Как летучие мыши видят звуком? Эхолокация простыми словами

Хлопок в тёмном коридоре

Встаньте с закрытыми глазами в длинном пустом коридоре и хлопните в ладоши один раз. Вы услышите хлопок, а чуть позже его слабую копию и поймёте, примерно как далеко дальняя стена. Летучая мышь делает то же самое сотни раз в минуту, звуками, слишком высокими для нас, и делает это так хорошо, что ловит на лету ночную бабочку в полной темноте.

Это называется эхолокацией: послать звук, послушать, что вернулось, и по эху понять, где находятся предметы и каковы они. Этот экспонат помещает вас в известняковую пещеру, где совсем нет света. Большой бурый кожан кричит, и вы видите, как каждый крик расходится по пещере, отражается от стен, колонн, капель и насекомых и возвращается. Когда эхо доходит до мыши, оно становится светящейся точкой. Через несколько секунд точки складываются в картину пещеры, и эта картина единственная, какая есть у мыши.

Как пользоваться сценой

Нажмите «Крик», и мышь крикнет один раз. Яркая оболочка это фронт звука; она рисуется ярче в том направлении, куда целится мышь. Когда оболочка доходит до чего-то твёрдого, от него может пойти назад янтарная оболочка, а когда эхо приходит к мыши, на эхо-карте появляется точка. Тёплые точки близко, синие далеко, оранжевые это бабочки. Точки бледнеют через время, которое задаёт ползунок «Память эха».

Кнопки под сценой задают замедление. Звук в воздухе проходит 343 метра за секунду, и весь крик со всеми эхо закончился бы раньше, чем вы что-то увидите. При замедлении в 100 раз крик ползёт со скоростью около 3,4 метра в секунду. «Охота на бабочку» отправляет мышь за ближайшей бабочкой с настоящей скоростью полёта (показано в 10 раз медленнее), и частота криков растёт сама по мере сближения.

На панели «Управление» можно сменить вид мыши, вручную задать фазу охоты, остановить автоматические крики, включить звук, показать доплеровский сдвиг эха бабочки, позволить бабочке глушить сонар, включить лампу и показать луч сонара. Под управлением калькулятор эха выполняет арифметику этой страницы для любого расстояния, температуры и частоты. Под сценой расположен список из 34 животных и машин, которые находят предметы по эху.

Расстояние по задержке

Правило в основе эхолокации короткое. Звук идёт с известной скоростью. Если эхо приходит через время t после крика, звук прошёл до цели и обратно, а значит, цель находится на расстоянии

расстояние = скорость звука × t ÷ 2

В сухом воздухе скорость звука зависит от температуры. Это квадратный корень из 1,4 × 287,05 × T, где T это температура в кельвинах. При 20 °C получается 343,2 м/с. При 0 °C это 331,3 м/с, а в летнюю ночь при 30 °C 349,0 м/с. Мышь в холодной пещере и мышь над тёплым лугом живут с чуть разными линейками, различающимися примерно на 5 процентов.

При 343,2 м/с задержки эха получаются такими:

Значит, колонна в 10 метрах перед мышью отвечает примерно через 58 тысячных секунды, а бабочка в 3 метрах примерно через 17. Разница в одну микросекунду задержки это всего 0,17 мм расстояния. Так точно мыши время использовать не умеют, но опыты Джеймса Симмонса в 1970-х показали, что обученные большие бурые кожаны могли по одной задержке эха определить, какая из двух целей ближе.

На сцене время настоящее: каждая точка рисуется в момент, когда пришло бы её эхо, с учётом замедления. Посмотрите, как крик доходит до дальнего конца туннеля, и вы увидите, что дальние точки загораются последними.

Почему сигналы такие высокие

Большинство криков летучих мышей ультразвуковые, выше предела человеческого слуха около 20 кГц. Большой бурый кожан на сцене за несколько миллисекунд опускается от примерно 50 кГц до 25 кГц. Обыкновенный нетопырь громче всего около 45 кГц, а большой подковонос держит тон около 82 кГц.

Причина в размере волны. Длина волны это скорость звука, делённая на частоту. При 10 кГц она равна 34 мм, при 35 кГц около 10 мм, при 82 кГц около 4 мм. Цель, намного меньшая длины волны, почти не возмущает волну и отражает очень мало; эхо от маленькой сферы падает примерно как четвёртая степень отношения размера к длине волны. Длина комара составляет несколько миллиметров. Чтобы получить от него сильное эхо, мыши нужна длина волны тоже в несколько миллиметров.

