На чем построен принцип работы эхолокационной системы

Люди способны видеть предметы при помощи эхолокации. Как этому научиться?

Эхолокацией принято называть способность некоторых животных ориентироваться в пространстве, улавливая ушами отраженные от объектов звуковые волны. Особенно сильно от этой способности зависит жизнь летучих мышей — они издают неслышимый для людей писк, который отражается от твердых объектов и помогает мышам понять, куда им нужно двигаться. Для кого-то это будет большим открытием, но использовать эхолокацию, вероятно, могут даже люди. По крайней мере, в этом уверен президент организации «Мир, доступный слепым» Дэниел Киш (Daniel Kish), который за свою карьеру обучил эхолокации 500 лишенных зрения детей и тем самым подарил им возможность самостоятельно ориентироваться в пространстве. До сих пор научных доказательств тому, что люди могут обучиться эхолокации не существовало, но недавно этот пробел восполнили ученые из Англии. Давайте же узнаем, что за эксперимент они провели и каковы его результаты?

Эхолокации может научиться любой человек. Но что для этого нужно делать?

Эхолокация у людей

По данным издания Gizmodo, проверить, существует ли у людей способность к эхолокации, решила психолог-экспериментатор Лор Талер (Lore Thaler). В рамках научной работы она и ее коллеги собрали группу добровольцев, состоящую из 14 зрячих и 12 слепых людей в возрасте от 21 до 79 лет. Опыт обучения эхолокации был только у двух участников эксперимента — остальные с изучением этого навыка знакомы не были. Ученые организовали для них 10-недельный курс, состоящий из 20 занятий.

Эта картинка наглядно показывает, как работает эхолокация

Результаты эксперимента были опубликованы в научном журнале PLOS One. Команда исследователей обнаружила, что после курса добровольцы действительно научились распознавать примерно расположение предметов в полной темноте. Некоторые из участников эксперимента показали такие же хорошие результаты, что и опытные эхолокаторы. Также авторы научной работы отметили, что зрячие люди справились с испытанием лучше, чем слепые. Лично я думаю, что в этом нет ничего удивительного — не исключено, что некоторые люди со здоровыми глазами подсматривали или пользовались другими хитростями.

Эхолокация может вернуть слепым людям самостоятельность

Но на этом научная работа не закончилась. Примерно через 3 месяца после прохождения курса люди с проблемным зрением поделились, как новая способность повлияла на их жизнь. Большая часть объявила, что с тех пор они ощущают себя более самостоятельными. Исходя из этого Лор Талер сделала вывод, что обучение эхолокации действительно может помочь слепым людям стать менее зависимыми от помощи со стороны других людей. Хорошей новостью также является то, что навык могут получить люди всех возрастов. Но справедливости ради стоит учесть, что в эксперименте не участвовали дети — могут и они обучиться эхолокации, неизвестно.

Как работает эхолокация у людей?

Как я уже говорил выше, экспертом в эхолокации является американец Дэниел Киш. Этот мужчина родился в 1966 году и лишился зрения в очень раннем детстве. После этого события он обнаружил, что издавая языком щелкающие звуки, он может легче ориентироваться в пространстве.

Человек-эхолокатор Дэниел Киш

Щелкая языком, я создаю звуковые волны. Они отражаются от окружающих предметов и воспроизводятся у меня в ушах еле заметным эхом. Мой мозг преобразует эти сигналы в динамические образы и я будто бы разговариваю с окружающим миром, — объяснил он в одном из интервью для издания BBC News.

Также мужчина отметил, что при каждом щелчке у него выстраивается трехмерная карта пространства на десятки метров перед ним. С близкого расстояния он может различить столб толщиной всего в пару сантиметров, а на расстоянии 5 и более метров — кусты и автомобили. Но при всем этом он вынужден ходить с тростью, потому что эхолокация не может подсказать о наличии вещей, находящихся прямо у поверхности земли.

Слепой Дэниел Киш на велосипеде

Как научиться эхолокации?

