Звуковой локатор

Содержание Введение Кто они, летучие мыши История открытия эхолокации Использование локации в технике Эхолокатор Человеку есть чему поучиться у летучей мыши Принцип действия модели звукового локатора Усилитель сигнала Усилитель мощности Звуковой генератор и детектор Частотомер Сборка звукового локатора Литература Введение Под словом «локация» пон имается определение ме стоположения предметов, измерение их координат и па раметров движения. В живой природе используются разнообразные форм ы и способы локации. Человек и большинство животных определяют местопол ожение окружающих предметов благодаря органам чувств, в основном зрени ю и слуху. Эти системы в функциональ ном отношении у некоторых животных д оведены до вы сочайшего совершенства. Достаточно вспомнить о не обычай ной остроте зрения у дневных хищных птиц или точности звуковой пеленгац ии добычи совами. Для обнаружения объектов окружающей среды не которые животные используют и другие виды инфор ма ции. Глубоководные кальмары, например, помимо обычных органов зрения, на делены особыми рецепторными приборами, способными улавливать инфракра с ные лучи, а своеобразные органы — «термолокаторы» гремучих змей служ ат для поисков добычи (они вос принимают тепловое излучение живых сущес тв и реаги руют на разность температур в тысячную долю гра дуса). Приведенные примеры, нес мотря на их разнообразие, представляют собой различные варианты так наз ывае мой пассивной локации, когда ис следуемые животные обнаруживают какие-либо объекты только путем прием а той энергии, которую непосредственно излучают или переизлучают сами. С равнительно недавно казалось, что возможности живой природы ограничив аются лишь средствами пассивной локации, т. е. более или менее чувствител ьными органами дистантного обнаружения. В самом начале XX в. человечество создало прин ципиально новый, активный способ локации; при кото ром невидимую прежде цель облучают потоком элек тромагнитной или ультр азвуковой энергии и обнару живают с помощью той же энергии, но уже отраже нной от цели. Радио- и гидролокационные станции (приборы активной локаци и) пришли на смену различного рода «слухачам» (приборам пассивного обнар ужения) и в на стоящее время получили широкое распространение при решен ии народно-хозяйственных, военных и космических проблем. Области применения в техн ике радио- и акустиче ской локации различны, ибо различны степень ослаб л ения применяемых видов колебаний при распростра нении в неоднородных с редах и скорость распростране ния электромагнитных и звуковых волн. Изв естно, что радиоволны в водной среде очень быстро затухают, тогда как зву ковые волны распространяются на боль шие расстояния, и, наоборот, в возду хе звуковые коле бания ослабляются во много раз сильнее, чем электро маг нитные. Для обнаружения объекта в атмосфере и за ее пределами применяют радиолокаторы, так как ско рость распространения радиоволн 300000 км/с, а ско рость распространения звука в воздухе — лишь 340 м/с. Акустическая локация воздушных и особенно космиче ских целей часто невозможна, ибо их собств енная ско рость может во много раз превосходить скорость звука. Акустич еская локация или гидролокация стала основ ным средством обнаружения п одводных объектов (ско рость распространения звука в воде — 1550 м/с). Принципы радиолокации, несомненно, подсказали биологам путь к ре шению одной из старых загадок при роды, которая на протяжении длительно ю времени не поддавалась научному объяснению. Эту загадку поста вили пе ред учеными обыкновенные летучие мыши. Что же это за животные и почему, он и будоражили ученый мир на протяжении 150 лет? Попробуем в этом разо братьс я. Кто они, летучие мыши С давних пор совершенно необоснованно летучие мыши (см . приложения, рисунки 2, 3, 4) пользуются дурной славой. «Вопрос о летучих мыша х есть вопрос другого света, вопрос, который пахнет ересью... Все покрыто т айной, обманом и мраком в этих двусмысленных существах, представляющих с обой выс шую степень противоестественности, мерзости и фантастичности. Летучая мышь - это химера, чудовищное невозможное существо, символ грез, к ошмаров, призра ков больного воображения. Всеобщая неправильность и чудовищность, замеченная в организме летучей мыши, без образные аномалии в устройстве чувств, допускаю щие гадкому животному