Ультразвуки в живій та неживій природі. Ультразвуки в живій природі.

Вступ

2. Ехопеленг

3. Типи природних сонарів

4. Дотик допомагає кажанам уникати перешкоди

5. Кажани-рибальські

6. І кажани помиляються

7. Крики в безодні

8. Радар водяного слона

Висновок

Література

Вступ

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

Вперше ідея про активну звукову локацію у кажанів була висловлена в 1912 році Х. Максимом. Він припускав, що кажани створюють низькочастотні ехолокаційні сигнали помахами крил із частотою 15 Гц.

Про ультразвук здогадався в 1920 році англієць Х. Хартрідж, який відтворював досліди Спалланцані. Підтвердження цьому знайшлося в 1938 завдяки біоакустику Д. Гріффіну і фізику Г. Пірсу. Гриффін запропонував назву ехолокація (за аналогією з радіолокацією) для іменування методу орієнтації кажанів за допомогою ультразвуку.

1. Ультразвуки у живій природі

За останні десять - п'ятнадцять років біофізики з подивом встановили, що природа, мабуть, не дуже скуповувалась, коли наділяла своїх дітей сонарами. Від кажанів до дельфінів, від дельфінів до риб, птахів, щурів, мишей, мавп, до морських свинок, жуків переходили дослідники зі своїми приладами, всюди виявляючи ультразвуки.

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

Очевидно, з метою ехолокації видають ультразвуки невеликої частоти (двадцять – вісімдесят кілогерц) та інші тварини – морські свинки, щури, сумчасті летяги і навіть деякі американські мавпи.

Миші та землерийки в експериментальних лабораторіях, перш ніж пуститися в дорогу темними закутками лабіринтів, в яких випробовували їхню пам'ять, посилали вперед швидкокрилих розвідників - ультразвуки. У темряві вони добре знаходять нори у землі. І тут допомагає ехолот: із цих дірок луна не повертається!

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

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

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

Звісно, це працюють ехолоти. Їхні сигнали вловлює і наше вухо, бо звучать вони в діапазоні порівняно низьких частот – близько семи кілогерців. Кожне клацання триває одну або дві тисячні частки секунди. Дональд Гріффін, вже відомий нам дослідник сонарів кажанів, заткнув ватою вуха деяких гуахаро і випустив їх у темну залу. І віртуози нічних польотів, оглухнувши, одразу й засліпли: безпорадно натикалися на всі предмети в приміщенні. Не чуючи луни, вони не могли орієнтуватися в темряві.

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

Черевце щойно оперених пташенят гуахаро вкрите товстим шаром жиру. Коли виповниться юним троглодитам приблизно два тижні, в печери приходять люди зі смолоскипами та довгими жердинами. Вони руйнують гнізда, вбивають тисячі рідкісних птахів і тут же, біля входу в печери, витоплюють жир. Хоча у цього жиру непогані та харчові якості, вживають його головним чином як пальне у ліхтарях та лампах.

Горить він краще за гас і дешевший за нього - так вважають на батьківщині птаха, який злою іронією року засуджено все життя провести в темряві, щоб померши дати світло житлу людини.

У Південній Азії, від Індії до Австралії, живе ще один птах, який знаходить у мороці дорогу до гнізда за допомогою сонара. Вона теж гніздиться в печерах (іноді, щоправда, і на скелях просто неба). Це знаменита салангана, добре відома всім місцевим гурманам стриж: з його гнізд варять суп.

Салангана ось як в'є гніздо: причепиться лапками до скелі і змащує клейкою слиною камінь, малюючи на ньому силует люльки. Водить головою вправо і вліво - слина відразу застигає, перетворюється на буру скоринку. А саланган все змащує її зверху. Зростають стінки біля гнізда, і виходить маленька колиска на величезній скелі.

Колиска ця, кажуть, дуже смачна. Люди забираються на високі стрімчаки, дерються при світлі смолоскипів на стіни печер і збирають гнізда саланган. Варять потім їх у окропі (або курячому бульйоні!), і виходить чудовий суп, як запевняють знавці.

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

2. Відлуння пеленг

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

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

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

Ультразвуки виникають у гортані кажана. Тут у вигляді своєрідних струн натягнуті голосові зв'язки, які, вібруючи, виробляють звук. Адже гортань на своєму пристрої нагадує звичайний свисток: повітря, що видихається з легких, вихором проноситься через неї - виникає «свист» дуже високої частоти, до 150 тисяч герц (людина його не чує).

Кажан може періодично затримувати потік повітря. Потім він з такою силою виривається назовні, наче викинутий вибухом. Тиск повітря, що проноситься через горло вдвічі більше, ніж у паровому котлі. Непогане досягнення для звірка вагою 5 – 20 грамів!

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

Короткість звукового сигналу – дуже важливий фізичний фактор. Лише завдяки йому можлива точна ехо локація, тобто орієнтування за допомогою ультразвуків.

Від перешкоди, яка видалена на сімнадцять метрів, відбитий звук повертається до звірка приблизно через 0,1 секунди. Якщо звуковий сигнал триватиме більше 0,1 секунди, його луна, відбите від предметів, розташованих ближче сімнадцяти метрів, сприйматиметься органами слуху звірка одночасно з основним звучанням.

Адже саме за проміжком часу між кінцем сигналу, що посилається, і першими звуками луна, що повернувся, кажан інстинктивно отримує уявлення про відстань до предмета, що відобразив ультразвук. Тому звуковий імпульс такий короткий.

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

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

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

І тільки коли експериментатори зменшили товщину дроту, натягнутого в приміщенні, де пурхали кажани, до 0,07 міліметра, звірята стали натикатися на нього.

Кажани нарощують темп ехолотуючих сигналів приблизно за два метри від дроту. Отже, за два метри вони її й «намацують» своїми «криками». Але кажан не відразу змінює напрямок, летить далі прямо на перешкоду і лише за кілька сантиметрів від нього різким помахом крила відхиляється убік.

За допомогою сонарів, якими їх наділила природа, кажани не тільки орієнтуються в просторі, але й полюють на свій хліб насущний: комари, метелики та інші нічні комахи.

У деяких дослідах звіряток змушували ловити комарів у невеликій лабораторній залі. Їх фотографували, зважували – одним словом, увесь час стежили за тим, наскільки успішно вони полюють. Одна кажан вагою сім грамів за годину наловила грам комах. Інша крихітка, яка важила всього три з половиною грами, так швидко ковтала комарів, що за чверть години «поповніла» на десять відсотків. Кожен комар важить приблизно 0,002 грами. Отже, за п'ятнадцять хвилин полювання було спіймано 175 комарів – кожні шість секунд один комар! Дуже жвавий темп. Гриффін каже, що якби не сонар, то кажан, навіть усю ніч літаючи з відкритим ротом, упіймав би «за законом випадку» одного-єдиного комара, і якби комарів навколо було багато.