К сожалению, авторы научной работы не рассказали, какие упражнения нужно выполнять, чтобы обрести эту удивительную способность. Но, по словам Дэниела Киша, для обучения эхолокации нужно выполнять упражнение, состоящее из четырех шагов:

Выполнять упражнение нужно по паре часов в день. Эксперимент показал, что для обучения эхолокации необходимо больше полугода. Однако Дэниел Киш однажды отметил, что уже через несколько недель человек сможет по щелчку распознавать наличие перед собой препятствия, а через несколько месяцев — отличать лес от лужайки.

Если вам интересны новости науки и техники, подпишитесь на наш канал в Яндекс.Дзен. Там вы найдете статьи, которые не были опубликованы на сайте!

Как бы странно это не выглядело со стороны, я попробовал с закрытыми глазами пощелкать языком рядом с разными предметами — никаких отличий я не заметил. А как думаете вы, способен ли человек к эхолокации? Своим мнением и, возможно, личным опытом, делитесь в комментариях или нашем Telegram-чате.

Источник

Эхолокация

Эхолокация (эхо и лат. locatio — «положение») — способ, при помощи которого положение объекта определяется по времени задержки возвращений отражённой волны. Если волны являются звуковыми, то это звуколокация, если радио — радиолокация.

Содержание

История

Эхолокация у животных

Животные используют эхолокацию для ориентации в пространстве и для определения местоположения объектов вокруг, в основном при помощи высокочастотных звуковых сигналов. Наиболее развита у летучих мышей и дельфинов, также её используют землеройки, ряд видов ластоногих (тюлени), птиц (гуахаро, саланганы и др.).

Данный способ ориентации в пространстве позволяет животным обнаруживать объекты, распознавать их и даже охотиться в условиях полного отсутствия света, в пещерах и на значительной глубине.

Среди членистоногих эхолокация обнаружена только у ночных бабочек совок. [2]

Техническое обеспечение эхолокации

Эхолокация может быть основана на отражении сигналов различной частоты — радиоволн, ультразвука и звука. Первые эхолокационные системы направляли сигнал в определённую точку пространства и по задержке ответа определяли её удалённость при известной скорости перемещения данного сигнала в данной среде и способности препятствия, до которого измеряется расстояние, отражать данный вид сигнала. Обследование участка дна таким образом при помощи звука занимало значительное время.

Сейчас используются различные технические решения с одновременным использованием сигналов различной частоты, которые позволяют существенно ускорить процесс эхолокации.

Источник

На чем построен принцип работы эхолокационной системы

Для инфузорий-туфелек характерен процесс конъюгации. Почему его относят к половому процессу, но не считают половым размножением? Какое значение имеет конъюгация для адаптации одноклеточных организмов? Ответ поясните.

Характеристики любого звука — высота и сила звучания. Высота звука определяется количеством колебаний звуковой волны и выражается в герцах (Гц). Звук с частотой меньше 0,016 кГц называют инфразвуком, а свыше 20 кГц — ультразвуком. Как ультразвук, так и инфразвук человеческим ухом не воспринимаются, однако многие животные их слышат и общаются в ультразвуковом диапазоне. На рис. 1 представлены диапазоны слышимых звуков для разных животных, а на рис. 2 — диапазоны, приходящиеся на инфразвук, слышимый звук и ультразвук.

В каком звуковом диапазоне, помимо слышимого, способна получать информацию летучая мышь?

Многие виды рукокрылых и китообразных способны к эхолокации. На чём построен принцип работы эхолокационной системы и какие органы животного при этом задействованы? Каково преимущество такого способа ориентации в пространстве? Ответ поясните. В каких ситуациях люди применяют приборы (эхолоты, сонары), работающие по аналогичному принципу? Приведите не менее двух примеров применения человеком таких приборов.

1. При конъюгации происходит обмен ядрами между двумя особями с последующим их слиянием, что является половым процессом.

2. При конъюгации не увеличивается численность особей, поэтому это не размножение.

3. Конъюгация усиливает комбинативную изменчивость.

4. Комбинативная изменчивость увеличивает генетическую разнородность особей в популяции, что повышает устойчивость вида в изменяющихся условиях среды.

Правильный ответ должен содержать следующие элементы:

1. Ультразвук (от 20 кГц).