У высоких частот есть цена. Воздух поглощает звук, а высокие частоты гораздо сильнее. По стандартной формуле поглощения в воздухе (ISO 9613-1) при 20 °C и влажности 50 процентов потери составляют около 0,16 dB на метр при 10 кГц, 0,52 dB при 20 кГц, 1,13 dB при 35 кГц, 2,67 dB при 82 кГц и 3,28 dB при 100 кГц. Эхо платит эту цену дважды, на пути туда и на пути обратно. При 100 кГц цель в 5 метрах теряет только в воздухе 33 dB.

Переведите ползунок «Мышь» от большого бурого кожана к большому подковоносу и посмотрите на эхо-карту: высокий тон рисует более резкую, но более короткую карту. Включите пятнистую летучую мышь, которая кричит на 9–12 кГц, и карта уйдёт глубоко в туннель, но каждая точка будет размытее.

Как громко и как далеко

Летучие мыши громкие. Полевые записи Аннемари Сурлюкке и Элизабет Калько в Панаме дали уровни источника 122–134 dB SPL на расстоянии 10 см перед мышью у тех, кто охотится на открытом пространстве. Два вида, охотящихся над водой, в среднем давали около 137 dB и превышали 140 dB. Мы ничего из этого не слышим только потому, что звук слишком высокий.

Им это нужно. Звук, расходящийся во все стороны, теряет 6 dB при каждом удвоении расстояния. Эхо снова расходится на обратном пути, поэтому путь туда и обратно теряет 12 dB на каждое удвоение расстояния. Бабочка отражает лишь крошечную часть того, что на неё попало. Модель на сцене использует уравнение сонара:

уровень эха = уровень источника − 40 log₁₀(r ÷ 0,1 м) − 2 × поглощение × r + сила цели

При крике 120 dB на расстоянии 10 см, силе цели бабочки −30 dB и пороге слышимости 20 dB мышь в модели слышит бабочку примерно до 3,5 м на 35 кГц, до 3,1 м на 50 кГц и до 2,6 м на 82 кГц. Скальная стена отражает гораздо больше, и её слышно примерно до 8 м на 35 кГц. Это числа модели, но они совпадают с картиной в природе: добычу находят в нескольких метрах, а стены и деревья в несколько раз дальше. Сурлюкке и Калько заметили также, что самые громкие мыши используют самые высокие частоты, и это, похоже, возвращает дальность их обнаружения к уровню остальных.

Строка «Бабочка слышна до» в показаниях сцены даёт это модельное расстояние для выбранной мыши. На эхо-карте бабочка становится оранжевой, только если находится в этой зоне.

Поиск, сближение и финальное жужжание

Около 1960 года Дональд Гриффин с коллегами записали охотящихся на насекомых летучих мышей и обнаружили, что крики меняются закономерно. Во время поиска большой бурый кожан кричит примерно 10 раз в секунду, каждый крик длится несколько миллисекунд. Многие мыши в этой фазе кричат один раз за взмах крыла, так что взмахи, дыхание и крик идут в одном ритме. Обнаружив насекомое, мышь переходит к фазе сближения: крики становятся короче и чаще. В последние несколько сотен миллисекунд наступает финальное жужжание: частота поднимается выше 160 криков в секунду, а сами крики сжимаются до значительно меньше миллисекунды.

Часть причины, простой расчёт времени. Мышь обычно ждёт нужное эхо, прежде чем кричать снова, чтобы эхо и крик не накладывались. С 5 метров эхо идёт 29 мс, что допускает не больше 34 криков в секунду. С 1 метра 5,8 мс, что допускает 172. С 50 см допускается 343. Чем ближе добыча, тем быстрее мыши позволено кричать и тем чаще она узнаёт, куда сместилась бабочка.

Это не вся история. В 2011 году Коэн Элеманс с коллегами обнаружили, что у летучих мышей в гортани есть сверхбыстрые мышцы, одни из самых быстрых среди млекопитающих, и что предельную частоту криков задаёт скорость работы этих мышц, а не только наложение эха. Поставьте ползунок «Фаза охоты» на «Финальное жужжание», и оболочки вылетают из мыши так быстро, что вкладываются друг в друга.