с лышать носом и видеть ушами, все это как будто нарочно приноровлено к то му, чтобы летучая мышь была символом душевного рас стройства и безумия». Так описывал летучих мышей французский натуралист А. Туссенель в 70-х год ах прошлого столетия, выражая тем самым широко распро страненное мнение об этих ночных безобидных животных. И даже в наше время, когда летучая мыш ь полностью «реабилитирована» и раскрыта ее тайна ориентации в темноте, все же для многих встреча с ней оставляет неприятное ощущение, и летучие мыши продолжают подвергаться бессмысленному гонению и даже уничтожени ю. История открытия эхолокации Хоть и велик человек, но не бесконечна его жизнь. Перед ни м необъятная ширь пространства и необозримая глубь времени. Обо всем хоч ется узнать. Но вот беда — слишком быстро бегут годы. Много ли человек может пройти, и змерить своими маленькими шагами? И много ли он мо жет сделать за те счита нные дни, которые живет на земле? Но он не один, и в этом его сила. Ладзаро Спалланцани (см. приложения, рисунок 1.) спешил. Ему у же было за шестьдесят. Годы давали о себе знать. Не сколько лет выдающийся итальянский натуралист, профессор университета в Павии, занимался ле т учими мышами. Эти небольшие животные охо тятся почти исключительно ночь ю, часто насти гая добычу сверху или в лесных зарослях. Ясно, что визуальн ое обнаружение насекомых в таких условиях невозможно. Н о тогда как же «видят» летучие мыши, как они на ходят дорогу в темноте? Вот вопрос, который мучил ученого. Шел 1793 год. Только что кончилось время «высоких» и отвлечен ных умозрительных рассуждений, наука приступала к экспериментальной п ро верке всего того, что окружало человека. Ранним летним утром на колокольню собора города Павии по днялся старый человек. Это был Спалланцани. Сумрак только что начинал ра ссеи ваться, и летучие мыши, возвращаясь из ночных полетов, прятались по р аз ным закоулкам под сводами старой башни. Ученый ловил летучих мышей и с ажал в мешок. Потом, нагруженный тяжелой ношей, он спустился с коло кольни и пошел домой. Дома Спалланцани выпустил пойманных зверьков в большом з але. Он решил вплотную заняться секретом ночных полетов летучих мышей. Т олько эксперимент мог дать ответ на этот вопрос. От потолка к полу были на тя нуты тонкие нити, они опутали всю комнату. Выпуская мышь из мешка, эксп ериментатор заклеивал ей глаза воском. И вот по старому залу замета лись крылатые тени. Но ни одна слепая летучая мышь не задела за нитку! Ни одна! С ловно глаза им были и не нужны, чтобы видеть. Не удовлетворившись опытами, в которых летучие мыши прод олжали спокойно порхать с заклеенными глазами, Спалланцани решил продо лжить начатый эксперимент, изменив несколько условия. Он выпустил на вол ю не сколько зверьков, лишенных зрения, и через четыре дня снова отправил ся на колокольню собора. В этот раз ученый снова наловил целый мешок летучих мышей. Среди них были и слепые мыши. В их желудках было полно комаров. Поймать в т емно те насекомое— задача более сложная, чем пролететь между двумя натя нуты ми нитями. Значит, чтобы охотиться, этим зверькам совсем не нужны гла за. Спалланцани решил, что летучие мыши наделены каким-то особым, неведо м ым нам шестым чувством, которое и помогает им ориентироваться в полете. Еще на целом ряде опытов ученый убедился, что мыши великол епно обхо дятся без зрения, но зато всякое повреждение слуха для них губи тельно. В чем дело? Не могут же они видеть ушами? Так зародилось сомнение. Чтобы все это объяснить, нужны были новые эксперименты. Для этого были изготовлены крошечные медные трубочки, пол ые внутри, которые вставлялись в уши летучих мышей. Но они по-преж нему сп окойно летали, свободно и уверенно лавируя между десятками тон ких ните й, натянутых в комнате. Зато стоило заткнуть трубочки пробками, как мыши б ессильно падали, натыкаясь на все подряд. Но как слух заменял им зрение? На этот вопрос никто не мог ответить. Мыши летали беззвучно, а стены и натяну тые нити звуков не издавали, по этому отличную ориентацию мышей вовсе не льзя было объяснить обострен ным чувством слуха. Тогда как же видели лет учие мыши? Этого Спаллан цани так и не узнал. Его открытия в те годы были от вергнуты, высмеяны, а потом и забыты. Осталось только название «спалланц аниева проблема». В середине прошлого столетия решением