2. Животное испускает высокочастотные звуки (например, с помощью голосовых связок).

3. Эти звуки отражаются от объектов и улавливаются органом слуха данного животного.

4. Эхолокация позволяет ориентироваться в пространстве в условиях темноты или низкой освещённости (охотиться, взаимодействовать с другими особями).

5. Подобные приборы (эхолоты, сонары) используются человеком для поиска рыбы во время рыбалки.

6. Подобные приборы (эхолоты, сонары) используются человеком для определения рельефа дна в водоёмах.

7. Подобные приборы используются человеком при ультразвуковом исследовании внутренних органов человека (УЗИ).

Возможны другие примеры использования эхолокационных приборов в пунктах 5, 6, 7.

Источник

Простыми словами о современных эхолокационных технологиях, или что такое BroadBand, DownScan, StructureScan, CHIRP

Принцип работы эхолота прост. Датчик излучает в воду ультразвуковой сигнал. Тот доходит до препятствия и отражается от него. Датчик принимает отраженный сигнал и фиксирует время, которое прошло между излучением и приемом t. Зная скорость распространения звука в воде v, можно посчитать расстояние до препятствия по формуле S=v*t/2. Почему делим на два? Потому что сигнал прошел двойное расстояние, туда и обратно.

Однако рыболову, желающему в наше время впервые приобрести эхолот, приходится сталкиваться с большим количеством непонятных терминов. 2D сонар с чирпом, даунскан, SideVü, голова идет кругом, и жалко тратить время для перелопачивания большого количества интернет-ресурсов, чтобы во всем разобраться. Поэтому мы решили написать статью, в которой простым языком, в одном месте и по возможности кратко будет рассказано обо всех этих чудесах эхолокации.

Старая добрая классика: Broadband, 2D Sonar

Начнем мы сначала, с классического эхолота. То, что теперь называется BroadBand, 2D, эхолот, широкополосный эхолот, сонар, классический сонар. Технология старая, но не потерявшая своей актуальности! В чем ее особенность?

Особенность в том, что датчик излучает сигнал в форме конуса. Выглядит это примерно так:

Рис.1 Классический двухлучевой эхолот

Здесь показан пример двухлучевого эхолота с лучами 20 и 60 градусов. Более широкий луч просвечивает больший объем воды и видит больше рыбы. Зато в этом луче не видеть ничего на дне, кроме плавного изменения глубины, все детали дна замываются. Узкий луч рисует дно более подробно, чем широкий, но рыбу ищет хуже.

Рыба на экране классического эхолота показывается в виде дуг. На рисунке ниже показано, почему так происходит.

Рис.2 Как формируются дуги

Пусть лодка движется, а рыба неподвижна. Рыба попадает в край луча в точке А, затем проходит через центр В и затем выходит из луча в точке С. В моменты А и С рыба находится дальше от датчика, чем в момент В, когда рыба близка к оси конуса излучения (в этот момент расстояние от рыбы до датчика минимально). Так и образуется дуга на экране.

Преимущества классического эхолота: большой объем просвечиваемой датчиком воды, легче найти рыбу, светит глубоко (несколько сотен метров – не проблема).

Недостатки классического эхолота:

Мертвая зона существует даже при ровном дне. На рисунке показано, какая рыба будет видна на экране эхолота, а какая сохранит свое присутствие в тайне, потому что находится в мертвой зоне.

Что такое нижнее сканирование

Мысль конструкторов не стояла на месте, и несколько лет назад появились принципиально другие эхолоты, форма луча которых напоминает не конус, а дольку лимона.

Рис.4 Форма луча классического эхолота и эхолота нижнего сканирования DownScan

На рисунке представлен пример эхолота, совмещающего в себе один классический луч, и один луч нижнего сканирования. Здесь необходимо сказать, что разные производители по-разному называют эту технологию. У Garmin это СlearVü (Vü – видимо, от View), у Lowrance это DownScan, у Humminbird – DownImage. Но суть везде одна: датчик излучает луч не в форме конуса, а в очень узком в продольном и широком в поперечном направлении. Что получает при этом рыболов, и что он теряет?

