Прибор эхолокации
Если цену и технические навороты эхолота оставить в стороне, то механизм работы данного устройства выглядит так. Сначала формируется электрический импульс в блоке управления, далее импульс передается на датчик. Затем происходит преобразование электрического импульса в ультразвуковую волну, угол направления которой перпендикулярен поверхности воды. Волна проходит сквозь воду, достигает дна, отражается от него и возвращается назад. В конечном итоге ультразвуковая волна преобразуется назад в электрический импульс и обрабатывается блоком управления. Если на пути волны до дна встретились какие либо препятствия (рыбы, водоросли и т.п.) то информация о них также будет включена в итоговый сигнал, который получит датчик. После обработки сигнала блоком информация выводиться на экран справа в виде столбца. Последовательность таких сигналов и формирует изображение, которое перемещается по экрану справа налево.
Важным моментом в работе любого эхолота является скорость перемещения лодки, при которой он будет корректно отображать ситуацию под водой. Излучатель эхолота не отправит следующий импульс, пока не будет получен предыдущий.
Если учесть то, что в наших краях в основном небольшие глубины, где используются бытовые эхолоты, важным фактором становится скорость обработки сигналов процессором эхолота. Модели современных эхолотов работают на скоростях от 10 до 80 км/ч. Если хотите окунуться в расчеты то вот вам данные. Звуковая волна в воде распространяется со скоростью 1500 м/с. Скорость перемещения в лодке и глубину подставляете и получаете нужную цифру. Кроме быстродействия эхолота обязательно нужно смотреть на его дисплей, точнее на разрешение. Высокое разрешение по вертикали позволяет отображать мелкие объекты и поэтому 160 пикселей (или точек) уже вполне хорошее, а если 300 или 320 то такого точно будет достаточно. Разрешение по горизонтали это по сути история сканирования. Если вы используете эхолот на малых скоростях, то вам будет вполне достаточно и 160 пикселей, для больших скоростей лучше купить эхолот с разрешением по горизонтали 320.
Датчики и углы обзора эхолота
Эхолоты могут быть 1, 2, 3, 4 и 6 лучевые.
кже бывают и 3D эхолоты (к примеру эхолоты Humminbird). Количество лучей зависит от типа датчика. Основа любого датчика эхолота это искусственный кристалл циркона свинца или титаната бария. Размер и геометрическая форма кристалла и определяют на каких частотах и со сколькими лучами будет работать датчик. Кроме количества лучей обязательно обратите внимание на пиковую и среднюю (RMS) мощность, частоту работы датчика и угол обзора. От части по пиковой мощности можно узнать максимальную глубину эхолокации. Польза от знания средней мощности так же есть. Чем меньше отношение пиковой и средней мощности тем на более больших скоростях сможет работать эхолот.
Современные эхолоты чаще всего используют частоты 50 и 200 кГц. Частота 50 кГц перекочевала в обычные эхолоты от морских судов. У этой частоты большой угол охвата и большая глубина сканирования, но низкое разрешение и плохое определение малых объектов, а также большая чувствительность к помехам. Датчики с 200 кГц предназначены для малых глубин и больших скоростей, они хорошо определяют мелкие объекты и не так чувствительны к помехам, но у них маленькая глубина сканирования и узкий угол охвата (обзора).
В теории звуковая волна, запущенная датчиком, распространяется в воде во все стороны, но ее распространение не является равномерным, т.к. датчик у нас узконаправленный.
щность сигнала по центральной оси максимальна, чем дальше от этой оси, тем меньше его мощность и совсем на краях сигнал уже невозможно отличить от помех. Угол охвата принято измерять по уровню -10 дБ, т.е. на периферии мощность сигнала в 10 раз меньше чем на центральной оси. Но не стоит думать, что чем больше угол охвата, тем лучше в любом случае. К примеру глубину эхолот определяет по самой высокой точке дна, которая попала в конус луча. И если у 200 кГц датчика с углом 20 градусов на глубине в 10 метров пятно луча будет диаметром 3,5 метра, а у 60-ти градусного 83 кГц пятно будет уже 11,5 метров. Так вот первый может пропустить яму шириной не более 3,5 метров, а второй уже 11,5 метра. Разница ощутима, не правда ли? Небольшой угол охвата у датчика даст более точную картину дна.
