinu. Zglobovi kukova tropskih potkovača su veoma fleksibilni, zbog čega mogu praviti svoje umetničke zaokrete. Čim komarac ili buba uđu u polje njihovog lokatora, letjelica za navođenje odlomi se od grane i počinje da juri gorivo, odnosno hranu.

A čini se da ova "letelica" čak može da odredi, koristeći fizičarima dobro poznati Doplerov efekat, kuda hrana leti: da li se približava grani o kojoj potkovica visi, ili se udaljava od nje. Shodno tome, mijenja se i taktika progona.

Slepi miševi potkovice koriste veoma duge (u poređenju sa "povicima" drugih slepih miševa) i monotone zvukove za lov. Svaki signal traje deseti ili dvadeseti dio sekunde, a frekvencija njegovog zvuka se ne mijenja - uvijek je jednaka sto ili sto dvadeset kiloherca.

Ali naši obični šišmiši i njihovi srodnici iz Sjeverne Amerike odjekuju zvučno moduliranim frekvencijama, baš kao i najbolji modeli sonara koje je napravio čovjek. Ton signala se stalno mijenja, što znači da se mijenja i visina reflektiranog zvuka. A to zauzvrat znači da u svakom trenutku visina primljenog eha ne odgovara tonu poslanog signala. I nestručnjaku je jasno da takav uređaj uvelike olakšava eho sondiranje.

4. Dodir pomaže slepim miševima da izbjegnu prepreke

Naučnici su do rješenja ovog zanimljivog problema došli gotovo istovremeno u različitim zemljama.

Holanđanin Sven Dijgraaf odlučio je testirati da li čulo dodira zaista pomaže slepim miševima da izbjegavaju prepreke. Prerezao je taktilne nerve krila - operirane životinje su letjele savršeno. Dakle, ovde nema osećaja dodira. Tada je eksperimentator lišio slepih miševa sluha - oni su odmah oslepeli.

Dijgraaff je razmišljao na sljedeći način: budući da zidovi i predmeti na koje slepi miševi nailaze u letu ne ispuštaju nikakve zvukove, to znači da sami miševi vrište. Odjek vlastitog glasa, reflektiran od okolnih objekata, obavještava životinje o prepreci na putu.

Dijgraaf je primijetio da slepi miš otvara usta prije poletanja. Očigledno, proizvodi zvukove koji su nama nečujni, "osjećajući" okolinu njima. U letu, slepi miševi također s vremena na vrijeme otvaraju usta (čak i kada ne love insekte).

Ovo zapažanje dalo je Dijgraafu ideju da izvede sljedeći eksperiment. Stavio je papirnatu kapu na glavu životinje. Ispred, kao vizir od viteške kacige, mala vrata su se otvarala i zatvarala u kapu.

Šišmiš sa zatvorenim vratima na kapi nije mogao letjeti, naletio je na predmete. Bilo je potrebno samo podići vizir u papirnoj kacigi, kako se životinja transformirala, njen let je ponovo postao precizan i siguran.

Dijgraaff je svoja zapažanja objavio 1940. godine. A 1946. godine sovjetski naučnik profesor A.P. Kuzyakin započeo je seriju eksperimenata na slepim miševima. Pokrio im je usta i uši plastelinom i pustio ih u prostoriju sa užadima razvučenim uzduž i poprijeko - gotovo sve životinje nisu mogle letjeti. Eksperimentator je ustanovio zanimljivu činjenicu: slepi miševi, koji su prvi pušteni u prostoriju za probni let otvorenih očiju, „uzastopno i velikom snagom, poput tek ulovljenih ptica, udarali su u staklo prozora bez zavjesa“. To se dogodilo tokom dana. Uveče, pod svjetlom električne lampe, miševi više nisu udarali o staklo. To znači da tokom dana, kada je to jasno vidljivo, slepi miševi više vjeruju svom vidu nego drugim čulima. Ali mnogi istraživači su imali tendenciju da uopće ignorišu viziju slepih miševa.