Проще начать с того, что теряется. Объем просвечиваемой воды гораздо меньше, чем в случае классического эхолота. Поэтому, если вы ловите с якоря, в луч будет попадать гораздо меньше рыбы. В продольном направлении угол раствора луча составляет буквально несколько градусов, шаг вперед-назад, и рыба в луч не попадает. При ловле с якоря DownScan ничего не дает, и в этом случае лучше пользоваться обычной классикой.

Совсем другое дело при ловле в движении или во время поиска рыбы. Тут преимущества DownScan проявляются во всей красе. За счет того, что луч в направлении движения лодки очень узкий, разрешение картинки у DownScan гораздо выше, чем у классического эхолота.

Рис.5 Пример картинки с DownScan

Пример картинки с Lowrance Elite DSi. Детализация, при которой на затопленных деревьях видна каждая веточка. Для классического эхолота такая детализация недостижима в принципе. Вместо дерева на экране был бы размытый бугор.

Рис.6 Еще один пример картинки с DownScan

Еще один пример – упавшее дерево на DownScan. А под ним стоит стая рыб.

Не будем перегружать статью красотами подводного мира, любой желающий может самостоятельно набрать в строке поиска браузера DownScan Imaging и насладиться видами затопленных кораблей, автомобилей, мостов, деревьев, камней и прочего.

Но как же DownScan отображает рыбу? В случае классического эхолота рыба показывалась дугами. Рыба входила в конус, проплывала его за довольно продолжительное время (или конус проходил через рыбу), за это время рисовалась дуга. Теперь конуса нет, луч узкий, при движении лодки рыба попадает в луч на короткое время и тут же выходит из него. И на экране эхолота она видна не как дуга, а как пятно. Стая малька может выглядеть как облачко. Пример ниже.

Рис.7 Рыба на классическом эхолоте и на DownScan

Слева на экране панель классического эхолота, справа – DownScan. Видно, что классический эхолот даже не отделил рыбу от дна, возможно из-за того, что рыба находится в мертвой зоне. Однако DownScan при проходе поперек бровки четко показал как стайку мелочи (показана зелеными стрелками), так и отдельных более крупных рыб (показаны черными стрелками).

Если рыба крупная, и удачно сориентирована по отношению к лучу, то можно наблюдать и такую картинку:

Рис. 8 Примеры отображения крупных рыб на DownScan

Размер пятна рыбы на экране зависит от времени пересечения рыбой луча DownScan. Чем крупнее рыба, и чем медленнее она движется относительно лодки, тем след крупнее.

Как видите, качество изображения по сравнению с классикой отличается как день от ночи. Необходимо отметить, что для наилучших результатов при использовании технологии DownScan лодка должна двигаться медленно и равномерно, чтобы луч DownScan работал как оптический сенсор копировального аппарата.

Преимущества DownScan:

Недостатки DownScan:

Пример приборов, совмещающих классический сонар и нижнее сканирование: Garmin Striker Vivid 4cv и эхолот-картплоттер Garmin Echomap UHD 63cv.

Что такое боковое сканирование

Возьмем два луча DownScan и направим их не вниз, а направо и налево. Мы получили боковое сканирование. И снова необходимо сказать, что разные производители по-разному называют эту технологию. У Garmin это SideVü, у Lowrance это StructureScan, у Humminbird – SideImage. Названия разные, суть одна.

Рис.9 Форма лучей эхолота с боковым сканированием StructureScan

На рисунке показан пример эхолота, имеющего в арсенале двухлучевую классическую часть и два луча бокового сканирования. На самом деле датчики бокового сканирования обычно включают в себя и нижнее сканирование, но сейчас это неважно. Итак, мы видим два узких луча, светящих в стороны от лодки. Как показать на экране все богатство информации, которую получает теперь эхолот? Для этого придется сменить точку зрения. 🙂 Если в случае классики и нижнего сканирования мы смотрели на толщу воды сбоку, то теперь смотрим на воду сверху. Если раньше лодка на экране находилась вверху справа, а развертка осуществлялась справа налево, то теперь лодка находится в верхней части экрана посередине, а развертка идет вниз.