Сегодня эхолоты все чаще используются не для сканирования дна, а для поиска рыбы, они так и называются — рыбопоисковые эхолоты (рекомендуем посмотреть эхолоты Lowrance). И для этих целей чаще всего используют двухлучевые датчики. К примеру датчик с частотой 200 кГц и углом 20 гр. сканирует дно, а 83 кГц и 60 гр. занимается поиском рыбы. Центральная ось у обоих лучей одна. На экране рыбы опознанные разными датчика обозначаются по разному. Опознанные узким лучом символы закрашиваются темным, а широким символы прозрачные. Но двухлучевой эхолот не может точно определить положение рыбы, слева она или справа от лодки. С этим справится уже трехлучевой эхолот. Кроме глубины, на котором определилась рыба будет обозначение L или R.
Для более точного определения местоположения рыбы используются четырехлучевые эхолоты. Они отлично подойдут для троллинга (ловли на дорожку). Но в таком эхолоте лучи находятся не на одной оси. Два луча работают как и у двух лучевых эхолотов, а вот два других сканируют под небольшим углом к центральной оси. Частота боковых датчиков обычно 455 гКц, угол 45 градусов. Экран таких эхолотов разделен на три части. В верхней показывается стандартная информация от двухлучевого датчика, а внизу слева и справа данные от высокочастотных боковых датчиков.
Самую полную информацию даст шестилучевой эхолот или 3D эхолот. У него датчик с шестью независимыми излучателями, угол охвата у каждого 16 градусов. Соседние лучи перекрывают друг друга и итоговый угол равен 53 градусов. Такой эхолот максимально точно показывает рельеф дна и расположение рыбы. На экране отрисовывается трехмерная картинка.
Что отображает эхолот на экране
Эхолот это ни в коем случае не телевизор, хотя что то похожее в них есть. Эхолот работает только в движении (смотрим теорию чуть выше). Если лодка стоит на месте и соответственно датчик неподвижен, то на экране вы увидите прямую линию, т.к. сигнал все время будет один и тот же.
Здесь вы видите экран эхолота Humminbird Matrix12. Практически все эхолоты умеют измерять глубину и эти данные они выводят на экран (45 ft-футов). Также у большинства есть встроенный термосенсор в датчик. Температура измеряется в поверхностном слое (56 F по фаренгейту). Если если еще и GPS датчик, то еще вы увидите и скорость своего перемещения (3,1 mph — мили в час). Напряжение питания выводиться внизу по центру (14.0 V). В правом нижнем углу диапазон глубины (60), он выбирается автоматически или вручную. Числа над символами рыб — это на какой глубине они были обнаружены.
Рельеф дна отрисует достаточно точно любой современный эхолот, а вот структуру дна нет.
этом случае все зависит от экрана и мощности эхолота. Для наших глубин большинству эхолотов вполне хватает мощности, а вот с качеством экрана могут быть проблемы. Для более менее нормального отображения структуры дна будет достаточным разрешение в 240 пикселей по вертикали и 4-х оттенках серого. Самым лучшим будет эхолот с цветным экраном. Цветные эхолоты разные структуры дна окрашивают в разные цвета. Но и у ч/б эхолотов есть методы отображения структуры дна.
- White Line — Белой линией на поверхности выделяются самые сильные сигналы, отделяя тем самым придонные структуры от твердого дна.
- Structure ID — Темным отрисовываются сильные отраженные сигналы, слабые светлым оттенком.
- Inverse — Сильные сигналы наоборот показаны светлым. Помогает определить именно слабые сигналы.
- Black — Отображает твердое дно без придонные структур. Используется для точного определения рельефа дна.
Для точного определения придонных структур, в которых может прятаться рыба (а это каряги, растительность, топляки) необходим уже экран с 300 пикселями по вертикали и 10 оттенками серого. Хорошо если эхолот может определять термоклин (граница водных слове с разной температурой). Термоклин может помочь в поиске рыбы.
