Эхолокация
Естествоиспытателю Ладзаро Спалланцани никто не поверил, когда в 1794 году он сообщил: летучие мыши, даже ослепленные, не натыкаются на препятствия в полной темноте. Но если заткнуть им уши воском, рукокрылые сразу теряют ориентацию. Так был открыт ультразвук, но доказали его существование лишь спустя 136 лет, когда изобрели датчик, преобразующий ультразвук в волны, слышимые человеком. Авторы этого изобретения предложили называть способ ориентироваться в пространстве с помощью ультразвука эхолокацией. Что это такое и как ее используют люди, разбиралась «Энергия+».
Как летучие мыши «видят» ушами
Город засыпает, просыпается голодная летучая мышь. Чтобы подкрепиться, ей не обязательно открывать глаза и искать поблизости съестное: она прочищает горло и издает высокий звук, который рождается в гортани — органе, расположенном в глотке. Сигнал летит вперед, отражается от объектов и поверхностей и возвращается эхом. Оно попадает в уши необычной формы. Ребристые (как мембрана у динамика музыкальной колонки) гребешки ушной раковины улавливают отраженный пучок звука и направляют его дальше в ушной проход, где в ушной улитке звук преобразуется в нервный импульс, который посылается в мозг и обрабатывается.
Издавая несколько сотен сигналов в секунду, мышь получает информацию о положении объектов вокруг себя, по этим «кадрам» строит трехмерную модель окружающего пространства в голове и вычисляет направление полета добычи, скорость ее передвижения, форму и размер.
Полакомившись насекомыми, довольная мышь возвращается домой, под раскидистое дерево, но вдруг улавливает ультразвук, который не издавала. Доля секунды, и загадка проясняется — это летит самка из стаи: двухлинейные мешкокрылы с помощью ультразвука не только охотятся, но и различают пол сородичей.
Кроме летучих мышей эхолокацией пользуются нарвалы, дельфины, тюлени, землеройки, некоторые птицы, а также ночные бабочки — совки.
Эхолокация на службе человека
По звуку мы можем определить примерные размеры помещения. Вспомните, как отличались звуки в школьном тесном кабинете и огромном спортзале с пятиметровыми потолками. Незрячий человек способен научиться ориентироваться в пространстве, щелкая языком и прислушиваясь к эху щелчков.
Использовать эхолокацию людям позволяют специальные приборы, например в медицине. При ультразвуковом исследовании (УЗИ) используется ультразвук в диапазоне от 2 до 10 мегагерц: такие волны проникают в толщу тканей организма. Датчик улавливает отраженный от плотных органов ультразвуковой сигнал и преобразует его в изображение на мониторе.
Тот же принцип действует при ультразвуковой диагностике труб на теплотрассах и водопроводах. Волны частотой от 0,5 до 10 мегагерц проникают сквозь металлические и неметаллические материалы и графически отображаются на мониторе прибора — дефектоскопа. Если волна встречает на своем пути препятствия (неровности, коррозию, трещины), ее рисунок на мониторе меняется. Амплитуда отраженной волны указывает на размер дефекта, по изображению импульса специалист понимает, где находятся дефекты, сколько их и так далее.
Эхо из-под земли
С помощью вибрации и волн ведется сейсморазведка: геологи изучают глубинное строение Земли, ищут месторождения энергоресурсов — нефти и газа. Для этого на земле размечают линии возбуждения, по ним движутся источники сейсмических волн, которые отправляются вглубь недр. Волны отражаются от горных пород разной плотности и эхом возвращаются на регистрирующие датчики, которые расставляют на специальных кабелях — линиях приема сигнала.
Характеристики зарегистрированных волн разные, по ним ученые создают представление о геологической структуре исследуемого участка под землей. Обычно с ростом глубины растет и плотность пород, и если между плотными слоями есть нефтяной пласт, на сейсмограмме может появиться резкий скачок амплитуды отраженной волны. Нефть это, или что-то другое, определяют с помощью бурения поисковых скважин.
Раньше для прокладки кабелей в лесах вырубались широкие просеки, но современные технологии позволяют сделать их компактнее и минимизировать ущерб природе. С 2013 года компания «Газпром нефть» развивает технологию «Зеленая сейсмика»: на линии приема используют бескабельные регистрирующие системы — приборы для улавливания звуковых волн, распространяющихся в верхних слоях земной коры. Каждый блок такой системы оснащен сейсмоприемником и батареей питания, что делает его автономным. Из-за отсутствия кабеля между блоками — регистрирующая система легче и компактнее, что позволяет перевозить ее на более легком и мобильном транспорте.
Владислав Воцалевский
руководитель Центра разведочной геофизики «Газпром нефти»
Бескабельная система регистрации, приемники сейсмоволн и компактные установки для бурения скважин развозятся вездеходами, которые легко огибают крупные деревья, минимизируя воздействие на природу.
«Уменьшение ширины просек для регистрации данных с 4–5 до 1–2 метров благодаря программе «Зеленая сейсмика 2.0» позволило сохранить более 7,5 миллиона деревьев за шесть лет нашей работы», — уточняет эксперт.