Рассмотрим подробнее, что показывает нам экран эхолота, работающего в режиме StructureScan.

Рис.10 Пример картинки с экрана эхолота с боковым сканированием StructureScan

Вот пример такой картинки. Развертка, напоминаем, сверху вниз, лодка наверху посередине экрана. Формируется такая картинка следующим образом. Столб воды вместе с дном по обе стороны от лодки развертывается в одну плоскость и показывается на экране.

В результате от середины (A) экрана в обе стороны до точки (С) показан столб воды (B) под лодкой. Он отображен темной полосой посередине экрана. Полуширина этой полосы равна глубине. На нашем примере на рис. 10 глубина составляет примерно 30 футов. Дальше к краям экрана уходит дно. Обратите внимание, что стоящие на нем объекты отбрасывают тени, как будто мы светим фонарем в стороны от лодки. Собственно, мы им и светим, только фонарь у нас не оптический, а ультразвуковой. Более светлые места на экране – это участки, от которых луч отразился сильнее. Темные участки – это тени от возвышающихся объектов, от них луч отразился слабее. Получается будто мы смотрим на осушенное дно сверху, подсвечивая его сбоку, видим все объекты на дне с отбрасываемыми ими тенями, а вода куда-то исчезла. На нашем примере на рис. 10 слева от лодки мы видим крупные валуны и стволы деревьев, а справа – отдельно стоящие затопленные деревья с ветками.

Как и в случае с DownScan, отсылаем читателя в поиск по интернету для ознакомления с другими красивыми картинками со StructureScan, здесь лишь кратко остановимся на том, как StructureScan показывает рыбу.

Рис. 12 Стаи рыбешки на StructureScan

Стаи рыбьей мелочи прямо под лодкой на StructureScan (слева), DownScan (справа наверху) и классический эхолот (справа внизу). Автор снимка предполагает, что форма этих стай в виде полумесяцев прямо указывает на то, что на мелкую рыбу охотится крупная рыба, и мелочь старается увернуться. Помним видео охоты марлинов на стаю мелкой сельди, и как стая изменяет форму при атаках хищника? Вот тут тоже самое.

Рис.12 Рыба в боковых лучах StructureScan

На рис.12 глубина около 15 футов. Слева в боковом луче видна стая рыбы в толще воды (в толще, потому что теней не видно, они за границей экрана). Справа видны светлые черточки с тенями – более крупная рыба у дна.

Как видно из приведенных примеров, идентификация рыбы на DownScan и StructureScan более сложна, чем на классическом эхолоте. Тут вам нет никаких четких дуг, и тем более режима Fish ID. Интерпретация картинки требует определенного опыта. Здесь я не буду распространяться далее на эту тему, желающим узнать больше советую познакомиться со статьями Сергея Никулина “Видовая идентификация рыб с помощью рыбопоисковых технологий Lowrance” и “StructureScan: next level”.

Что такое CHIRP?

Что это дает рыболову? Прибор обрабатывает отраженный сигнал сразу на нескольких частотах и извлекает из него больше информации. По утверждению производителей при этом улучшается шумоподавление, растет чувствительность, становится возможным различать рядом стоящих отдельных рыб (улучшается разделение целей). На практике же разница между эхолотами без CHIRP и с ним невелика, особенно на небольших глубинах. По крайней мере нам не удалось найти источники, в которых ясно демонстрируется безоговорочное преимущество CHIRP в сравнительном анализе с эхолотом без CHIRP.

Рис. 13 Сравнение CHIRP и не CHIRP

В настоящее время практически все эхолоты используют технологию CHIRP, причем как в классическом сонаре, так и в нижнем и боковом сканированиях.

Источник

I.2. Принципы эхолокации

Система ориентирования в пространстве

Направление:

Исполнитель: ученик 10 класса Дмитрий Тюкалов

Руководитель: Аминов Евгений Витальевич

Глава I. Эхолокация. 4

I.2. Принципы эхолокации. 4

I.3. Способы применения. 5

I.5. Принцип замеров. 12

I.6. Виды приборов. 13

Глава II. Arduino. 14

II.2. Язык программирования. 14

II.3. Отличия от других платформ. 14

Список литературы и Интернет-источников. 18

Введение

Целью данной работы стало: выявление плюсов и минусов ориентирования по принципу эхо локации.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить суть явления.