Рыба на экране эхолота может отображаться или дугами или символами. Системы идентификации рыб совершенствуются с каждым годом и в основе их лежит главный принцип: у каждой рыбы есть воздушный пузырь, он дает очень сильный отраженный сигнал и по уровню этого сигнала можно достаточно точно определить размер рыбы. Но это только принцип, по факту каждый производитель использует массу параметров для определения типа и размера рыбы. Рыба отображается тремя символами обычно: большая, средняя, мелкая.
Дополнительные функции эхолотов
Эхолот в современном представлении это уже не просто прибор для определения глубины. Сейчас он с легкостью определяет структуру дна, придонную структуру, размеры и типы рыб, температуру воды.
Кроме всего этого эхолоты могут оснащаться дополнительным датчиком бокового обзора. Он показывает данные в стороне от текущего курса судна. Дополнительный беспроводной датчик Смарт Каст показывает рельеф дна и рыбу на расстоянии до 30 метров от стоящей лодки. Он также может использоваться при ловле с берега, т.к. не требует постоянного движения. Дополнительный датчик скорости показывает вашу текущую скорость и измеряет пройденное расстояние. Барометрический датчик — показывает данные о давлении воздух, по которым косвенно можно судить о погоде и прогнозировать ее изменения. GPS навигатор и картплоттер показывают ваше текущее местоположение на подробных картах местности, позволяют сохранять координаты с данными о глубине, траектории вашего движения.
spyship.ru
Что такое эхолокация
Эхолокация, также называемая биосонаром, представляет собой биологический гидролокатор, используемый несколькими видами животных. Эхолоцирующие животные излучают сигналы в окружающую среду и слушают отголоски тех вызовов, которые возвращаются из разных объектов рядом с ними. Они используют эти эхо-сигналы для поиска и идентификации объектов. Эхолокация применяется для навигации и для фуража (или охоты) в различных условиях.
Принцип работы
Эхолокация – это то же самое, что и активный сонар, который использует звуки, воспроизводимые самим животным. Ранжирование осуществляется путем измерения временной задержки между собственным звуковым излучением животного и любыми эхо-сигналами, возвращающимися из окружающей среды.
В отличие от некоторых гидролокаторов, созданных человеком, которые полагаются на чрезвычайно узкие лучи и множество приемников для локализации мишени, метод эхолокации животных основан на одном передатчике и двух приемниках (уши). Эхо-сигналы, возвращающиеся к двум ушам, поступают в разное время и на разных уровнях громкости, в зависимости от положения объекта, генерирующего их. Различия во времени и громкости используются животными для восприятия расстояния и направления. С эхолокацией летучая мышь или другое животное может видеть не только расстояние до предмета, но и его размер, то, какое это животное, и другие особенности.
Летучие мыши
Летучие мыши используют эхолокацию для навигации и фуража, часто в полной темноте. Они обычно выходят из своих ночлегов в пещерах, чердаках или деревьях в сумерках и охотятся за насекомыми. Благодаря эхолокации летучие мыши заняли очень выгодную позицию: они охотятся ночью, когда много насекомых, меньше конкуренции за еду и меньше видов, которые могут охотиться на самих летучих мышей.
Летучие мыши генерируют ультразвук через гортань и излучают звук через открытый рот или, что гораздо реже, нос. Они испускают звук в диапазоне от 14 000 до более 100 000 Гц, в основном за пределами человеческого уха (типичный диапазон слуха человека — от 20 Гц до 20 000 Гц). Летучие мыши могут оценить перемещение целей путем интерпретации картин, вызванных отражением эхо-сигналов от специального лоскута кожи во внешнем ухе.
Отдельные виды летучих мышей используют эхолокацию в определенных диапазонах частот, которые соответствуют их условиям жизни и типам добычи. Это иногда использовалось исследователями для определения вида летучих мышей, населяющих этот район. Они просто записывали их сигналы с помощью ультразвуковых регистраторов, известных как детекторы летучих мышей. В последние годы исследователи из нескольких стран разработали библиотеки сигналов летучих мышей, которые содержат записи местных видов.
