Порівняння ефективності ехолокації кажанів та радару

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

Здесь, как и выше при описании сонара, будем исходить из моделей радиолокаторов, которые хорошо зарекомендо­вали себя во вторую мировую войну и ныне заменены более совершенными моделями. Для большей осмысленности сравнения я выбрал типичный самолетный радиолокатор, который явился в свое время триумфом инженерного ис­кусства и был, при сравнительно малом весе и малой потреб­ляемой мощности, эффективнее предыдущих более громозд­ких моделей. Он работал на частоте 9375 мегагерц (длина волны y= 3*10¹⁰/9,375*10⁹=3,2 см.  Несмотря   на   то,   что эта частота неизмеримо выше частот, используемых летучи­ми мышами, дельфинами и морскими сонарами, длины при­меняемых в этих случаях звуковых и электромагнитных волн близки друг другу, так как скорость света и всех дру­гих электромагнитных волн соответственно больше скорос­ти звука. В момент испускания сигнала мощность описанно­го выше сонара составляла 600 ватт, соответственная же мощность радиолокатора составляла 10 000 ватт.

Важно подчеркнуть, что ни животные, ни локаторы не испускают энергию непрерывно. Отношение интервала работы к интервалу покоя невелико и у тех, и у других. При нормальной работе радиолокатор посылает импульсы длительностью 0,8 микросекунды (8*10^7-7 секунды) с частотой  повторения   810  импульсов   в   секунду.   Иначе говоря, через интервалы 1/810 = 1,23*10^-3 секунды излу­чается сигнал длительностью в 8*10^-7 секунды, за кото­рым следует в 1500 раз более длительный интервал покоя. Таким образом, до передачи следующего сиг­нала остается вполне достаточно времени для прихода эхо предыдущего импульса, бегущего со скоростью света. Вся радиолокаторная система, не считая самолетного генератора электропитания, весила 124 фунта (примерно 56 кг). Этот радиолокатор представлял собой блестящее дос­тижение и позволял обнаруживать самолеты с дистанции 50 миль почти при любых условиях. Поэтому любопытно сравнить его с локационной системой летучих мышей, грамм на грамм и ватт на ватт.

Сравнение это не так просто произвести, потому что оба класса этих локационных систем используются в совер­шенно различных условиях. Летучая мышь должна обнару­живать мелких насекомых на расстоянии нескольких футов или ярдов. Летчик же стремится лоцировать объекты на земле и другие самолеты в воздухе на расстоянии в не­сколько миль. Летучая мышь использует звуковые волны, а радар — радиоволны почти той же длины. Летучая мышь очень быстро маневрирует, успевая за одну секунду выпол­нить целый ряд действий: обнаружение насекомого, поворот в его сторону, перехват, поимка и поедание. Оператор само­летного радиолокатора в обычных условиях наблюдает за пятном на экране осциллоскопа, отмечает его перемещение относительно направления своего собственного полета и за­тем избирает соответственный путь действий.  Если речь идет об опасности столкновения двух пассажирских самоле­тов, то принятой мерой может быть изменение направления полета. На военном самолете во время войны результатом наблюдения может быть преследование вражеского самоле­та и его обстрел. В обоих случаях все эти операции произво­дятся человеком, сидящим в затемненной кабине и следящим только за пятнами, которые движутся на экране его радара. Летучая мышь, используя свой мозг, размерами не больше резинки для стирания, насаженной на конце карандаша, проделывает все в темноте в течение одной секунды.

Для количественного сравнения эффективности обеих систем удобно свести в таблицу все известные для них вели­чины. В таблице на стр. 91 приводятся приближенные зна­чения дальности действия, веса и излучаемой мощности радиолокатора. От эффективной системы эхолокации требу­ется, чтобы она при наименьшем весе и минимальной исполь­зуемой мощности обнаруживала объекты наименьшей вели­чины на максимальных расстояниях. Громоздкие установки с быстро поворачивающимися частями могут на первый взгляд показаться внушительными, однако в действительности из­лишняя сложность и большая потребляемая мощность ука­зывают на низкий коэффициент полезного действия.