3. Типи природних сонарів

До недавнього часу думали, що природними сонарами володіють лише дрібні комахоїдні кажани на кшталт наших нічниць і нетопірів, а великі лисиці, що літають, і собаки, що пожирають тонни фруктів у тропічних лісах, їх нібито позбавлені. Можливо, це так, але тоді, значить, роузеттус є винятком, тому що літаючі собаки цього роду наділені ехолокаторами.

У польоті роузеттуси постійно клацають мовою. Звук проривається назовні в кутах рота, які у роузеттуса завжди відкриті. Клацання дещо нагадують своєрідне цокання язиком, до якого вдаються іноді люди, засуджуючи щось. Примітивний сонар летючого собаки працює, проте, досить точно: міліметровий дріт він засікає з відстані кілька метрів.

Всі без винятку дрібні кажани з підряду Microchiroptera, тобто мікрорукокрилі, наділені ехолотами. Але моделі цих приладів у них різні. Останнім часом дослідники виділяють в основному три типи природних сонарів: шепотить, скандуючий і цвітіння, або частотно-модулюючий тип.

Шепчущі кажани мешкають у тропіках Америки. Багато з них подібно до летких собак харчуються фруктами. Ловлять також комах, але не в повітрі, а на листі рослин. Їхні ехолотуючі сигнали - дуже короткі і дуже тихі клацання. Кожен звук триває тисячну частку секунди і дуже слабкий. Почути його можуть лише дуже чутливі прилади. Іноді, щоправда, кажани-шептуни так голосно «шепчуть», що й людина їх чує. Але зазвичай сонар їх працює на частотах 150 кілогерців.

Знаменитий вампір теж шептун. Нашіптуючи невідомі нам «заклинання», він шукає в гнилих лісах Амазонії змучених мандрівників і смокче їх кров. Зауважили, що собаки рідко бувають покусані вампірами: тонкий слух заздалегідь попереджає їх про наближення кровососів. Собаки прокидаються і тікають. Адже вампіри нападають лише на сплячих тварин. Було зроблено навіть такі досліди. Собак видресували: коли чули вони «шепіт» вампіра, зараз же починали гавкати і будили людей. Передбачається, що майбутні експедиції до американських тропіків супроводжуватимуть ці дресовані «вампіролокатори».

Скандують підковоноси. Деякі з них мешкають на півдні нашої країни – у Криму, на Кавказі та в Середній Азії. Підковоносами вони названі за нарости на морді, у вигляді шкірястої підкови подвійним кільцем навколишні ніздрі та рот. Нарости не пусті прикраси: це свого роду рупор, що спрямовує звукові сигнали вузьким пучком у той бік, куди дивиться кажан. Зазвичай звірятко висить вниз головою і, повертаючись (майже на триста шістдесят градусів!) то вправо, то вліво, обмацує звуком околиці. Тазостегнові суглобиу тропічних підковоносів дуже гнучкі, тому й можуть вони робити свої артистичні повороти. Як тільки в поле їх локатора потрапить комар або жук, літальний апарат, що самонаводиться, зривається з гілки і пускається в погоню за пальним, тобто за їжею.

І цей «літальний апарат», здається, може навіть визначити, використовуючи добре відомий фізикам ефект Доплера, куди летить їжа: чи наближається до сука, на якому висить підковоніс, чи віддаляється від нього. Відповідно до цього змінюється і тактика переслідування.

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

Але наші звичайні кажани та їхні північноамериканські родичі ехолотують простір модульованими за частотами звуками, як і найкращі моделістворених людиною сонарів. Тон сигналу змінюється, отже, змінюється і висота відбитого звуку. А це у свою чергу означає, що в кожен даний момент висота луни, що приймається, не збігається з тоном сигналу, що відправляється. І нефахівцеві ясно, що такий пристрій значно полегшує ехолотування.

4. Дотик допомагає кажанам уникати перешкоди

До вирішення цієї цікавої проблеми вчені дійшли майже одночасно у різних країнах.

Голландець Свен Дійграаф вирішив перевірити, чи справді дотик допомагає кажанам уникати перешкод. Він перерізав дотичні нерви крил - оперовані тварини чудово літали. Значить, дотик тут ні до чого. Тоді експериментатор позбавив кажанів слуху - вони відразу точно засліпли.

Дійграаф міркував так: оскільки стіни та предмети, що зустрічаються кажанам у польоті, не видають жодних звуків, отже, кричать самі миші. Відлуння їхнього власного голосу, відбите від навколишніх предметів, сповіщає звірят про перешкоду на шляху.

Дійграаф помітив, що кажан, перш ніж пуститись у політ, розкриває рота. Очевидно, видає нечутні нам звуки, «обмацуючи» ними околиці. У польоті кажани теж постійно відкривають роти (навіть коли не полюють за комахами).

Це спостереження подало Дійграафу думку зробити наступний експеримент. Він одягнув на голову звірка паперовий ковпак. Спереду, мов забрало біля лицарського шолома, в ковпаку відчинялися і зачинялися маленькі двері.

Кажан із закритими дверцятами на ковпаку не міг літати, натикався на предмети. Варто було лише в паперовому шоломі підняти забрало, як звірятко перетворювався, його політ знову ставав точним і впевненим.

Свої спостереження Дійграаф опублікував у 1940 році. А в 1946 році радянський вчений професор А. П. Кузякін розпочав серію дослідів над кажанами. Він заліпив їм пластиліном рот і вуха і випустив у кімнаті з натягнутими вздовж і поперек мотузками - майже всі звірята не змогли літати. Експериментатор встановив цікавий факт: кажани, вперше пущені в приміщення для пробного польоту з відкритими очима, «багаторазово і з великою силою, щойно спіймані птахи, вдарялися об шибки незанавішених вікон». Це відбувалося вдень. Увечері при світлі електричної лампи миші вже не натикалися на шибки. Отже, вдень, коли добре видно, кажани довіряють більше зору, ніж іншим органам чуття. Адже зору кажанів багато дослідників схильні були зовсім не надавати значення.

Професор А. П. Кузякін продовжував досліди у лісі. На голови звіряткам - рудим вечорницям - він одягнув ковпачки з чорного паперу. Звірятка не могли тепер ні бачити, ні використати свій акустичний радар. Кажани не ризикнули летіти в невідомість Вони розкривали крила і опускалися на них, як на парашутах, на землю. Лише деякі відчайдушні полетіли на авось. Результат був сумним: вони вдарилися об дерева та впали на землю. Тоді у чорних ковпачках вирізали три отвори: один для рота, два для вух. Звірята без страху пустилися в політ. А. П. Кузякін дійшов висновку, що органи звукової орієнтування кажанів «можуть майже повністю замінити зір, а органи дотику жодної ролі в орієнтуванні не грають, і звірята ними в польоті не користуються».