Морские животные
Биосонар ценен для подотряда зубатых китов, который включает в себя дельфинов, морских свиней, касаток и кашалотов. Они живут в подводной среде обитания, которая обладает благоприятными акустическими характеристиками, и где видение чрезвычайно ограничено из-за мутности воды.
Наиболее значимых первых результатов в описании эхолокации дельфинов добились Уильям Шевилл и его жена Барбара Лоренс-Шевилл. Они занимались кормлением дельфинов и однажды заметили, что те безошибочно находят кусочки рыбы, которые бесшумно опускались в воду. За этим открытием последовал ряд других экспериментов. На данный момент установлено, что дельфины используют частоты в диапазоне от 150 до 150 000 Гц.
Эхолокация синих китов изучена намного меньше. Пока что только строятся предположения, что «песни» китов – это способ навигации и связи с сородичами. Эти знания используются для подсчета популяции и для слежения за миграциями этих морских животных.
Грызуны
Понятно, что такое эхолокация у морских животных и летучих мышей, и для чего она им нужна. Но зачем это грызунам? Единственными наземными млекопитающими, способными к эхолокации, являются два рода землероек, тейреки с Мадагаскара, крысы и щелезубы. Они испускают серию ультразвуковых скрипов. Они не содержат эхолокационных откликов с реверберациями и, по-видимому, используются для простой пространственной ориентации на близком расстоянии. В отличие от летучих мышей, землеройки используют эхолокацию только для изучения мест обитания добычи, а не для охоты. За исключением больших и, таким образом, сильно отражающих объектов (к примеру, большой камень или ствол дерева), они, вероятно, не способны распутывать эхо-сцены.
Самые талантливые эхолокаторы
Кроме перечисленных животных, есть и другие, способные заниматься эхолокацией. Это некоторые виды птиц и тюленей, но самые изощренные эхолокаторы – это рыбы и миноги. Раньше учёные считали летучих мышей самыми способными, но в последние десятилетия выяснилось, что это не так. Воздушная среда не располагает к эхолокации – в отличие от водной, в которой звук расходится в пять раз быстрее. Эхолокатором рыб является орган боковой линии, который воспринимает вибрации окружающей среды. Используется как для навигации, так и для охоты. У некоторых видов есть ещё и электрорецепторы, которые улавливают электрические колебания. Что такое эхолокация для рыб? Часто это синоним выживания. Она объясняет, как ослепшие рыбы могли доживать до почтенного возраста – им и не нужно было зрение.
Эхолокация у животных помогла объяснить схожие способности у слабовидящих и незрячих людей. Они ориентируются в пространстве с помощью издаваемых ними щелкающих звуков. Ученые говорят, что такие короткие звуки издают волны, которые можно сравнить со светом карманного фонарика. На данный момент слишком мало данных для разработки этого направления, поскольку способные эхолокаторы среди людей – большая редкость.
fb.ru
Подводные лодки используют сонары в течение десятилетий. Летучие мыши и дельфины используют их в течение миллионов лет. А благодаря некоторым математическим ухищрениям, люди скоро получат возможность пользоваться эхолокацией с помощью обычных мобильных телефонов.
Эксперты в области обработки сигналов из «École Polytechnique Fédérale de Lausanne» (EPFL), Швейцария, обнаружили математическую методику, которая позволяет обычным микрофонам «видеть» форму комнаты, улавливая ультразвуковые импульсы, которые отражаются от её стен. Материалы этого исследования были недавно опубликованы в журнале «Proceedings of the National Academy of Sciences».
Однако, микрофонная эхолокация сложнее, чем это может показаться. Фоновый шум, присутствующий в любой комнате, смешивается с нужными звуковыми импульсами, а эхо иногда отражается больше чем один раз. Также достаточно непросто определить, какое эхо отражается от какой стены.
