I.2. Принципи ехолокації
Система орієнтування у просторі
Напрямок:
Виконавець : учень 10 класу Дмитро Тюкалов
Керівник : Амінов Євген Віталійович
Глава I. Ехолокація. 4
I.2. Принципи ехолокації. 4
І.3. Способи застосування. 5
І.5. Принцип вимірів. 12
I.6. Види приладів. 13
Розділ II. Arduino. 14
ІІ.1. Застосування. 14
ІІ.2. Мова програмування. 14
ІІ.3. Відмінність від інших платформ. 14
Список літератури та Інтернет-джерел. 18
Вступ
В наш час люди поступово розробляють пристрої, що полегшують наше життя. І звичайно без орієнтування вони були б неповноцінні. У цьому роботі ми докладно розглянемо одне із видів орієнтування - ехолокація. Об'єктом мого дослідження є орієнтування за способом ехолокації, який ми розглядаємо з прикладу автономного пристрою, створеного з урахуванням Ардуино. Проблема полягає в тому зручний і ефективний він.
Метою даної роботи стало: виявлення плюсів і мінусів орієнтування за принципом ехо локації.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:
1. Вивчити сутність явища.
2. Дослідити автономний пристрій Ардуїн.
3. Створення пристрою.
4. Написання програми.
5. Тестування у різних умовах.
6. Знайти гідне застосування.
Ця проблема не розроблялася в минулому, але саме явище ехо локації було розглянуто П'єром Кюрі в 1880 р., а застосування її в житті стало можливим завдяки Олександру Бему в 1912 році. Він створив перший у світі ехолот.
Я припускаю, що орієнтування за принципом ехо локації дуже ефективне і зможе допомагати людяму небезпечних життя ситуаціях.
Глава I. Ехолокація
Я хотів би почати з далекого, а саме з визначення:
Ехолокація (луна і лат. locatio - "становище") - спосіб, за допомогою якого положення об'єкта визначається за часом затримки повернення відбитої хвилі. Якщо хвилі є звуковими, це звуколокація, якщо радіо — радіолокація.
I.1. Історія
Ехолокація як явище у робототехніці та механіці прийшло з біології. Її відкриття пов'язане з ім'ям італійського натураліста Ладзаро Спалланцані. Він звернув увагу на те, що кажани вільно літають в абсолютно темній кімнаті, не зачіпаючи предметів. У своєму досвіді він засліпив кілька тварин, проте і після цього вони літали нарівні зі зрячими. Колега Спалланцані Ж. Жюрін провів інший досвід, у якому заліпив воском вуха кажанів, — і звірята натикалися на всі предмети. Звідси вчені зробили висновок, що кажани орієнтуються на слух. Однак ця ідея була висміяна сучасниками, оскільки нічого більшого сказати не можна було — короткі ультразвукові сигнали на той час ще неможливо було зафіксувати.
Вперше ідея про активну звукову локацію у кажанів була висловлена в 1912 році Х. Максимом. Він припускав, що кажани створюють низькочастотні ехолокаційні сигнали помахами крил із частотою 15 Гц.
Про ультразвук здогадався в 1920 році англієць Х. Хартрідж, який відтворював досліди Спалланцані. Підтвердження цьому знайшлося в 1938 завдяки біоакустику Д. Гріффіну і фізику Г. Пірсу. Гриффін запропонував назву ехолокація для іменування методу орієнтації кажанів за допомогою ультразвуку.
I.2. Принципи ехолокації
Ехолокація починається з ультразвуку, так дізнаємося ж про нього більше.
Як ібагато інших фізичних явищ, УЗ-хвилі зобов'язані своїм відкриттям нагоди. У 1876 р. англійський фізик Френк Гальтон, вивчаючи генерацію звуку свистками особливої конструкції (резонаторів Гельмгольца), які мають його ім'я, виявив, що з певних розмірах камери звук перестає бути чутним. Можна було припустити, що звук просто не випромінюється, проте Гальтон зробив висновок, що звук не чути, тому що його частота стає занадто високою. Крім фізичних міркувань, на користь цього висновку свідчила реакція тварин (насамперед собак) застосування такого свистка.
