МОУ «Середня загальноосвітня школа № 45»
Курсова робота
Звуковий локатор.
Перевірила: Стародубцева Е. А.
Виконав: учень 11 «б» класу
Ковальов Дмитро Васильович
Кемерово.
2008
Зміст
Введення
Хто вони, летючі миші
Історія відкриття ехолокації
Використання локації в техніці
Ехолокатор
Людині є чому повчитися у кажана
Принцип дії моделі звукового локатора
Підсилювач сигналу
Підсилювач потужності
Звуковий генератор і детектор
Частотомір
Збірка звукового локатора
Література
Введення
Під словом «локація» розуміється визначення місця розташування предметів, вимірювання їх координат і параметрів руху. У живій природі використовуються різноманітні форми і способи локації. Людина і більшість тварин визначають місце розташування навколишніх предметів завдяки органам почуттів, в основному зору і слуху. Ці системи у функціональному відношенні у деяких тварин доведені до найвищої досконалості. Досить згадати про надзвичайну гостроту зору у денних хижих птахів або точності звуковий пеленгації видобутку совами.
Для виявлення об'єктів навколишнього середовища деякі тварини використовують і інші види інформації. Глибоководні кальмари, наприклад, крім звичайних органів зору, наділені особливими рецепторними приладами, здатними вловлювати інфрачервоні промені, а своєрідні органи - «термолокатори» гримучих змій служать для пошуків видобутку (вони сприймають теплове випромінювання живих істот і реагують на різницю температур в тисячну частку градуса) .
Наведені приклади, незважаючи на їх різноманітність, являють собою різні варіанти так званої пасивної локації, коли досліджувані тварини виявляють будь-які об'єкти тільки шляхом прийому тієї енергії, яку безпосередньо випромінюють або перевипромінюють самі. Порівняно недавно здавалося, що можливості живої природи обмежуються лише засобами пасивної локації, тобто більш-менш чутливими органами дистантного виявлення.
На самому початку XX ст. людство створило принципово новий, активний спосіб локації; при якому невидиму перш мета опромінюють потоком електромагнітної чи ультразвукової енергії і виявляють за допомогою тієї ж енергії, але вже відбитої від мети. Радіо-і гідролокаційні станції (прилади активної локації) прийшли на зміну різного роду «слухачем» (приладів пасивного виявлення) і в даний час набули широкого поширення при вирішенні народно-господарських, військових і космічних проблем.
Області застосування в техніці радіо-і акустичної локації різні, бо різні ступінь ослаблення застосовуваних видів коливань при поширенні в неоднорідних середовищах і швидкість розповсюдження електромагнітних і звукових хвиль. Відомо, що радіохвилі у водному середовищі дуже швидко загасають, тоді як звукові хвилі поширюються на великі відстані, і, навпаки, в повітрі звукові коливання послаблюються у багато разів сильніше, ніж електромагнітні. Для виявлення об'єкта в атмосфері і за її межами застосовують радіолокатори, так як швидкість поширення радіохвиль 300000 км / с, а швидкість поширення звуку в повітрі - лише 340 м / с. Акустична локація повітряних і особливо космічних цілей часто неможлива, бо їх власна швидкість може в багато разів перевершувати швидкість звуку. Акустична локація або гідролокація стала основним засобом виявлення підводних об'єктів (швидкість поширення звуку у воді - 1550 м / с).
Принципи радіолокації, безсумнівно, підказали біологам шлях до вирішення однієї зі старих загадок природи, яка протягом тривалого часу не піддавалася науковому поясненню. Цю загадку поставили перед вченими звичайні летючі миші. Що ж це за тварини і чому, вони розбурхували вчений світ протягом 150 років? Спробуємо в цьому розібратися.
Хто вони, летючі миші
З давніх пір абсолютно необгрунтовано летючі миші (див. додатки, рисунки 2, 3, 4) користуються поганою славою. «Питання про кажанів є питання іншого світла, питання, яке пахне єрессю ... Всі покрито таємницею, обманом і мороком в цих двозначних істот, що представляють собою вищу ступінь протиприродність, гидоту й фантастичності. Летюча миша - це химера, жахливе неможливе істота, символ мрій, кошмарів, примар хворої уяви. Загальна неправильність і жахливість, помічена в організмі летючої миші, потворні аномалії в пристрої почуттів, що допускають гидке тварині чути носом і вухами бачити, все це ніби навмисне пріноровлено до того, щоб летюча миша була символом душевного розладу і божевілля ». Так описував летючих мишей французький натураліст А. Туссенель в 70-х роках минулого століття, висловлюючи тим самим широко поширена думка про цих нічних нешкідливих тварин. І навіть у наш час, коли кажан повністю «реабілітована» та розкрито її таємниця орієнтації в темряві, все-таки для багатьох зустріч з нею залишає неприємне відчуття, і летючі миші продовжують зазнавати безглуздого гонінню і навіть знищення.
Історія відкриття ехолокації
Хоч і великий чоловік, але не нескінченна його життя. Перед ним неосяжна широчінь простору і неозора глиб часу. Про все хочеться дізнатися. Але от біда - занадто швидко біжать роки.
Чи багато людей може пройти, виміряти своїми маленькими кроками? І чи багато він може зробити за ті лічені дні, які живе на землі? Але він не один, і в цьому його сила.
Ладзаро Спалланцані (див. додатки, малюнок 1.) Поспішав. Йому вже було за шістдесят. Роки давали про себе знати. Кілька років видатний італійський натураліст, професор університету в Павії, займався летючими мишами. Ці невеликі тварини полюють майже виключно вночі, часто наздоганяючи видобуток зверху або в лісових заростях. Ясно, що візуальне виявлення комах в таких умовах неможливо. Але тоді як же «бачать» летючі миші, як вони знаходять дорогу в темряві? Ось питання, яке мучило вченого.
Йшов 1793. Тільки що минула «високих» і абстрактних умоглядних міркувань, наука приступала до експериментальної перевірки всього того, що оточувало людину.
Раннім літнім ранком на дзвіницю собору міста Павії піднявся старий чоловік. Це був Спаланцані. Присмерк щойно починав розсіюватися, і летючі миші, повертаючись з нічних польотів, ховалися по різних закутках під склепіннями старої вежі. Вчений ловив летючих мишей і саджав у мішок. Потім, навантажений важкою ношею, він спустився з дзвіниці і пішов додому.
Будинки Спаланцані випустив спійманих звірів у великій залі. Він вирішив впритул зайнятися секретом нічних польотів кажанів. Тільки експеримент міг дати відповідь на це питання. Від стелі до підлоги були натягнуті тонкі нитки, вони обплутали всю кімнату. Випускаючи миша з мішка, експериментатор заклеював їй очі воском. І ось за старим залу заметушилися крилаті тіні.
Але жодна сліпа летюча миша не зачепила за нитку! Жодна! Немов очі їм були і не потрібні, щоб бачити.
Не задовольнившись дослідами, в яких кажани продовжували спокійно пурхати з заклеєними очима, Спаланцані вирішив продовжити початий експеримент, змінивши кілька умови. Він випустив на волю кілька тваринок, позбавлених зору, і через чотири дні знову відправився на дзвіницю собору.
Цього разу вчений знову наловив цілий мішок летючих мишей. Серед них були і сліпі миші. У їхніх шлунках було повно комарів. Спіймати в темряві комаха-завдання більш складна, ніж пролетіти між двома натягнутими нитками. Значить, щоб полювати, цим тваринкам зовсім не потрібні очі. Спаланцані вирішив, що летючі миші наділені якимсь особливим, невідомим нам шостим почуттям, яке й допомагає їм орієнтуватися в польоті.
Ще на цілому ряді дослідів вчений переконався, що миші чудово обходяться без зору, але зате всяке пошкодження слуху для них згубно.
У чому справа? Не можуть же вони бачити вухами?
Так зародився сумнів. Щоб все це пояснити, потрібні були нові експерименти. Для цього були виготовлені крихітні мідні трубочки, порожні всередині, які вставлялися в вуха летючих мишей. Але вони як і раніше спокійно літали, вільно і впевнено лавіруючи між десятками тонких ниток, натягнутих в кімнаті. Зате варто було заткнути трубочки пробками, як миші безсило падали, натикаючись на все підряд.
Але як слух замінював їм зір? На це питання ніхто не міг відповісти. Миші літали беззвучно, а стіни і натягнуті нитки звуків не видавали, тому відмінну орієнтацію мишей зовсім не можна було пояснити загостреним почуттям слуху. Тоді як же бачили летючі миші? Цього Спаланцані так і не дізнався. Його відкриття в ті роки були відкинуті, висміяні, а потім і забуті. Залишилося тільки назва «спалланцаніева проблема».
У середині минулого століття вирішенням цієї проблеми вчені зацікавилися одночасно в різних країнах.
Цікаво, що перший, хто нею зайнявся, був не зоолог, а інженер - американський винахідник Хайрем Максим. У роки громадянської війни його прізвищем називали станковий кулемет, який він винайшов. Встановлений на тачанці «Максимка» був грізною зброєю проти білогвардійців.
Плідний винахідник, який намагався, між іншим, свого часу побудувати літак з паровим двигуном, зацікавився навігаційним методом летючих мишей. Він припустив, що миші видають звуки, нечутні для людського вуха, і орієнтуються по возвратившемуся луні. На підставі власної біологічної гіпотези Максим запропонував новий прилад - ехолокатор, який повинен був запобігати в тумані зіткнення суден з айсбергами.
Вірна в принципі здогадка була все ж не точна. Її автор вважав, що первинним сигналом у мишей є звук від помахів їхніх крил. Тому він рекомендував обладнати суду джерелом звуку дуже низької частоти, порядку 15 Гц. Приймач низькочастотних сигналів передбачалося встановити в носовій частині корабля. Слабке відлуння, за задумом винахідника, повинно було приводити в дію маленький дзвіночок, а сильне - великий гонг, щоб команда могла судити про серйозність небезпеки.