Имея это в виду, мы постараемся установить показа­тель эффективности, учитывающий все эти четыре наи­более важных фактора. Такой показатель должен иметь наибольшее значение для самой эффективной системы, а также должен быть примерно пропорционален относитель­ным эффективностям различных сравниваемых между собой систем. Ниже станет ясно, что найти такой показатель не так просто, как кажется; однако процесс его отыска­ния и внесения необходимых изменений и поправок прино­сит большую пользу сам по себе, так как при этом привле­кается внимание к различным количественным соотношени­ям,  имеющим важное значение для эхолокации.

В таблицу входят: дальность обнаружения R, диа­метр цели d (обе эти величины выражены в сантиметрах), излучаемая мощность Р (в ваттах) и вес системы W (в грам­мах). У летучих мышей на гортань, уши, слуховые участки мозга и прочие органы, непосредственно участвующие в эхо­локации, приходится не более 10% полного веса данного экземпляра. Под излучаемой мощностью всегда будет подра­зумеваться максимальное значение мощности за цикл. Здесь следует вспомнить, что согласно приведенным в главе 2 данным летучие мыши и человек воспринимают звук в диа­пазоне мощностей от 10^-16 до 10^-4 ватта на 1 см².

Сравним самолетный радиолокатор, обнаруживающий другой самолет на расстоянии 50 миль, с двумя случаями эхолокации у летучих мышей: большая рыжая летучая мышь обнаруживала присутствие насекомого (или камешка) диа­метром 1 см с расстояния около 2 м, а малая рыжая летучая мышь лоцировала с расстояния 90 см проволоку диаметром 0,18 мм.

Первый подход к определению показателя эффективности мог бы заключаться в том, что мы отнесем в числитель даль­ность R, а в знаменатель — мощность Р, вес W и диаметр цели d. С возрастанием последних трех факторов показа­тель эффективности будет уменьшаться. Если исходить из такого выражения R/PWd для показателя эффективности (см. таблицу), то окажется, что летучие мыши обладают ло­кационной системой, в миллиарды раз более эффективной, чем радиолокатор. Однако небольшое размышление покажет, что выбранное выражение для показателя эффективности необоснованно предопределило связь величин R, P, W и d; например, из этой формулы следует, что дальность прямо пропорциональна мощности. Но у всех радиолокаторов и, вероятно, у всех летучих мышей плотность излученной энер­гии убывает при распространении обратно пропорционально квадрату расстояния; эхо большинства малых целей также подчиняется закону обратных квадратов. В главе 4, при сравнении насекомоядной летучей мыши с гипотетическим случаем летучей мыши-рыболова, пытающейся при помо­щи эхолокации обнаружить рыбу через границу раздела воздух—вода, было показано, что энергия эхо пропорциональна 1//R⁴. Таким образом, для увеличения дальности в два раза мощность системы эхолокации должна быть по­вышена в 2⁴, т. е. в 16 раз. Исходя из этого, мы должны в числителе заменить R на R⁴. Тогда оценка эффективности радиолокатора, обнаруживающего самолет на дистанции 50 миль, значительно повысится.

После внесения этой поправки необходимо тщательно проанализировать роль остальных переменных величин на­шего уравнения, в частности роль размеров обнаруживае­мой цели d. Если размеры цели достаточно велики по срав­нению с длиной волны отражаемого от нее звука, то мощность эхо приближенно пропорциональна поверхности цели, т. е. d². Так обстоит дело с большинством радарных це­лей и, в частности, при локации самолетов, при которой ис­пользуются волны длиной 3,2 см. Но удовлетворено ли это условие для летучей мыши? Размеры насекомых, которых она ловит, варьируют от величины, меньшей одной длины волны, до нескольких длин волн, а «частотно-модулирую­щая» летучая мышь использует сигналы, содержащие целую октаву, т. е. изменение длин волн вдвое в каждом импульсе. По всей вероятности, можно считать, что и мощность эхо от насекомого пропорциональна квадрату его размера, хотя возможны случаи, когда размеры насекомого настолько меньше длины волны отражаемого от него звука, что мощ­ность эхо получится преувеличенной. На основании этих соображений в следующую строчку таблицы введены значе­ния показателя эффективности, соответствующие выраже­нию R⁴/PWd² для всех трех систем. Но даже и по этому критерию летучие мыши превосходят радиолокатор по эф­фективности.