Очевидно, що випромінювати ультразвук за допомогою свистків можна, але не дуже зручно. Ситуація змінилася після відкриття п'єзоефекту П'єром Кюрі у 1880 р., коли з'явилася можливість випромінювати звук, не продуючи резонатор потоком повітря, а подаючи на п'єзокристал змінну електричну напругу. Однак, незважаючи на появу досить зручних джерел та приймачів ультразвуку (той самий п'єзоефект дозволяє перетворювати енергію акустичних хвиль на електричні коливання) і на величезні успіхи фізичної акустики як науки, пов'язаної з такими іменами, як Вільям Стретт (лорд Релей), ультразвук розглядався в основному як об'єкт вивчення, але з застосування.
I.3. Способи застосування
Наступний крок було зроблено в 1912 р., коли через два місяці після загибелі «Титаніка» австрійський інженер Олександр Бем створив перший у світі ехолот. Уявіть собі, як змінилася історія! З цих пір і до цього часу УЗ-гідролокація залишається незамінним інструментом для надводних та підводних кораблів.
Ще одне важливе зрушення у розвитку УЗ-техніки було зроблено у 20-ті гг. XX ст.: у СРСР були проведені перші експерименти з прозвучуваннясуцільного металу ультразвуком з прийомом на протилежному краю зразка, причому техніка, що реєструє, була влаштована так, що можна було отримувати двовимірні тіньові зображення тріщин в металі, подібні рентгенівським (трубка С.А.Соколова). Так почалася УЗ-дефектоскопія, що дозволяє побачити невидиме.
Очевидно, що застосування ультразвуку не могло обмежитися лише технічними програмами. У 1925 р. видатний французький фізик Поль Ланжевен, який займався оснащенням флоту ехолотами, досліджував проходження ультразвуку через м'які тканини людини та вплив ультразвукових хвиль на організм людини. Той-таки С.А.Соколов в 1938 р. отримав перші томограми руки людини «на просвіт». А в 1955 р. англійські інженери Ян Дональд і Том Браун побудували перший у світі УЗ-томограф, в якому людина занурювався у ванну з водою, а оператор з УЗ-випромінювачем та УЗ-приймачем мав обходити об'єкт досліджень по колу. Вони ж уперше застосували до людини принцип ехолокації та отримали не просвітну, а відбивну томограму.
Наступні п'ятдесят років (практично до наших днів) можна охарактеризувати як епоху проникнення ультразвуку у всілякі галузі технічної та медичної діагностики та застосування ультразвуку в технологічних галузях, де він дозволяє зробити найчастіше те, що неможливо у природі. Але про це докладніше.
Мабуть, найбільш важливим застосуванням ехолокації в техніці є неруйнівний контроль конструкцій (металевих, бетонних, пластмасових) для виявлення дефектів, викликаних механічними навантаженнями. У найпростішому випадку дефектоскоп – це ехолокатор, на екрані якого з'являється ехограма. Переміщаючи УЗ-датчик поверхнею контрольованого виробу, можна виявляти тріщини. Зазвичай дефектоскоп забезпечується наборомУЗ-перетворювачів, що дозволяють вводити ультразвук у матеріал під різними кутами, та звуковою сигналізацією перевищення порога відбитим ехосигналом.
УЗ-товщиноміри застосовуються для безперервних вимірювань товщини листа (сталевого, скляного) при виробництві, а також товщини об'єкта, до якого є доступ лише з одного боку (наприклад, товщина стінки ємності або труби). Тут часто доводиться мати справу з дуже малими затримками, тому для підвищення точності вимірювань застосовують зациклювання ехолокатора: перший прийнятий ехосигнал відразу ж запускає передавач для випромінювання наступного імпульсу і т.д., при цьому вимірюють час затримки, а частоту запуску.