этой проблемы учен ые заинтересо вались одновременно в разных странах. Любопытно, что первый, кто ею занялся, был не зоолог, а инжен ер — американский изобретатель Хайрем Максим. В годы гражданской войны его фамилией называли станковый пулемет, который он изобрел. Установ ле нный на тачанке «максимка» был грозным оружием против белогвар дейцев. Плодовитый изобретатель, пытавшийся, между прочим, в свое время по строить самолет с паровым двигателем, заинтересовался навигац ионным ме тодом летучих мышей. Он предположил, что мыши издают звуки, несл ыши мые для человеческого уха, и ориентируются по возвратившемуся эху. Н а основании собственной биологической гипотезы Максим предложил новый прибор — эхолокатор, который должен был предотвращать в тумане столкно вения судов с айсбергами. Верная в принципе догадка была все же неточна. Ее автор счи тал, что первичным сигналом у мышей является звук от взмахов их крыльев. П оэто му он рекомендовал оборудовать суда источником звука очень низкой часто ты, порядка 15 Гц. Приемник низкочастотных сигналов предполагалось уста новить в носовой части корабля. Слабое эхо, по замыслу изобретателя, должно было приводить в действие маленький колокольчик, а сильное — бол ьшой гонг, чтобы команда могла судить о серьезности опасности. Новая идея навигации не привела ни к каким практическим р езультатам. Ошибка Максима была в том, что он неправильно определил част оту звуко вого сигнала, на который работал его прибор. Летучие мыши дейст вительно пользуются в полете звуком, но не низких, а очень высоких частот — ультра звуком. Другой ученый, голландец Свен Дийграаф, заметил, что летуч ая мышь прежде, чем пуститься в полет, раскрывает рот. Очевидно, предполож ил уче ный, она издает неслышимые для человека звуки и «ощупывает» ими ок рест ности. В полете летучие мыши тоже то и дело раскрывают рот, даже когд а не охотятся за насекомыми. Дийграаф рассуждал так: поскольку стены и предметы, встречающиеся летучей мыши в полете, не изда ют никаких звуков, значит, кричат сами мыши. Эхо их собственного голоса, от раженное от окружающих предметов, извещает зверьков о препятствии на пу ти. Это наблюдение навело ученого на мысль проделать следующий опыт. Он надел на голову зверька бумажный к олпак. Спереди, точно забрало рыцар ского шлема, в колпаке открывалась и з акрывалась маленькая дверка. С закрытой дверкой на колпаке мышь совсем н е могла лететь и то и дело натыкалась на предметы. Стоило лишь в бумажном к олпаке поднять забра ло, как зверек преображался, его полет вновь станов ился точным и уве ренным. Результаты своих наблюдений Дийграаф опубликовал в 1940 год у, а в 1946 году советский ученый Е. Я. Пумпе р сделал очень интересное предпо ложение, которое хорошо объясняет физи ческую природу эхолокации. Он считал, что летучие мыши каждый новый звук издают сразу же после того, как услышат эхо предыдущего сигнала. Таким об разом, ультразвуковые им пульсы рефлекторно следуют друг за другом, а раздражителем, вызываю щим их, служит эх о, воспринимаемое ухом. Значит, чем ближе летучая мышь подлетает к препятствию, те м быстрее возвращается эхо и, следовательно, тем чаще издает зверек новы е крики. Наконец, при непосредственном приближении к препятствию ультра звуковые импульсы начинают следовать друг за другом с исключительной б ыстротой. Это сигнал опасности. Летучая мышь инстинктивно изменяет курс полета, уклоняясь от направления, откуда отраженные звуки приходят слиш ком быстро. Дальнейшие опыты показали, что летучая мышь перед старто м издает в секунду лишь 5— 10 импульсов. В полете учащает их до 30. При прибли ж ении к препятствию ультразвуковые сигналы следуют еще чаще: 50 — 60 раз в секунду. Некоторые мыши во время охоты на ночных насекомых, настигая добычу, издают даже 250 «криков» в секунду. Но не все звуки, используемые летучими мышами для навигац ии, совер шенно не слышны. Может быть, кому-нибудь из вас случалось теплым вечером на блюдать за полетом мышей и слышать издаваемые ими звуки. Они настолько с лабы, что их легко принять за шорох листьев. Очевидно, поэтому-то их Спалла нцани и не заметил. Длительность слабо слышимой части импульсного сигнала в есьма мала. Этот звук напоминает тиканье ручных часов. Однако, в отличие о т часов, частота тиканья, издаваемого летучей мышью, может заметно