Для того чтобы обеспечить возможность мобильной эхолокации, ведущий автор этого исследования Иван Докманич сделал следующее: он предположил, что каждое эхо — это источник звука, и создал матрицу различных расстояний. Затем с помощью продвинутых математических расчётов он сумел разработать алгоритм, который способен корректно группировать сигналы, чтобы определить форму комнаты.
Сперва команда экспериментировала с обычной комнатой и использовала набор микрофонов и ноутбук, чтобы проверить работоспособность алгоритма. Программа показала себя с лучшей стороны, и следующим шагом стали испытания внутри кафедрального собора.
«Это была совсем другая среда», говорит Докманич, добавляя, что в отличие от контролируемого лабораторного окружения, собор имеет огромное количество фоновых шумов и его пространство не идеально квадратной формы.
Алгоритм успешно справился со своей задачей и здесь, позволяя определить форму стен собора.
По словам профессора коммуникационных систем из EPFL и соавтора исследования Мартина Веттерли, благодаря использованию этой технологии в комбинации с мобильными телефонами, можно будет достаточно точно определять положение людей. Одной из проблем для точного определения положения является то, что лишь определённые частоты способны проникать сквозь стены зданий, поэтому сигналы GPS иногда оказываются бесполезны.
Более того, GPS не всегда точен – если имеется высокий уровень помех, телефон часто может сообщать вам, что не может определить ваше местоположение точнее, чем с погрешностью в полкилометра. Wi-Fi может справиться с этой работой, но он зависит от наличия местной сети.
Исследовательской команде удалось решить эту проблему, поскольку их эхолокационная система измеряет расстояние от той точки, где находится пользователь, до стен конкретной комнаты, и посылает в сеть более точную информацию о его местоположении. Вместо того чтобы знать, где внутри городского квартала находится человек, вы сможете увидеть, что он находится внутри комнаты определённого размера и формы.
Другим способом определить расстояние до стен является использование двух микрофонов мобильного аппарата. Многие телефоны имеют два микрофона – направленный микрофон используется, когда вы прижимаете аппарат к своей голове во время разговора, а другой используется для погашения фоновых шумов.
Два микрофона позволяют определить расстояние методом триангуляции – измерения малого временного разрыва между моментами, когда эхо достигает каждого из микрофонов. Расстояние между ними является основанием треугольника, а промежуток между временем прохождения сигнала говорит вам о длине двух других сторон.
Однако микрофоны телефона обычно находятся близко друг к другу, поэтому вычисление расстояния до источника звука таким способом достаточно сложно.
Одним из решений, по словам Веттерли, может стать использование тенденции людей ходить со своими телефонами. Поскольку вы не можете сделать сами телефоны крупнее, вам проще сделать замеры из нескольких разных точек во время ходьбы, таким образом сделав основание триангуляционного треугольника больше.
gearmix.ru
Что такое эхолокация?
Ознакомившись с простым понятием, будет гораздо проще представлять себе, каким именно образом и по какому принципу работают те или иные технические устройства. Как только мы хотя бы краем глаза взглянем на сам термин, можно будет условно выделить целых два «корня», которые и кроют в себе истинный смысл слова. Это слова «эхо» и «локация».
Глядя на слово «эхо», у нас в принципе не может возникнуть каких-то странных, непривычных ассоциаций или значений, поскольку все мы с самого детства сталкивались с этим явлением и умудрялись даже придумать всевозможные игры с ним. Для человека эхо – это лишь буквально повтор им сказанных слов. Но на самом деле его принцип работы заключается немного в другом, об этом мы успеем поговорить чуть позже. Но все-таки важнейшим элементом эха именно в нашем контексте считается промежуток времени от одного повтора слова до другого. Это важно запомнить и усвоить. Эхолокация людей основана именно на принципе эха, которое ежедневно помогает им жить полноценной жизнью.
Второй «корень» — локация. Как правило, услышав данное понятие, мы представляем себе что-то, как бы это странно ни звучало, локальное и конкретное. В частности какая-то область на карте. В совокупности с первым понятием это дает уже больше информации. Таким образом, делая общий вывод, можно сказать, что при использовании эха живой организм на той или иной местности может определять местонахождение, размер и другие параметры всевозможных объектов на его пути. На таком же принципе построены многие механизмы, работающие при помощи такого природного явления, поэтому можно сказать, что эхолокация в природе и технике тесно переплетаются между собой.