Ехолоти, розвиток яких почався майже сто років тому, використовуються зараз на найрізноманітніших об'єктах, від надводних та підводних військових кораблів до надувних човнів рибалок-аматорів. Застосування комп'ютерів дозволило не просто відображати на екран ехолота профіль дна, але й розпізнавати тип об'єкта, що відбиває (риба, топляк, згусток мулу і т.п.). За допомогою ехолотів складаються карти профілю шельфу, були виявлені добові коливання глибини розташування шару планктону в океані.
На відміну від рентгенівських та ЯМР-томографів (а також перших «просвітних» УЗ-приладів) сучасні прилади для УЗ-дослідження органів (УЗД) працюють у такому ж режимі, як і їх аналоги в технічній діагностиці, тобто. виявляють межі поділу середовищ із різними акустичними характеристиками. Відмінність між властивостями м'яких тканин не перевищує 10%, і лише кісткові тканини дають майже 100% відбиття. Таким чином, майже все багатство інформації, яку отримують медичні УЗ-прилади, полягає в аналізі цих слабких сигналів.
Одне з перших застосувань одновимірної локації в медицині – УЗ-ехоенцефалоскоп. Ідея його проста: отримують ехограми внутрішньочерепних структур при зондуванні голови у скроневій ділянці ліворуч і праворуч. Поява внутрішньочерепних ушкоджень (гематом, пухлин) призводить до порушення симетрії ехограм, і таких пацієнтів легко виділити та направити на більш детальне та дороге обстеження.
Застосування ультразвуку в кардіології призвело до розвитку важливої для УЗД технології – подання ехограми в координатах глибина-час, коли амплітуда сигналу є рівнем сірого. Це дозволило розпочати систематичні неінвазивні дослідження руху внутрішніх структур серця та великих судин та отримати нову важливу фізіологічну інформацію. Наприклад, було доведено, що поперечний переріз аорти не змінюється, як передбачали раніше лікарі.
Перші кардіологічні прилади були одномірними, й у дослідження різних структур доводилося повертати датчик під різними кутами. Згодом вдалося автоматизувати цей процес і сучасні УЗ-прилади стали ехотомографами, тобто. дозволяють отримувати двовимірні перерізи досліджуваної області організму та спостерігати за швидким рухом структурних елементів серця – клапанів, перегородок. У разі нерухомих структур все набагато простіше. Перші УЗ-томограми були отримані, коли не було складної електроніки та комп'ютерів, щоправда, для цього доводилося занурювати людину у ванну з водою та обходити з одномірним датчиком по колу. Сьогодні використовують способи інтерференції коливань від безлічі дрібних елементів, що дозволяють керувати напрямком УЗ-пучка. Таке УЗ-дослідження (УЗД) органів і тканин стало звичайною процедурою, незрівнянно дешевшою, ніж інші види томографії.
У той же час залишилися окремі застосування одновимірної УЗ-локації. Одним з них євимірювання товщини жирового підшкірного прошарку, що дозволяє оцінювати показник ступеня ожиріння, наприклад, BFI. Цей метод реалізований у приладі Bodymetrix2000 – спільної російсько-американської розробки, який зараз застосовується у салонах краси та фітнес-клубах по всьому світу.
Мабуть, найцікавішими із складних сучасних приладів для УЗ-медичної діагностики є тривимірні системи. У цих системах УЗ-пучок повертається у двох взаємно перпендикулярних напрямках, а прийняті ехосигнали обробляються так, щоб отримати зображення суцільної поверхні об'єкта, що знаходиться всередині організму людини, внутрішній орган або ембріон. Якщо збір та обробка інформації відбуваються досить швидко, то можна спостерігати за рухом об'єкта в реальному масштабі часу, наприклад, вивчати поведінку дитини, що ще не народилася, її реакції і т.п., мабуть, єдине питання тут - забезпечення безпеки, тобто. підтримка інтенсивності УЗ-випромінювання на рівні 50–100 мВт/см2.