2. Исследовать автономное устройство Ардуино.

3. Создание устройства.

4. Написание программы.

5. Тестирование в различных условиях.

6. Найти достойное применение.

Данная проблема не разрабатывалась в прошлом, но само явление эхо локации было рассмотрено Пьером Кюри в 1880 г., а применение её в жизни стало возможны благодаря Александру Бему в 1912 году. Он создал первый в мире эхолот.

Я предполагаю, что ориентирование по принципу эхо локации весьма эффективно и сможет помогать людям в опасных для жизни ситуациях.

Глава I. Эхолокация

Я бы хотел начать из далека, а именно с определения:

Эхолокация (эхо и лат. locatio — «положение») — способ, при помощи которого положение объекта определяется по времени задержки возвращений отражённой волны. Если волны являются звуковыми, то это звуколокация, если радио — радиолокация.

I.1. История

Эхолокация как явление в робототехнике и механике пришло из биологии. Её открытие связано с именем итальянского естествоиспытателя Ладзаро Спалланцани. Он обратил внимание на то, что летучие мыши свободно летают в абсолютно тёмной комнате, не задевая предметов. В своём опыте он ослепил несколько животных, однако и после этого они летали наравне со зрячими. Коллега Спалланцани Ж. Жюрин провёл другой опыт, в котором залепил воском уши летучих мышей, — и зверьки натыкались на все предметы. Отсюда учёные сделали вывод, что летучие мыши ориентируются по слуху. Однако эта идея была высмеяна современниками, поскольку ничего большего сказать было нельзя — короткие ультразвуковые сигналы в то время ещё было невозможно зафиксировать.

Впервые идея об активной звуковой локации у летучих мышей была высказана в 1912 году Х. Максимом. Он предполагал, что летучие мыши создают низкочастотные эхолокационные сигналы взмахами крыльев с частотой 15 Гц.

Об ультразвуке догадался в 1920 году англичанин Х. Хартридж, воспроизводивший опыты Спалланцани. Подтверждение этому нашлось в 1938 году благодаря биоакустику Д. Гриффину и физику Г. Пирсу. Гриффин предложил название эхолокация для именования способа ориентации летучих мышей при помощи ультразвука.

I.2. Принципы эхолокации

Эхолокация начинается с ультразвука, так узнаем же о нём побольше.

Как и многие другие физические явления, УЗ-волны обязаны своим открытием случаю. В 1876 г. английский физик Фрэнк Гальтон, изучая генерацию звука свистками особой конструкции (резонаторов Гельмгольца), носящими теперь его имя, обнаружил, что при определённых размерах камеры звук перестаёт быть слышимым. Можно было предположить, что звук просто не излучается, однако Гальтон сделал вывод, что звук не слышен потому, что его частота становится слишком высокой. Кроме физических соображений, в пользу этого вывода свидетельствовала реакция животных (прежде всего собак) на применение такого свистка.

Очевидно, что излучать ультразвук с помощью свистков можно, но не слишком удобно. Ситуация изменилась после открытия пьезоэффекта Пьером Кюри в 1880 г., когда появилась возможность излучать звук, не продувая резонатор потоком воздуха, а подавая на пьезокристалл переменное электрическое напряжение. Однако, несмотря на появление достаточно удобных источников и приёмников ультразвука (тот же пьезоэффект позволяет преобразовывать энергию акустических волн в электрические колебания) и на огромные успехи физической акустики как науки, связанной с такими именами, как Уильям Стрэтт (лорд Рэлей), ультразвук рассматривался в основном как объект для изучения, но не для применения.

I.3. Способы применения

Следующий шаг был сделан в 1912 г., когда всего через два месяца после гибели «Титаника» австрийский инженер Александр Бем создал первый в мире эхолот. Представьте себе, как могла измениться история! С этих пор и до настоящего времени УЗ-гидролокация остаётся незаменимым инструментом для надводных и подводных кораблей.