Какое направление: два уха

Расстояние получается из времени. Направление получается из сравнения двух ушей. Эхо справа доходит до правого уха чуть раньше, чем до левого, и там оно чуть громче, потому что голова затеняет дальнее ухо. В модели уши находятся примерно в 1,6 см друг от друга, поэтому наибольшая разница во времени, для эха прямо сбоку, составляет около 47 микросекунд. Эхо в 10 градусах от центра даёт около 8 микросекунд. В показаниях выводится эта разница для бабочки.

Вверх и вниз определить труднее, потому что оба уха находятся на одной высоте. Здесь помогает форма наружного уха. Небольшой выступ перед входом в ухо, козелок, добавляет внутри уха своё эхо, и время этого крошечного дополнительного эха зависит от того, пришёл звук сверху или снизу. Кроме того, мыши двигают головой и ушами между криками и с каждым криком слышат сцену под чуть другим углом. Мышь на сцене слегка поворачивает голову между криками, и так заполняется её карта.

Доплер: бабочка приближается?

Когда мышь летит к стене, каждый гребень волны её крика посылается из чуть более близкой точки, чем предыдущий, и стена получает чуть более высокую частоту. Стена отправляет этот звук обратно к мыши, которая всё ещё приближается, и частота снова растёт. Для мыши, летящей со скоростью v к неподвижной цели, эхо возвращается с частотой

f × (c + v) ÷ (c − v)

При 4 м/с крик 82 кГц возвращается примерно на 83,9 кГц, почти на 2 кГц выше. Если цель тоже движется, её скорость добавляется таким же образом. Включите «Доплеровский сдвиг», и в показаниях появится частота эха бабочки и её отклонение от частоты крика.

Подковоносы используют это лучше всех. Их крик это долгий почти постоянный тон, а в слухе есть узкая полоса очень острой настройки возле частоты эха, иногда её называют акустической ямкой. Летя вперёд, подковонос понижает крик ровно настолько, чтобы эхо со сдвигом Доплера попало в эту полосу. При 4 м/с он кричит на частоте около 80,1 кГц, чтобы эхо вернулось около 82 кГц. На фоне этого ровного тона бьющиеся крылья насекомого заставляют эхо мерцать по высоте и громкости, и мышь может выделить трепещущую бабочку среди неподвижных листьев. Выберите большого подковоноса на ползунке «Мышь», чтобы увидеть числа.

Что эхо говорит о поверхностях

Шероховатая скала рассеивает звук во все стороны. Куда бы ни попал луч, часть его возвращается прямо назад, поэтому стены пещеры покрываются точками. Гладкая поверхность вместо этого работает как зеркало. Сигнал отскакивает под тем же углом, под каким пришёл, и уходит прочь, а эхо возвращает только та часть воды, которая находится прямо под мышью.

Поэтому пруд на сцене остаётся тёмным на эхо-карте. Штефан Грайф и Бьорн Зимерс показали в 2010 году, что мыши принимают за воду любую большую акустически гладкую поверхность. Дикие мыши 15 видов пытались пить с гладких плит из металла, дерева и пластика, даже если плиты были хорошо видны. Молодые мыши, никогда не видевшие воды, делали то же самое, что говорит о врождённости этого правила. На сцене пруд выглядит как дыра на карте с единственным ярким пятном под мышью.

Бабочки защищаются

На бабочек охотятся летучие мыши десятки миллионов лет, и у многих есть ответы. У большой доли бабочек есть уши, слышащие крики мышей. Когда крик становится громким, они пикируют, делают петли или падают на землю. Некоторые мыши в ответ кричат на частотах, которые эти уши слышат плохо, или очень тихо. Бурого ушана в Британии называют «шепчущей мышью».

Некоторые медведицы отвечают. В 2009 году Аарон Коркоран, Джесси Барбер и Уильям Коннер сняли в темноте, как большие бурые кожаны атакуют медведицу Bertholdia trigona. Когда мышь входила в финальное жужжание, бабочка издавала плотные залпы ультразвуковых щелчков, и мыши промахивались. Щелчки, похоже, путают мышь в том, как далеко бабочка. Включите «Бабочка глушит сонар» и начните охоту: эхо бабочки размазывается в красные точки на неверных расстояниях, и в этой модели мышь обычно пролетает мимо.

