Существование видов животных, способных воспринимать ультразвук, было открыто одновременно с самим ультразвуком (вспомните свисток Гальтона). Оказалось, что огромное количество биологических видов чувствительно к ультразвуку, по крайней мере в диапазоне 20–40 кГц. Это давно научились использовать для отпугивания грызунов (крыс, мышей), птиц, насекомых, собак. Однако не всё так просто. Например, грызуны достаточно быстро привыкают к наличию помехи, и приходится усложнять такие системы – в них частота и вид передачи ультразвука (длительность и период следования импульсов) делают случайными. Да и системы отпугивания насекомых иногда имеют прямо противоположный эффект, если выбрать неправильную частоту.
Гораздо более интересное открытие было сделано позднее – некоторые биологические виды не только чувствительны к ультразвуку, но могут его излучать и использовать для обнаружения целей и препятствий. Наиболее известны здесь летучие мыши и дельфины, издавна использующие физические и информационные принципы, которые человек научился применять лишь недавно. Например, долгое время оставалось загадкой, как летучая мышь может обнаруживать в темноте тонкие проволочки, натянутые в комнате (такие эксперименты проводил Р. Вуд). Впоследствии оказалось, что мозг летучей мыши проводит сложнейшую обработку информации, накопленной не за один цикл передачи-приёма звука, а за множество циклов при движении животного (такая процедура в радиолокации называется апертурным синтезом), увеличивая разрешающую способность своего «локатора» во много раз. Не исключено, что некоторые виды используют ультразвук и для передачи информации.
Говоря об информационных возможностях УЗ-волн, нельзя не упомянуть ещё одно интересное применение мощного фокусированного ультразвука: передачу речевой информации путём прямого воздействия на слуховой нерв. Пионерские исследования в этой области были начаты в 80-е гг. прошлого века проф. Л.Р. Гавриловым (г. Москва). Идея заключалась в следующем: высокочастотный (100–200 кГц) сигнал модулируется по амплитуде низкочастотным речевым сигналом и подаётся на фокусированный УЗ-излучатель, возбуждая модулированную волну. Излучатель прикладывается к поверхности головы так, чтобы фокус находился в области, где проходит слуховой нерв. При этом было обнаружено, что слуховой нерв становится «детектором», и человек начинает слышать модулирующий речевой сигнал. Конечно, этот метод может помочь не всем глухим людям, а лишь тем, глухота которых связана с нарушениями подвижности механической части слухового аппарата. Тем не менее эта технология в настоящее время применяется достаточно широко во всём мире.
I.4. Виды эхолокации.
Простейший вид эхолокации – одномерный. Импульс напряжения подаётся на излучающий элемент (генератор), тот направляет в среду короткий акустический импульс. Если на пути звуковой волны встречается препятствие (граница раздела слоёв с разными акустическими свойствами, например, трещина в металле), то часть сигнала отражается и может быть принята датчиком, чаще всего размещаемым там же, где и излучатель. Сигнал преобразуется в электрический, усиливается и появляется на экране. Пример к принципу действия одномерного УЗ-локатора находится в приложении 5
I.5. Принцип измерения.
Измеряя время запаздывания принятого импульса относительно излучённого τ и зная скорость звука в среде c, можно определить расстояние L до отражателя: L = cτ/2. Очевидно, что в реальных условиях приходится принимать меры к тому, чтобы эхолокатор не показывал слабые цели для исключения ложного срабатывания. Для этого существуют процедуры оценки минимального порогового уровня чувствительности обнаружения. Кроме того, разумно ограничиться некоторой зоной интереса по L, исключив из неё ближнюю зону, где всегда имеются мощные помехи, и дальнюю зону, где полезный сигнал становится сравним по амплитуде с шумами. Если к этому добавить управление усилением принятого сигнала (причём его можно сделать зависящим от дальности, чтобы скомпенсировать ослабление сигнала с расстоянием), мы получим универсальный эхолокатор, который с небольшими вариациями может быть использован для решения множества задач технической и медицинской диагностики.
I.6. Виды приборов.
В эхолокационной технике можно выделить несколько больших классов – уровнемеры, толщиномеры, эхолоты, дефектоскопы. Различаются они в основном алгоритмами использования получаемой акустической информации, тогда как основой для каждого из них по-прежнему является описанный выше одномерный эхолокатор. Например, если поставить УЗ-зонд (в котором находятся излучающий и приёмный элементы) на днище закрытой ёмкости с жидкостью, удастся измерить её уровень, не заглядывая в ёмкость, где может находиться ядовитая или огнеопасная субстанция. Если же нам неизвестны акустические свойства этой жидкости, можно поставить второй, так называемый опорный, зонд на боковую стенку этой ёмкости и определять уровень жидкости по отношению времён запаздывания вертикального и горизонтального сигналов. Примером такого уровнемера является измеритель уровня одоранта природного газа (меркаптана) в ёмкости, которая всегда закрыта, да ещё и закопана в землю.
Глава II. Arduino
Arduino – это инструмент для проектирования электронных устройств (электронный конструктор) более плотно взаимодействующих с окружающей физической средой, чем стандартные персональные компьютеры, которые фактически не выходят за рамки виртуальности. Это платформа, предназначенная для «physical computing» с открытым программным кодом, построенная на простой печатной плате с современной средой для написания программного обеспечения.
II.1. Применение.
Arduino применяется для создания электронных устройств с возможностью приема сигналов от различных цифровых и аналоговых датчиков, которые могут быть подключены к нему, и управления различными исполнительными устройствами. Проекты устройств, основанные на Arduino, могут работать самостоятельно или взаимодействовать с программным обеспечением на компьютере (напр.: Flash, Processing, MaxMSP). Платы могут быть собраны пользователем самостоятельно или куплены в сборе. Среда разработки программ с открытым исходным текстом доступна для бесплатного скачивания.