Profesor A.P. Kuzyakin nastavio je svoje eksperimente u šumi. Stavio je crne papirnate kape na glave malih životinja - crvene večeri. Životinje sada nisu mogle ni vidjeti ni koristiti svoj akustični radar. Šišmiši se nisu usudili da polete u nepoznato, otvorili su krila i spustili se na njih, kao na padobranima, na zemlju. Samo je nekoliko očajnika letjelo nasumično. Rezultat je bio tužan: udarili su u drveće i pali na zemlju. Zatim su u crnim kapama izrezane tri rupe: jedna za usta, dvije za uši. Životinje su poletele bez straha. A.P. Kuzyakin je došao do zaključka da organi zvučne orijentacije slepih miševa "gotovo u potpunosti mogu zamijeniti vid, ali organi dodira ne igraju nikakvu ulogu u orijentaciji, a životinje ih ne koriste u letu."

Nekoliko godina ranije američki naučnici D. Griffin i R. Galambos koristili su drugačiju tehniku ​​za proučavanje misterioznih sposobnosti slepih miševa.

Počeli su jednostavnim dovođenjem ovih životinja do Pierceovog aparata, uređaja koji je mogao "čuti" ultrazvuk. I odmah je postalo jasno da slepi miševi "puno pozivaju, ali skoro svi spadaju u frekvencijski opseg koji se nalazi izvan praga ljudskog uha", kasnije je napisao Donald Griffin.

Uz pomoć električne opreme, Griffin i Galambos su uspjeli otkriti i istražiti fizičku prirodu "vika" slepih miševa. Također su ustanovili, uvođenjem posebnih elektroda u unutrašnje uho eksperimentalnih životinja, na kojoj frekvenciji su zvukovi percipirani njihovim slušnim organima.

5 Šišmiši za pecanje

Mali crveni šišmiš počinje svoje cvrčanje zvukom frekvencije od oko devedeset kiloherca, a završava ga tonom od četrdeset pet kiloherca. Dve hiljaditi deo sekunde, dok traje njen „vik“, signal prolazi kroz frekvencijsku skalu dvostruko duže od čitavog spektra zvukova koje percipira ljudsko uho! U "kriku" ima pedesetak zvučnih talasa, ali nijedan od njih nema dva iste dužine. Svake sekunde ima deset ili dvadeset takvih frekvencijski moduliranih "povika". Kada se približi prepreci ili nedostižnom komarcu, šišmiš ubrzava svoje signale. Sada već cvrkuće ne 12, već 200 puta u sekundi.

Griffin piše: "U jednom prikladnom tipu uređaja za prisluškivanje, svaka visoka škripa koju emituje šišmiš zvučiće kao klik na telefonu." Ako s ovim uređajem dođemo do ruba šume, gdje slepi miševi love komarce, onda kada jedan od njih proleti, u slušalicama ćemo čuti ne baš prenagljeno kuckanje “put-putt-putt-putt”, “kao od starog lijenog benzinskog motora".

Ali onda je slepi miš krenuo u poteru za moljcem ili je odlučio da ispita izbačeni kamenčić - odmah je brzo zatutnjalo „pit-pit-pit-pit-bizzz“. Sada već "zvuci slijede jedan za drugim, kao auspuh motocikla koji ubrzava."

Moljac je osjetio potjeru i spretnim manevrima pokušava spasiti svoj život. Ali šišmiš nije ništa manje spretan, ispisuje bizarne piruete na nebu, sustiže ga - i telefon više nije frakcioni izduv, već monotono zujanje električne testere.

Relativno nedavno otkriveni su šišmiši za pecanje. Njihov sonar je također tipa frekvencijske modulacije. Već su opisane četiri vrste takvih miševa. Žive u tropskoj Americi. U sumrak (a neki čak i popodne) lete na plijen i love cijelu noć. Lepršaju nisko nad vodom, naglo spuštaju šape u vodu, grabe ribu i odmah je šalju ustima. Šape ribara slepih miševa su dugačke, a kandže na njima su oštre i zakrivljene, poput onih u oraha - njihovog pernatog konkurenta, samo, naravno, ne tako velike.