Нова ідея навігації не привела ні до яких практичних результатів. Помилка Максима була в тому, що він неправильно визначив частоту звукового сигналу, на який працював його прилад. Летючі миші дійсно користуються в польоті звуком, але не низьких, а дуже високих частот-ультразвуком.
Інший вчений, голландець Свен Дійграаф, зауважив, що летюча миша перш, ніж пуститися в політ, розкриває рот. Очевидно, припустив вчений, вона видає нечутні для людини звуки і «обмацує» ними околиці. У польоті летючі миші теж раз у раз розкривають рот, навіть коли не полюють за комахами.
Дійграаф міркував так: оскільки стіни і предмети, що зустрічаються летючої миші в польоті, не видають жодних звуків, значить, кричать самі миші. Ехо їх власного голосу, відбите від навколишніх предметів, сповіщає звірків про перешкоду на шляху.
Це спостереження навело вченого на думку зробити наступний досвід. Він надів на голову звірка паперовий ковпак. Спереду, точно забрало лицарського шолома, у ковпаку відкривалася і закривалася маленька дверцята. Із закритою дверцями на ковпаку миша зовсім не могла летіти і раз у раз натикалася на предмети. Варто було лише у паперовому ковпаку підняти забрало, як звір перетворювався, його політ знову ставав точним і впевненим.
Результати своїх спостережень Дійграаф опублікував в 1940 році, а в 1946 році радянський вчений Є. Я. Пумпер зробив дуже цікаве припущення, яке добре пояснює фізичну природу ехолокації. Він вважав, що летючі миші кожен новий звук видають відразу ж після того, як почують відлуння попереднього сигналу. Таким чином, ультразвукові імпульси рефлекторно слідують один за одним, а подразником, що викликає їх, служить відлуння, сприймається вухом.
Значить, чим ближче кажан підлітає до перешкоди, тим швидше повертається ехо і, отже, тим частіше видає звірятко нові крики. Нарешті, при безпосередньому наближенні до перешкоди ультразвукові імпульси починають слідувати один за одним з винятковою швидкістю. Це сигнал небезпеки. Летюча миша інстинктивно змінює курс польоту, ухиляючись від напрямку, звідки відбиті звуки приходять занадто швидко.
Подальші досліди показали, що летюча миша перед стартом видає в секунду лише 5-10 імпульсів. У польоті прискорює їх до 30. При наближенні до перешкоди ультразвукові сигнали надходять ще частіше: 50 - 60 разів на секунду. Деякі миші під час полювання на нічних комах, наздоганяючи видобуток, видають навіть 250 «криків» в секунду.
Але не всі звуки, що використовуються кажанами для навігації, зовсім не чути.
Може бути, кому-небудь з вас траплялося теплим вечором спостерігати за польотом мишей і чути видавані ними звуки. Вони настільки слабкі, що їх легко прийняти за шерех листя. Очевидно, тому-то їх Спаланцані і не помітив.
Тривалість слабо чутної частини імпульсного сигналу дуже мала. Цей звук нагадує цокання наручних годинників. Однак, на відміну від годинника, частота цокання, видаваного кажаном, може помітно змінюватися.
Коли летюча миша летить прямо на віддалене від неї перешкода, то вона видає від п'яти до двадцяти гиканням в секунду. У тих випадках, коли перед нею виникає більш складна навігаційна завдання, наприклад коли їй потрібно уникнути зіткнення з живим предметом або з палицею, піднятою над головою, можна почути, що цокання раптово частішає, поки не перейде в слабке гудіння. Те ж саме відбувається перед посадкою летючої миші. Звуки цокання при цьому настільки слабкі, що почути їх можна тільки в повній тиші і проявивши значне терпіння.
Пояснити таємницю летючих мишей допомогло поява нової електронної апаратури. В одній з лабораторій фізичного факультету Гарвардського університету в США Г. Пірс почав проводити дослідження з вивчення властивостей ультразвуков, тобто звуків, що лежать вище слухового порога людини. Під його керівництвом у 1937 р. був створений прилад - звуковий детектор, що дозволяє вловлювати звуки широкого діапазону частот. Саме цей прилад зареєстрував нечутні звуки летючих мишей, коли в 1938 р. студент-біолог згаданого вище університету Дональд Гріффін приніс у лабораторію Пірса повну клітку летючих мишей. Згадуючи про це, Гріффін писав: «Як тільки я підніс летючих мишей до апарату Пірса, відразу ж виявилося, що вони видають безліч звуків, але майже всі ці звуки потрапляють в діапазон частот, що лежать вище за поріг чутності людини».
Пірс і Гріффін провели частотний аналіз звуків, випромінюваних летючими мишами в польоті, і встановили, що частоти цих звуків лежать в діапазоні 30000 - 70000 Гц при найбільшої інтенсивності в області 45000-50000 Гц. Далі вони виявили, що тварини видають звук не безперервно, а у вигляді дискретних імпульсів, тривалість яких складає 1 / 100 - 1 / 200 с.
Проте встановлення факту випромінювання ультразвуку летючими мишами, незважаючи на всю його важливість, ще не пояснювало здатність тварин безперешкодно літати в повній темряві. Треба було в умовах точного експерименту довести, що летючі миші дійсно використовують ультразвук з метою орієнтування в просторі і що вони здатні сприймати луна від цих звуків, відбитих від зустрічаються на шляху. Використовуючи бар'єри вертикально натягнутих дротів, Гріффін та Галамбос отримали кількісну оцінку здібностей летючих мишей долати перешкоди при частковому або повному виключенні зору, слуху і при закриванні рота.
Експерименти Гріффіна і Галамбоса знову підтвердили, що летючі миші відмінно орієнтуються і без участі зорової рецепції, але повне (двостороннє) або часткове (однобічне) вимикання слухового апарату тягне за собою різке погіршення їх здібностей своєчасно виявляти та уникати перешкоди. Однак у цих дослідах автори пішли далі своїх попередників. Вони показали, що закривання рота летючої миші, яка позбавляє її можливості видавати ці високочастотні звуки, виявляється настільки ж ефективним, як і щільне затикання її вух.
Спочатку летючих мишей вважали єдиними представниками тваринного світу, що використовують ехолокацію з метою орієнтування у просторі.
Але вже 50-ті роки принесли нові несподівані відкриття. У 1953р. звукова локація була виявлена у нічних птахів гуахаро, що гніздяться в глибоких печерах Венесуели, а трохи пізніше - у стрижів-саланганов, в одного з родів групи криланами і ластоногих (див. додатки, малюнки 5, 6, 7), деяких комах і гризунів. Але найбільшу сенсацію викликали повідомлення про наявність ехолокації у мешканців водного середовища - китоподібних (див. додатки, малюнки 8, 9). Честь цього відкриття визнається за піонером у вивченні поведінки та біології дельфінів у неволі, куратором океанаріуму в Сан-Августин А. Мак-Брайден.
Використання локації в техніці Курсова робота
Звуковий локатор.
Перевірила: Стародубцева Е. А.
Виконав: учень 11 «б» класу
Ковальов Дмитро Васильович
Кемерово.
2008
Зміст
Введення
Хто вони, летючі миші
Історія відкриття ехолокації
Використання локації в техніці
Ехолокатор
Людині є чому повчитися у кажана
Принцип дії моделі звукового локатора
Підсилювач сигналу
Підсилювач потужності
Звуковий генератор і детектор
Частотомір
Збірка звукового локатора
Література
Введення
Під словом «локація» розуміється визначення місця розташування предметів, вимірювання їх координат і параметрів руху. У живій природі використовуються різноманітні форми і способи локації. Людина і більшість тварин визначають місце розташування навколишніх предметів завдяки органам почуттів, в основному зору і слуху. Ці системи у функціональному відношенні у деяких тварин доведені до найвищої досконалості. Досить згадати про надзвичайну гостроту зору у денних хижих птахів або точності звуковий пеленгації видобутку совами.
Для виявлення об'єктів навколишнього середовища деякі тварини використовують і інші види інформації. Глибоководні кальмари, наприклад, крім звичайних органів зору, наділені особливими рецепторними приладами, здатними вловлювати інфрачервоні промені, а своєрідні органи - «термолокатори» гримучих змій служать для пошуків видобутку (вони сприймають теплове випромінювання живих істот і реагують на різницю температур в тисячну частку градуса) .
Наведені приклади, незважаючи на їх різноманітність, являють собою різні варіанти так званої пасивної локації, коли досліджувані тварини виявляють будь-які об'єкти тільки шляхом прийому тієї енергії, яку безпосередньо випромінюють або перевипромінюють самі. Порівняно недавно здавалося, що можливості живої природи обмежуються лише засобами пасивної локації, тобто більш-менш чутливими органами дистантного виявлення.
На самому початку XX ст. людство створило принципово новий, активний спосіб локації; при якому невидиму перш мета опромінюють потоком електромагнітної чи ультразвукової енергії і виявляють за допомогою тієї ж енергії, але вже відбитої від мети. Радіо-і гідролокаційні станції (прилади активної локації) прийшли на зміну різного роду «слухачем» (приладів пасивного виявлення) і в даний час набули широкого поширення при вирішенні народно-господарських, військових і космічних проблем.
Області застосування в техніці радіо-і акустичної локації різні, бо різні ступінь ослаблення застосовуваних видів коливань при поширенні в неоднорідних середовищах і швидкість розповсюдження електромагнітних і звукових хвиль. Відомо, що радіохвилі у водному середовищі дуже швидко загасають, тоді як звукові хвилі поширюються на великі відстані, і, навпаки, в повітрі звукові коливання послаблюються у багато разів сильніше, ніж електромагнітні. Для виявлення об'єкта в атмосфері і за її межами застосовують радіолокатори, так як швидкість поширення радіохвиль 300000 км / с, а швидкість поширення звуку в повітрі - лише 340 м / с. Акустична локація повітряних і особливо космічних цілей часто неможлива, бо їх власна швидкість може в багато разів перевершувати швидкість звуку. Акустична локація або гідролокація стала основним засобом виявлення підводних об'єктів (швидкість поширення звуку у воді - 1550 м / с).