Лунные павлиноглазки используют другой приём. Их длинные хвосты задних крыльев вращаются в полёте и возвращают собственное эхо. В опытах Барбера с коллегами мыши целились в хвосты в более чем половине атак, а бабочки с хвостами выживали примерно на 47 процентов чаще, чем без них. Мыши мешают и друг другу: мексиканские складчатогубы, гонящиеся за одним насекомым, издают особый сигнал, из-за которого соперник промахивается.

Другие животные с эхолокацией

Летучие мыши известны лучше всех, но не единственные. Зубатые киты, включая дельфинов и морских свиней, пользуются эхолокацией под водой, где звук идёт примерно в 4,4 раза быстрее, чем в воздухе. Их щелчки короткие и очень громкие. Щелчки кашалотов на оси, записанные Бертелем Мёлем с коллегами, достигали 236 dB re 1 µPa, самых громких звуков, известных у любого животного. Питер Мадсен и Аннемари Сурлюкке показали, как близко сошлись сонары летучих мышей и зубатых китов, хотя обе группы развили его независимо.

Эхолокацией пользуются и две группы птиц. Гуахаро Южной Америки ест плоды ночью и гнездится глубоко в пещерах, а пещерные саланганы Индо-Тихоокеанского региона тоже гнездятся в тёмных пещерах. Обе используют щелчки достаточно низкие, чтобы их слышали люди; они хорошо распространяются, но показывают меньше деталей. Землеройки чирикают больше, когда исследуют загромождённые места, и записи говорят, что их сигналы дают полезное эхо на малой дистанции. Даже некоторые крыланы, которых долго считали не владеющими эхолокацией, находят путь в темноте с помощью щелчков, издаваемых крыльями.

Люди с эхолокацией

Некоторые слепые люди пользуются эхолокацией с помощью щелчков ртом. В 2011 году Лор Талер, Стивен Арнотт и Мелвин Гудейл сканировали мозг двух слепых экспертов, пока те слушали записи собственных щелчков и эха. Эхо активировало ту часть мозга, которая обычно занимается зрением, а не дополнительные слуховые области. Обучающее исследование 2021 года в Даремском университете научило слепых и зрячих взрослых от 21 до 79 лет эхолокации щелчками за 20 занятий в течение десяти недель. Обе группы заметно улучшились, и ни возраст, ни слепота не ограничивали скорость обучения.

Человеческие щелчки лежат в несколько килогерц, поэтому их длина волны около 10 см. Этого хватает, чтобы почувствовать стену, дверной проём или припаркованную машину, но не бабочку.

Машины, которые делают то же

Корабли используют сонар, который работает по тому же правилу, что и мышь, только со скоростью звука в воде около 1500 м/с. Эхо от морского дна на глубине 10 м возвращается примерно через 13 мс. Медицинский ультразвук посылает в тело звук мегагерцевого диапазона, где длины волн порядка миллиметра позволяют увидеть контуры органов и сердца. Парковочные датчики в бампере автомобиля с помощью ультразвука измеряют время эха и находят препятствия на расстоянии от 15 см до 5 м.

Краткая история

В 1790-х годах Лаццаро Спалланцани обнаружил, что ослеплённые летучие мыши всё равно летают, ни на что не натыкаясь, а Луи Жюрин показал, что мыши с заткнутыми ушами не могут. Никто не мог объяснить как, ведь мыши казались беззвучными. Ответ пришлось ждать, пока не появился микрофон, слышащий ультразвук. В 1938 году Дональд Гриффин, тогда студент Гарварда, принёс летучих мышей физику Джорджу Пирсу, который построил ультразвуковой детектор. Вместе с Робертом Галамбосом Гриффин показал, что мыши издают ультразвуковые импульсы и используют их эхо, чтобы избегать препятствий, а в 1944 году назвал эту способность эхолокацией.

Что модель упрощает

Мышь на сцене стоит на месте между охотами, чтобы вы могли обойти её вокруг. Настоящая мышь в поисковом полёте никогда не останавливается. Пещера состоит из гладкой математической формы, а эхо находят, прослеживая несколько сотен лучей в этой форме. Настоящий звук это волна, а не пучок лучей: он огибает края, и эхо накладываются и интерферируют. Сила эха берётся из простого уравнения сонара с фиксированной силой цели для скалы, а порог слышимости это одно число.