Neki šišmiši koji jedu ribu nazivaju se zečjim usnama. Sa njih visi razdvojena donja usna, a vjeruje se da kroz ovaj kanal miš koji leprša nad morem usmjerava svoje sondirajuće zvukove direktno u vodu.

Probijajući se kroz vodeni stupac, "cvrčanje" se reflektuje iz plivajućeg mjehura ribe i njegov odjek se vraća ribolovcu. Budući da je tijelo ribe više od devedeset posto vode, ona gotovo ne reflektuje podvodne zvukove. Ali plivačka bešika ispunjena vazduhom je ekran koji je dovoljno "proziran" za zvuk.

Kada zvuk iz zraka dospije u vodu i obrnuto iz vode u zrak, gubi više od 99,9 posto svoje energije. To je fizičarima odavno poznato. Čak i ako zvuk udari u površinu vode pod pravim uglom, samo 0,12 posto njegove energije se širi pod vodom. To znači da signali šišmiša, koji su napravili dvostruko putovanje preko granice zrak-voda, moraju izgubiti toliko energije zbog visokih tarifa koje ovdje postoje da će jačina zvuka postati milion i po puta slabija!

Osim toga, bit će i drugih gubitaka: neće se sva zvučna energija reflektirati od ribe i neće sva, probijajući se ponovo u zrak, pasti u uši životinje koja zvuči eho.

Nakon svih ovih argumenata, nije teško povjerovati da eholokacija zrak-voda nije mit, već stvarnost.

Međutim, Donald Griffin je izračunao da se ribar šišmiša ispod vode vraća samo četiri puta manje snažnog eha od običnog šišmiša, koji odjekuju insekte u zraku. Nije više tako loše. Štaviše, ako pretpostavimo da sonari slepih miševa otkrivaju insekte ne sa udaljenosti od dva metra, kako je pretpostavio u svojim proračunima, već već sa dva metra i osamdeset centimetara (što je sasvim moguće), tada će intenzitet povratnog signala biti isto za oba - i za pecaroša i za komarce.

„Zdrav razum“, zaključuje Griffin, „i prvi utisci mogu biti pogrešni kada se bavimo stvarima koje su izvan područja običnog ljudskog iskustva, na kojem je, na kraju krajeva, izgrađeno ono što nazivamo zdravim razumom.“

6. I slepi miševi nisu u pravu

Kao i ljudi, i slepi miševi mogu pogriješiti. A to se često dešava kada su umorni ili se još nisu probudili nakon što su dan proveli u mračnim ćoškovima. To dokazuju unakaženi leševi slepih miševa koji se svake noći obrušavaju o Empire Building i druge nebodere.

Ako je žica razvučena nisko iznad rijeke, onda je slepi miševi obično dodiruju kada se spuste u vodu kako bi utažili žeđ s nekoliko kapi polizanih u letu. Životinje čuju dva odjeka u isto vrijeme: glasan s površine vode i slab od žice - i ne obraćaju pažnju na potonje, zbog čega se lome na žici.

Šišmiši, navikli da lete po davno provjerenim stazama, biraju svoje pamćenje kao vodič i onda ne slušaju proteste sonara. Istraživači su s njima izveli iste eksperimente kao i sa pčelama na starom aerodromu. (Sećate se?) Na vekovima utabanim stazama gradili su svakakve prepreke, kojima su slepi miševi svake večeri izletali u lov, a vraćali se u zoru. Životinje su naišle na ove prepreke, iako su njihovi sonari radili i unaprijed su upozoravali pilote. Ali više su vjerovali svom sjećanju nego svojim ušima. Šišmiši često griješe i zato što insekti koje love također nisu prostaci: mnogi od njih su nabavili antisonare.

U procesu evolucije, insekti su razvili niz ultrazvučnih zaštitnih uređaja. Mnogi noćni moljci, na primjer, gusto su prekriveni finim dlačicama. Činjenica je da mekani materijali: paperje, pamučna vuna, vuna - apsorbiraju ultrazvuk. To znači da je krznene moljce teže locirati. Neki noćni insekti razvili su organe sluha osjetljive na ultrazvuk koji im pomažu da uče prije približavanja opasnosti. Kad se nađu u dometu ehosonda šišmiša, počinju juriti s jedne strane na drugu, pokušavajući izaći iz opasne zone. Noćni leptiri i bube, smješteni kod šišmiša, čak koriste takvu taktiku: sklapaju krila i padaju, smrzavajući se u nepokretnosti na tlu. Kod ovih insekata, organi sluha obično percipiraju zvukove dva različita opsega: niske frekvencije, na kojima njihovi rođaci "razgovaraju", i visokofrekventne, na kojima rade sonari slepih miševa. Za međufrekvencije (između ova dva opsega) su gluvi.