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

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

За допомогою електротехнічної апаратури Гріффін та Галамбос зуміли виявити та дослідити фізичну природу «криків» кажанів. Встановили також, вводячи спеціальні електроди у внутрішнє вухо піддослідних звірків, який частоти звуки приймають органи їх слуху.

5. Кажани-рибальські

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

Гриффін пише: «В одному із зручних типів підслуховуючої апаратури кожен високочастотний писк, що видається кажаном, прозвучить у телефоні, як клацання». Якщо з цим апаратом прийти на узлісся лісу, де кажани полюють за комарами, то, коли одна з них пролітатиме повз, почуємо в навушниках не дуже квапливе постукування «путт-путт-путт-путт», «як від старого лінивого газолінового мотора».

Але летюча миша кинулася в погоню за метеликом або вирішила обстежити підкинутий вгору камінчик - зараз же скоромовкою застукало «піт-піт-піт-піт-біззз». Тепер уже «звуки йдуть один за одним, як вихлопи мотоцикла, що розганяється».

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

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

Деяких рибоїдних кажанів називають заяче-губими. Роздвоєна нижня губа відвисає у них вниз, і вважають, що по цьому каналу миша, що пурхає над морем, направляє свої зондуючі звуки прямо вниз, у воду.

Пробивши товщу вод, «стукотіння» відбивається від плавального міхура рибок і його луна повертається до рибалки. Оскільки тіло риби більше, ніж на дев'яносто відсотків, складається з води, воно майже не відображає підводні звуки. Але наповнений повітрям плавальний міхур є досить «непрозорим» для звуку екраном.

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

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

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

Однак Дональд Гріффін підрахував, що рукокрилий рибалок отримує назад з-під води лише вчетверо менш потужну луну, ніж звичайна кажан, що ехолотує комах у повітрі. Це вже не так погано. Більше того, якщо припустити, що сонари кажанів засікають комах не за два метри, як він передбачав за своїх розрахунків, а вже з двох метрів вісімдесят сантиметрів (що цілком можливо), то інтенсивність зворотного сигналу буде однаковою в обох - і у рибалки, і у комаролова.

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

6. І кажани помиляються

Подібно до людей кажани теж можуть помилятися. І таке нерідко трапляється, коли вони втомилися або ще до ладу не прокинулися після проведеного у темних кутах дня. Це доводять понівечені трупи кажанів, які щоночі розбиваються про Емпайр-Білдінг та інші хмарочоси.

Якщо низько над річкою натягнути дріт, летючі миші зазвичай зачіпають за неї, коли спускаються до води, щоб вгамувати спрагу декількома злизаними на льоту краплями. Звірятка чують одночасно дві ехи: голосне від поверхні води і слабке від дроту - і не звертають уваги на останнє, тому й розбиваються об дріт.

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

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

7. Крики в безодні

ехолокація ехопеленг дельфін радар

Після полудня 7 березня 1949 року дослідницьке судно «Атлантик» прослуховувало море за сто сімдесят миль на північ від Пуерто-Ріко. Внизу під кораблем були великі глибини. П'ятикілометрові товщі солоної води наповнювали гігантську западину у землі.

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

Відразу ж підрахували, що невідома істота вправлялася у вокальних соло на глибині приблизно трьох з половиною кілометрів. Відлуння його голосу відбивалася від морського дна і тому добігало до приладів корабля з деяким запізненням.

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

Ідея ця тепер мало кому здається неймовірною. Бо вже точно встановлено, що риби, яких довго вважали німими, видають тисячі всіляких звуків, ударяючи особливими м'язами плавальних бульбашок, як барабаном. Інші скрегочуть зубами, клацають кісточками своєї броні. Багато з цих трісків, скрипів і писків звучать в ультракороткому діапазоні і використовуються, мабуть, для ехолокації та орієнтування у просторі. Значить, як і у кажанів, риби мають свої сонари.

Ехолокотори риб ще не вивчені, але у дельфінів досліджено вони чудово. Дельфіни дуже «балакучі». Ні хвилини не помовчать. Більшість їхніх криків складає розмовний, так би мовити, лексикон, але він нас зараз не цікавить. Інші явно обслуговують сонари.

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

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

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

Справа тут, мабуть, у тому, що великі осередки надто «прозорі» для звуку, а дрібні відбивають його майже як суцільна перешкода.

Вільям Шевілл і Барбара Лоренс-Шевілл, науковці Вудсхольського океанографічного інституту, серією цікавих дослідів показали, наскільки тонкий акустичний «дотик» у дельфіна.

Дельфін плавав у невеликій, відгородженій від моря бухточці і весь час «скрипував». А іноді прилад дико скреготів від надто швидких, скоромовкою вимовлених клаків. Траплялося це тоді, коли у воду кидали шматочки риби. Не просто кидали, а тихенько без усякого сплеску вкладали на дно. Але від дельфіна було важко приховати безшумне підкидання їжі в ставок, навіть якщо він плавав на іншому його кінці за двадцять метрів від місця диверсії. А вода в цій калюжі була така каламутна, що коли занурювали в неї на півметра металеву пластинку, та ніби розчинялася: навіть найпильніше людське око не могло її побачити.

Експериментатори опускали у воду маленьких рибок сантиметрів близько п'ятнадцяти завдовжки. Дельфін моментально засікав рибку ехолокатором, хоча вона ледь занурена: людина тримала її за хвіст.

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

Інші кити – і кашалоти, і фінвали, і білухи – теж, мабуть, орієнтуються за допомогою ультразвуків. Ось тільки ще не знають, чим вони видають ці звуки. Одні дослідники думають, що дихало, тобто ніздрі та повітроносні мішки дихального каналу, інші - що горло. Хоча справжніх голосових зв'язок у китів і немає, але їх з успіхом можуть замінити – так деякі вважають – особливі нарости на внутрішніх стінках гортані.

А може, і дихало, і гортань однаково обслуговують передавальну систему сонара.

8. Радар водяного слона

Серед численних священних тварин Стародавнього Єгипту була одна рибка, що має абсолютно унікальні здібності.

Риба ця – мормірус, або водяний слон. Щелепи у неї витягнуті у невеликий хоботок. Незрозуміла здатність морміруса бачити невидиме здавалася надприродним дивом. Винахід радіолокатора допоміг розкрити таємницю.

Виявляється, природа наділила водяного слона найдивовижнішим органом – радаром!

Багато риб, всім відомо, є електричні органи. У морміруса в хвості міститься також невелика «кишенькова батарейка». Напруга струму, який вона виробляє, невелика – всього шість вольт, але цього достатньо.

Щохвилини радіолокатор морміруса посилає у простір вісімдесят – сто електричних імпульсів. Електромагнітні коливання, що виникають від розрядів «батарейки», частково відбиваються від навколишніх предметів і у вигляді радіоехи знову повертаються до мормірусу. «Приймач», що уловлює луну, розташований в основі спинного плавця дивовижної рибки. Мормірус «обмацує» околиці за допомогою радіохвиль!