Принципи радіолокації, безсумнівно, підказали біологам шлях до вирішення однієї зі старих загадок природи, яка протягом тривалого часу не піддавалася науковому поясненню. Цю загадку поставили перед вченими звичайні летючі миші. Що ж це за тварини і чому, вони розбурхували вчений світ протягом 150 років? Спробуємо в цьому розібратися.
Хто вони, летючі миші
З давніх пір абсолютно необгрунтовано летючі миші (див. додатки, рисунки 2, 3, 4) користуються поганою славою. «Питання про кажанів є питання іншого світла, питання, яке пахне єрессю ... Всі покрито таємницею, обманом і мороком в цих двозначних істот, що представляють собою вищу ступінь протиприродність, гидоту й фантастичності. Летюча миша - це химера, жахливе неможливе істота, символ мрій, кошмарів, примар хворої уяви. Загальна неправильність і жахливість, помічена в організмі летючої миші, потворні аномалії в пристрої почуттів, що допускають гидке тварині чути носом і вухами бачити, все це ніби навмисне пріноровлено до того, щоб летюча миша була символом душевного розладу і божевілля ». Так описував летючих мишей французький натураліст А. Туссенель в 70-х роках минулого століття, висловлюючи тим самим широко поширена думка про цих нічних нешкідливих тварин. І навіть у наш час, коли кажан повністю «реабілітована» та розкрито її таємниця орієнтації в темряві, все-таки для багатьох зустріч з нею залишає неприємне відчуття, і летючі миші продовжують зазнавати безглуздого гонінню і навіть знищення.
Історія відкриття ехолокації
Хоч і великий чоловік, але не нескінченна його життя. Перед ним неосяжна широчінь простору і неозора глиб часу. Про все хочеться дізнатися. Але от біда - занадто швидко біжать роки.
Чи багато людей може пройти, виміряти своїми маленькими кроками? І чи багато він може зробити за ті лічені дні, які живе на землі? Але він не один, і в цьому його сила.
Ладзаро Спалланцані (див. додатки, малюнок 1.) Поспішав. Йому вже було за шістдесят. Роки давали про себе знати. Кілька років видатний італійський натураліст, професор університету в Павії, займався летючими мишами. Ці невеликі тварини полюють майже виключно вночі, часто наздоганяючи видобуток зверху або в лісових заростях. Ясно, що візуальне виявлення комах в таких умовах неможливо. Але тоді як же «бачать» летючі миші, як вони знаходять дорогу в темряві? Ось питання, яке мучило вченого.
Йшов 1793. Тільки що минула «високих» і абстрактних умоглядних міркувань, наука приступала до експериментальної перевірки всього того, що оточувало людину.
Раннім літнім ранком на дзвіницю собору міста Павії піднявся старий чоловік. Це був Спаланцані. Присмерк щойно починав розсіюватися, і летючі миші, повертаючись з нічних польотів, ховалися по різних закутках під склепіннями старої вежі. Вчений ловив летючих мишей і саджав у мішок. Потім, навантажений важкою ношею, він спустився з дзвіниці і пішов додому.
Будинки Спаланцані випустив спійманих звірів у великій залі. Він вирішив впритул зайнятися секретом нічних польотів кажанів. Тільки експеримент міг дати відповідь на це питання. Від стелі до підлоги були натягнуті тонкі нитки, вони обплутали всю кімнату. Випускаючи миша з мішка, експериментатор заклеював їй очі воском. І ось за старим залу заметушилися крилаті тіні.
Але жодна сліпа летюча миша не зачепила за нитку! Жодна! Немов очі їм були і не потрібні, щоб бачити.
Не задовольнившись дослідами, в яких кажани продовжували спокійно пурхати з заклеєними очима, Спаланцані вирішив продовжити початий експеримент, змінивши кілька умови. Він випустив на волю кілька тваринок, позбавлених зору, і через чотири дні знову відправився на дзвіницю собору.
Цього разу вчений знову наловив цілий мішок летючих мишей. Серед них були і сліпі миші. У їхніх шлунках було повно комарів. Спіймати в темряві комаха-завдання більш складна, ніж пролетіти між двома натягнутими нитками. Значить, щоб полювати, цим тваринкам зовсім не потрібні очі. Спаланцані вирішив, що летючі миші наділені якимсь особливим, невідомим нам шостим почуттям, яке й допомагає їм орієнтуватися в польоті.
Ще на цілому ряді дослідів вчений переконався, що миші чудово обходяться без зору, але зате всяке пошкодження слуху для них згубно.
У чому справа? Не можуть же вони бачити вухами?
Так зародився сумнів. Щоб все це пояснити, потрібні були нові експерименти. Для цього були виготовлені крихітні мідні трубочки, порожні всередині, які вставлялися в вуха летючих мишей. Але вони як і раніше спокійно літали, вільно і впевнено лавіруючи між десятками тонких ниток, натягнутих в кімнаті. Зате варто було заткнути трубочки пробками, як миші безсило падали, натикаючись на все підряд.
Але як слух замінював їм зір? На це питання ніхто не міг відповісти. Миші літали беззвучно, а стіни і натягнуті нитки звуків не видавали, тому відмінну орієнтацію мишей зовсім не можна було пояснити загостреним почуттям слуху. Тоді як же бачили летючі миші? Цього Спаланцані так і не дізнався. Його відкриття в ті роки були відкинуті, висміяні, а потім і забуті. Залишилося тільки назва «спалланцаніева проблема».
У середині минулого століття вирішенням цієї проблеми вчені зацікавилися одночасно в різних країнах.
Цікаво, що перший, хто нею зайнявся, був не зоолог, а інженер - американський винахідник Хайрем Максим. У роки громадянської війни його прізвищем називали станковий кулемет, який він винайшов. Встановлений на тачанці «Максимка» був грізною зброєю проти білогвардійців.
Плідний винахідник, який намагався, між іншим, свого часу побудувати літак з паровим двигуном, зацікавився навігаційним методом летючих мишей. Він припустив, що миші видають звуки, нечутні для людського вуха, і орієнтуються по возвратившемуся луні. На підставі власної біологічної гіпотези Максим запропонував новий прилад - ехолокатор, який повинен був запобігати в тумані зіткнення суден з айсбергами.
Вірна в принципі здогадка була все ж не точна. Її автор вважав, що первинним сигналом у мишей є звук від помахів їхніх крил. Тому він рекомендував обладнати суду джерелом звуку дуже низької частоти, порядку 15 Гц. Приймач низькочастотних сигналів передбачалося встановити в носовій частині корабля. Слабке відлуння, за задумом винахідника, повинно було приводити в дію маленький дзвіночок, а сильне - великий гонг, щоб команда могла судити про серйозність небезпеки.
Нова ідея навігації не привела ні до яких практичних результатів. Помилка Максима була в тому, що він неправильно визначив частоту звукового сигналу, на який працював його прилад. Летючі миші дійсно користуються в польоті звуком, але не низьких, а дуже високих частот-ультразвуком.
Інший вчений, голландець Свен Дійграаф, зауважив, що летюча миша перш, ніж пуститися в політ, розкриває рот. Очевидно, припустив вчений, вона видає нечутні для людини звуки і «обмацує» ними околиці. У польоті летючі миші теж раз у раз розкривають рот, навіть коли не полюють за комахами.
Дійграаф міркував так: оскільки стіни і предмети, що зустрічаються летючої миші в польоті, не видають жодних звуків, значить, кричать самі миші. Ехо їх власного голосу, відбите від навколишніх предметів, сповіщає звірків про перешкоду на шляху.
Це спостереження навело вченого на думку зробити наступний досвід. Він надів на голову звірка паперовий ковпак. Спереду, точно забрало лицарського шолома, у ковпаку відкривалася і закривалася маленька дверцята. Із закритою дверцями на ковпаку миша зовсім не могла летіти і раз у раз натикалася на предмети. Варто було лише у паперовому ковпаку підняти забрало, як звір перетворювався, його політ знову ставав точним і впевненим.
Результати своїх спостережень Дійграаф опублікував в 1940 році, а в 1946 році радянський вчений Є. Я. Пумпер зробив дуже цікаве припущення, яке добре пояснює фізичну природу ехолокації. Він вважав, що летючі миші кожен новий звук видають відразу ж після того, як почують відлуння попереднього сигналу. Таким чином, ультразвукові імпульси рефлекторно слідують один за одним, а подразником, що викликає їх, служить відлуння, сприймається вухом.
Значить, чим ближче кажан підлітає до перешкоди, тим швидше повертається ехо і, отже, тим частіше видає звірятко нові крики. Нарешті, при безпосередньому наближенні до перешкоди ультразвукові імпульси починають слідувати один за одним з винятковою швидкістю. Це сигнал небезпеки. Летюча миша інстинктивно змінює курс польоту, ухиляючись від напрямку, звідки відбиті звуки приходять занадто швидко.
Подальші досліди показали, що летюча миша перед стартом видає в секунду лише 5-10 імпульсів. У польоті прискорює їх до 30. При наближенні до перешкоди ультразвукові сигнали надходять ще частіше: 50 - 60 разів на секунду. Деякі миші під час полювання на нічних комах, наздоганяючи видобуток, видають навіть 250 «криків» в секунду.
Але не всі звуки, що використовуються кажанами для навігації, зовсім не чути.
Може бути, кому-небудь з вас траплялося теплим вечором спостерігати за польотом мишей і чути видавані ними звуки. Вони настільки слабкі, що їх легко прийняти за шерех листя. Очевидно, тому-то їх Спаланцані і не помітив.
Тривалість слабо чутної частини імпульсного сигналу дуже мала. Цей звук нагадує цокання наручних годинників. Однак, на відміну від годинника, частота цокання, видаваного кажаном, може помітно змінюватися.