7. Krikovi u ponoru

echolocation echo direction delphin radar

Popodne 7. marta 1949. istraživački brod Atlantik osluškivao je more sto sedamdeset milja sjeverno od Portorika. Ispod broda su bile velike dubine. Pet kilometara slane vode ispunilo je ogromnu udubinu u zemlji.

I iz ovog ponora dopirali su glasni krici. Jedan vrisak, pa njegov eho. Još jedan vrisak i još jedan eho. Mnogi vriskovi zaredom sa intervalom od oko sekundu i po. Svaki je trajao oko trećine sekunde, a visina mu je bila pet stotina herca.

Odmah je izračunato da nepoznato stvorenje vježba vokalne solo na dubini od oko tri i po kilometra. Odjek njegovog glasa odrazio se s morskog dna i stoga je sa zakašnjenjem stigao do brodskih instrumenata.

Budući da kitovi ne rone tako duboko, a rakovi i rakovi ne ispuštaju tako glasne zvukove, biolozi su mislili da riba vrišti u ponoru. I vrisnula je s ciljem: ozvučila je okean zvukom. Izmjerena, jednostavno rečeno, njegova dubina. Proučen teren, topografija dna.

Ova ideja se sada malo kome čini neverovatnom. Jer već je sigurno utvrđeno da ribe, koje su dugo smatrane glupima, ispuštaju hiljade svih vrsta zvukova, udarajući posebnim mišićima po plivaćim mjehurima, kao po bubnju. Drugi škrguću zubima, škljocaju zglobove oklopa. Mnogi od ovih pucketanja, škripe i škripe zvuče u ultrakratkom opsegu i očito se koriste za eholokaciju i orijentaciju u prostoru. Dakle, kao i slepi miševi, ribe imaju sopstvene sonare.

Eholokatori riba još nisu proučavani, ali su vrlo dobro proučavani kod delfina. Delfini su veoma pričljivi. Neće šutjeti ni minuta. Većina njihovih povika je kolokvijalni, da tako kažem, leksikon, ali nas to sada ne zanima. Drugi očito služe sonare.

Dobri delfin zviždi, škljoca, gunđa, laje, cvili različitim glasovima u frekvencijskom opsegu od sto pedeset do sto pedeset i pet hiljada herca. Ali kada "nečujno" pliva, njegov sonar neprestano sondira okolinu "kišom" brzih vriska, ili, kažu, zveketa. Traju ne više od nekoliko milisekundi i obično se ponavljaju petnaest do dvadeset puta u sekundi. A ponekad i stotine puta!

Najmanji prskanje po površini - i delfin odmah ubrzava krikove, "osjećajući" objekt koji tone. Delfinov sonar je toliko osjetljiv da čak ni mala kuglica, pažljivo spuštena u vodu, neće izbjeći njegovoj pažnji. Riba bačena u ribnjak se odmah detektuje. Delfin je u bijegu. Ne videći plijen u mutnoj vodi, nepogrešivo ga progoni. Prateći ribu, ona definitivno mijenja kurs. Slušajući odjek svog glasa, delfin lagano naginje glavu na jednu ili drugu stranu, baš kao osoba koja pokušava preciznije odrediti smjer zvuka.

Ako spustite nekoliko desetina okomitih štapova u mali bazen, delfin brzo pliva između njih, a da ih ne udari. Međutim, on očigledno ne može da otkrije mreže velikih mreža sa svojim ehosonderom. Fina mreža se lako "pipa".

Poenta je ovdje, očigledno, da su velike ćelije previše "transparentne" za zvuk, dok ga male reflektiraju, gotovo kao čvrsta barijera.

