нии большой интерес, несомненно, представляет опубликованная в 1963 г. работа Л. Катрона, в которой даются вполне определенные и убедительные количественные характеристики (принятые в радиолокационной технике) для ультразвукового локационного аппарата летучей мыши. Несмотря на многие упрощения, допущенные автором этой работы при расчетах, последние показывают, что по таким важным параметрам локационной системы, как чувствительность при определении дальности и угловых координат цели, устойчивость к взаимным помехам (т. е. способность не реагировать на сигналы, испускаемые другими локационными системами, работающими в это же самое время поблизости), отношение сигнала к шуму, локационный аппарат летучей мыши более чем в 100 раз превосходит самые совершенные современные радиолокационные системы. Конкретные значения основных параметров эхолокатора летучей мыши, полученные Л. Катроном расчетным путем, приведены в табл. 1.
Таблица 1
К приведенным показателям остается еще добавить следующее. Звуколокационный аппарат летучей мыши ультраминиатюрен, он весит доли грамма и имеет габариты, равные долям кубического сантиметра, а энергии расходует так мало, что ни одна из созданных человеком технических систем не может с ним сравниться. Наши же современные радиолокационные устройства весят десятки, сотни и даже тысячи килограммов, а их объем достигает сотен кубических дециметров. Локационный аппарат летучих мышей — это самовосстанавливающаяся система, которая всегда находится в рабочем, "боеспособном" состоянии; технические же локационные системы должны ремонтироваться человеком, их эксплуатационная надежность значительно ниже, чем у эхолокатора летучей мыши.
Известно, что при расчете и конструировании сложных радиотехнических устройств чрезвычайно важно правильно выбрать характеризующие работу системы показатели качества, надежности и эффективности. Это требует, разумеется, специальных исследований, и в современной технике с разработкой таких оптимальных показателей пока дело обстоит, скажем прямо, далеко не идеально. Что же касается выбора параметров для правильной оценки эффективности сложных живых систем, то нет нужды доказывать, что такая задача еще сложней, а ведь ее решение весьма важно для успешного моделирования и разработки практического варианта технического устройства.
В свете сказанного заслуживает внимания попытка Д. Гриффина найти интегральный показатель[6] эффективности локационной системы Q путем перечисления требований, предъявляемых к ней.
"От наиболее эффективной системы эхолокации, — пишет ученый, — требуется, чтобы она при наименьшем весе W и минимальной используемой мощности Р обнаруживала объекты наименьшей величины (диаметра d) на максимальных расстояниях R".
Соответствующий показатель эффективности Q должен иметь максимальное значение, а в случае "ухудшения" перечисленных факторов, характеризующих систему, — пропорционально убывать.
При таком подходе из чисто качественных соображений сразу же напрашивается формула для вычисления этого показателя:
Однако небольшое размышление показывает, что выбранное выражение необоснованно предопределило связь величин R, Р, W, d; например, из этой формулы следует, что при фиксированном показателе эффективности Q дальность прямо пропорциональна мощности.
Но у всех локаторов плотность излучаемой энергии, как известно, убывает при распространении обратно пропорционально квадрату расстояния. Что же касается летучих мышей, то исследования показали: в ряде случаев можно считать, что энергия эха обратно пропорциональна четвертой степени расстояния. Последнее соображение уже, видимо, можно учесть и в выражении для Q, характеризующем локационные способности как летучих мышей, так и локаторов (от усиления зависимости по R оценка эффективности последних только повысится).
Аналогично (т. е. путем приведения к мощности Р) можно проанализировать и влияние на показатель Q диаметра объекта обнаружения d. В самом деле, если размеры объекта достаточно велики по сравнению с длиною волны отраженного от него звука, то мощность эха приблизительно пропорциональна поверхности цели, т. е. d2. Так обстоит дело с большинством радарных целей и, в частности, при локации самолетов с использованием сантиметровых волн. В случае же локации, осуществляемой летучими мышами, которые, как правило, обнаруживают объекты с размерами, меньшими длины излучаемых волн, мощность эха должна уже быть пропорциональной d4.
Таким образом, учитывая сказанное, можно окончательно принять два вида выражений для показателя эффективности локации Q, а именно:
первое приблизительно соответствует условиям работы радаров, второе — условиям, характерным для летучих мышей.
В заключение, воспользовавшись полученными выражениями для Q, сравним эффективности одного из наиболее совершенных локаторов самолетного типа и эхолокационного аппарата летучих мышей (табл. 2).