Наконец, нам следует уделить несколько больше внима­ния летучим мышам, обнаруживающим присутствие прово­лок, диаметр которых много меньше одной длины волны. Речь идет о малой рыжей мыши. В тех случаях, когда диа­метр проволок или других цилиндрических препятствий меньше одной длины волны, мощность эхо от них пропорцио­нальна d⁴. К этому классу препятствий относятся, конечно, и проволоки диаметром 0,18 мм? обнаруживаемые малой рыжей летучей мышью с расстояния 90 см. Объекты такого размера вызывают рэлеевское рассеяние, названное так по имени физика XIXвека Рэлея, изучавшего это явление в связи с рассеянием света малыми частицами, взвешенными в воздухе. Глядя на небо, мы видим главным образом рас­сеянный свет, а так как рассеивающие частицы меньше длин волн видимого света (от 4 до 7*10^-5 см), то короткие волны в спектре рассеиваются больше, чем длинные. По­этому небо имеет синий цвет. Мы могли бы сказать, по ана­логии, что при приближении к тонким проволокам летучая мышь должна слышать «синее эхо». Во всяком случае, можно было бы привести доводы в пользу показателя эффективно­сти звуколокационной системы летучей мыши, содержащего вместо d или d² множитель d⁴. Выражение для показателя эффективности приняло бы окончательно следующий вид: R⁴/PWd⁴. Его значения для всех трех систем приведены в последней строке таблицы.

Из сказанного ясно, как существенно меняется значение показателя эффективности в зависимости от выбора самого определения показателя. Здесь могут, конечно, возникнуть серьезные возражения против осмысленности числового сравнения столь разнородных систем эхолокации. Кроме того, при этом сравнении не были учтены некоторые другие важные факторы. Эхо звуковых сигналов летучих мышей при распространении в воздухе заметно ослабляются вследствие поглощения, особенно на высоких частотах. При частоте 50 килогерц к потерям мощности эхо на пути от летучей мы­ши до цели и обратно, пропорциональным четвертой степени расстояния, добавляются еще потери на поглощение, кото­рые можно учесть, вводя «множитель ослабления» 0,63 на каждый метр расстояния. Для звука с частотой 100 кило­герц этот множитель равен 0,44 на каждый метр расстоя­ния. Радиоволны при распространении в воздухе не несут таких потерь на поглощение. Поэтому на больших расстоя­ниях летучая мышь оказывается в менее благоприятном по­ложении.

Есть и еще соображение, согласно которому радиолока­тор имеет преимущество над летучей мышью. Это — «скваж­ность» сигнала, т. е. доля общего времени, в течение которой производится излучение сигнала. В типичных случаях, подобных приведенным в таблице, летучая мышь издает 10—20 импульсов в секунду, каждый длительностью от 2 до 5 миллисекунд. Следовательно, для нее скважность колеблется в пределах от 0,02 до 0,1. А для радиолокатора скважность гораздо меньше: интервал между сигналами в 1500 раз длиннее самого сигнала, так что скважность со­ставляет около 0,0007. Если бы мы при сравнении исходили не из максимальных, а из средних мощностей, то это понизи­ло бы показатель для летучей мыши в 100 раз. В качестве возражения сторонники летучих мышей могли бы сказать, что вес локационной системы летучей мыши был нами при­нят равным 10% ее полного веса, в то время как вес радио­локатора составляет гораздо меньшую долю веса самолета, на котором он установлен. Быть может, с точки зрения самой летучей мыши было бы справедливее сравнивать ее полный вес с весом самолета в целом.

Если подходить к данному вопросу с самой общей точки зрения, то превосходство летучих мышей и других живот­ных сразу становится очевидным, хотя такое сравнение и трудно выразить в количественной форме. Летучие мыши са­ми поддерживают в рабочем состоянии и ремонтируют свои живые механизмы. Радиолокаторы и самолеты должны ре­монтироваться человеком. 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. Необычайность же результата проведенного нами сравнения заключается в том, что живые механизмы выдерживают и прямое сравне­ние с радиолокатором почти на тех же условиях, на каких обычно инженеры сравнивают между собой технические свойства двух радиолокаторов. Результаты сравнения вызы­вают у нас заслуженное уважение к механизмам из плоти и крови, которые выработались под давлением естественно­го отбора в процессе эволюции.

• ← Радар
• Якби ви були сліпим? →