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

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

Мормірус не єдиний у світі «живий радар». Чудовий радіоок виявлено також у хвості електричного вугра Південної Америки, «Акумулятори» якого розвивають рекордну напругу струму - до п'ятисот вольт, а за деякими даними, до восьмисот вольт!

Американський дослідник Крістофор Коутес після серії експериментів, проведених у Нью-Йоркському акваріумі, дійшов висновку, що невеликі бородавки на голові електричного вугра – антени радіолокатора. Вони вловлюють відбиті від навколишніх предметів електромагнітні хвилі, випромінювач яких у кінці хвоста вугра. Чутливість радарної системи цієї риби така, що вугор, очевидно, може встановити, який предмет потрапив у поле дії локатора. Якщо це придатна для харчування тварина, електричний вугор негайно повертає голову в його бік. Потім приводить у дію потужні електричні органи передньої частини тіла – кидає в жертву «блискавки» – і не поспішаючи пожирає вбиту електричним розрядом видобуток.

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

Все пояснилося дуже просто: на самому кінці ниткоподібного хвоста айгенманії вчені виявили електричне «око», як у морміруса.

Гімнотиди, дуже схожі на айгенманії тропічних американських рибок, мабуть, теж мають радари, хоча це ще й не доведено.

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

Висновок

З вище викладеного можна дійти невтішного висновку, що природа, мабуть, не дуже скупилася, коли наділяла своїх дітей сонарами. Від кажанів до дельфінів, від дельфінів до риб, птахів, щурів, мишей, мавп, до морських свинок, жуків переходили дослідники зі своїми приладами, всюди виявляючи ультразвуки. Тварини використовують ехолокацію для орієнтації у просторі та визначення місця розташування об'єктів навколо, переважно з допомогою високочастотних звукових сигналів. Найбільш розвинена у кажанів і дельфінів, також її використовують землерийки, ряд видів ластоногих (тюлені), птахів (гуахаро, салангани та ін.).

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

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

Характеристики звуку. Ультразвук. Застосування ультразвуку. Ультразвук у природі. Діагностичне застосування ультразвуку у медицині (УЗД). Застосування ультразвуку у косметології. Різання металу за допомогою ультразвуку. Приготування сумішей за допомогою ультразвуку. Застосування ультразвуку у біології. Використання ультразвуку для очищення.


	ВСТУП
	Історична довідка
	Характеристика звуку
	Ультразвук
	Застосування ультразвуку
	Ультразвук у природі
	Діагностичне застосування ультразвуку в медицині (УЗД)
	Застосування ультразвуку у косметології
	Різання металу за допомогою ультразвуку
	Приготування сумішей за допомогою ультразвуку
	Застосування ультразвуку у біології
	Застосування ультразвуку для очищення

	Застосування ультразвуку в дефектоскопії
4.10	Ультразвукове зварювання
	Список літератури
	ДОДАТКИ
	ДОДАТОК 1 ¦ Вплив звуку на пісок
	ДОДАТОК 2 \| Вид хвилі в залежності від гучності

Вступ

Звук - фізичне явище, що є поширенням у вигляді пружних хвиль механічних коливань у твердому, рідкому або газоподібному середовищі. У вузькому значенні під звуком мають на увазі ці коливання, що розглядаються у зв'язку з тим, як вони сприймаються органами почуттів тварин та людини.

Звичайна людина здатна чути звукові коливання в діапазоні частот від 16?20 Гц до 15?20 кГц. Звук нижче діапазону чутності людини називають інфразвуком; вище: до 1 ГГц, ультразвуком, від 1 ГГц гіперзвуком. Гучність звуку складним чином залежить від ефективного звукового тиску, частоти і форми коливань, а висота звуку не тільки від частоти, але і від величини звукового тиску. Як і будь-яка хвиля, звук характеризується амплітудою і спектром частот. Процес поширення звуку так само являє собою хвилю.

1 Історична довідка

Перші спостереження з акустиці було проведено VI столітті до нашої ери. Піфагор встановив зв'язок між висотою тону і довжиною струни або труби, що видає звук. У IV ст. до н.е. Аристотель перший правильно уявив, як поширюється звук у повітрі. Він сказав, що про тіло, що звучить, викликає стиснення і розрідження повітря і пояснив луну відображенням звуку від перешкод. У XV столітті Леонардо да Вінчі сформулював принцип незалежності звукових хвиль від різних джерел.

У 1660 році в дослідах Роберта Бойля було доведено, що повітря є провідником звуку (у вакуумі звук не поширюється). У 1700 - 1707 рр. Вийшли мемуари Жозефа Савера з акустики, опубліковані Паризькою Академією наук. У цих мемуарах Савер розглядає явище, добре відоме конструкторам органів: якщо дві труби органу видають одночасно два звуки, які лише трохи відрізняються за висотою, то чути періодичні посилення звуку, подібні до барабанного дробу. Савер пояснив це явище періодичним збігом коливань обох звуків. Якщо, наприклад, один із двох звуків відповідає 32 коливанням в секунду, а інший - 40 коливань, то кінець четвертого коливання першого звуку збігається з кінцем п'ятого коливання другого звуку і таким чином відбувається посилення звуку. Нарешті, Савер перший намагався визначити межу сприйняття коливань як звуків: для низьких звуків він вказав кордон у 25 коливань на секунду, а високих - 12 800.

Потім Ньютон, ґрунтуючись на цих експериментальних роботах Савера, дав перший розрахунок довжини хвилі звуку і дійшов висновку, добре відомому зараз у фізиці, що для будь-якої відкритої труби довжина хвилі звуку, що випускається, дорівнює подвоєній довжині труби. "И в этом состоят главнейшие звуковые явления".После экспериментальных исследований Савёра к математическому рассмотрению задачи о колеблющейся струне в 1715 г. приступил английский математик Брук Тейлор, положив этим начало математической физике в собственном смысле слова.Ему удалось рассчитать зависимость числа колебаний струны от её длины, веса, натяжения и местного значения ускорения силы тяжести.

Фактичне пояснення луни, явища досить примхливого, також належить Хладні, по крайнього заходу істотних частинах. Йому ми завдячуємо новим експериментальним визначенням верхньої межі чутності звуку, що відповідає 20 000 коливань на секунду. Ці виміри, багаторазово повторювані фізиками досі, дуже суб'єктивні і залежить від інтенсивності і характеру звуку. Але особливо відомі досліди Хладні в 1787 році з дослідження коливань пластин, при яких утворюються красиві "акустичні фігури", що носять назви фігур Хладні і виходять, якщо посипати пластинку, що коливається піском. Ці експериментальні дослідження поставили нове завдання математичної фізики – завдання про коливання мембрани.