Коли летюча миша летить прямо на віддалене від неї перешкода, то вона видає від п'яти до двадцяти гиканням в секунду. У тих випадках, коли перед нею виникає більш складна навігаційна завдання, наприклад коли їй потрібно уникнути зіткнення з живим предметом або з палицею, піднятою над головою, можна почути, що цокання раптово частішає, поки не перейде в слабке гудіння. Те ж саме відбувається перед посадкою летючої миші. Звуки цокання при цьому настільки слабкі, що почути їх можна тільки в повній тиші і проявивши значне терпіння.
Пояснити таємницю летючих мишей допомогло поява нової електронної апаратури. В одній з лабораторій фізичного факультету Гарвардського університету в США Г. Пірс почав проводити дослідження з вивчення властивостей ультразвуков, тобто звуків, що лежать вище слухового порога людини. Під його керівництвом у 1937 р. був створений прилад - звуковий детектор, що дозволяє вловлювати звуки широкого діапазону частот. Саме цей прилад зареєстрував нечутні звуки летючих мишей, коли в 1938 р. студент-біолог згаданого вище університету Дональд Гріффін приніс у лабораторію Пірса повну клітку летючих мишей. Згадуючи про це, Гріффін писав: «Як тільки я підніс летючих мишей до апарату Пірса, відразу ж виявилося, що вони видають безліч звуків, але майже всі ці звуки потрапляють в діапазон частот, що лежать вище за поріг чутності людини».
Пірс і Гріффін провели частотний аналіз звуків, випромінюваних летючими мишами в польоті, і встановили, що частоти цих звуків лежать в діапазоні 30000 - 70000 Гц при найбільшої інтенсивності в області 45000-50000 Гц. Далі вони виявили, що тварини видають звук не безперервно, а у вигляді дискретних імпульсів, тривалість яких складає 1 / 100 - 1 / 200 с.
Проте встановлення факту випромінювання ультразвуку летючими мишами, незважаючи на всю його важливість, ще не пояснювало здатність тварин безперешкодно літати в повній темряві. Треба було в умовах точного експерименту довести, що летючі миші дійсно використовують ультразвук з метою орієнтування в просторі і що вони здатні сприймати луна від цих звуків, відбитих від зустрічаються на шляху. Використовуючи бар'єри вертикально натягнутих дротів, Гріффін та Галамбос отримали кількісну оцінку здібностей летючих мишей долати перешкоди при частковому або повному виключенні зору, слуху і при закриванні рота.
Експерименти Гріффіна і Галамбоса знову підтвердили, що летючі миші відмінно орієнтуються і без участі зорової рецепції, але повне (двостороннє) або часткове (однобічне) вимикання слухового апарату тягне за собою різке погіршення їх здібностей своєчасно виявляти та уникати перешкоди. Однак у цих дослідах автори пішли далі своїх попередників. Вони показали, що закривання рота летючої миші, яка позбавляє її можливості видавати ці високочастотні звуки, виявляється настільки ж ефективним, як і щільне затикання її вух.
Спочатку летючих мишей вважали єдиними представниками тваринного світу, що використовують ехолокацію з метою орієнтування у просторі.
Але вже 50-ті роки принесли нові несподівані відкриття. У 1953р. звукова локація була виявлена у нічних птахів гуахаро, що гніздяться в глибоких печерах Венесуели, а трохи пізніше - у стрижів-саланганов, в одного з родів групи криланами і ластоногих (див. додатки, малюнки 5, 6, 7), деяких комах і гризунів. Але найбільшу сенсацію викликали повідомлення про наявність ехолокації у мешканців водного середовища - китоподібних (див. додатки, малюнки 8, 9). Честь цього відкриття визнається за піонером у вивченні поведінки та біології дельфінів у неволі, куратором океанаріуму в Сан-Августин А. Мак-Брайден.
У туманні грудневі дні 1943 року з портів Англії вийшов великий караван вантажних кораблів. Кораблі везли військові вантажі в один з північних морських портів нашої Батьківщини. Біля берегів ворожа повітряна розвідка виявила караван. Німці вислали навперейми англійцям «кишеньковий» лінкор «Шарнхорст».
Військові кораблі, які охороняли караван, за допомогою спеціальної радіоапаратури намацали німецький лінкор і зустріли ворога вогнем. У темряві полярної ночі стрілянина коректувалася за спостереженнями на екранах радіолокаційних станцій.
«Шарнхорст» спробував піти від обстрілу. Кілька разів йому це вдавалося. Але радиолуч, здатний пройти крізь темряву і туман, знову і знову намацував німецький лінкор.
Бій у чорноті полярної ночі тривав близько десяти годин. «Шарнхорст» пішов на дно ...
У тому ж 1943 році англійська ескадра за допомогою радіо виявила в просторах Атлантичного океану німецький лінкор «Бісмарк». З низько навислих хмар лив дощ. У цьому морській битві обидві сторони застосували радіолокації апаратуру.
Бій тривав три дні. «Бісмарк» пішов на дно від потрапляння трьох торпед, після того як був попередньо пошкоджений вогнем артилерії. Проте німецький лінкор своїм вогнем пустив на дно найбільший у той час в Англії крейсер «Худ».
За твердженням фахівців, загибель «Худа» послідувала через консервативність командування англійської крейсера.
Дистанцію до «Бісмарка» на «Худі» визначили за показаннями оптичного далекоміра і показаннями радіолокаційної станції. Коли між ними виявилася розбіжність, то командування вважало за краще довіритися оптиці. Залп з «Худа» ліг з недоліт: дистанцію правильно визначила радіолокаційна станція і невірно оптичний далекомір. Внести поправку вже не вдалося. Відповідні снаряди з «Бісмарка» пробили броньовий пояс крейсера і з чистої випадковості потрапили в артилерійський льох. Стався вибух, і «Худ» швидко затонув.
Радіолокація була найбільшою таємницею в роки другої світової війни. Не тільки цивільне населення воюючих країн, але і не посвячені в цю таємницю військові могли тільки дивуватися незвичайного мистецтва операторів радіолокаційних станцій виявляти ворожі кораблі і літаки у темряві і в тумані.
І тільки після війни у пресі стали з'являтися відомості про їх будову та принцип дії. Виявилося, що діють вони точно так само, як і летючі миші. Різниця тільки в тому, що миші відстань до перешкоди визначають за запізнюванню звукового відлуння, а радіолокаційні станції - по луні радіохвиль.
Ви стоїте біля скелі і, голосно крикнувши, чуєте відлуння свого голосу. Знаючи швидкість звуку і вимірявши по годинах час від початку крику до приходу луни, легко визначити відстань до скелі. Подібно до цього радіолокатор випромінює потужний електромагнітний сигнал, а потім приймає його слабке відображення. Правда, швидкість поширення радіохвиль не 340 м / с, як у звуку, а 300 000 000 м / с. Майже в мільйон разів більше! Тому і час проходження сигналу до перешкоди і назад вимірюється не в секундах, як у першому прикладі, а в мікросекундах.
Антена більшості радіолокаційних станцій має форму увігнутого прожекторного дзеркала. Для зменшення ваги її роблять не з суцільних металевих листів, а гратчастої або з сітки. Така антена посилає радіохвилі не на всі боки, як радіомовна станція, а вузьким променем, подібно прожекторного дзеркала.
Напрямок радіопроменя можна змінювати за бажанням: повертаючи антену вгору або вниз, вправо або вліво.
Якщо електромагнітний сигнал не зустріне на своєму шляху перешкоди, то він піде в космічний простір і там зникне. Якщо ж зустрінеться який-небудь предмет - корабель, літак, скеля або айсберг, радиолуч відіб'ється від нього і піде назад. Далі відбитий сигнал вловлюється спеціальним приймачем.
Отже, напрямок на мету за допомогою радіолокатора визначається досить легко. Мета, наприклад корабель чи літак, знаходиться там, звідки повернулося луна.
Покажчиком напрямку служить дзеркало антени. Воно «дивиться» точно на ціль. Якщо мета рухається, то оператор станції, повертаючи антену або змінюючи її нахил, може невідступно стежити за нею, як стежать за літаком прожекторист, коли його вдається "зловити" променем прожектора.
Радіолокатор, як і летюча миша, посилає свої сигнали окремими, уривчастими імпульсами. Імпульсний сигнал повинен бути дуже потужним, щоб взагалі можна було вловити його слабке відлуння.
Тривалість кожного імпульсу становить кілька мільйонних часток секунди. Передавач зобов'язаний переривати роботу, щоб приймач в паузах міг вловлювати відлуння, повернувшись від мети. Тут закладений такий принцип: «рот» мовчить, коли «вуха» слухають. Крім того, коли передавач випромінює радіоімпульс, приймач повинен бути закритий для прийому сигналу. В іншому разі він «оглухне» і перестане працювати.
Вчених давно цікавило таке питання: як летючі миші примудряються розчути порівняно неголосне відлуння в тому оглушливому ультразвуковому сигналі, який самі ж випромінюють? Як їм вдається не оглухнути?
Пошуком відповіді на це питання зайнявся доктор О. Хенсон - анатом Уельського університету. Йому вдалося довести правоту свого припущення, висловленого років сорок тому. Виявилося, що у летючих мишей є м'язи, що закривають вуха в момент випромінювання розвідувальних ультразвукових криків. Точно такий же пристрій мається на радіолокаторі. Коли його передавач випромінює імпульс величезної потужності, приймач надійно замкнений електронним пристроєм.
У перших радіолокаторах «рот» і «вуха» - передає і приймальня антени - поміщалися далеко один від одного. Але так як передавач і приймач все одно не можуть працювати одночасно, то такий поділ виявилося марним. Тепер одна і та ж антена по черзі обслуговує то передавач, то приймач.
Час, який витратить радіосигнал на подорож до цілі і назад, вимірює прилад, який називається індикатором радіолокаційного зображення. Зовні він схожий на звичайний шкільний осцилограф. За його екрану раз у раз зліва направо пробігає зелений «зайчик», залишаючи у вигляді сліду світиться пряму лінію.