William Shevill i Barbara Lawrence-Shevill, naučnici sa Okeanografskog instituta Woods Hole, pokazali su u nizu zanimljivih eksperimenata koliko je suptilan akustični "dodir" delfina.

Delfin je plivao u maloj uvali, ograđenoj od mora, i cijelo vrijeme "škripao". A ponekad je uređaj divlje škrgutao od prebrzog zveckanja uvijenog jezika. To se dogodilo kada su komadi ribe bačeni u vodu. Nisu ga samo bacili, već su ga tiho položili na dno bez ikakvog prskanja. Ali bilo je teško sakriti od delfina najbešumnije bacanje hrane u ribnjak, čak i ako je plivao na njegovom drugom kraju dvadesetak metara od mjesta sabotaže. A voda u ovoj lokvi bila je toliko zamućena da kada je metalna ploča uronjena u nju na pola metra, činilo se da se otopi: ni najbudnije ljudsko oko to nije moglo vidjeti.

Eksperimentatori su u vodu spustili male ribice dugačke oko petnaest centimetara. Delfin je odmah uočio ribu pomoću ehosonda, iako je jedva bila potopljena: čovjek ju je držao za rep.

Vjeruje se da klakovi služe delfinu za blisku orijentaciju. Zviždanjem se vrši generalno izviđanje terena i osjećaj udaljenijih objekata. A ova zviždaljka je frekvencijsko modulirana! Ali za razliku od iste vrste sonara slepih miševa, on počinje nižim notama i završava visokim.

Ostali kitovi - i kitovi spermaji, i kitovi peraji, i kitovi beluga - također se, očigledno, orijentiraju uz pomoć ultrazvuka. Oni jednostavno ne znaju kako proizvode ove zvukove. Neki istraživači misle da je puhalo, odnosno nozdrve i zračne vrećice dišnog kanala, drugi - da je grlo. Iako kitovi nemaju prave glasne žice, mogu se uspješno zamijeniti - kako neki vjeruju - posebnim izraslinama na unutrašnjim zidovima larinksa.

Ili možda i otvor za puhanje i larinks podjednako služe sistemu za prenos sonara.

8 Radar za vodeni slon

Među mnogim svetim životinjama starog Egipta, postojala je i jedna riba sa potpuno jedinstvenim sposobnostima.

Ova riba je mormirus ili vodeni slon. Vilice su joj izdužene u mali proboscis. Neobjašnjiva sposobnost mormyrusa da vidi nevidljivo izgledala je kao natprirodno čudo. Izum radara pomogao je u rješavanju misterije.

Ispostavilo se da je priroda vodenog slona obdarila nevjerovatnim organom - radarom!

Mnoge ribe, svi znaju, imaju električne organe. Mormirus takođe ima malu "džepnu bateriju" u repu. Napon koji stvara je mali - samo šest volti, ali ovo je dovoljno.

Mormyrus radar šalje osamdeset do sto električnih impulsa u svemir svake minute. Elektromagnetne oscilacije koje proizlaze iz pražnjenja "baterije" delimično se reflektuju od okolnih objekata i ponovo se vraćaju u mormirus u obliku radio eha. "Prijemnik" koji hvata eho nalazi se u dnu leđne peraje nevjerovatne ribe. Mormirus "osjeća" okolinu uz pomoć radio talasa!

Izveštaj o neobičnim svojstvima mormirusa sačinio je 1953. Istočnoafrički ihtiološki institut. Istraživači na Institutu su primijetili da su Mormyrusi držani u akvarijumu počeli nemirno da lutaju kada je predmet visoke električne provodljivosti, kao što je komad žice, spušten u vodu. Izgleda da mormyrus ima sposobnost da osjeti promjene u elektromagnetnom polju koje pobuđuje njegov električni organ? Anatomisti su pregledali ribu. Uparene grane velikih živaca išle su duž njenih leđa od mozga do baze leđne peraje, gdje su, granajući se u male grane, završavale u tkivnim formacijama u jednakim razmacima jedna od druge. Očigledno je ovdje postavljen organ koji hvata reflektirane radio valove. Mormirus sa presečenim nervima koji opslužuju ovaj organ, izgubio je osetljivost na elektromagnetno zračenje.