измен яться. Когда летучая мышь летит прямо на удаленное от нее препят ствие, то она издает от пяти до двадцати гиканий в секунду. В тех случаях, к огда перед ней возникает более сложная навигационная задача, например к огда ей нужно избежать столкновения с живым предметом или с палкой, подн я той над головой, можно услышать, что тиканье внезапно учащается, пока не перейдет в слабое жужжание. То же самое происходит перед посадкой летуч ей мыши. Звуки тиканья при этом настолько слабы, что услышать их можно тол ько в полной тишине и проявив значительное терпение. Объяснить тайну летучих мышей помогло появление новой эл ектронной аппаратуры. В одной из лабораторий физического факультета Га рвардского университета в США Г.Пирс начал проводить исследования по из учению свойств ультразвуков, т. е. звуков, лежащих выше слухового порога ч еловека. Под его руководством в 1937 г. был создан прибор — звуковой детекто р, позволяющий улавливать звуки широкого диапазона частот. Именно этот п рибор зарегистрировал неслышимые звуки летучих мышей, когда в 1938 г. студе нт-биолог упомянутого выше университета Дональд Гриффин принес в лабор аторию Пирса полную клетку летучих мышей. Вспоминая об этом, Гриффин пис ал: «Как только я поднес летучих мышей к аппарату Пирса, сразу же обнаружи лось, что они издают множество звуков, но почти все эти звуки попадают в ди апазон частот, лежащих выше порога слышимости человека». Пирс и Гриффин провели частотный анализ звуков, излучаем ых летучими мышами в полете, и установили, что частоты этих звуков лежат в диапазоне 30000— 70000 Гц при наибольшей интенсивности в области 45000— 50000 Гц. Дале е они обнаружили, что животные издают звук не непрерывно, а в виде дискрет ных импульсов, длительность которых составляет 1/100 – 1/200 с. Однако установление факта излучения ультразвука летучи ми мышами, несмотря на всю его важность, еще не объясняло способность жив отных беспрепятственно летать в полной темноте. Требовалось в условиях точного эксперимента доказать, что летучие мыши действительно использ уют ультразвук в целях ориентировки в пространстве и что они способны во спринимать эхо от этих звуков, отраженных от встречаемых на пути препятс твий. Используя барьеры вертикально натянутых проволок, Гриффин и Галам бос получили количественную оценку способностей летучих мышей преодол евать препятствия при частичном или полном выключении зрения, слуха и пр и закрывании рта. Эксперименты Гриффина и Галамбоса вновь подтвердили, что летучие мыши отлично ориентируются и без участия зрительной рецепции, н о полное (двустороннее) или частичное (одностороннее) выключение слухово го аппарата влечет за собой резкое ухудшение их способностей своевреме нно обнаруживать и избегать препятствия. Однако в этих опытах авторы пош ли дальше своих предшественников. Они показали, что закрывание рта летуч ей мыши, лишающее ее возможности издавать эти высокочастотные звуки, ока зывается столь же эффективным, как и плотное затыкание ее ушей. Первоначально летучих мышей считали единственными пред ставителями животного мира, использующими эхолокацию в целях ориентир овки в пространстве. Но уже 50-е годы принесли новые неожиданные открытия. В 1953г. зв уковая локация была обнаружена у ночных птиц гуахаро, гнездящихся в глуб оких пещерах Венесуэлы, а несколько позднее — у стрижей-саланганов, у од ного из родов группы крыланов и ластоногих (см. приложения, рисунки 5, 6, 7), нек оторых насекомых и грызунов. Но наибольшую сенсацию вызвали сообщения о наличии эхолокации у обитателей водной среды — китообразных (см. прилож ения, рисунки 8, 9). Честь этого открытия признается за пионером в изучении п оведения и биологии дельфинов в неволе, куратором океанариума в Сан-Авгу стино А. Мак-Брайдом. Использование локаци и в технике В туманные декабрьские дн и 1943 года из пор тов Англии вышел большой караван грузовых ко раблей. Кора бли везли военные грузы в один из северных морских портов нашей Родины. У бере гов вражеская воздушная разведка обнаружила караван. Немцы выслал и наперерез англичанам «карманный» линкор «Шарнхорст». Военные корабли, охранявшие ка раван, с по мощью специальной радиоаппаратуры нащупали немецкий линкор и встретили врага огнем. Во мраке полярной ночи стрельба корректировала сь по наблюдениям на экранах радиолокационных