У момент посилки станцією радіосигналу світловий промінь отримує бічний поштовх. Від цього поштовху світиться лінія на екрані підскакує, утворюючи зигзаг. Такий же поштовх отримає промінь в момент повернення радіоеха. Світна лінія знову підскочить, утворюючи новий зигзаг. Відстань між двома зигзагами на лінії, прокресленою електронним променем, дає можливість визначити відстань до ворожого корабля або літака. При цьому ніяких складних обчислень робити не доводиться. На екран заздалегідь накладається шкала з кілометровими позначками.
Тепер вантажний чи пасажирський пароплав йде в туманній імлі або вночі так само впевнено, як і в ясний сонячний день. Радіолокатор заздалегідь попереджає капітана про наближення зустрічного судна або айсберга, в тумані перетинає шлях кораблю. Штурман більше не нарікає на хмари, які вкривають нього сонце і зірки, що заважають орієнтуватися. Він так само впевнено почуває себе при відсутності видимості, як і летюча миша вночі.
Для кібернетики і летюча миша, і радіолокаційна станція - це машини. А об'єднує їх той зворотний сигнал, який в тому і в іншому випадку несе інформацію про відстань до перешкоди.
Ехолокатор
Всім зручний ехолокатор «Редут-0001», але от біда - занадто малий радіус дії. Вміти визначати перешкоди на відстані до одного метра часто виявляється недостатнім.
Добре встановити звуковий локатор на катер і відправитися з товаришами в тривалу подорож. Ніякої туман не страшний, і можна впевнено плисти в темряві. Але для цього потрібно, щоб прилад визначав дистанцію до перешкоди на відстані 4-5 м так само впевнено, як і на одному метрі.
На малюнку (див. додатки) в самому верху наведена тимчасова діаграма імпульсних посилок летючої миші. Там же дана формула, що зв'язує частоту посилок з відстанню до перешкоди.
У справедливості формули можна переконатися, порівнюючи експериментальні дані, отримані американським ученим Дональдом Гріффіном, з розрахунковими. Зоолог був далекий від розгляду кажана як машини зі зворотним зв'язком і тому допустив неточність. Відсутність кібернетичного підходу при розгляді механізму роботи живого локатора не дало йому можливості побачити наявну закономірність. А те, що такий зв'язок існує, видно з таблиці. Для відстаней 1,5 і 4 м експериментальні та розрахункові дані майже сходяться (див. додатки, таблиця 1).
Людині є чому повчитися у кажана
Печери служать притулком іноді для кількох тисяч і навіть мільйонів летючих мишей. Відомо, що в Бракенской печері, розташованої на півдні США, мешкає понад 20 мільйонів летючих мишей.Щовечора це величезна кількість звірків залишає свій притулок, щоб знову повернутися до нього рано. При цьому миші, як правило, не стикаються і не заважають один одному. Можна тільки дивуватися досконалості їх приймального апарату, як за такої складної звукової какофонії кожна миша безпомилково виділяє і приймає луна саме їй належить сигналу.
Зараз, коли в ефірі працює стільки радіостанцій, деколи заважають один одному, відмінні «мишачі» принципи селекції власних звуків привертають увагу радіофізиків та інженерів.
Принцип дії моделі звукового локатора
Створюючи модель звукового локатора, ми також скористалися рішеннями, використовуваними кажаном. Блок-схема апаратури, дана на малюнку (див. додатки, малюнок 10), допоможе розібратися в її роботі.
Всього в апаратурі чотири «чорні ящики», плюс гучномовець, мікрофон і частотомір зі стрілочним приладом. Призначення підсилювачів не вимагає пояснень - вони підсилюють сигнал. Звуковий генератор - це прилад, що виробляє сигнал певної частоти. У аналізованій схемою, частота дорівнює 5000 Гц. Детектор виділяє зі звукового імпульсу його огибающую. Частотомір вимірює частоту сигналу. За свідченнями стрілочного приладу можна визначати відстань до перешкоди, оскільки воно однозначно пов'язане з частотою генерації.
Працює схема так. Відразу ж після включення апаратури починає діяти звуковий генератор. Але потужність його вихідного сигналу, на жаль, невелика.
Тому між звуковим генератором і гучномовцем поставлений підсилювач потужності. У результаті гучномовець буде видавати досить гучний звук з частотою 5000 Гц.
Після деякого часу луна від посланого сигналу потрапить на мікрофон. Далі воно посилиться підсилювачем сигналу і надійде на детектор. Як тільки на виході детектора з'явиться сигнал обвідної, він тут же змусить замовкнути звуковий генератор. Так спеціально влаштована схема. Поки на виході детектора є якась напруга, звуковий генератор не працює. Значить, працював генератор рівно стільки, скільки часу потрібно було, щоб сигнал від гучномовця дійшов до мікрофона. Стільки ж часу після цього гучномовець буде мовчати.
Розглянутий цикл, що складається із звукового імпульсу і паузи, буде повторюватися через кожні Т с. У результаті схема буде генерувати звукові посилки з частотою:
де с - швидкість звуку в метрах за секунду, f - частота генерації в герцах.
Ось так працює мій звуковий локатор. Приблизно так само працює і локатор кажана.
Як і більшість кібернетичних конструкцій, що описуються в книзі, модель звукового локатора розбита на самостійні плати. Всього плат три: плата підсилювача сигналу, плата підсилювача потужності і плата звукового генератора спільно з детектором. Починати потрібно з їх виготовлення і налагодження. Тоді збірка всієї апаратури не займе у вас багато часу і локатор неодмінно відразу ж почне працювати. При такій послідовності в роботі ви не тільки глибше зрозумієте функціонування кожного «чорного ящика», але й зможете внести удосконалення в блок-схему. Схема частотомера настільки проста, що монтується вона вся на невеликий панелі, укріпленої ззаду стрілочного приладу.
Підсилювач сигналу
Електрична схема дана на малюнку 11 (див. додатки). Це трьохкаскадні підсилювач з коефіцієнтом підсилення близько 1000. Він однаково добре посилює змінна напруга звукової частоти в межах від 100 Гц до 10 кГц. У радіоелектроніки в такому випадку говорять, що підсилювач має лінійну частотну характеристику в межах від 100 Гц до 10 кГц.
Схема підсилювача цікава для нас ще тим, що вона має чотири негативних зворотних зв'язку. На три каскаду - чотири зворотних зв'язку! Чи не занадто багато?
Оскільки всі зворотні зв'язки негативні, то від підсилювача можна чекати стабільної роботи. Як би не мінялися зовнішні умови, включаючи температуру і напругу живлення або параметри окремих деталей, його основні характеристики будуть залишатися незмінними. Це перш за все відноситься до коефіцієнта підсилення.
Негативний зворотний зв'язок всіляко намагається звести до нуля будь початкове збудження схеми і тим самим стабілізує її роботу. Інша справа позитивний зворотний зв'язок. Досить незначного відхилення від стану рівноваги, як воно буде все зростати і зростати, поки система не прийде в інше, нове для неї стан.
Щоб пояснити стабілізуючу дію негативного зворотного зв'язку і дестабілізуючий дію позитивного зворотного зв'язку, на малюнку 12 (див. додатки) наведені два приклади з механіки. Лівий малюнок еквівалентний стійкій системі, охопленої негативним зворотним зв'язком. Якщо з яких-небудь причин кулька відхилиться від стану рівноваги, то після кількох погойдувань він обов'язково все ж таки знову його займе. Що стосується правого малюнка, то без пояснення зрозуміло, що в цьому випадку положення кульки вкрай нестійке. Він обов'язково скотиться вправо або вліво. Цей випадок еквівалентний поведінки схеми з позитивним зворотним зв'язком.
До прикладів з кульками ми ще не раз повернемося. Більш наочно, мабуть, і не розкажеш, що таке стійка система і як веде себе нестійка система.
Під малюнками з кулькою дано чотири електричні схеми. Три з них - різні підсилювачі з негативним зворотним зв'язком. Четверта схема представляє генератор звукових частот. Ця схема охоплена позитивним зворотним зв'язком.
Розгляд почнемо зі схеми «а». Це звичайний однокаскадний підсилювач зі зворотним зв'язком в ланцюзі емітера. Один такий каскад забезпечує посилення сигналу в 50 - 100 разів.
Для чого знадобилося ускладнювати схему і включати резистор R е, а паралельно йому ще конденсатор З ге?
Найбільше неприємностей під час роботи транзистора доставляє залежність зворотного струму колектора I К.О. від температури. При підвищенні температури зворотний струм транзистора збільшується приблизно в два рази на кожні 10 ° С. Якщо, наприклад, при температурі 20 ° С струм 1 К. 0 становить 5 мкА, то при підвищенні температури до 50 ° С він зросте приблизно до 40 мкА. Саме по собі таке зміна струму колектора (всього на 35 мкА) в більшості випадків було б не страшно. Але є одне «але», яке псує всю справу. При включенні транзистора в схему «а» в колі колектора, крім струму, рівного 10-Д буде протікати так званий наскрізний струм I 'К.О.:
I 'К.О. = I К.О · (b +1),
де b - коефіцієнт підсилення транзистора, а I б - струм бази, визначається резистором R 6.З формули випливає, що збільшення струму I К.О на величину DI К.О = 35 мкА буде відповідати, наприклад при b = 49, збільшення струму колектора на величину:
DI 'К.О. »I К.О · (b +1) = 35 (49 +1) = 1,75 мА.
Зворотний струм колектора зріс на 35 мкА, а загальний струм - на 1,75 мА. З таким струмом вже не можна не рахуватися.
Зростання струму колектора небажано з двох причин. По-перше, воно призведе до збільшення падіння напруги на резисторі R е-Напруга між колектором і емітером транзистора при цьому різко зменшиться і може впасти майже до нуля. По-друге, збільшення струму колектора тягне за собою зміну параметрів транзистора і в першу чергу коефіцієнта посилення b.
Обидві розібрані причини й змусили нас вдатися до ускладнення схеми, щоб підвищити стабільність робочого колекторного струму при зміні температури. Ось як тепер вона працює.