Mormirus živi na dnu rijeka i jezera i hrani se larvama insekata koje vadi iz mulja dugim čeljustima, poput pincete. Tokom potrage za hranom, riba je obično okružena gustim oblakom uzburkanog mulja i ne vidi ništa okolo. Kapetani brodova iz vlastitog iskustva znaju koliko je radar neophodan u takvim uvjetima.

Mormirus nije jedini "radar uživo" na svijetu. Izvanredno radio oko pronađeno je i u repu električne jegulje Južne Amerike, čije “baterije” razvijaju rekordan napon do petsto volti, a prema nekim izvorima i do osamsto volti!

Američki istraživač Christopher Coates, nakon niza eksperimenata provedenih u njujorškom akvariju, došao je do zaključka da su male bradavice na glavi električne jegulje radarske antene. Oni hvataju elektromagnetne valove reflektirane od okolnih objekata, čiji se emiter nalazi na kraju repa jegulje. Osjetljivost radarskog sistema ove ribe je tolika da jegulja očito može odrediti prirodu objekta koji je pao u polje djelovanja lokatora. Ako se radi o jestivoj životinji, električna jegulja odmah okreće glavu u svom smjeru. Zatim aktivira moćne električne organe prednjeg dijela tijela - baca žrtvu "munja" - i polako proždire plijen ubijen električnim pražnjenjem.

U istim rijekama, gdje električne jegulje lijeno drijemaju na dnu, elegantne nožne ribe - Aigenmanije švrljaju po šikarama. Izgled im je čudan: nema leđne peraje, a ni repne peraje (samo goli tanki šiljak na repu). I ove ribe se ponašaju neobično: okreću ovaj isti toranj na sve strane, kao da njuše rep. I prije nego što se popnu ispod čamca ili u pećinu na dnu, prvo zabadaju rep u pukotinu, a onda, ako je pregled dao pozitivne, da tako kažem, rezultate, sami se penju tamo. Ali ne penju se glavom, već repom. Čini se da mu ribe vjeruju više nego svojim očima.

Sve je objašnjeno vrlo jednostavno: na samom kraju filamentoznog repa Eigenmanije, naučnici su otkrili električno "oko", kao kod Mormirusa.

Čini se da gimnotide, koje su vrlo slične tropskim američkim ribama, također imaju radare, iako to još nije dokazano.

Nedavno se dr. Lissman sa Kembridža ponovo zainteresovao za električnog soma, koji su dugo proučavali zoolozi, koji žive u rekama Afrike. Ova riba, sposobna razviti napon do dvije stotine volti, lovi noću. Ali ona ima veoma "kratkovidne" oči i u mraku ne vidi dobro. Kako onda som pronalazi plijen? Dr. Lissman je dokazao da, kao i električna jegulja, električni som također koristi svoje moćne baterije kao radar.

Zaključak

Iz navedenog možemo zaključiti da priroda, po svemu sudeći, nije bila previše škrta kada je svoju djecu obdarila sonarima. Od slepih miševa do delfina, od delfina do riba, ptica, pacova, miševa, majmuna, do zamoraca, buba, istraživači su se kretali sa svojim instrumentima, otkrivajući ultrazvuk svuda. Životinje koriste eholokaciju za navigaciju u prostoru i za određivanje lokacije objekata oko sebe, uglavnom koristeći visokofrekventne zvučne signale. Najrazvijeniji je kod slepih miševa i delfina, koriste ga i rovke, brojne vrste peronožaca (foke), ptice (guajaro, salangans i dr.).

Porijeklo eholokacije kod životinja ostaje nejasno; vjerovatno je nastao kao zamjena za vid kod onih koji žive u tami pećina ili dubinama okeana. Umjesto svjetlosnog vala, za lokaciju se počeo koristiti zvučni val.

Ovakav način orijentacije u prostoru omogućava životinjama da detektuju objekte, prepoznaju ih, pa čak i love u uslovima potpunog odsustva svetlosti, u pećinama i na značajnim dubinama.