станций. «Шарнхорст» попытался уйти от обстрела. Не сколько раз ему это уда валось. Но радиолуч, спо собный пройти сквозь тьму и туман, вновь и вновь н ащупывал немецкий линкор. Бой в черноте полярной ночи длился около десяти часов. «Шарнхорст» пошел ко дну... В том же 1943 году английская эскад ра при помощи радио обнаружила в просторах Атлантического океана немец кий линкор «Бисмарк». Из низко нависших туч лил дождь. В этом морском сраж ении обе стороны применили радиолокационную аппаратуру. Бой продолжался три дня. «Бисмарк» пошел ко дну от попадан ия трех торпед, после того как был предварительно поврежден огнем артилл ерии. Однако немецкий линкор своим огнем пустил ко дну самый большой в то время в Англии крейсер «Худ». По утверждению специалистов, гибель «Худа» последовала и з-за кон сервативности командования английского крейсера. Дистанцию до «Бисмарка» на «Худе» определили по показани ям опти ческого дальномера и показаниям радиолокационной станции. Когд а между ними оказалось расхождение, то командование предпочло доверить ся оп тике. Залп с «Худа» лег с недолетом: дистанцию правильно определила ра диолокационная станция и неверно оптический дальномер. Внести попра вку уже не удалось. Ответные снаряды с «Бисмарка» пробили броневой пояс крейсера и по чистой случайности попали в артиллерийский погреб. После довал взрыв, и «Худ» быстро затонул. Радиолокация была самой большой тайной в годы второй мир овой вой ны. Не только гражданское население воюющих стран, но и не посвящ енные в эту тайну военные могли только удивляться необычному искусству опе раторов радиолокационных станций обнаруживать вражеские корабли и са молеты в темноте и в тумане. И только после войны в печати стали появляться сведения о б их устрой стве и принципе действия. Оказалось, что действуют они точно т ак же, как и летучие мыши. Разница только в том, что мыши расстояние до преп ят ствия определяют по запаздыванию звукового эха, а радиолокационные с танции - по эху радиоволн. Вы стоите у скалы и, громко крикнув, слышите эхо своего гол оса. Зная скорость звука и измерив по часам время от начала крика до прихо да эха, легко определить расстояние до скалы. Подобно этому радиолокатор из лучает мощный электромагнитный сигнал, а затем принимает его слабое от ражение. Правда, скорость распространения радиоволн не 340 м/с, как у звук а, а 300 000 000 м/с. Почти в миллион раз больше! Поэтому и время про хождения сигнал а до препятствия и обратно измеряется не в секундах, как в первом примере, а в микросекундах. Антенна большинства радиолокационных станций имеет фор му вогнутого прожекторного зеркала. Для уменьшения веса ее делают не из сплошных металлических листов, а решетчатой или из сетки. Такая антенна посылает радиоволны не во все стороны, как радиовещательная станция, а у зким лу чом, подобно прожекторного зеркала. Направление радиолуча можно изменять по желанию: поворач ивая ан тенну вверх или вниз, вправо или влево. Если электромагнитный сигнал не встретит на своем пути п репятствия, то он уйдет в космическое пространство и там исчезнет. Если ж е встретится какой-либо предмет - корабль, самолет, скала или айсберг, ради олуч отра зится от него и пойдет обратно. Далее отраженный сигнал улавли вается специальным приемником. Следовательно, направление на цель с помощью радиолокато ра опреде ляется довольно легко. Цель, например корабль или самолет, нахо дится там, откуда вернулось эхо. Указателем направления служит зеркало антенны. Оно «смот рит» точно на цель. Если цель движется, то оператор станции, поворачивая а нтенну или изменяя ее наклон, может неотступно следить за нею, как следят за самолетом прожектористы, когда его удается «поймать» лучом прожекто ра. Радиолокатор, как и летучая мышь, посылает свои сигналы отдельными , отрывистыми импульсами. Импульсный сигнал должен быть очень мощным, чт обы вообще можно было уловить его слабое эхо. Длительность каждого импульса со ставляет несколько миллионных до лей секунды. Передатчик обязан прерыв ать работу, чтобы приемник в пау зах мог улавливать эхо, вернувшееся от це ли. Здесь заложен такой прин цип: «рот» молчит, когда «уши» слушают. Кроме того, когда передатчик излучает радиоимпульс, приемник должен быть закр ыт для приема сигнала. В противном случае он «оглохнет» и перестанет раб