Збільшення наскрізного струму колектора DI 'К.О (див. додатки, рисунок 12 «а») при підвищенні температури призведе до збільшення падіння напруги на резисторі До е.. Внаслідок цього напруга між точками 1 і 2 зменшиться, що призведе до зменшення струму I б в резисторі R б, а також і в базі транзистора. Складова струму колектора I K = I б b при цьому зменшиться. Знаючи, що повний струм колектора I до складається з двох складових
I к = I 'К.О. + I б · b
можна зробити такий висновок: температурні зміни першого доданка (I 'К.О) приведуть до зворотних за знаком змін другому доданку (I б · b). При правильному виборі параметрів схеми обидва доданків в деякій мірі компенсують один одного так, що колекторний струм транзистора при цьому залишається незмінним.Підсилювач - це, мабуть, найпростіший «чорний ящик». До того ж він частіше за інших зустрічається в кібернетичних конструкціях.
Ніде зворотній зв'язок так широко не використовується, як в радіоелектроніці.
Кожен з двох каскадів схеми «б» (див. додатки, рисунок 12) працює точно так само, як схема «а». Їх робота стабілізується негативним зворотним зв'язком за рахунок резисторів R Е1 і R Е2 - Але цього виявилося недостатньо. За рахунок резистора Ro.c обидва каскаду охоплені ще третій зворотним зв'язком. Розберемо, як вона працює.
Припустимо, з яких-небудь причин, включаючи підвищення температури, дещо зріс колекторний струм транзистора T 1. Тут же зменшиться напруга між колектором першого транзистора і загальним проводом, і як наслідок впаде струм бази другого транзистора. При цьому колекторний струм Т 2 також зменшиться, що спричинить зменшення падіння напруги на резисторі R Е2. Оскільки струм бази транзистора T 1 в основному визначається цим напругою, то він також зменшиться.
Кільце зворотного зв'язку замкнулося, в результаті чого колекторний струм першого транзистора відновить своє колишнє значення. У схемі «б» ми маємо справу з негативним зворотним зв'язком. Стійкість роботи схеми забезпечена.
За рахунок негативного зворотного зв'язку, що охоплює обидва каскаду Ro.c, схема «б» стабільно працює при зміні навколишньої температури від -10 ° С до +40 ° С. Загальний коефіцієнт посилення дорівнює 1000. З тієї ж причини вхідний опір підсилювача підвищився з 500-1000 Ом до 1,5-2,0 кОм.
Кільце зворотного зв'язку замкнулося, в результаті чого колекторний струм першого транзистора відновить своє колишнє значення. У схемі «б» ми маємо справу з негативним зворотним зв'язком. Стійкість роботи схеми забезпечена.
За рахунок негативного зворотного зв'язку, що охоплює обидва каскаду Ro.c, схема «б» стабільно працює при зміні навколишньої температури від - 10 ° С до +40 ° С. Загальний коефіцієнт посилення дорівнює 1000. З тієї ж причини вхідний опір підсилювача підвищився з 500-1000 Ом до 1,5-2,0 кОм.
Режим роботи другого транзистора вибирається з умови, щоб напруга між колектором Т 2 і загальним проводом було дорівнює половині напруги живлення. Це досягається підбором величини резистора R Е1 в межах 500-1000 Ом. Величина колекторного напруги першого транзистора не критична і може змінюватися в залежності від b транзистора від 2 до 4 В.
Підсилювач однаково добре підсилює сигнал з частотами від 100 Гц до 10 кГц.
Дуже цікава в роботі схема «в» (див. додатки, малюнок 12). У літературі вона називається емітерний повторювач. На емітерний резисторі R е. повністю повторюється вхідний сигнал з коефіцієнтом передачі, дещо меншим одиниці.
Відразу виникає питання: для чого потрібна така схема, якщо вона не посилює сигналу?
Емітерний повторювач - це каскад, що має великий вхідний опір (кілька сотень килоом) і дуже мала вихідний опір, рівний 5-20 Ом. Це, власне, не підсилювач, а трансформатор опорів. Ставиться він там, де потрібно в схемі мати низькоомний вихід і високоомний вхід.
Вхідний опір емітерного повторювача приблизно дорівнює R вх »R е. · b. Опір R е. рекомендується брати в межах 1-4,7 кОм, ab = 20-50. При цьому R вх буде лежати в межах 20-250 кОм.
Ні в одній іншій схемі немає такої негативної зворотнього зв'язку, як в емітерний повторителе. Тут вона дорівнює 100%. Це означає, що весь сигнал з виходу схеми повністю прикладається до її входу. Схема працює дуже стабільно. Розберіть схему зворотного зв'язку самостійно. Необхідний досвід у вас тепер є.
Розглянувши роботу всіх трьох схем, «а», «б» і «в» (див. додатки, рисунок 12), можна зробити наступний висновок: негативний зворотний зв'язок завжди підвищує стійкість роботи апаратури. Цього ніколи не слід забувати, і треба намагатися якомога частіше нею користуватися.
Розповідаючи про використання зворотного зв'язку в радіоелектронних схемах, слід нагадати про генераторах синусоїдальних коливань. Без них тепер не обходиться ні радіопередавач, ні радіоприймач. Схема, показана на малюнку 3, г, є генератор звукових частот. Її докладний розбір буде дано в описах плати «детектор - звуковий генератор».
Виготовлення плати «підсилювач сигналу» (див. додатки, рисунок 11) починається з заснування. Вирізається воно зі шматка гетинакса або текстоліту товщиною 2,0-2,5 мм. Розміри беруться з малюнка 13 (див. додатки). Монтажними стійками служать шматочки мідного дроту (гвоздики) товщиною 1 мм, вставлені в отвори плати, залиті на малюнку чорною фарбою.
Дані деталей беруться з електричної схеми. Резистор R 5 поки не ставити. Зробити це при налагодженні схеми.
Транзистори T 1-T 3 перед установкою в схему перевіряються на тестері. Коефіцієнт посилення повинен перебувати в межах 50-100. Підійдуть не тільки транзистори, вказані на схемі, а й П13-П16.
Налагодження плати зводиться до підбору резистора R 5. Тимчасово ставиться замість нього змінний резистор 1,5-2,2 кОм. Потрібно підібрати величину так, щоб вольтметр постійного струму, підключений паралельно R 8, показував 4,5 В. Далі змінний резистор замінюється постійним. Його величина повинна бути дорівнює опору змінного резистора, замеренному на омметра.
Для остаточної перевірки роботи схеми на вхід підсилювача (точки 2-3) від будь-якого звукового генератора подається сигнал в 1 мВ з частотою 1000 Гц.
Движок змінного резистора R 3 поставте в крайнє верхнє положення. На виході (точки 6-7) вольтметр змінного струму повинен показати не менше 1 В.
Розділивши показання приладу на 1 мВ, ви отримаєте величину коефіцієнта посилення підсилювача. Як вже говорилося, він не повинен бути менше 1000. У крайньому нижньому положенні движка резистора R 3 вольтметр покаже відсутність сигналу.
Підсилювач потужності
Не завжди від підсилювача потрібно, щоб він підсилював сигнал по напрузі. Іноді якраз все навпаки, на вхід подається сигнал, більший за амплітудою, ніж знімається з виходу.
Значить, такий підсилювач зовсім не посилює? Ні, підсилює. Тільки посилює він сигнал не по напрузі, а по потужності. На вхід його надходить сигнал незначної потужності, ну, скажімо, у кілька мікроват (мкВт), а з виходу знімаються сотні мілліватт (мВт), а то й цілі вати (Вт).
Вихідна потужність нашого підсилювача (див. додатки, малюнок 14) складає 0,2-0,25 Вт Харчується схема від будь-якого джерела постійного струму напругою 9-12 В. Одним з варіантів харчування є дві послідовно з'єднані батареї від кишенькового ліхтаря типу 3336Л.
Підсилювач споживає струм 30-35 мА в режимі максимальної потужності. Вихід підсилювача розрахований на роботу з електродинамічних гучномовцем, що мають опір звукової котушки 6-10 Ом. Нам підійдуть малогабаритні гучномовці типу 0,1 ГД, 0,15 ГД, 0,2 ГД і 0,25 ГД. Вхідний опір підсилювача складає 2 ком. Чутливість, відповідна номінальної потужності, дорівнює 0,2-0,3 В.
Схема (див. додатки, малюнок 14) має один каскад попереднього посилення напруги на транзисторі Т1 і вихідний двотактний каскад, що працює в режимі класу В на транзисторах Т 2 і Т 3.
Обрана схема вихідного каскаду робить підсилювач дуже економічним з харчування. Транзистори Т 2 і Т 3 працюють при струмі спокою колектора в кілька міліампер. Коли на схему не подається жодного сигналу, струм колектора Т 2 і Т 3 дорівнює 1-2 мА.
Мабуть, найбільш відповідальними деталями підсилювача є трансформатори Тр 1 і Тр 2. При їх виготовленні потрібно бути особливо уважними. Краще всього купити їх у магазині. Междукаскадний трансформатор і вихідний трансформатор - від кишенькових приймачів «Гауя», «Селга», «Сокіл», «Альпініст», «Атмосфера» або «Юпітер». Можна використовувати й інші типи трансформаторів від малогабаритних приймачів, аби їх намотувальні дані були близькі до приводиться нижче.
Саморобний междукаскадний трансформатор Тр 1 виконаний на сердечнику з пермалоєвих пластин Ш-6 або Ш-8, товщина набору -6 мм. Первинна обмотка містить 2000 витків дроту ПЕ 0,1. Вторинна обмотка складається з двох секцій по 500 витків дроту ПЕ 0,1 у кожній.
Вихідний трансформатор Тр 2 збирається на такому ж сердечнику, що і междукаскадний. Первинна обмотка містить дві секції по 400 витків дроту ПЕ 0,14. Вторинна обмотка має 100 витків дроту ПЕ 0,35. Коли трансформатори повністю зібрані, перевірте їх обмотки на обрив.
