Читати книгу - "Сліпий годинникар"

роблячи звуки тихішими, — не дуже добра ідея, адже тоді відлуння були б надто тихими, щоб їх почути. Не дуже вдала ідея також намагатися залагодити це, роблячи мікрофон («вухо») чутливішим, оскільки це лише зробило б його уразливішим до пошкодження вихідними звуками, хоча й трохи тихішими тепер. Ця дилема нерозривно пов’язана зі значною розбіжністю в інтенсивності вихідного звуку та зворотного відлуння, розбіжністю, що невблаганно випливає з законів фізики.

Яке інше рішення могло б спасти на думку інженерові? Коли з аналогічною проблемою зіткнулися розробники радару під час Другої світової війни, вони знайшли рішення, яке назвали приймально-передавальним радаром. Сигнали радара посилались у вигляді дуже потужних імпульсів, що могли би пошкодити високочутливі повітряні лінії (антени) в очікуванні слабкого зворотного відлуння. «Приймально-передавальна» схема тимчасово вимикала приймальну антену перед самим випусканням вихідного імпульсу, а потім умикала її знову, саме вчасно, щоб прийняти відлуння.

Кажани розробили «технологію приймально-передавального перемикання» дуже давно, можливо, ще за мільйони років до того, як наші пращури злізли з дерев. Працює вона таким чином. У вухах кажанів (як і в наших) звук передається з барабанної перетинки на мікрофоноподібні звукочутливі клітини за допомогою містка з трьох крихітних кісточок, названих за їхню форму молоточком, ковадлом і стремінцем. Монтаж і кріплення цих трьох кісточок, до речі, є точно такими, які міг би розробити висококваліфікований інженер із метою виконання необхідної функції «погодження повних опорів», але це вже інша історія. Тут же важливо, що деякі кажани мають добре розвинені м’язи, прикріплені до стремінця та молоточка. Коли ці м’язи скорочуються, згадані кісточки передають звук менш ефективно — неначе ви приглушуєте мікрофон, притискаючи пальцем мембрану, що вібрує. Кажан здатен використовувати ці м’язи, щоб тимчасово «вимикати» свої вуха. Ці м’язи щоразу скорочуються безпосередньо перед тим, як кажан випускає вихідний імпульс, тим самим «вимикаючи» вуха, щоб вони не пошкоджувалися цим гучним імпульсом. Потім вони розслабляються, щоб вухо повернулося до максимальної чутливості саме вчасно для вловлювання зворотного відлуння. Така система «приймально-передавального перемикання» працює, лише якщо підтримується моментальна точність у часі. Кажани з роду молосів (Tadarida) здатні по черзі скорочувати й розслабляти свої перемикальні м’язи 50 разів за секунду, підтримуючи ідеальну синхронність зі схожими на роботу кулемета імпульсами ультразвуку. Це дивовижне досягнення, порівнюване з хитрим фокусом, що використовувався в деяких літаках-винищувачах під час Першої світової війни. Їхні кулемети стріляли «крізь» пропелер, ретельно синхронізовані в часі з його обертанням так, щоб кулі завжди проходили між лопатями, не перебиваючи їх.

Розгляньмо ось таку проблему, що могла би стати на заваді нашому інженерові. Якщо сонар вимірює відстань до цілей, визначаючи тривалість тиші між випусканням звуку і його зворотним відлунням, — метод, який, схоже, справді використовують крилани Rousettus, — звуки неодмінно мали б здаватися дуже короткими імпульсами, схожими на стакато. Довгий протяжний звук усе ще лунав би в момент повернення відлуння і, навіть частково приглушений «приймально-передавальними» м’язами, заважав би виявленню відлуння. В ідеалі, здавалося б, імпульси кажанів мають бути справді дуже короткими. Але що коротший звук, то важче зробити його достатньо потужним, аби породити гідне відлуння. Ми, схоже, маємо тут інший невдалий компроміс, зумовлений законами фізики. Винахідливі інженери могли б додуматися до двох рішень, до яких і додумались, коли зіткнулися з такою самою проблемою в аналогічному випадку з радаром. Яке з цих двох рішень краще, залежить від того, що важливіше — виміряти відстань (як далеко від пристрою розташований об’єкт) чи швидкість (як швидко відносно нього об’єкт рухається). Перше рішення відоме розробникам радарів як «РЛС із внутрішньоімпульсною лінійною частотною модуляцією».