Таблица 2
Простейший анализ данных, приведенных в таблице, уже говорит о том, что летучие мыши обладают локационной системой в десятки миллионов раз более эффективной, чем локатор. И это справедливо даже в том случае, если не учитывается, что при расчете вес локационной системы летучей мыши был принят равным 10% ее веса, тогда как вес радиолокатора составляет совершенно ничтожную долю веса самолета, на котором он установлен. А "... если подходить к данному вопросу с самой общей точки зрения, то превосходство летучих мышей и других животных становится очевидным, хотя такое сравнение и трудно выразить в количественной форме. В самом деле, летучие мыши сами поддерживают в рабочем состоянии и ремонтируют свои живые механизмы, а радиолокаторы и самолеты должен ремонтировать человек. Летучие мыши питают свои механизмы энергией за счет добычи, которую они сами ловят и переваривают. А от самолетов мы не ждем, чтобы они сами заправлялись топливом за счет ловли птиц; топливо же, накачиваемое в их баки, уже не требует никакой предварительной химической переработки. И, конечно, изготовленные человеком механизмы не размножаются".
Поистине результаты сравнения биологической и технической локационных систем не могут не вызвать у каждого инженера, работающего в области локационной техники, заслуженного уважения к "механизму из плоти и крови, который выработался под давлением естественного отбора в процессе эволюции", и горячего желания воспроизвести его в металле для пользы человечества.
И вот первый шаг, сделанный в этом направлении. Известный французский спелеолог и исследователь рукокрылых Норберт Кастере в 1956 г. писал, что "...благодаря глубокому изучению летучих мышей удается сконструировать портативный точный прибор, построенный по принципу радара, но с применением ультразвуков, который будет компенсировать слепоту и позволит невидящим легко и без всякого риска избегать самые разнообразные препятствия". Прошло десять лет, и профессор Кентерберийского университета Новой Зеландии Л. Кэй разработал конструкцию радара-поводыря, который откроет слепым окно в окружающий их мир.
Этот прибор, названный "зонаром" (от слова зондировать), посылает в окружающую среду ультразвуковые импульсы, подобные тем, которые испускает летучая мышь. Возвращающееся эхо накладывается на посылаемые импульсы и создает "биения" звука, воспринимаемые человеком через наушники. Высота звука указывает на расстояние до предметов.
Трудно быстро передвигаться в темной комнате, освещаемой лишь узким пучком света карманного фонарика. Так же трудно ориентироваться и с "ультразвуковым фонарем". Тот, кто будет пользоваться этим прибором, должен научиться различать качество эха от различных предметов (от изгороди, стены и т. п.), а также "аккорды", звучащие, когда пучок одновременно отражается от двух различных предметов.
Этот прибор довольно сложен, и для его эффективного использования необходима длительная практика. Поэтому вызывает большой интерес следующая ступень развития приборов "звукового видения" — ультразвуковые очки, призванные, по замыслу их создателя профессора Кэя, заменить узкий пучок звука широким "освещением" окружающих предметов. На предметы посылается широкий поток ультразвука от передатчика, вмонтированного в переднюю часть очков. Приемники-микрофоны, находящиеся по обеим сторонам головы, улавливают эхо. По разнице в степени громкости, высоте звука и времени поступления сигналов, воспринимаемых каждым ухом, можно установить местонахождение источника эха в пространстве.
У человека, потерявшего зрение, всегда сильнее обычного развиваются другие органы чувств. Обостряется, в частности, слух. Учитывая это, автор нового прибора полагает, что с помощью последнего у слепого человека быстро разовьется представление об окружающих его предметах как источниках характерного звука и он сможет "видеть" звуковую картину окружающей обстановки.
Облегчение людям, полностью утратившим зрение, принесет недавно разработанный в нашей стране портативный ультразвуковой эхолокатор "Ориентир". В основе прибора лежит принцип ориентации, заимствованный у летучей мыши. Прибор "выбрасывает" тонкий ультразвуковой луч, который отражается от встречающихся на пути предметов, и человек узнает о препятствиях по частоте и тональности звука, поступающего через микроминиатюрный приемник.
Ультразвуковая локация для человека — дело сравнительно новое. А если говорить о живых ультразвуковых локаторах, созданных природой, то их изучением мы, в сущности, по-настоящему, глубоко, во всеоружии современной науки и экспериментальной техники начали заниматься совсем недавно. Однако первые успехи, достигнутые в моделировании радара летучих мышей, уже сегодня открывают интересные перспективы использования таких локаторов в качестве чувствительных элементов различных технических систем во многих областях производства, в частности в автоматах по сортировке и отбраковке миниатюрных деталей на конвейере, для регистрации и счета элементов, особенно в тех случаях, когда работу требуется производить в абсолютной темноте, и т. п. Американские же специалисты по авиации полагают, что тщательное изучение принципов устройства и функций локатора летучей мыши-рыболова позволит создать эффективную систему розыска и уничтожения подводных лодок.