Ещё один принципиальный сдвиг в развитии УЗ-техники был сделан в 20-е гг. XX в.: в СССР были проведены первые эксперименты по прозвучиванию сплошного металла ультразвуком с приёмом на противоположном краю образца, причём регистрирующая техника была устроена так, что можно было получать двумерные теневые изображения трещин в металле, подобные рентгеновским (трубка С.А.Соколова). Так началась УЗ-дефектоскопия, позволяющая «увидеть невидимое».

Очевидно, что применение ультразвука не могло ограничиться лишь техническими приложениями. В 1925 г. выдающийся французский физик Поль Ланжевен, занимавшийся оснащением флота эхолотами, исследовал прохождение ультразвука через мягкие ткани человека и воздействие ультразвуковых волн на организм человека. Тот же С.А.Соколов в 1938 г. получил первые томограммы руки человека «на просвет». А в 1955 г. английские инженеры Ян Дональд и Том Браун построили первый в мире УЗ-томограф, в котором человек погружался в ванну с водой, а оператор с УЗ-излучателем и УЗ-приёмником должен был обходить объект исследований по кругу. Они же впервые применили к человеку принцип эхолокации и получили не просветную, а отражательную томограмму.

Следующие пятьдесят лет (практически до наших дней) можно охарактеризовать как эпоху проникновения ультразвука во всевозможные области технической и медицинской диагностики и применения ультразвука в технологических областях, где он позволяет сделать зачастую то, что невозможно в природе. Но об этом подробнее.

Пожалуй, наиболее важным применением эхолокации в технике является неразрушающий контроль конструкций (металлических, бетонных, пластмассовых) для выявления в них дефектов, вызванных механическими нагрузками. В простейшем случае дефектоскоп – это эхолокатор, на экране которого отображается эхограмма. Перемещая УЗ-датчик по поверхности контролируемого изделия, можно обнаруживать трещины. Обычно дефектоскоп снабжается набором УЗ-преобразователей, позволяющих вводить ультразвук в материал под разными углами, и звуковой сигнализацией превышения порога отражённым эхосигналом.

Среди металлоконструкций наиболее важным объектом неразрушающего контроля являются железнодорожные рельсы. Несмотря на значительные успехи внедрения средств автоматики, на железных дорогах России наиболее распространён ручной контроль. Многоканальный эхолокатор устанавливается на съёмную тележку, которую толкает оператор. УЗ-датчики устанавливаются в лыжи, скользящие по поверхности катания рельсов. Для обеспечения акустического контакта на тележке устанавливаются баки с контактной жидкостью (летом – вода, зимой – спирт). И шагают тысячи операторов по всем железным дорогам, толкая тележки, в снег и дождь, в жару и мороз. Требования к конструкции аппаратуры высоки – приборы должны работать в диапазоне температур от –40 до +50 °С, быть пылевлагонепроницаемыми, работать от аккумулятора. Первые отечественные рельсовые дефектоскопы в СССР были созданы 50 лет назад проф. А.К.Гурвичем в Ленинграде. Развитие вычислительной техники дало возможность в последнее десятилетие создать автоматизированные дефектоскопы, позволяющие не только обнаружить дефект, но и записать всю эхограмму пройденного пути для просмотра информации, её хранения и дальнейшего анализа в специальных центрах. Один из таких приборов – АДС-02 – был создан сотрудниками нашего ИПФ РАН совместно с фирмой «Медуза» и выпускается серийно Нижегородским заводом им. М.Фрунзе. К настоящему времени более 300 приборов работают на российских железных дорогах, помогая обнаруживать в год по несколько тысяч так называемых острых дефектов, каждый из которых может стать причиной крушения. За применение современных компьютерных технологий дефектоскоп АДС-02 получил в 2005 г. 1-е место на международном конкурсе разработчиков встраиваемых систем в Сан-Франциско (США).