У XVIII столітті було досліджено багато інших акустичних явищ (швидкість поширення звуку в твердих тілах та газах, резонанс, комбінаційні тони та ін.). Всі вони пояснювалися рухом частин тіла, що коливається, і частинок середовища, в якому поширюється звук. Інакше кажучи, все акустичні явища пояснювалися як механічні процеси.

В 1787 Хладні, основоположник експериментальної акустики відкрив поздовжні коливання струн, пластин, камертонів і дзвонів. Він перший досить точно виміряв швидкість поширення звукових хвиль у різних газах. Доказав, що у твердих тілах звук поширюється не миттєво, і з кінцевою швидкістю, й у 1796 року визначив швидкість звукових хвиль у твердих тілах стосовно звуку повітря. Він винайшов низку музичних інструментів. В 1802 вийшла праця Ернеста Хладні "Акустика", де він дав систематичний виклад акустики.

Після Хладні французький учений Жан Батіст Біо в 1809 вимірював швидкість звуку в твердих тілах.

В 1800 англійський учений Томас Юнг відкрив явище інтерференції звуку і встановив принцип суперпозиції хвиль.

У 1816 році французький фізик П'єр Симон Лаплас вивів формулу швидкості звуку в газах. 1842 року австрійський фізик Християн Доплер припустив вплив відносного руху на висоту тону (ефект Доплера).

Ефект Доплера - зміна частоти і довжини хвиль, що реєструються приймачем, викликане рухом їх джерела та/або рухом приймача. Ефект названо на честь австрійського фізика К. Доплера.

А 1845 року Бейс-Баллот експериментально виявив ефект Доплера для акустичних хвиль.

У 1877 році американський учений Томас Алва Едісон винайшов пристрій для запису та відтворення звуку, який потім сам же у 1889 році вдосконалив. Винайдений ним спосіб звукозапису отримав назву механічного. У 1880 році французькі вчені брати П'єр і Поль Кюрі зробили відкриття, яке виявилося дуже важливим для акустики. Вони виявили, що якщо кристал кварцу стиснути з двох сторін, то на гранях кристала з'являються електричні заряди. Ця властивість - п'єзоелектричний ефект для виявлення ультразвуку, що не чується людиною. І навпаки, якщо до граней кристала прикласти змінну електричну напругу, то він почне вагатися, стискаючись і розтискаючись.

2 Характеристика звуку

2.1 Гучність

Гучність - це рівень потужності, яка пропорційна амплітуді звукового сигналу. Гучність звуку вимірюється в децибелах і позначається дБ. Одиниця виміру, названа на честь Олександра Грема Белла. Рівні звукового тиску, характерні для різних джерел:

Пістолетний постріл на відстані кількох кроків – 140 дБ.

Больовий поріг – 130 дБ.

Реактивний двигун (у салоні літака) – 80 дБ.

Негучна розмова – 70 дБ.

Шурхіт у тихій кімнаті - 40 дБ.

Шуми в студії звукозапису – 30 дБ.

Поріг чутності – 0 дБ.

2.2 Частота

Частота (висота) кількість повних коливань за одиницю часу (одиниця виміру Герц). Чим вища частота, тим вища звучання.

2.3 Тембр

Тембр - це звук, в якому присутні коливання різних наборів частот і амплітуд. Основний тон визначає висоту звуку, обертони, накладаючись у певних співвідношеннях, надають звуку специфічне забарвлення тембр.

Можна сміливо сказати, що тембр визначається величиною амплітуд окремих гармонік (тобто. залежить від кількості вищих гармонік і відношення їх амплітуд до амплітуди основний гармоніки і залежить від фаз вищих гармонік). Тривалість (тривалість) - час, за який звук із ясно чутного переходить в абсолютну тишу.

3 Ультразвук

Ультразвук звукові хвилі, що мають частоту вище сприймається людським вухом, зазвичай, під ультразвуком розуміють частоти вище 20 000 Герц.

Хоча про існування ультразвуку відомо давно, його практичне використання досить молоде. У наш час ультразвук широко застосовується у різних фізичних та технологічних методах. Так, за швидкістю поширення звуку серед судять про її фізичні характеристики. Вимірювання швидкості на ультразвукових частотах дозволяє з вельми малими похибками визначати, наприклад, адіабатичні характеристики швидкоплинних процесів, значення питомої теплоємності газів, пружні постійні тверді тіла.

Частота ультразвукових коливань, що застосовуються в промисловості та біології, лежить у діапазоні від кількох десятків КГц до одиниць МГц. Високочастотні коливання зазвичай створюють за допомогою п'єзокерамічних перетворювачів, наприклад, титаніту барію. У випадках, коли основне значення має потужність ультразвукових коливань, зазвичай використовуються механічні джерела ультразвуку. Спочатку всі ультразвукові хвилі отримували механічним шляхом (камертони, свистки, сирени).

У природі УЗ зустрічається як як компоненти багатьох природних шумів (в шумі вітру, водоспаду, дощу, в шумі гальки, що перекочується морським прибоєм, в звуках, що супроводжують грозові розряди, і т. д.), так і серед звуків тваринного світу. Деякі тварини користуються ультразвуковими хвилями для виявлення перешкод, орієнтування у просторі та спілкування (кити, дельфіни, кажани, гризуни, довгоп'яти).

Випромінювачів ультразвуку можна поділити на дві великі групи. До першої належать випромінювачі-генератори; коливання в них збуджуються через наявність перешкод на шляху постійного потоку струменя газу або рідини. Друга група випромінювачів - електроакустичні перетворювачі; вони перетворять вже задані коливання електричної напруги або струму на механічне коливання твердого тіла, яке і випромінює в навколишнє середовищеакустичні хвилі.

4 Застосування ультразвуку

4.1 Ультразвук у природі

Кажани, що використовують при нічному орієнтуванні ехолокацію, випускають при цьому ротом (шкіряні Vespertilionidae) або носовим отвором (підковоносі Rhinolophidae), що мають форму параболічного дзеркала, сигнали надзвичайно високої інтенсивності. На відстані 1…5 см від голови тваринного тиск ультразвуку досягає 60 мбар, тобто відповідає в чутній нами частотній області тиску звуку, створюваного відбійним молотком. Відлуння своїх сигналів кажани здатні сприймати при тиску всього 0,001 мбар, тобто в 10000 разів менше, ніж у сигналів, що випускаються. При цьому кажани можуть обходити при польоті перешкоди навіть у тому випадку, коли на сигнали ехолокації накладаються ультразвукові перешкоди з тиском 20 мбар. Механізм цієї високої стійкості до перешкод ще невідомий. При локалізації кажанів предметів, наприклад, вертикально натягнутих ниток з діаметром всього 0,005 0,008 мм на відстані 20см (половина розмаху крил), вирішальну роль відіграють зсув у часі і різниця в інтенсивності між сигналом, що випускається і відбитим. Підковоноси можуть орієнтуватися і за допомогою тільки одного вуха (моноаурально), що істотно полегшується великими вушними раковинами, що безперервно рухаються. Вони здатні компенсувати навіть частотний зсув між випромінюваними і відбитими сигналами, обумовлений ефектом Доплера (при наближенні до предмета луна є більш високочастотним, ніж сигнал, що посилається). Знижуючи під час польоту ехолокаційну частоту в такий спосіб, щоб частота відбитого ультразвуку залишалася у сфері максимальної чутливості їх «слухових» центрів, можуть визначити швидкість власного переміщення.