Бабочки считаются точками. Настоящее эхо бабочки меняется с каждым взмахом крыльев, и это отчасти то, как мыши узнают насекомых. Модель глушения лишь картинка результата, о котором сообщили для Bertholdia trigona: эхо бабочки появляется на неверном расстоянии. Звук, который вы слышите, это крик, замедленный в то же число раз, что и картинка, поэтому крик 40 кГц при замедлении в 100 раз звучит как 400 Гц. Детекторы летучих мышей, продающиеся для полевой работы, используют тот же метод, называемый растяжением времени.

Как читать миллисекундное эхо

Допустим, воздух неподвижен, а скорость звука округлена до 343 м/с. Задержка эха 1 мс означает полный путь звука 343 × 0,001 = 0,343 м. Половина этого это путь туда, поэтому отражатель находится в 0,1715 м, примерно в 17 см. Если забыть обратный путь, получится вдвое дальше. В этом примере предполагается, что эхо идёт обратно от цели по прямой. Отражение, которое перед возвращением отскакивает от другой стены, проходит более длинный путь, и его нельзя читать как то же расстояние по прямой.

Частота в это уравнение расстояния не входит. При одной температуре воздуха крик 40 кГц и крик 82 кГц идут до одной цели по сути одинаковое время. Различаются их длины волн. С округлённой скоростью звука 343 ÷ 40 000 = 0,008575 м, около 8,6 мм. Это число описывает расстояние между гребнями волны, а не минимальную длину насекомого, которое мышь может обнаружить. Более мелкое насекомое всё равно может вернуть эхо; услышит ли его мышь, зависит от ориентации и отражающих поверхностей, расстояния и фонового шума. Во время атаки к тому же движутся крылья насекомого. Неподвижная шарообразная цель это полезный расчёт, а не правило распознавания насекомых.

В калькуляторе эха задайте «Температура воздуха» 20 °C, «Частота сигнала» 40 кГц и «Расстояние до цели» 1 м. Показанная скорость берётся по формуле температуры, а не из округлённых 343 м/с, принятых выше, поэтому ожидайте около 5,83 мс и 8,6 мм. Удвоение расстояния удваивает задержку, не меняя длину волны. Повышение частоты меняет длину волны и поглощение, но не удваивает задержку. Это отдельные эффекты, которые одна картинка яркого эха может скрыть.

Почему последнее жужжание не просто быстрый поисковый крик

Обзор Рэтклиффа с коллегами, How the bat got its buzz, обсуждает больше, чем число звуков в атаке. Некоторые мыши понижают основную частоту во второй части жужжания. При том же раскрытии рта более низкая частота расширяет излучаемый луч. На близком расстоянии насекомому достаточно сместиться вбок на небольшое расстояние, чтобы выйти из узкого луча, поэтому более широкое акустическое поле зрения может помочь мыши следить за увёртывающейся добычей. Это компромисс с обычным преимуществом коротких волн для мелких целей, а не противоречие ему.

Расчётный пример в 200 криков в секунду даёт 1 ÷ 200 = 0,005 с, то есть 5 мс между началами криков. За этот интервал звук при 343 м/с может пройти туда и обратно примерно с расстояния 0,86 м. Это идеальный расчёт времени, а не гарантированная дальность охоты. Длительность крика занимает часть интервала, эхо от окружения продолжает приходить, а гортани нужно расслабиться и снова сократиться. Обзор сообщает о частотах до примерно 220 криков в секунду у некоторых видов; 200 не является общим потолком.

Сцена вместо этого использует номинальную частоту финального жужжания 170 криков в секунду с дополнительными ограничениями по задержке цели. Поэтому показанная частота может быть ниже, когда бабочка далеко. В этой фазе она также рисует более узкий луч, тогда как исследование описывает расширение луча в жужжании у отдельных настоящих видов. Используйте оболочки, чтобы сравнивать интервалы между криками, а не чтобы заключать, что каждая мышь сужает луч сонара перед поимкой. Анимированная пещера не воспроизводит всех видоспецифичных изменений в устройстве крика.

Контролируемое сравнение на экране

Начните без охоты. Нажмите «Очистить эхо-карту», затем «Крик» и проследите за первыми возвращающимися оболочками, прежде чем накопятся старые точки. Включите лампу, чтобы сравнить настоящую форму пещеры с неполной эхо-картой. Отсутствие точки не обязательно означает отсутствие скалы: луч мог не попасть туда, или возврат слишком слаб. Это не то же самое, что убрать твёрдый предмет из сцены.