отать. Ученых давно интересовал такой вопрос: как летучие мыши у хитряются расслышать сравнительно негромкое эхо в том оглушительном у льтразву ковом сигнале, который сами же излучают? Как им удается не оглох нуть? Поиском ответа на этот вопрос занялся доктор О. Хенсон — а натом Уэльского университета. Ему удалось доказать правоту своего пред положе ния, высказанного лет сорок назад. Оказалось, что у летучих мышей е сть мышцы, закрывающие уши в момент излучения разведывательных уль траз вуковых криков. Точно такое же устройство имеется в радиолокаторе. Когда его передатчик излучает импульс огромной мощности, приемник на дежно з аперт электронным устройством. В первых радиолокаторах «рот» и «уши» — передающая и при емная антенны — помещались вдали друг от друга. Но так как передатчик и п риемник все равно не могут работать одновременно, то такое разделение ок азалось бесполезным. Теперь одна и та же антенна поочередно обслу живае т то передатчик, то приемник. Время, которое потратит радиосигнал на путешествие до це ли и обратно, измеряет прибор, который называется индикатором радиолока ционного изображения. Внешне он похож на обычный школьный осциллограф. П о его экрану то и дело слева направо пробегает зеленый «зайчик», оставля я в виде следа светящуюся прямую линию. В момент посылки станцией радиосигнала световой луч полу чает боко вой толчок. От этого толчка светящаяся линия на экране подскак ивает, образуя зигзаг. Такой же толчок получит луч в момент возвращения р адио эха. Светящаяся линия опять подскочит, образуя новый зигзаг. Рассто яние между двумя зигзагами на линии, прочерченной электронным лучом, дае т возможность определить расстояние до вражеского корабля или самолет а. При этом никаких сложных вычислений делать не приходится. На экран за р анее накладывается шкала с километровыми отметками. Теперь грузовой или пассажирский пароход идет в туманной мгле или ночью так же уверенно, как и в ясный солнечный день. Радиолокатор зара нее предупреждает капитана о приближении встречного судна или айс берга, в тумане пересекающего путь кораблю. Штурман больше не сетует на о б лака, скрывающие от него солнце и звезды, мешающие ориентироваться. Он т ак же уверенно чувствует себя при отсутствии видимости, как и лету чая мы шь ночью. Для кибернетики и летучая мышь, и радиолокационная станция — это машины. А объединяет их тот обратный сигнал, который в том и в другом случа е несет информацию о расстоянии до препятствия. Эхолок атор Всем удобен эхолокатор «Редут -0001», но вот беда — слишком мал радиус действия. Уметь определять препятст вия на расстоянии до одного метра часто оказывается недостаточным. Хорошо установить звуковой локатор на катер и отправитьс я с товарищами в длительное путе шествие. Никакой туман не страшен, и можн о уве ренно плыть в темноте. Но для этого нужно, чтобы прибор определял ди станцию до препятствия на расстоянии 4— 5 м так же уверенно, как и на од ном метре. На рисунке (см. приложения) в самом верху приведена временн ая диаграмма импульс ных посылок летучей мыши. Там же дана формула, связы вающая частоту посылок с расстоянием до препятствия. В справедливости формулы можно убедиться, сравнивая эксп ерименталь ные данные, полученные американским ученым Дональдом Грифф ином, с расчетными. Зоолог был далек от рассмотрения летучей мыши как маш ины с обратной связью и потому допустил неточность. Отсутствие кибернет иче ского подхода при рассмотрении механизма работы живого локатора не дало ему возможности усмотреть имеющуюся закономерность. А то, что такая связь существует, видно из таблицы. Для расстояний 1,5 и 4 м эксперимен таль ные и расчетные данные почти сходятся ( см. приложения, таблица 1). Чело веку есть чему поучиться у летучей мыши Пещеры служат убежищем иногда для нескольких тысяч и даже миллион ов летучих мышей. Известно, что в Бракенской пещере, расположенной на юге США, обитает свыше 20 миллионов летучих мышей. Каждый вечер это огромное коли чество зверь ков покидает свое убежище, чтобы снова вернуться в него утр ом. При этом мыши, как правило, не сталкиваются и не мешают друг другу. Можн о только удивляться совершенству их приемного аппарата, как при такой сл ожной звуковой какофонии каждая мышь безошибочно выделяет и принимает эхо именно принадлежащего ей сигнала. Сейчас, когда