У нічних метеликів із сімейства ведмедиць розвинувся генератор ультразвукових перешкод, що «збиває зі сліду» кажанів, які переслідують цих комах.

Ехолокацію використовують для навігації та птиці – жирні козої, або гуахаро. Населяють вони гірські печери Латинської Америки від Панами на північному заході до Перу на півдні і Суринаму на сході. Живучи в непроглядній темряві, жирні козоїди, проте, пристосувалися віртуозно літати печерами. Вони видають тихі клацаючі звуки, що сприймаються і людським вухом (їх частота приблизно 7 000 Герц). Кожне клацання триває одну-дві мілісекунди. Звук клацання відбивається від стін підземелля, різних виступів та перешкод і сприймається чуйним слухом птаха.

Ультразвуковою ехолокацією у воді користуються китоподібні.

4.2 Діагностичне застосування ультразвуку в медицині (УЗД)

Завдяки гарному поширенню ультразвуку в м'яких тканинах людини, його відносної нешкідливості в порівнянні з рентгенівськими променями та простотою використання у порівнянні з магнітно-резонансною томографією, ультразвук широко застосовується для візуалізації стану внутрішніх органів людини, особливо в черевній порожнині та порожнині тазу.

Терапевтичне застосування ультразвуку в медицині

Крім широкого використання в діагностичних цілях, ультразвук застосовується в медицині (у тому числі регенеративної) як інструмент лікування.

Ультразвук має такі ефекти:

протизапальною, що розсмоктує діями;

аналгетичним, спазмолітичним діями;

кавітаційним посиленням проникності шкіри.

Фонофорез – комбінований метод лікування, при якому на тканині замість звичайного гелю для ультразвукової емісії (застосовуваного, наприклад, при УЗД) наноситься лікувальна речовина (як медикаменти, так і речовини природного походження). Передбачається, що ультразвук допомагає лікувальній речовині глибше проникати у тканини.

4.3 Застосування ультразвуку у косметології

Багатофункціональні косметологічні апарати, що генерують ультразвукові коливання з частотою 1МГц, застосовуються для регенерації клітин шкіри та стимуляції в них метаболізму. За допомогою ультразвуку виробляється мікромасаж клітин, покращується мікроциркуляція крові та лімфодренаж. В результаті підвищується тонус шкіри, підшкірних тканин та м'язів. Ультразвуковий масаж сприяє виділенню біологічних активних речовин, ліквідує спазм у м'язах, внаслідок чого розгладжуються зморшки, підтягуються тканини обличчя та тіла. За допомогою ультразвуку здійснюється найбільш глибоке введення косметичних засобів та препаратів, а також виводяться токсини та очищаються клітини.

4.4 Різання металу за допомогою ультразвуку

На звичайних металорізальних верстатах не можна просвердлити в металевій деталі вузький отвір складної форми, наприклад, у вигляді п'ятикутної зірки. За допомогою ультразвуку це можливо, магнітострикційний вібратор може просвердлити отвір будь-якої форми. Ультразвукове долото повністю замінює фрезерний верстат. При цьому таке долото набагато простіше за фрезерний верстат і обробляти ним металеві деталі дешевше і швидше, ніж фрезерним верстатом.

Ультразвуком можна робити гвинтову нарізку в металевих деталях, у склі, в рубіні, в алмазі. Зазвичай різьблення спочатку робиться в м'якому металі, а потім деталь вже піддають гартуванню. На ультразвуковому верстаті різьблення можна робити у вже загартованому металі та у найтвердіших сплавах. Те саме і зі штампами. Зазвичай штамп гартують вже після його ретельного оздоблення. На ультразвуковому верстаті найскладнішу обробку виготовляє абразив (наждак, корундовий порошок) у полі ультразвукової хвилі. Безперервно вагаючись у полі ультразвуку, частинки твердого порошку врізаються в оброблений сплав і вирізають отвір такої ж форми, як і в долота.

4.5 Приготування сумішей за допомогою ультразвуку

Широко застосовується ультразвук для виготовлення однорідних сумішей (гомогенізації). Ще в 1927 році американські вчені Лімус і Вуд виявили, що якщо дві рідини, що не змішуються (наприклад, масло і воду) злити в одну мензурку і піддати опроміненню ультразвуком, то в мензурці утворюється емульсія, тобто дрібна зависла олії у воді. Подібні емульсії відіграють велику роль у сучасній промисловості, це лаки, фарби, фармацевтичні вироби, косметика.

4.6 Застосування ультразвуку у біології

Здатність ультразвуку розривати оболонки клітин знайшла застосування у біологічних дослідженнях, наприклад, за необхідності відокремити клітину від ферментів. Ультразвук використовується також для руйнування таких внутрішньоклітинних структур, як мітохондрії та хлоропласти з метою вивчення взаємозв'язку між їхньою структурою та функціями. Інше застосування ультразвуку в біології пов'язане з його здатністю викликати мутації. Дослідження, проведені в Оксфорді, показали, що ультразвук навіть малої інтенсивності може зашкодити молекулу ДНК. Штучне цілеспрямоване створення мутацій відіграє велику роль у селекції рослин. Головна перевага ультразвуку перед іншими мутагенами (рентгенівські промені, ультрафіолетові промені) полягає в тому, що з ним надзвичайно легко працювати.

4.7 Застосування ультразвуку для очищення

Застосування ультразвуку для механічного очищеннязасноване на виникненні під його впливом на рідини різних нелінійних ефектів. До них належать кавітація, акустичні течії, звуковий тиск. Основну роль грає кавітація. Її бульбашки, виникаючи і плескаючись поблизу забруднень, руйнують їх. Цей ефект відомий як кавітаційна ерозія. Використовуваний для цього ультразвук має низьку частоту і підвищену потужність.

У лабораторних та виробничих умовах для миття дрібних деталей та посуду застосовуються ультразвукові ванни заполонені розчинником (вода, спирт тощо). Іноді з їх допомогою від частинок землі миють навіть коренеплоди (картопля, морква, буряк та ін.).

У побуті, для прання текстильних виробів, використовують спеціальні пристрої, що випромінюють ультразвук, що поміщаються в окрему ємність.