Для второго сравнения оставьте вид неизменным и меняйте в калькуляторе эха только «Расстояние до цели». Читайте «Задержка эха» и «Максимум без наложения» вместе. Большее расстояние даёт более долгую задержку и более низкую идеальную частоту повторения. Калькулятор не зависит от настоящего положения бабочки; сдвиг его расстояния не двигает бабочку. Это важно, когда вы сравниваете его числа с показаниями сцены.

Наконец, выберите большого подковоноса, затем вернитесь к большому бурому кожану. Первая настройка представляет долгий крик постоянной частоты, вторая это короткий нисходящий ЧМ-сдвиг. Узкая слуховая настройка настоящего подковоноса помогает ему замечать связанные с трепетом изменения на фоне листвы; широкополосный ЧМ-крик даёт полезную информацию о времени для ближних отражателей. Это разные акценты, а не взаимоисключающие чувства. В настоящих криках подковоносов тоже есть частотно-модулированные участки. Подпись модели «постоянный тон» намеренно опускает эти детали.

Четырнадцать корейских видов и их сигналы

Каталог начинается с 14 видов, записанных в Корее в 2011–2012 годах исследователями Dai Fukui, David Hill, Sun-Sook Kim и Sang-Hoon Han. Они проанализировали 1129 импульсов из 93 последовательностей и опубликовали средние значения каждой записи: верхнюю и нижнюю частоты, частоту наибольшей энергии, длительность и интервал между сигналами. Каталог усредняет эти средние по видам и показывает диапазон частоты максимума энергии между записями. Так видна изменчивость внутри вида.

Есть три формы сигнала. Большой подковонос издаёт долгий постоянный тон с коротким частотным переходом на каждом конце. Девять видов родов Myotis, Murina и Plecotus дают крутые нисходящие сигналы длительностью всего 1–6 мс. Четыре вида (поздний кожан, Hypsugo alaschanicus, Miniopterus fuliginosus и Pipistrellus abramus) начинают с крутого спада, переходящего в почти постоянный конец. По пяти измерениям авторы верно определили вид для 76,4% сигналов. Постоянный тон и спад с ровным концом легко различались, а крутые спады Myotis сильно перекрывались.

Выделяются две детали. Myotis bombinus показал самую широкую полосу: 113 кГц в одной записи, примерно от 135 до 22 кГц. А большой подковонос, издающий в Британии около 82 кГц, в Корее подавал сигналы 66–72 кГц; на Чеджу они были выше материковых. Один вид, две области, около 12 кГц разницы: видовое значение представляет региональное среднее, не константу. Корейские названия следуют Национальному списку видов Кореи (2019). Названные в исследовании Myotis formosus и Murina leucogaster там записаны как Myotis rufoniger и Murina hilgendorfi.

Три способа услышать летучую мышь

Детектор делает ультразвук слышимым. От метода зависит, что сохранится. Итальянское руководство по мониторингу (Agnelli и коллеги, 2004) описывает три способа.

Гетеродин смешивает сигнал с тоном, который настраивают вручную, и воспроизводит разность. Слышна лишь часть в пределах примерно 5 кГц от настройки. Поворачивая ручку, находят мышь; показание оказывается близко к частоте максимума энергии. Метод дешёвый и работает в реальном времени, но теряет длительность и форму. Выберите Гетеродин около постоянного тона подковоноса: он станет низким ровным звуком, а крутой спад пересечёт окно коротким всплеском.

Деление частоты в реальном времени делит все частоты на заданное число, здесь 10. Слышны сразу все виды и сохраняются временные отношения, но остаётся только сильнейшая часть с одной громкостью, без гармоник. Растяжение времени записывает сигнал с высокой частотой дискретизации и воспроизводит медленно. Руководство приводит 40 кГц и 5 мс: при растяжении в 10 раз получаются 4 кГц и 50 мс. Форма сохраняется целиком, поэтому так записывают для определения вида. Но при воспроизведении детектор не слышит: 2 секунды записи означают 20 секунд глухоты. Нажмите Воспроизвести в каждом режиме для одной и той же охоты с поиском, сближением и жужжанием.