в эфире работает столько радиостанций, поро й мешающих друг другу, отличные «мышиные» принципы селекции собственны х звуков привлекают внимание радиофизиков и инженеров. Принцип действия модели звукового локатора Создавая модель звукового локатора, мы также воспользо вались решениями, используемыми летучей мышью. Блок-схема аппаратуры, да нная на рисунке (см. приложения, рисунок 10), поможет разобраться в ее работ е. Всего в аппаратуре четыре «черных ящика», плюс громкоговоритель, м и крофон и частотомер со стрелочным прибором. Назначение усилителей не требует пояснений — они усиливают сигнал. Звуковой генератор — это при бор, вырабатывающий сигнал определенной частоты. В разбираемой схеме частота равна 5000 Гц. Детектор выделяет из звукового имп ульса его огибающую. Частотомер измеряет частоту сигнала. По показаниям стрелочного прибора можно определять расстояние до препятствия, поско льку оно одно значно связано с частотой генерации. Работает схема так. Сразу же после включения аппара туры начинает действовать звуковой генератор. Но мощность его выходног о сигнала, к со жалению, невелика. Поэтому между звуковым генератор ом и громкоговорителем поставлен усилитель мощности. В результате гром коговоритель будет издавать доволь но громкий звук с частотою 5000 Гц. По прошествии некоторог о времени эхо от посланного сигнала попадет на микрофон . Далее оно усилится усилителем сигнала и поступит на детектор. Как тольк о на выходе детектора появится сигнал огибающей, он тут же заставит замолчать звуковой генератор. Так специально устроена с хема. Пока на выходе детектора имеется какое-то напряжение, звуковой ген ератор не работает. Значит, работал генератор ровно столько, сколько вре мени потребовалось, чтобы сигнал от громкоговорителя дошел до микро фон а. Столько же времени после этого громкоговоритель будет молчать. Рассмотренный цикл, состоящи й из звукового импульса и паузы, будет повторяться через каждые Т с. В резу льтате схема будет генерировать зву ковые посылки с частотой : Остается измерить частоту генерации и перевести ее в рас стояние до препятствия. Эту задачу решает частотомер. Расстояние до преп ятствия равно: где с — скорость звука в метрах за секунду, f — частота генерации в герц ах. Вот так работает мой звуковой локатор. Примерно так же раб отает и локатор летучей мыши. Как и большинство кибер нетических конструкций, описываемых в книге, модель звукового локатора разбита на самостоятельные платы. Всего плат три: плата усилителя сигнал а, плата усилителя мощности и плата звукового генератора совместно с дет ектором. Начинать нужно с их изготовления и на ладки. Тогда сборка всей ап паратуры не займет у вас много времени и ло катор непременно сразу же зар аботает. При такой последовательности в ра боте вы не только глубже пойм ете функционирование каждого «черного ящика», но и сможете внести усове ршенствования в блок-схему. Схема ча стотомера настолько проста, что мон тируется она вся на небольшой панель ке, укрепленной сзади стрелочного прибора. У силитель сигнала Электрическая схема дана на рисунке 11 (см. приложения ). Это трехкаскадный усилитель с коэффициентом усиления около 1000. Он одинаково хорошо усиливает переменное напряжение звуковой ч астоты в пре делах от 100 Гц до 10 кГц. В радиоэлектронике в таком случае говор ят, что усилитель имеет линейную частотную характеристику в пределах от 100 Гц до 10 кГц. Схема усилителя интересна для нас еще тем, что она им еет четыре отри цательных обратных связи. На три каскада — четыре обрат ных связи! Не слишком ли много? Поскольку все обратные связи отри цательные, то от усилителя можно ожидать стабильной работы. Как бы ни мен ялись внешние условия, включая температуру и питающее напряжение или па раметры отдельных деталей, его основные характеристики будут оставать ся неизменными. Это прежде всего относится к коэффициенту усиления. Отрицательная обратная связь всячески старается свести к нулю любое первоначальное возбужден ие схемы и тем самым ста билизирует ее работу. Другое дело положительная обратная связь. Доста точно незначительного отклонения от состояния ра вновесия, как оно будет все возрастать и возрастать, пока система не прид ет в другое, новое для нее состояние. Чтобы пояснить стабилизирующее действие отрицательной обра тной связи и дестабилизирующее