УЗ-толщиномеры применяются для непрерывных измерений толщины листа (стального, стеклянного) при производстве, а также толщины объекта, к которому имеется доступ лишь с одной стороны (например, толщины стенки ёмкости или трубы). Здесь зачастую приходится иметь дело с очень малыми задержками, поэтому для повышения точности измерений применяют зацикливание эхолокатора: первый принятый эхосигнал сразу же запускает передатчик для излучения следующего импульса и т.д., при этом измеряют не время задержки, а частоту запуска.

Эхолоты, развитие которых началось почти сто лет назад, используются сейчас на самых разнообразных объектах, от надводных и подводных военных кораблей до надувных лодок рыбаков-любителей. Применение компьютеров позволило не просто отображать на экран эхолота профиль дна, но и распознавать тип отражающего объекта (рыба, топляк, сгусток ила и т.п.). С помощью эхолотов составляются карты профиля шельфа, были обнаружены суточные колебания глубины расположения слоя планктона в океане.

В отличие от рентгеновских и ЯМР-томографов (а также первых «просветных» УЗ-приборов) современные приборы для УЗ-исследования органов (УЗИ) работают в таком же режиме, как и их аналоги в технической диагностике, т.е. обнаруживают границы раздела сред с различными акустическими характеристиками. Различие между свойствами мягких тканей не превышает 10%, и лишь костные ткани дают почти 100%-ное отражение. Таким образом, почти всё богатство информации, получаемой медицинскими УЗ-приборами, заключается в анализе этих слабых сигналов.

Одно из первых применений одномерной локации в медицине – УЗ-эхоэнцефалоскоп. Идея его проста: получают эхограммы внутричерепных структур при зондировании головы в височной области слева и справа. Появление внутричерепных повреждений (гематом, опухолей) приводит к нарушению симметрии эхограмм, и таких пациентов легко выделить и направить на более детальное и дорогостоящее обследование.

Применение ультразвука в кардиологии привело к развитию важной для УЗИ технологии – представления эхограммы в координатах глубина-время, когда амплитуда сигнала представляется уровнем серого. Это позволило начать систематические неинвазивные исследования движения внутренних структур сердца и крупных сосудов и получить новую важную физиологическую информацию. Например, было доказано, что поперечное сечение аорты не меняется, как предполагали раньше врачи.

Первые кардиологические приборы были одномерными, и для исследования различных структур приходилось поворачивать датчик под разными углами. Впоследствии удалось автоматизировать этот процесс, и современные УЗ-приборы стали эхотомографами, т.е. позволяют получать двумерные сечения исследуемой области организма и наблюдать за быстрым движением структурных элементов сердца – клапанов, перегородок. В случае же неподвижных структур всё гораздо проще. Первые УЗ-томограммы были получены, когда не было сложной электроники и компьютеров, правда, для этого приходилось погружать человека в ванну с водой и обходить с одномерным датчиком по кругу. Сейчас применяют методы интерференции колебаний от множества маленьких элементов, позволяющих управлять направлением УЗ-пучка. Такое УЗ-исследование (УЗИ) органов и тканей стало обычной процедурой, несопоставимо более дешёвой, чем другие виды томографии.

В то же время остались частные применения одномерной УЗ-локации. Одним из них является измерение толщины жировой подкожной прослойки, что позволяет оценивать показатель степени ожирения, например, BFI. Этот метод реализован в приборе Bodymetrix2000 – совместной российско-американской разработке, который сейчас применяется в салонах красоты и фитнес-клубах по всему миру.

Пожалуй, наиболее интересными из сложных современных приборов для УЗ-медицинской диагностики являются трёхмерные системы. В этих системах УЗ-пучок поворачивается в двух взаимно перпендикулярных направлениях, а принятые эхосигналы обрабатываются так, чтобы получить изображение сплошной поверхности объекта, находящегося внутри организма человека, будь то внутренний орган или эмбрион. Если сбор и обработка информации происходят достаточно быстро, то можно наблюдать за движением объекта в реальном масштабе времени, например, изучать поведение ещё не родившегося ребёнка, его реакции и т.п., Пожалуй, единственный вопрос здесь – обеспечение безопасности, т.е. поддержание интенсивности УЗ-излучения на уровне 50–100 мВт/см2.

Источник