Беседы о бионике - [63]

Рис. 1. Определение летучей мышью расстояния до объекта (насекомого) (по П. Т. Асташенкову)

Приемник летучей мыши хорошо выделяет из шума звуковые, а не радиосигналы. Расстояния, на которых эффективно работает такой локатор, очень малы. Но быть может, неизвестный пока принцип, обеспечивающий высочайшую избирательность приемника нетопыря, удастся использовать в устройствах сверхдальней космической связи. И уж наверное он сможет оказаться полезным при конструировании защиты от помех во многих приемных устройствах. Во всяком случае, сейчас, когда в эфире работает столько станций, порой мешающих друг другу, отличные "мышиные" принципы отбора собственных сигналов привлекают самое пристальное внимание биоников, инженеров и физиков. Предполагают, что летучим мышам удается различать эхо от нескольких предметов по величине частотного сдвига, возникающего в результате сложения непрерывно изменяющейся частоты зондирующих импульсов и частоты эха (рис. 1). Сложение излучаемых импульсов, промодулированных по частоте, и отраженных сигналов дает сигналы разностной частоты Δf, которая пропорциональна расстоянию до объекта. Длительность сигналов разностной частоты также является функцией расстояния. Эта гипотеза никак не объясняет удивительную помехозащищенность локатора летучей мыши. А между тем известно, что ее приемник обнаруживает полезный сигнал даже в том случае, если помехи на 30 децибел (более чем в тридцать раз) превышают уровень сигнала!

Рис. 2. Тропическая летучая мышь-рыболов определяет местоположение рыбы под водой с помощью природной локационной системы

Поразительными по своему совершенству органами ультразвуковой эхолокации обладают, как установили ученые, тропические летучие мыши-рыболовы (рис. 2). Они летают у самой поверхности воды и, окуная в нее время от времени острые когти своих лапок, ухитряются ловить мелкую рыбешку. Ловя таким образом рыбу в темные ночи, эти зверьки издают ряд быстро повторяющихся сигналов, которые очень похожи на сигналы их насекомоядных родичей. Поскольку тело рыбы содержит больше 90% воды, оно почти не отражает подводные звуки, но наполненный воздухом плавательный пузырь представляет собой "непрозрачный" для звука экран. Ультразвук, пробив толщу воды, отражается от плавательного пузыря рыбешки, и его эхо возвращается к рыболову.

Может показаться, что рыбная ловля с помощью звуколокатора нисколько не сложнее или даже проще, чем охота на быстрых, беспорядочно летающих в воздухе насекомых. На самом деле это не так. Требования к локаторам у летучих мышей-рыболов и летучих мышей-охотниц несколько отличаются друг от друга. Известно, что при падении звука под прямым углом из воздуха на поверхность воды только 0,12% его энергии распространяется в воде в виде звуковых колебаний. Остальная энергия отражается от грайицы раздела сред. Такая же малая доля энергии звуковых волн, распространяющихся в воде, проходит из воды в воздух. Это значит, что от зондирующих импульсов летучей мыши после падения на поверхность воды из воздуха, распространения в воде, отражения от рыбы и возвращения к приемнику "рыболова" остается доля, равная (0,0012)² = 1,44 · 10^-6, т. е. эти импульсы ослабевают почти в миллион раз!

Кроме того, неизбежны и другие потери: лишь малая доля энергии звука отражается от тела рыбы, и очень незначительная ее часть после выхода из воды попадает в уши летучей мыши. Интересно отметить, что примерная оценка затухания звука при локации насекомого на расстоянии в 2 м показывает, что слуховой аппарат летучих мышей-охотниц способен воспринимать эхо столь же слабое, как и эхо при отражении от мелких рыбок, добываемых их собратьями-рыболовами.

Значит, летучая мышь судит об окружающей обстановке по отраженным сигналам своего локатора, которые иногда возвращаются к ней ослабленными во много миллионов раз. Интересно, что существует вид летучих мышей — подковоносы, — использующих для ориентировки именно этот признак отраженного сигнала (величину его ослабления), и по затуханию, а не по задержке отраженного импульса они определяют расстояния.

Таким образом, слуховой аппарат летучих мышей — это не просто анализатор, обладающий высокой чувствительностью. Органы их эхолокации настолько совершенны, что говорить просто о слухе здесь не приходится. Мы вправе говорить о качественном отличии слухового аппарата летучих мышей от соответствующих органов чувств других животных, об ультразвуковом "видении". Ведь органы звуколокации достигают наибольшего совершенства именно у тех рукокрылых, которые обладают очень плохим зрением, почти слепы, и поэтому у них совсем иное соотношение слуховых и зрительных центров. Так, например, летучую мышь не затрудняет полет в лабиринте из тонких проволочек, хотя при этом она должна иметь представление об их взаимном расположении. По существу, это и есть видение. Приспосабливая рукокрылых к ночному образу жизни, природа так "устроила" этих животных, что его раз услышать для них несравненно лучше, чем для нас, например, сто раз увидеть.

Благодаря выполненным за последнее время работам мы можем сегодня уже говорить языком цифр о ряде важнейших технических показателей локационного аппарата летучих мышей и сравнивать их с основными параметрами аналогичных систем, созданных человеком. Путем сопоставления мы можем также установить, в чем биологическая система превосходит технические, какова ее эффективность. Правда, здесь могут возникнуть серьезные возражения против осмысленности и правомерности подобного сравнения столь разнородных систем эхолокации, различающихся по мощности (на несколько порядков), по абсолютной дальности действия и т. п. Однако в общем-то звуко-локационный аппарат летучей мыши выполняет те же функции, что и обычные технические радиолокационные устройства, и поэтому в данном случае биологическую систему можно сравнивать с инженерной почти с тем же основанием, с каким обычно специалисты сравнивают между собой технические характеристики двух радиолокаторов. И в этом отношении большой интерес, несомненно, представляет опубликованная в 1963 г. работа Л. Катрона, в которой даются вполне определенные и убедительные количественные характеристики (принятые в радиолокационной технике) для ультразвукового локационного аппарата летучей мыши. Несмотря на многие упрощения, допущенные автором этой работы при расчетах, последние показывают, что по таким важным параметрам локационной системы, как чувствительность при определении дальности и угловых координат цели, устойчивость к взаимным помехам (т. е. способность не реагировать на сигналы, испускаемые другими локационными системами, работающими в это же самое время поблизости), отношение сигнала к шуму, локационный аппарат летучей мыши более чем в 100 раз превосходит самые совершенные современные радиолокационные системы. Конкретные значения основных параметров эхолокатора летучей мыши, полученные Л. Катроном расчетным путем, приведены в табл. 1.