Ночная путешественница

Летом в деревне, когда наступают сумерки, можно наблюдать, как мечутся зигзагами летучие мыши, шелестя сухими, угловатыми крыльями. Когда наблюдаешь их стремительный полет в темноте, кажется, что вот‑вот они врежутся в ствол дерева или стенку сарая. Но каждый раз, встречая на пути препятствие, летучая мышь стремительно взмывает вверх или круто поворачивает в сторону, продолжая головокружительную погоню за крохотными насекомыми. До глубокой ночи идет эта неутомимая, полная риска охота ночной путешественницы.

Кажется, только чудо спасает ее от верной гибели.

Поистине удивительно, как удается летучей мыши с маленькими, подслеповатыми глазами заметить во тьме препятствие и, не снижая скорости, его обойти.

Это обстоятельство привлекло внимание естествоиспытателей. Самые тщательные исследования убедительно доказали, что зрение у летучей мыши весьма скудное. Она почти слепа. Но как она ориентируется в сложной обстановке и как отыскивает себе добычу – это долгое время оставалось тайной для всех. Никому и в голову не приходило, что летучая мышь намного опередила человека в практическом использовании ультразвука.

Для того чтобы в этом разобраться, оставим пока что мышь в покое. Пусть она продолжает охотиться, мы скоро снова к ней вернемся. Займемся отражением звука, которое называется эхом.

Вы, наверное, знаете, что эхо можно использовать для определения расстояния от источника звука до какого‑нибудь препятствия. Это явление давно пытались использовать для определения глубины моря. Для этого в море опускали колокол и измеряли время, которое проходило от удара в колокол до появления отраженного от дна эха. Результаты этих опытов были малоутешительные. Эхо от звука колокола было очень слабое, оно еле‑еле было слышно в общем шуме моря.

По этой причине морские глубины по‑прежнему определяли лотом, то есть канатом, на конце которого был укреплен грузик.

Правда, звучание колокола было использовано для решения другой весьма важной задачи.

Во время тумана, когда свет маяков плохо виден с корабля, идущего в гавань, велика опасность кораблекрушения. Трудно войти кораблю в узкий пролив бухты без световых сигналов маяка. И тут неожиданно помог звук колокола. Его располагают против пролива на некоторой глубине в центре бухты и заставляют звучать. Звук, распространяясь во все стороны, выходит через пролив в море. Корабль имеет по бортам две слуховые трубы, и время появления в них звука будет, вообще говоря, различным. Если теперь корабль повернуть так, чтобы звук приходил одновременно, то, двигаясь к берегу по этому направлению, он безопасно может пройти пролив и войти в бухту, так как в этом случае идет точно посередине. Слуховые трубы по бортам корабля напоминают уши человека.

Звучание колокола под водой весьма слабое. Звуки большей мощности издает вращающийся диск с отверстиями, через которые продувают воздух. Это устройство звучит одинаково хорошо как в воздухе, так и в воде. Называют его сиреной. По древним сказаниям, мифам, сирены – живые существа, которые жили в воде; песни сирен увлекали корабли мореплавателей на подводные скалы. Так было, по преданию, давным‑давно с аргонавтами, которые отправились из Греции в Колхиду искать Золотое Руно.

Спустя несколько десятков лет после первых попыток измерения глубины моря вновь возвратились к эхо. Но на этот раз использовали более мощные источники звука.

Прибор, пригодный для измерения небольших глубин, не более 150 метров, создал в 1912 году немецкий физик Бем. Это был первый эхолот; он принимал отраженный дном звук разорвавшегося на одном из бортов корабля патрона.

В приемник, расположенный на другом борту, поступала только отраженная звуковая волна.

В Америке в это время пользовались эхолотом, который изобрел физик Хейс. Отличался он от эхолота Бема тем, что источник звука посылал короткие сигналы, а приемник принимал прямые сигналы от источника и сигналы, отраженные дном.

Сигнал, отраженный от дна, приходил в приемник позже, чем прямой. Но если они посылались через определенные промежутки времени, то можно было добиться того, что отраженный сигнал приходил в приемник в тот момент, когда приходил какой‑нибудь прямой. В этом случае, зная промежуток времени, через который приемником воспринимались прямые сигналы, можно было определить глубину моря.

Оба типа эхолотов в техническом отношении были далеки от совершенства.

Прежде всего потому, что эхо от дна можно было уловить только на малых глубинах. На большой глубине звук терялся, так как отраженный сигнал был очень слабым.

Излучатель эхолота должен посылать звук по одному направлению, отдавая всю энергию в «звуковой луч», а не распылять ее по всем направлениям.