Сигнали радара можна уявляти собі як низку імпульсів, але кожен імпульс має так звану несучу частоту. Вона аналогічна «тону» імпульсу звуку чи ультразвуку. Як ми вже бачили, крики кажанів мають частоту повторення імпульсів на рівні десятків чи сотень за секунду. Кожен із цих імпульсів має несучу частоту на рівні десятків чи сотень тисяч циклів за секунду. Іншими словами, кожен імпульс є високочастотним виском. Так само кожен імпульс радара є «виском» радіохвиль із високою несучою частотою. Особливістю РЛС із лінійною частотною модуляцією є те, що її несуча частота під час кожного виску не фіксована. Радше вона скаче вгору або вниз приблизно на октаву. У звуковому еквіваленті кожне випромінювання радара можна уявити як зухвалий посвист вовка з мультфільму під час зустрічі з гарною дівчиною. На відміну від фіксованого тону імпульсу, перевагою РЛС із внутрішньоімпульсною лінійною частотною модуляцією є ось що. Байдуже, чи вихідний імпульс усе ще триває, коли повертається відлуння. Їх не можна сплутати, бо відлуння, яке отримується в будь-який конкретний момент часу, буде відображенням більш ранньої частини імпульсу, а отже, матиме інший тон.

Розробники радара добре скористалися цією винахідливою технікою. Чи існують якісь докази того, що кажани «відкрили» її теж, як і приймально-передавальну систему? Ну, численні види кажанів справді видають крики, що знижуються, зазвичай десь на октаву, під час кожного крику. Такі крики називають частотно модульованими (ЧМ). Вони, схоже, є саме тим, що потрібно для експлуатації техніки РЛС із внутрішньоімпульсною лінійною частотною модуляцією. Однак наразі всі докази вказують на те, що кажани використовують цю техніку не для розрізнення відлуння й вихідного звуку, який його породив, а для розв’язання більш тонкого завданя — розрізнення відлунь. Кажан живе у світі відлунь від близьких об’єктів, далеких об’єктів і об’єктів на всіх проміжних відстанях. Йому доводиться відсортовувати ці відлуння одне від одного. Якщо він видає крики, що знижуються, немов посвист вовка з мультфільму, це сортування акуратно виконується за тоном. Коли відлуння від далекого об’єкта повернеться назад до кажана, воно буде «давнішим» за відлуння, що повернеться одночасно з ним від близького об’єкта. Отже, воно матиме вищий тон. Коли кажан стикається з одночасними відлуннями від кількох об’єктів, то може застосувати практичне правило: вищий тон означає більшу відстань.

Друга розумна думка, що могла би прийти в голову інженерові, особливо зацікавленому у вимірюванні швидкості рухомої цілі, полягає в експлуатації того, що фізики називають доплерівським зсувом. Його можна назвати «ефектом “швидкої”», бо його найбільш знайомим нам проявом є різкий спад тону сирени машини швидкої допомоги, коли вона проноситься повз слухача. Доплерівський зсув відбувається щоразу, як джерело звуку (світла чи будь-якого іншого типу хвилі) та його приймач рухаються один відносно одного. Найлегше уявити, що джерело звуку є нерухомим, а слухач рухається. Припустімо, що сирена на даху заводу завиває постійно, увесь час на одній ноті. Цей звук розходиться у вигляді низки хвиль. Їх не можна побачити, бо вони є хвилями тиску повітря. Якби ж їх можна було побачити, вони нагадували б концентричні кола, що розходяться вусібіч, коли ми кидаємо камінці в центр стоячого ставка. Уявімо, що камінчики падають у ставок з рівномірною частотою, так, що хвилі постійно розходяться від центру. Якщо у якійсь фіксованій точці ставка поставити на якір крихітний іграшковий кораблик, він ритмічно гойдатиметься вгору і вниз у міру того, як під ним проходитимуть хвилі. Частота, з якою гойдається цей кораблик, аналогічна тону звуку. Тепер припустімо, що кораблик замість того,