Петр Асташенков - Что такое бионика

Исследования не ограничиваются голубями, намечается изучить «опыт» таких птиц, как альбатросы. Предполагается организовать также исследования передвижений бурых дельфинов, китов, акул, морских черепах, то есть таких животных, которые почти все время находятся вблизи водной поверхности, что облегчает слежение за ними.

Известно, что при объяснении принципа радиолокации обычно ссылаются на летучих мышей, которые легко различают препятствия в полете, излучая звуковые волны и принимая отраженные сигналы. Но оказалось, что не только принцип действия локационного аппарата мышей представляет интерес, но и его устройство и характеристики. Ученые установили сейчас, что этот аппарат обладает большей точностью, чем созданные человеком радио- и гидролокаторы. Оказалось, что летучие мыши одного из видов легко обнаруживают проволоку диаметром менее 0,3 мм, несмотря на то что она дает, безусловно, чрезвычайно слабый отраженный сигнал.

Характерно и то, что точность обнаружения препятствия достигается даже при наличии шума, интенсивность которого во много раз превосходит интенсивность принимаемого сигнала. Так, по данным английского ученого Л. Кея, эхолокационный аппарат летучих мышей успешно действует даже при отношении интенсивности сигнала к интенсивности шумового фона, равном 35 (в логарифмических единицах измерения — децибелах).

Любопытным оказывается и то, что у разных видов летучих мышей эхолокационные аппараты устроены по-разному и для ориентации используются различные сигналы. Обыкновенные насекомоядные мыши издают ультразвуки с частотной модуляцией. Их частота меняется в пределах от 90 до 40 кгц за время порядка нескольких миллисекунд (от 10 до 0,5 миллисекунды).

На рис. 6 показаны записанные на пленку разными методами сигналы, излучаемые насекомоядной мышью.

Рис. 6. Запись на пленку сигналов, излучаемых насекомоядной мышью .

Сигналы улавливались емкостным микрофоном и подавались на дискриминатор, то есть детектор частотно-модулированных колебаний. Выходное напряжение выпрямленного тока при этом было прямо пропорционально частоте входных сигналов и не зависело от их амплитуды.

Как же действует «локатор» насекомоядной мыши? Она летает с открытой пастью, в результате поле излучаемых сигналов перекрывает угол 90°. Представление о направлении, по мнению специалистов, мышь получает за счет сравнения сигналов, принимаемых ушами, которые подняты во время полета, как приемные антенны. Подтверждением этого мнения служит то, что стоит вывести из строя одно ухо летучей мыши, как она совершенно теряет ориентировку.

В литературе отмечается, что ушная раковина летучей мыши устроена примерно так же, как и у человека, но диапазон принимаемых частот шире — от 30 гц до 100 кгц.

Сам процесс обнаружения объектов насекомоядной летучей мышью еще полностью не выяснен и изучается. Что касается объектов на удалениях до 1–1,2 м, то предполагается, что мышь может различать сигналы от нескольких из них. Как показано на рис. 7, сложение излучаемых импульсов, модулированных по частоте, и отраженных сигналов дает сигналы разностной частоты Δ f , которая будет пропорциональна расстоянию до объекта. Длительность сигналов разностной частоты также функция расстояния.

Рис. 7. Сложение излучаемых импульсов, модулированных по частоте, и отраженных сигналов и получение сигналов, пропорциональных расстоянию до объекта.

Предполагалось, что на расстояниях, больших 1,2 м, точность обнаружения объектов мышью должна была бы убывать. Однако поведение мышей не подтверждает этого, точность остается неизменной.

Для объяснения этого явления выдвигается следующая гипотеза. Мышь может излучать колебания, которые не обнаруживаются имеющейся аппаратурой. Или для измерения направления на объект используется метод частотной модуляции. Объекты справа и слева создают в разных ушах различные частоты биений. Разность частот биений пропорциональна углу и не зависит от расстояния.

Другой вид летучих мышей — подковоносы — используют для ориентации чистые тона частотой порядка 80 кгц в виде импульсов постоянной амплитуды длительностью в среднем около 60 миллисекунд. С помощью высокоскоростного записывающего аппарата на магнитной ленте удалось получить характеристики сигналов, излучаемых мышами-подковоносами. Как видно из рис. 8, в конце импульса заметно изменение частоты.

Рис. 8. Запись на магнитной ленте сигналов, излучаемых мышами-подковоносами .

Она убывает по линейному закону со скоростью 10–20 кгц/сек в течение 2 миллисекунд. Это изменение частоты напоминает сигналы обыкновенных насекомоядных мышей.

Внешне поведение в полете мышей этих двух видов различно. У обыкновенных — прямые неподвижные уши, у подковоносов — непрерывные движения головой и вибрирование ушами. Характерно, что вывод из строя одного уха не мешает подковоносу ориентироваться. Зато повреждение мускулов, управляющих движением ушей, лишает его способности летать.

Предполагается, что с помощью движения ушей мышь модулирует принимаемые отраженные сигналы и сравнивает их с излучаемыми. Образуются биения, синхронные с движением ушей даже в состоянии покоя и в случае неподвижных объектов. В полете же, возможно, мышь определяет расстояния до объектов с помощью эффекта Допплера. Этот эффект состоит в изменении частоты, например звука, в зависимости от движения (сближения или удаления) источника по отношению к наблюдателю.

Вместе с тем высказывается предположение, что в процессах работы «локаторов» мышей обоих видов есть большое сходство. На этот вывод наталкивает наличие участка с переменной частотой в конце импульса, излучаемого мышами-подковоносами.

Мы не для того приводим подробности устройства и процесса действия «локаторов» этих живых существ, чтобы стать на одну какую-то точку зрения и поставить все точки над «и». Пример еще раз говорит о полезности изучения эхолокационных устройств живого мира. Это важно не только для разработки новых принципов радиолокации, совершенствования конструкций радиолокаторов, но и обеспечения их работы в условиях помех.

В Массачусетском технологическом институте (США) исследуются методы «истолкования данных», используемые летучими мышами. Специалистов интересует, как эти животные, покрытые мехом, выделяют среди писков и пронзительных выкриков других летучих мышей свои отраженные сигналы. Для исследований сделана специальная сложная аппаратура — ультразвуковые частотомеры, микрофоны и т. д. Считают, что подобное изучение может оказаться полезным при разработке защиты радиолокационных систем от помех.