Смотрите видео о том, что такое эхо и эхолокация.
Принцип работы
На самом деле здесь все очень просто и разобраться со сложными на первый взгляд нюансами действительно не составит даже незнающему человеку никакого труда.
Отталкиваться следует от эха – то, без чего явление эхолокации у животных и людей было бы невозможным. Из школьного курса физики каждый из нас знает, что любой звук – это волны, которые с невероятной скоростью разносятся в пространстве. Это касается и эха. Когда мы что-то говорим, звуковые волны начинают распространяться, при этом активно отталкиваясь от всех объектов и препятствий, стоящих на их пути. Они могут возвращаться обратно довольно сильными, тогда мы слышим эхо, а могут так «набегаться в лабиринте», что мы вовсе не сможем ничего уловить.
Например, в пустом помещении очень хорошее эхо лишь потому, что отталкиваться там особо не от чего, поэтому волны просто возвращаются назад. А в плотно обставленной комнате все наоборот – объектов настолько много, что волну буквально бросает от одного угла помещения к другому. Можно сравнить эхолокацию с частотой.
Для эхолокации важен период, когда волна отправилась в свободное путешествие, но еще не вернулась. Чем дольше возвращение сигнала, тем дальше расстояние до предмета. Данное правило применяется в эхолокации очень часто.
Эхолокация у животных
На примере живой природы очень легко рассмотреть и понять особенности явления, чтобы позже перейти к более сложным и непонятным простому обывателю «железякам». Ярчайший в живой природе пример эхолокации – летучая мышь. Она издает ультразвук, который и дает ей эхо, помогающее ориентироваться в пространстве и охотиться.
Другие примеры животных-эхолокаторов:
- дельфины;
- землеройки;
- акулы;
- киты.
На примере их жизнедеятельности можно догадаться или предположить, где применяется эхолокация.
Читайте о том, можно ли найти телефон по GPS.
А также о том, как отследить местоположение телефона.
Эхолокация и её применение
Самый интересный для мужской половины населения вопрос касается применения эхолокации в технике. В особенности это довольно-таки актуальный вопрос для любителей охоты и рыбалки. Недаром практически каждый рыбак-любитель буквально мечтает о таком нужном и полезном приборе, как эхолот. С его помощью всегда можно следить за тем, что творится на дне и делать процесс ловли рыбы в разы эффективнее и, безусловно, приятнее. Кто не хочет вернуться к семье с хорошим уловом?
Применяется эхолокация в военном деле, в промышленности, в технике. Приборов, позволяющих производить какие-либо манипуляции с использованием данного физического явления, очень много, и каждый из них помогает людям особых профессий трудиться производительнее и эффективнее.
Где используется эхолокация?
Самые основные отрасли и отделы ее применения уже были рассмотрены в предыдущем пункте, поэтому сейчас лучше поговорить чуть более конкретно и разобрать специальные устройства, используемые во всевозможных областях человеческой деятельности.
- Эхолот – самый популярный прибор из всех представленных, часто приобретается рыболовами для изучения дон водоемов, а в частности рельефов, что помогает избежать неприятных ситуаций в процессе рыбной ловли.
- Гидролокатор – устройство, которое применяют для непосредственного обнаружения предметов под толщей воды.
- Ультрасонограф – при его помощи врачи имеют возможность рассмотреть внутренние органы пациента и их состояние.
- Толщинометр – применяется в промышленности для определения толщины покрытий.
- Дефектоскоп – аналогично с толщинометром используется в промышленности для того, чтобы выявить дефекты производства.
Как вы считаете, технология эхолокации изучена уже полностью и все из нее уже выжато? Может быть это еще перспективная сфера? Оставьте свое мнение в комментариях! А также смотрите видео о том, как работает эхолокатор.
www.rutvet.ru