4.8 Застосування ультразвуку в ехолокації

У рибній промисловості застосовують ультразвукову ехолокацію виявлення косяків риб. Ультразвукові хвилі відбиваються від одвірків риб і приходять у приймач ультразвуку раніше, ніж ультразвукова хвиля, що відбилася від дна.

У автомобілях застосовуються ультразвукові парктроніки.

Застосування ультразвуку у витратометрії

Для контролю витрати та обліку води та теплоносія з 1960-х років у промисловості застосовуються ультразвукові витратоміри.

4.9 Застосування ультразвуку в дефектоскопії

Ультразвук добре поширюється в деяких матеріалах, що дозволяє використовувати його для ультразвукової дефектоскопії виробів цих матеріалів. Останнім часом розвивається напрямок ультразвукової мікроскопії, що дозволяє досліджувати підповерхневий шар матеріалу з хорошою роздільною здатністю.

4.10 Ультразвукове зварювання

Ультразвукове зварювання - зварювання тиском, що здійснюється при впливі ультразвукових коливань. Такий вид зварювання застосовується для з'єднання деталей, нагрів яких утруднений, при з'єднанні різнорідних металів, металів з міцними окисними плівками (алюміній, нержавіючі сталі, магнітопроводи з пермалою тощо), при виробництві інтегральних мікросхем.

Список літератури

Інтернет:

1)http://ua.m.wikipedia.org/wiki/%C7%E2%F3%EA

2) http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/466/ЗВУК

4) http://www.audacity.ru/p8aa1.html

Додаток 1

Вплив звуку на пісок

Додаток 2

Вид хвилі в залежності від гучності

А також інші роботи, які можуть Вас зацікавити
32930.		Основна специфіка філософського знання	12.54 KB
	Основна специфіка філософського знання полягає у його двоїстості оскільки воно: має дуже багато спільного з науковим знанням предметметоди логікопонятійний апарат; однак не є науковим знанням у чистому вигляді. Предмет філософії ширше предмета дослідження будь-якої окремої науки філософія узагальнює інтегрує інші науки але не поглинає їх не включає всі наукове знання не стоїть над ним.; носить гранично загальний теоретичний характер; містить базові основні ідеї та поняття, які лежать в основі інших...

Вступ

1. Ультразвуки у живій природі

2. Ехопеленг

3. Типи природних сонарів

4. Дотик допомагає кажанам уникати перешкоди

5. Кажани-рибальські

6. І кажани помиляються

7. Крики в безодні

8. Радар водяного слона

Висновок

Література

Вступ

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

1. Ультразвуки у живій природі

Очевидно, з метою ехолокації видають ультразвуки невеликої частоти (двадцять - вісімдесят кілогерців) та інші тварини - морські свинки, щури, сумчасті летяги і навіть деякі американські мавпи.

Звісно, це працюють ехолоти. Їхні сигнали вловлює і наше вухо, тому що звучать вони в діапазоні порівняно низьких частот - близько семи кілогерців. Кожне клацання триває одну або дві тисячні частки секунди. Дональд Гріффін, вже відомий нам дослідник сонарів кажанів, заткнув ватою вуха деяких гуахаро і випустив їх у темну залу. І віртуози нічних польотів, оглухнувши, одразу й засліпли: безпорадно натикалися на всі предмети в приміщенні. Не чуючи луни, вони не могли орієнтуватися в темряві.

Горить він краще гасу і дешевше за нього - так вважають на батьківщині птаха, який злою іронією року засуджено все життя провести в темряві, щоб померши дати світло оселі людини.

2. Відлуння пеленг

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

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

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

У гортані кажана збуджуються короткочасні високочастотні звукові коливання - ультразвукові імпульси. У секунду слідує від 5 до 60, а в деяких видів навіть від 10 до 200 імпульсів. Кожен імпульс, "вибух", триває всього 2 - 5 тисячних часток секунди (у підковоносів 5 - 10 сотих секунди).

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

Ехолокатор кажанів - дуже точний навігаційний "прилад": він може запеленгувати навіть мікроскопічно малий предмет - діаметром всього 0,1 міліметра!

У деяких дослідах звіряток змушували ловити комарів у невеликій лабораторній залі. Їх фотографували, зважували - одним словом, весь час стежили за тим, наскільки успішно вони полюють. Одна кажан вагою сім грамів за годину наловила грам комах. Інша крихітка, яка важила всього три з половиною грами, так швидко ковтала комарів, що за чверть години «поповніла» на десять відсотків. Кожен комар важить приблизно 0,002 грами. Отже, за п'ятнадцять хвилин полювання було спіймано 175 комарів - кожні шість секунд один комар! Дуже жвавий темп. Гриффін каже, що якби не сонар, то кажан, навіть усю ніч літаючи з відкритим ротом, упіймав би «за законом випадку» одного-єдиного комара, і якби комарів навколо було багато.

3. Типи природних сонарів

Скандують підковоноси. Деякі з них мешкають на півдні нашої країни – у Криму, на Кавказі та в Середній Азії. Підковоносами вони названі за нарости на морді, у вигляді шкірястої підкови подвійним кільцем навколишні ніздрі та рот. Нарости не пусті прикраси: це свого роду рупор, що спрямовує звукові сигнали вузьким пучком у той бік, куди дивиться кажан. Зазвичай звірятко висить вниз головою і, повертаючись (майже на триста шістдесят градусів!) то вправо, то вліво, обмацує звуком околиці. Тазостегнові суглоби у тропічних підковоносів дуже гнучкі, тому й можуть вони робити свої артистичні повороти. Як тільки в поле їх локатора потрапить комар або жук, літальний апарат, що самонаводиться, зривається з гілки і пускається в погоню за пальним, тобто за їжею.

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

Але наші звичайні кажани та їхні північноамериканські родичі ехолотують простір модульованими за частотами звуками, як і кращі моделі створених людиною сонарів. Тон сигналу змінюється, отже, змінюється і висота відбитого звуку. А це у свою чергу означає, що в кожен даний момент висота луни, що приймається, не збігається з тоном сигналу, що відправляється. І нефахівцеві ясно, що такий пристрій значно полегшує ехолотування.

4. Дотик допомагає кажанам уникати перешкоди

До вирішення цієї цікавої проблеми вчені дійшли майже одночасно у різних країнах.

Голландець Свен Дійграаф вирішив перевірити, чи справді дотик допомагає кажанам уникати перешкод. Він перерізав відчутні нерви крил - оперовані тварини чудово літали. Значить, дотик тут ні до чого. Тоді експериментатор позбавив кажанів слуху - вони відразу точно засліпли.

Професор А. П. Кузякін продовжував досліди у лісі. На голови звіряткам — рудим вечорницям — він одягнув ковпачки з чорного паперу. Звірятка не могли тепер ні бачити, ні використати свій акустичний радар. Кажани не ризикнули летіти в невідомість Вони розкривали крила і опускалися на них, як на парашутах, на землю. Лише деякі відчайдушні полетіли на авось. Результат був сумним: вони вдарилися об дерева та впали на землю. Тоді у чорних ковпачках вирізали три отвори: один для рота, два для вух. Звірята без страху пустилися в політ. А. П. Кузякін дійшов висновку, що органи звукової орієнтування кажанів «можуть майже повністю замінити зір, а органи дотику жодної ролі в орієнтуванні не грають, і звірята ними в польоті не користуються».