Дані інших деталей підсилювача потужності наведені на рисунку 9. Транзистори Т 1-Т 3 перед тим, як впаивать в схему, обов'язково перевірте на тестері. Нам підійдуть транзистори з коефіцієнтом підсилення від 30 до 60. Зверніть обов'язково увагу на початковий струм колектора I к.н. Відберіть ті транзистори, у яких I к.н. не перевищує 5 мкА.
Вся електрична схема, включаючи два трансформатора, монтується на гетінаксових або текстолітової платі розміром 120X80 мм, товщиною 2,0-2,5 мм.
За рисунку 6, а на платі зробіть розмітку отворів. Ті з них, що залиті фарбою, просвердлите свердлом діаметром 1 мм. Потім у всі міліметрові отвори вставте шматочки мідного дроту (гвоздики) діаметром 1 мм і довжиною 10 мм.
Розташування деталей на платі і сам монтаж зробіть суворо по малюнку 15, б (див. додатки). Особливо уважні будьте при розпаювання вивідних кінців трансформаторів. Наплутаєте в їх підключення, підсилювач працювати не буде. Відшукати таку помилку буває важко навіть досвідченому інженеру, у розпорядженні якого є вся необхідна вимірювальна апаратура.
Налагодження схеми зводиться в першу чергу до перевірки монтажу. Необхідно ретельно перевірити розпайку виводів транзисторів. При цьому бажано переконатися в правильності номінальних значень резисторів. Хто з вас не має ще достатнього досвіду, саме в цьому найчастіше допускає помилки. Якщо помилково упаяні деталь з іншим номіналом, відшукати несправність буває дуже важко.
Необхідно в цій схемі заміряти потужність сигналу, що подається на гучномовець. Вона і є вихідною потужністю нашого підсилювача.
Подайте на вхід плати (див. додатки, точки 2 -3, малюнок 15) від звукового генератора змінну напругу 0,2 В, частотою 1000 Гц. До точкам 6-7 підключіть гучномовець потрібного типу. Переміщуючи движок резистора R 1 нагору, добийтеся максимальній гучності сигналу. Підсилювач працює!
де U - напруга по приладу в вольтах, R - опір звукової котушки гучномовця у омах.
Припустимо, що прилад покаже напругу 1,5 В, а опір звукової котушки дорівнює 10 Ом. Тоді потужність сигналу, що подається на
гучномовець, дорівнює:
У цьому випадку з гучномовця повинен лунати досить гучний чистий звук.
Якщо отримана потужність виявиться менше 0,2 Вт, то слід підібрати величину резистора R 6. Цю операцію зручно проводити за допомогою змінного резистора дещо більшого номіналу, ніж рекомендований. Послідовно з змінним резистором включіть постійний резистор в 2 - 3 кОм. Він обереже транзистори від випадкової перевантаження великим струмом, який може виникнути при висуванні движка в бік мінімального значення.
Одночасно контролюється колекторний струм обох транзисторів. У режимі спокою, тобто при відсутності вхідного сигналу, він не повинен бути більше 1-2 мА. Міліамперметр зі струмом повного відхилення у 5 мА включається між середньою точкою трансформатора Тр 2 і проводу живлення.
Як не проста схема підсилювача потужності, але і в ній не вдається обійтися без зворотного зв'язку. Я вже говорив, в схемах радіоелектроніки вони вас будуть переслідувати всюди, і до цього будьте завжди готові. У розглянутій платі є одна негативна зворотній зв'язок за рахунок емітерного резистора R 4. Робота схожою схеми нами вже розбиралася. Такий зв'язок не тільки стабілізує роботу першого каскаду по температурі, але і збільшує вхідний опір до 4-5 кОм.
Звуковий генератор і детектор
Повна електрична схема дана на малюнку 16 (див. додатки).
З першого погляду будь-яка схема здається складною і заплутаною. Але цього не слід боятися, складна вона тільки спочатку.
З чого починати розбір електричної схеми невідомого електронного пристрою?
Спочатку все пристрій постарайтеся представити у вигляді «чорного ящика" і усвідомите, для чого він потрібен, для вирішення яких завдань призначений. Заодно виправте сигнали, що подаються на «ящик» і які з нього знімаються.
Як би не було складно пристрій, розібратися в ньому допоможе опис блок-схеми машини.
Призначення блок-схеми - розбити машину на блоки (пристрої) і розглянути, як вони взаємодіють один з одним.
А що значить на мові кібернетики «взаємодіють один з одним»? Це означає, якими сигналами обмінюються між собою окремі пристрої, які сигнали подаються на їх входи і які знімаються з виходів.
У нашому випадку «чорний ящик» - це плата звукового генератора та детектора. Розбираючи блок-схему моделі звукового локатора, ви повинні були усвідомити собі її призначення. На вхід плати (див. додатки, малюнок 16, точки 2-3) подається сигнал луни, який перед цим посилюється платою підсилювача сигналів. Вхідний сигнал має вигляд періодичних звукових імпульсів з частотою заповнення близько 5000 Гц.
Далі нам відомо, що в платі є схема генератора звукових коливань, яка генерує лише тоді, коли сигнал на вході відсутній. При поверненні луни генератор тут же припиняє працювати на час, поки сигнал не зникне. Сигнал звукового генератора, що працює весь час ось у такому переривистому режимі, і є вихідним сигналом плати.
Більше про роботу аналізованій плати вам поки нічого не відомо. Але, виявляється, і того, що відомо, цілком достатньо, щоб самостійно скласти електричну схему нутрощів «чорного ящика». Варіантів тут буде, звичайно, багато. Кожен з вас захоче внести будь-які «вдосконалення».
Розбирати роботу незнайомій схеми раджу завжди зліва направо у напрямку проходження сигналу. Ви вже могли помітити, що вхід схеми завжди чертится на малюнку зліва, а вихід - справа.
Як правило, якщо не всі, то більшість каскадів вам завжди буде знайомо. Тоді залишається розібратися у взаємодії їх один з одним. Наприклад, в платі малюнка 16 (див. додатки) перші два каскади вам повинні бути відомі.
Каскад на транзисторі T 1-це електричний фільтр. Працює він так само, як і електронне реле, з тією лише різницею, що реагує тільки на сигнал зі строго визначеною частотою. Коли сигнал на вхід каскаду не подається або подається з частотою, що не дорівнює частоті настроювання фільтра, транзистор замкнений.
Як ви думаєте, чому в платі використовується селективне електронне реле? Тобто таке реле, що реагує на сигнал з певною ча стота, рівної резонансної частоті контуру L 1 C 1.
З виходу першого каскаду (див. додатки, малюнок 16) сигнал через резистор R 4 надходить на емітерний повторювач, зібраний на транзисторі Т 2. Напруга на його виході повністю повторює сигнал на вході.
Навантаженням емітерного повторювача служить каскад на транзисторі Т 3. Це і є генератор звукових частот. Коли транзистор T1 замкнений, всі напруга живлення плати через резистори R 3 і R 4 прикладається до бази транзистора Т 2 і далі на схему генератора. У результаті генератор генерує звукові коливання. Коли транзистор T1 відкритий - генератор не працює, напруга на нього не подається.
Генератор, генерувати ... Як часто ми вимовляємо ці слова. А що таке генератор?
Якщо звернутися до «Словника радіоаматора» С. Е. Хайкіна (1966), то там сказано так: «Генератор - це прилад, що генерує (створює) електричні напруги або струми». Кібернетику важко погодитися з таким визначенням. На будь-яке незнайоме пристрій він дивиться як на «чорний ящик» і намагається перш за все дослідити його вхідний і вихідний сигнали.
Фізика це положення теж підтверджує. З неї ви знаєте, що перпетуум мобіле неможливий!
Щоб генератор генерував, на нього потрібно подавати напругу живлення. Це і буде в конкретному випадку вхідним сигналом разбираемого «чорного ящика». Вихідним сигналом є генерується змінна напруга звукової частоти. Якщо вхідний сигнал відсутній, тобто якщо на схему генератора не подається живлячої напруги, то, природно, вихідний сигнал буде дорівнює нулю.
Нутрощі генератора можуть бути самими різними. Але у всіх випадках у схемі повинен бути підсилювач з коефіцієнтом підсилення більше одиниці, охоплений позитивним зворотним зв'язком.
Розберемо, як діє позитивний зворотний зв'язок в схемі малюнка 16 (див. додатки).
Підсилювач в схемі знайти неважко. Він зібраний на транзисторі Т 3. Його навантаженням є коливальний контур L 2, C 3, С 4. Подібний підсилювач в радіотехніці називається резонансним підсилювачем. Йому не байдуже, який сигнал посилювати. Якщо частота вхідного сигналу близька до резонансної частоти контуру, коефіцієнт посилення різко зростає. Для всіх інших частот він може бути навіть менше одиниці. Ось чому розглянуту схему ще називають селективним підсилювачем.
Ланцюг позитивного зворотного зв'язку - це проведення, що йде від конденсаторів З 3-С 4 до резистору R 7. Оскільки використовується селективний підсилювач, то схема буде генерувати сигнал тільки з частотою, рівною резонансної частоті контуру L 2, C 3, С 4. Це тому, що позитивний зворотний зв'язок працює тільки на цій частоті. Перебудову частоти простіше всього виробляти, змінюючи індуктивність котушки сердечником підстроювання.
У схемі генератора можна використовувати і звичайний підсилювач, де навантаженням є резистор. Але в цьому випадку умови генерації дотримуються одночасно для великої кількості гармонійних сигналів з різними частотами. Вийде звичайний мультивібратор, з роботою якого ви вже знайомі по другому розділі.
На цьому розбір схеми звукового генератора та детектора закінчимо.
Креслення та монтажна схема дані на рисунку 8.
Котушки L 1 і L 2 намотайте, використовуючи феритовий броньовий сердечник типу СБ-14 або ПРО-12. Число витків - 200-250, провід - ПЕ 0,1.