Почему подковонос снижает частоту

Во внутреннем ухе сильно увеличена область, настроенная на узкую полосу чуть выше сигнала в покое. Hans-Ulrich Schnitzler и Annette Denzinger называют её слуховой фовеей по аналогии с областью чёткого зрения в центре сетчатки. В полёте эхо впереди становится выше из-за эффекта Доплера. Без изменения оно вышло бы из этой полосы. Мышь снижает сигнал, возвращая эхо к опорной частоте.

При полёте со скоростью v к неподвижной стене эхо имеет частоту f × (c + v) ÷ (c − v), поэтому сигнал должен быть f_ref × (c − v) ÷ (c + v). При 5 м/с и корейской опорной частоте 69,9 кГц получаются около 67,89 кГц, примерно на 2,9% ниже. В панели Компенсация Доплера задайте скорость и меняйте сигнал, пока разница с опорным тоном не станет меньше 0,2 кГц. Пусть мышь настроит показывает точное решение. Постоянное эхо позволяет замечать ритмические колебания от взмахов крыльев насекомого.

Малые цели и длина волны

Объект хорошо рассеивает звук, когда его размер не меньше длины волны, делённой на π. Ниже начинается область слабого рассеяния: эхо уменьшается с четвёртой степенью отношения размера к длине волны. В воздухе длина волны равна 343 м/с, делённым на частоту: 17 мм при 20 кГц, 7 мм при 50 кГц и 3 мм при 110 кГц.

Поэтому насекомоядные виды издают высокие сигналы. Мошка размером 2 мм даёт полное эхо только выше c ÷ (π × 2 мм), около 54,6 кГц. Низкий сигнал идёт дальше, но плохо отражается от мелкой добычи. Уменьшите цель и проследите рост потерь, затем повышайте частоту до размерного коэффициента 1. Показанная дальность представляет модельное значение по уравнению сонара на этой странице с масштабированием цели по площади.

Чешуйки, поглощающие звук

У многих бабочек нет слуха, и они используют пассивную защиту. Thomas Neil и коллеги измерили тела с толстым слоем грудных чешуек и без него. Чешуйки поглощали 32–85% входящего ультразвука и ослабляли эхо тела на медианные 5,6 dB. Вторая работа показала, что тонкие крыловые чешуйки действуют как акустический метаматериал: поглощают до 72% интенсивности при 78 кГц, будучи в 111 раз тоньше самой длинной поглощаемой волны.

Слышащие бабочки добавляют активную защиту: пикируют или делают петли, услышав мышь рядом. Некоторые медведицы отвечают ультразвуковыми щелчками, мешая измерять расстояние. Уровни охоты используют три ступени. Лёгкий обходится без защиты. Обычный добавляет ослабление 5,6 dB и пике в случайном направлении при расстоянии меньше 1,2 м. Сложный добавляет щелчки к тем же чешуйкам и пике. Мышь промахивается в большинстве атак, как в опытах Aaron Corcoran и коллег. Быстрейший захват и минимум сигналов для каждого уровня сохраняются на устройстве.

Эхолокаторы, созданные человеком

Правило общее: расстояние равно скорости звука, умноженной на задержку и делённой на два. Различаются среда и частота. Датчик парковки работает около 48 кГц в воздухе, почти как Pipistrellus abramus при 47,5 кГц. У обоих длина волны около 7 мм. Датчик достигает 2,5–3 м, достаточно для бампера.

В воде звук идёт примерно со скоростью 1500 м/с. Эхо с 1 м возвращается за 1,33 мс вместо 5,83 мс в воздухе. Обыкновенные морские свиньи щёлкают около 130 кГц, с длиной волны около 11,5 мм в морской воде. Медицинский ультразвук использует 1–20 МГц, принимая скорость в мягких тканях за 1540 м/с. При 5 МГц получается около 0,31 мм. Поэтому видны мелкие структуры, но не на неограниченной глубине. Таблица сравнивает эти четыре примера.

Крыло из кисти

Нажмите Кости крыла, чтобы увидеть скелет под кожей. Крыло состоит из плеча, длинного предплечья, короткого большого пальца с когтем и четырёх очень длинных пальцев. Кожа натянута между пальцами, от пятого пальца к ноге, перед рукой, а также между ногами и хвостом. Хрящевой вырост у голеностопа держит край перепонки. В модели кисть складывается при взмахе вверх и раскрывается при взмахе вниз. Длины костей модельные, масштабированы под большого бурого кожана с размахом около 32 см.