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

5. Кажани-рибальські

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

Порівняно недавно були відкриті кажани-рибалки. Сонар у них також частотно-модуляційного типу. Вже описано чотири види таких мишей. Мешкають вони у тропічній Америці. У сутінки (а деякі навіть після полудня) вилітають вони на видобуток і полюють усю ніч. Пурхають низько над водою, раптом опускають у воду лапки, вихоплюють рибку і відразу відправляють її в рот. Лапки у рукокрилих рибалок довгі й пазурі на них гострі й криві, як у скопи - їхнього пернатого конкурента, тільки, звичайно, не такі великі.

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

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

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

6. І кажани помиляються

Якщо низько над річкою натягнути дріт, летючі миші зазвичай зачіпають за неї, коли спускаються до води, щоб вгамувати спрагу декількома злизаними на льоту краплями. Звірята чують одночасно дві ехи: голосне від поверхні води і слабке від дроту - і не звертають уваги на останнє, тому й розбиваються об дріт.

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

7. Крики в безодні

ехолокація ехопеленг дельфін радар

Інші кити - і кашалоти, і фінвали, і білухи - теж, мабуть, орієнтуються за допомогою ультразвуків. Ось тільки ще не знають, чим вони видають ці звуки. Одні дослідники думають, що дихало, тобто ніздрі та повітроносні мішки дихального каналу, інші - що горло. Хоча справжніх голосових зв'язок у китів і немає, але їх з успіхом можуть замінити – так деякі вважають – особливі нарости на внутрішніх стінках гортані.

А може, і дихало, і гортань однаково обслуговують передавальну систему сонара.

8. Радар водяного слона

Виявляється, природа наділила водяного слона найдивовижнішим органом - радаром!

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

Щохвилини радіолокатор морміруса посилає у простір вісімдесят - сто електричних імпульсів. Електромагнітні коливання, що виникають від розрядів «батарейки», частково відбиваються від навколишніх предметів і у вигляді радіоехи знову повертаються до мормірусу. «Приймач», що уловлює луну, розташований в основі спинного плавця дивовижної рибки. Мормірус «обмацує» околиці за допомогою радіохвиль!

Мормірус не єдиний у світі «живий радар». Чудовий радіоок виявлено також у хвості електричного вугра Південної Америки, «акумулятори» якого розвивають рекордну напругу струму - до п'ятисот вольт, а за деякими даними, до восьмисот вольт!

Американський дослідник Крістофор Коутес після серії експериментів, проведених у Нью-Йоркському акваріумі, дійшов висновку, що невеликі бородавки на голові електричного вугра - антени радіолокатора. Вони вловлюють відбиті від навколишніх предметів електромагнітні хвилі, випромінювач яких у кінці хвоста вугра. Чутливість радарної системи цієї риби така, що вугор, очевидно, може встановити, який предмет потрапив у поле дії локатора. Якщо це придатна для харчування тварина, електричний вугор негайно повертає голову в його бік. Потім приводить у дію потужні електричні органи передньої частини тіла - метає в жертву "блискавки" - і не поспішаючи пожирає вбиту електричним розрядом видобуток.

Висновок

Література

1. Морозов В. П. Цікава біоакустика. Вид. 2-ге, доп., перероб. - М.: Знання, 1987. - 208 с. + 32 с. вкл. - С. 30-36

Вступ

2. Ехопеленг

3. Типи природних сонарів

4. Дотик допомагає кажанам уникати перешкоди

5. Кажани-рибальські

6. І кажани помиляються

7. Крики в безодні

8. Радар водяного слона

Висновок

Література

Вступ

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

1. Ультразвуки у живій природі

2. Відлуння пеленг

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

Ультразвук – звукові хвилі, що мають частоту понад 20 тис. Герц v, Гц Інфразвук ЗвукУльтразвук Гіперзвук

Ультразвук використовується у спілкуванні один з одним за допомогою ехолокації багатьма тваринами: собаками, дельфінами, китами, кажанами, деякими видами комах та птахів. Ультразвук використовується у спілкуванні один з одним за допомогою ехолокації багатьма тваринами: собаками, дельфінами, китами, кажанами, деякими видами комах та птахів.

Кажани, що використовують при нічному орієнтуванні ехолокацію, випускають при цьому ротом або носовим отвором сигнали надзвичайно високої інтенсивності. Звукові хвилі відбиваються від навколишніх предметів, описуючи їх контури, а кажани вловлюють їх своїми вухами і сприймають звукову картину навколишнього світу. Кажани, що використовують при нічному орієнтуванні ехолокацію, випускають при цьому ротом або носовим отвором сигнали надзвичайно високої інтенсивності. Звукові хвилі відбиваються від навколишніх предметів, описуючи їх контури, а кажани вловлюють їх своїми вухами і сприймають звукову картину навколишнього світу.

У нічних метеликів із сімейства ведмедиць розвинувся генератор ультразвукових перешкод, що «збиває зі сліду» кажанів, які переслідують цих комах. У нічних метеликів із сімейства ведмедиць розвинувся генератор ультразвукових перешкод, що «збиває зі сліду» кажанів, які переслідують цих комах.

Перші в мистецтві ехолокації дельфіни. Складно влаштований мозок цих тварин здатний точно аналізувати дані, отримані шляхом ехолокації, та подавати їх у тривимірному вигляді. Цікаво, що дельфіни не тільки «бачать» за допомогою ультразвуку простір та предмети у просторі, але й здатні визначати вагу предметів чи тварин, їхню величину та інші важливі характеристики. Перші в мистецтві ехолокації дельфіни. Складно влаштований мозок цих тварин здатний точно аналізувати дані, отримані шляхом ехолокації, та подавати їх у тривимірному вигляді. Цікаво, що дельфіни не тільки «бачать» за допомогою ультразвуку простір та предмети у просторі, але й здатні визначати вагу предметів чи тварин, їхню величину та інші важливі характеристики.

Ультразвуки в живій та неживій природі. Ультразвуки в живій природі.

Вступ

2. Ехопеленг

3. Типи природних сонарів

4. Дотик допомагає кажанам уникати перешкоди

5. Кажани-рибальські

6. І кажани помиляються

7. Крики в безодні

8. Радар водяного слона

Висновок

Література

Вступ

1. Ультразвуки у живій природі

2. Відлуння пеленг

3. Типи природних сонарів

6. І кажани помиляються

7. Крики в безодні

8. Радар водяного слона

А також інші роботи, які можуть Вас зацікавити