Налагодження плати краще починати з генератора. Подайте на нього від двох послідовно включених батарейок 3336Л необхідну напругу і підбором резистора R 5 добийтеся, щоб схема генерувала. Підключіть до точок 6-7 високоомні головні телефони, і ви почуєте досить гучний писклявий тон. Генератор працює. Виміряйте частоту вихідного сигналу. Якщо вона значно відрізняється від 5000 Гц, то спробуйте сердечником котушки L 2 перебудувати індуктивність. Коли і це не допомагає, змінюйте число витків котушки.
Другим налаштовується селективне реле на транзисторі T 1. Резонансна частота повинна дорівнювати частоті сигналу генератора. В іншому випадку доведеться підлаштовувати контур L 1 C 1.
Для остаточної перевірки плати відновите схему та увімкніть живлення. У телефонах, підключених на вихід (точки 6-7), ви почуєте звук. З'єднайте колектор транзистора Т 1 із загальним проводом харчування, звук повинен прірву. Напруга живлення в цьому випадку на генератор не подається. Ось чому він замовк.
Той же результат ви отримаєте, якщо точку 2 з'єднайте з точкою 1. Транзистор T 1 відкриється, і, як результат, напруга на його колекторі впаде до нуля.
Випробування схеми підтвердять вам не тільки справну роботу всіх трьох каскадів, але і правильне їх спільне функціонування. Ні одну плату, а тим більше таку складну, як ця, не можна ставити в пристрій без попередньої перевірки.
Частотомір
Це прилад, на вхід якого подається електричний сигнал невідомої частоти напругою 1-5 В. Частота визначається безпосередньо по стрілочному приладу, шкала якого розмічена в герцах. І що найцінніше, в описуваному частотоміри ніякої попередньої градуювання не потрібно. Всі досягається розрахунковим шляхом з цілком достатньою для нас точністю.
При використанні частотоміра в моделі звукового локатора шкалу зручніше розмітити прямо в метрах до перешкоди. Як перевести метри в герци і навпаки, я вже писав на початку розділу.
Схема частотомера наведена на малюнку 18 (див. додатки). Принцип виміру заснований на заряді і розряді конденсатора С 2. Простежимо з самого початку, як все виходить. По-перше, це допоможе зрозуміти роботу приладу, а по-друге, нам потрібно вивести формулу, яка б зв'язала показання міліамперметра з вимірюваною частотою сигналу.
Вимірюваний сигнал через конденсатор З 1 і обмежувальний резистор R 2 надходить на базу транзистора T 1. Подивіться уважніше на схему: те, що намальовано ліворуч, - це звичайнісінький каскад посилення напруги. Єдине, що може вас збентежити, так це дещо незвичайна його навантаження, що складається з двох діодів Д 1 і Д 2 і стрілочного приладу.
Робоча точка транзистора вибирається строго на середині лінійної ділянки, що досягається відповідним підбором резистора R 1. У результаті на виході каскаду на резисторі До 3 маємо обмежений з двох сторін змінну напругу невідомої частоти. Але це тільки тоді, коли величина вхідного сигналу перевищує 1 В. Ось чому кожен раз перед визначенням частоти невідомого сигналу потрібно виміряти його напруга.
Коли транзистор T 1 замкнений, всі напруга джерела живлення прикладається до конденсатора С 2, послідовно включеному з діодом Д1 і миллиамперметром. Діод Д 2 в цей момент замкнений, так як включений у зворотному напрямку. Конденсатор З 2 буде заряджатися. Його зарядний струм, проходячи по рамці приладу, викличе відхилення стрілки, пропорційне середнього значення проходить струму.
У той момент, коли транзистор ti відкритий, конденсатор С 2 розряджається через діод Д 2 і прохідне опір колектор-емітер транзистора.
Постійні часу ланцюгів заряду і розряду обрані таким чином, що при кожному циклі заряд - розряд конденсатор встигає зарядиться до напруги джерела живлення і розрядитися до нуля. Тому можна вважати, що повний заряд конденсатора дорівнює:
де Q-заряд конденсатора, а E б-напруга джерела. Про цій формулі ви можете прочитати в підручнику з фізики для 10-го класу.
Весь струм електричного заряду протікає через міліамперметр за час одного періоду вимірюваного сигналу - Т зм. Звідси середнє значення струму, тобто струм, який показує прилад, дорівнює:
де f ізм - частота в герцах. Інші позначення вам вже відомі. Щоб отримати остаточний вираз формули. Q ми замінили на
Тепер вирішимо отримане вираження відносно f зм і отримаємо шукану формулу, що пов'язує частоту сигналу з показаннями міліамперметра:
де С 2 - ємність у мікрофарад, Іпр - свідчення стрілочного приладу в міліамперах, Е б-напруга джерела живлення в вольтах, Е б = 9 В.
Ємність конденсатора і напруга живлення постійні. Отже, струм, що проходить через прилад, залежить тільки від вимірюваної частоти сигналу. При конденсаторі С 2 = 1,1 мкФ розрахункова формула приймає вигляд:
Наприклад, прилад показує струм, рівний 0,5 мА. У цьому випадку вимірюється частота дорівнює 50 Гц.
У схемі частотоміра використовується міліамперметр зі струмом повного відхилення в 1 мА, що буде відповідати частоті 100 Гц.
При З 2 = 0,11 мкФ розрахункова формула приймає вигляд:
що відповідає 1000 Гц при повному відхиленні стрілки приладу.
Виготовлення частотомера починайте з підбору необхідних радіодеталей згідно електричної схемою (див. додатки, малюнок 18).
Як міліамперметра підійде будь-який стрілочний прилад постійного струму з чутливістю 1 мА на всю шкалу.
Необхідну величину ємності С 2 простіше за все отримати з двох паралельно включених конденсаторів.
Транзистор T 1 може бути будь-кого. Типу з МП39-МП42. Аби він був справний і мав коефіцієнт посилення 50-100. Перед тим, як його впаивать в схему, не забудьте перевірити на тестері.
Величина резистора R 1, підбирається в залежності від b транзистора з умови роботи каскаду строго на середині лінійної характеристики.
При перевірці діодів Д 1 і Д 2 на омметра зверніть увагу на величину прямої опору. Відберіть ті, у яких найменше пряме опір. Схема настільки проста, що попередньо збирати її на макетному шасі немає необхідності. Один із варіантів розташування деталей на платі, а також загальний вигляд приладу показані на рисунку 9.
Після того, як прилад змонтований і підібрана величина резистора R 1 ще раз перевірте полярність підключення діодів. Шкалу стрілочного приладу розмітьте в герцах або метрах.
Збірка звукового локатора
Повна схема звукового локатора дана на малюнку 19 (див. додатки). Вона включає три плати: плату підсилювача сигналів, плату підсилювача потужності і плату звукового генератора з детектором. З роботою і виготовленням всіх трьох плат ви познайомилися. Як працює частотомір, теж знаєте. Мікрофон і гучномовець можна використовувати від ехолокатора «Редут-0001». Не забудьте, що гучномовець підключається без вихідного трансформатора, прямо до точок а-а (рис. 5).
З фізики ви знаєте, як підрахувати довжину хвилі звукових коливань, знаючи їх частоту та швидкість звуку. Формула така:
де l - довжина хвилі звуку в повітрі в сантиметрах, с - швидкість звуку в повітрі в сантиметрах за секунду, f - частота звукових коливань у герцах. У нашому локаторі частота звукових коливань обрано рівної 5000 Гц. Звідси довжина хвилі звукових коливань у повітрі дорівнює 6,8 см.
Рупор буде тоді випромінювати і приймати звук вузьким пучком, коли його розміри більше довжини хвилі. Рупор від локатора «Редут-0001» цій умові повністю не задовольняє. Краще зробити інший рупор, більшого розміру, а капсуль залишити від ДЕМШ-1. Одне погано: відразу ж збільшаться габарити апаратури в цілому.
Конструктивно локатор може бути виконаний у двох варіантах (див. додатки, малюнок 20). Один з них розрахований на встановлення апаратури на катер або автомобіль, другий - щоб тримати в руках. Обидва варіанти харчуються від комплекту батарей з двох 3336Л.
Перевірку роботи локатора починайте на предметах, які мають велику поверхню відображення, таких, як паркан або стіна будинку. Переконавшись, що все працює, переходьте до виявлення стовбурів дерев та густих кущів. При деякому досвіді ви і їх будете впевнено «бачити» на відстані до 5 м.
Використовуючи звуковий локатор для вимірювання швидкості звуку, частоту імпульсних посилок доведеться визначати з більшою точністю. Описаний частотомір для цих цілей вже не підійде. Він занадто грубий. Тут підійде метод вимірювання частоти за допомогою осцилографа і звукового генератора по фігурі Ліссажу.
Встановіть жорстко локатор на відстані п'яти метрів від глухої стіни будівлі і виміряйте частоту звукових імпульсів у герцах. Швидкість звуку при цьому визначається за формулою:
с - 4l • f (м / с),
де l - відстань від рупора до стіни в метрах.
Чим точніше виміряти відстань до перешкоди і частоту імпульсів, гсм точніше отримаєте результат. Експеримент можна ускладнити і спробувати визначити залежність швидкості звуку від температури і вологості повітря.
Хоча звуковий локатор я і назвали моделлю, але працює він відмінно, як справжній!
Література
1. Е. Ш. Айрапетьянц, А. І. Константинов, «Ехолокація в природі», Ленінград, видавництво «Наука» ленінградське відділення, 1974р.
2. В. Г. Борисов, "Юний радіоаматор", Москва, видавництво «Радіо і зв'язок», 1972р.
3. А. І. Константинов, «Ехолокація тварин», Москва, видавництво «Знання», 1982р.
4. Ю. М. Отряшенков, "Юний кібернетик", Москва, видавництво «Радіо і зв'язок», 1978р.
5. Р. сворення «Електроніка крок за кроком», Москва, видавництво «Дитяча література», 1986р.
6. С. Е. Хайкін, "Словник радіоаматора", видавництво «Радіо і зв'язок», 1966р.
7. «Велика енциклопедія тваринного світу», / Є. Л. Богатирьова, Т. В. Вороніна, М. В. Комогорцева та ін, Москва, видавництво «Росмен», 2001р.