Геометрический размер поверхности излучателя, который способен создать «звуковой луч», должен быть в несколько раз больше длины волны излучаемого звука.

Но самая короткая длина волны слышимого звука в воде будет, при условии, что излучатель делает 16 тысяч колебаний в секунду, чуть меньше 10 сантиметров.

Поперечник излучателя «звукового луча» в этом наилучшем случае должен быть около метра. Такой излучатель очень неудобен в обращении, тем более что получение механических колебаний частоты 16 тысяч герц – довольно сложная задача.

Эти причины принципиально не позволяли технически совершенствовать эхолоты.

Эхо от глубокого дна можно было получить, используя звуковые волны, которые лежат за порогом слышимости. Нужен был ультразвук.

Ультразвуковые волны излучаются излучателем малых размеров. Кроме того, ультразвуковую волну легко направить в нужном направлении. Но самое главное заключается в том, что ультразвуковые волны меньше поглощаются водой.

Гидролокатор представляет собой устройство, которое состоит из излучателя колебаний и приемника их. Звуковой луч, посланный излучателем, натыкаясь на препятствие, отражается в обратном направлении и принимается звукоприемником. Улавливая его, определяют расстояние до препятствия. Ощупывая звуковым лучом глубины моря, стало возможным легко определить не только наличие препятствия, но и его форму.

Блок‑схема гидролокатора

Лишь после того, как французский ученый Ланжевен предложил использовать ультразвук, гидролокация стала так широко применяться. Об успехах гидролокатора говорит тот факт, что много затонувших кораблей было найдено ультразвуковым лучом.

Так был обнаружен потопленный немцами в первую мировую войну корабль «Лузитания».

Во время морских войн гидролокаторы на надводных кораблях обнаруживают подводные лодки, а гидролокаторы на подводных лодках – надводные корабли. При этом подводной лодке нет надобности всплывать на поверхность моря, осматривать горизонт и тем самым обнаруживать себя. Усовершенствованный гидролокатор позволяет обнаружить препятствие, определить расстояние до него, его положение в море.

Ну, а теперь вернемся поскорее к летучей мыши, которую мы надолго забросили. Ее свободное поведение ночью натолкнуло исследователей на мысль, что летучая мышь обладает локационным устройством.

Запись ультразвуков летучей мыши

И действительно, ученые обнаружили, что их смелые предположения правильны. Летучая мышь пользуется ультразвуком и с помощью локации легко обнаруживает невидимые препятствия. Анатомические исследования летучей мыши показали, что у нее имеется устройство, излучающее через определенные промежутки времени короткие ультразвуковые сигналы, имеется и приемник отраженных сигналов. Меняя длительность промежутка времени при излучении, ей удается определить расстояние до препятствия. Это и объясняет смелость полетов летучей мыши в темноте и ее удачную охоту. Летучую мышь изловили и заставили… спеть. Звуки этой «песни» оказались не чем иным, как короткими импульсами ультразвуковых волн.

Такими же свойствами, как было замечено, обладает и крохотная птичка колибри.

Схема действия гидролокатора

Устройство интереснейшего прибора – ультразвукового дефектоскопа – основано на отражении ультразвукового луча от неоднородностей внутри металла; здесь опять‑таки наблюдается своеобразное неслышимое «эхо». Этот прибор был создан впервые профессором Ленинградского политехнического института С. Я. Соколовым. С его помощью можно обнаружить дефекты, расположенные на расстоянии от 5 миллиметров до 3 метров от поверхности металла.

Схема работы отражательного дефектоскопа

Дефектоскоп Соколова – небольшой, весьма точный прибор. На экране этого прибора, напоминающем телевизионный, можно определять расстояние от поверхности металла до имеющихся внутри него дефектов. Дефектами в металле могут быть раковины, образующиеся при отливке, трещины и т. п. Дефектоскопом удобно проверять и готовые изделия. Однако дефектоскоп лишь позволяет определить наличие дефекта и найти расстояние до него от поверхности, что, естественно, не может во всех случаях удовлетворить потребности производства. Иногда необходимо точно знать форму и размер дефекта. Профессор С. Я. Соколов создал другой замечательный прибор – ультразвуковой микроскоп, при помощи которого стало возможным увидеть изъян, который обнаружен дефектоскопом. Ультразвуковой луч ощупывает дефект внутри металла, а на экране, как в телевизоре, можно видеть его изображение, форму и размеры.

Вот какие возможности скрываются в самом обыкновенном эхо! Один из героев Марка Твена коллекционировал различные места, отличавшиеся диковинными отражениями звуков. Но какую замечательную коллекцию составили бы приборы, использующие это всем известное явление, если бы их собрать все вместе!