действие положительной обратной связи, на ри сунке 12 (см. приложения ) приведены два примера из механики. Левый рисунок эквивален тен устойчивой системе, охваченной отрицательной о братной связью. Если по каким-либо причинам шарик отклонится от состояни я равновесия, то после нескольких покачиваний он обязательно все же снов а его займет. Что ка сается правого рисунка, то без пояснения понятно, что в этом случае поло жение шарика крайне неустойчиво. Он обязательно скат ится вправо или влево. Этот случай эквивалентен поведению схемы с положи тельной обрат ной связью. К примерам с шариками мы еще не раз вернемся. Более на глядно, пожа луй, и не расскажешь, что такое устойчивая система и как веде т себя не устойчивая система. Под рисунками с шариком даны четыре электрические схемы. Три и з них — различные усилители с отрицательной обратной связью. Четвертая схема представляет генератор звуковых частот. Эта схема охвачена поло ж ительной обратной связью. Рассмотрение начнем со схемы «а». Это обычный однокаскадный у сили тель с обратной связью в цепи эмиттера. Один такой к аскад обеспечивает усиление сигнала в 50 — 100 раз. Для чего понадобилось усложнят ь схему и включать резистор R э , а па раллельно ему еще конденсатор С э ? Больше всего неприятностей при работе транзистора доста вляет зависи мость обратного тока коллектора I к.о. от температуры. При повышении тем пературы обратный ток транз истора увеличивается примерно в два раза на каждые 10°С. Если, например, пр и температуре 20°С ток 1 К . 0 составляет 5 мкА, то при повышении температуры до 50° С он воз растет примерно до 40 мкА. Само по себе такое изменение тока коллектора (вс его на 35 мкА) в большинстве случаев было бы не страшно. Но имеется одно «но» , которое портит все дело. При включении транзистора в схему «а» в цепи кол лектора, помимо тока, равного 10-Д будет протекать так называемый сквозной ток I ’ к.о. : I ’ к.о. = I к.о · ( b +1), где b — коэффициент усиления транзистора, а I б — ток базы, определяе мый резистором R 6 . Из формулы следует, что увеличе ние тока I к.о на величину D I к.о =35 мкА будет соответствов ать, например при b = 49, увеличению тока колл ектора на величину: D I ’ к.о. » I к.о · ( b +1)=35(49+1)=1,75мА. Обратный ток коллектора возрос на 35 мкА, а общий ток — на 1,75 мА. С таким током уже нельзя не считаться. Возрастание тока коллектора нежелательно по двум причин ам. Во-пер вых, оно приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R э -Напряжение межд у коллектором и эмиттером транзистора при этом резко уменьшится и может упасть почти до нуля. Во-вторых, увеличение тока кол лектора влечет за соб ой изменение параметров транзистора и в первую оче редь коэффициента ус иления b . Обе разобранные причины и заставили нас прибегнуть к усл ожнению схемы, чтобы повысить стабильность рабочего коллекторного ток а при из менении температуры. Вот как теперь она работает. Увеличение сквозного тока коллектора D I ’ к.о (см. приложения , рисунок 12 «а») при повышении температуры приведет к увеличению падения напряжения на рез исторе К э . Вследствие этого напряжение ме жду точками 1 и 2 уменьшится, что при ведет к уменьшению тока I б в резисторе R б , а также и в базе транзистора. Составляющая тока коллектора I K = I б b при этом уменьшится. Зная, что пол ный ток коллект ора I к состоит из д вух составляющих I к = I ’ к.о. + I б · b можно сделать такой вывод: температурные изменения первого слага емого ( I ’ к.о ) приведут к обратным по знаку изменениям второго слагае мого ( I б ·b ). При правильном выборе параметров схемы оба слагаемых в некоторой мере компенсируют друг друга так, что коллекторный ток транзи стора при этом остается неизменным. Усилитель — это, пожалуй, самый простой «черный ящик». К тому же он чаще других встречается в кибернетических конструкциях. Нигде обратная связь так широко н е используется, как в радиоэлек тронике. Каждый из двух каскадов схемы «б» (см. приложения, рисунок 12) работает точно так же, как схема «а». Их работа стабилизируется отрицат ельной обратной связью за счет резисторов R э1 и R э2 - Но этого оказалось недостаточно. За счет ре зистора Ro . c оба каскада охвачены еще третьей обратной связью. Разберем, как она рабо тает. Допустим, по каким-либо причинам, включая повышение темпе ратуры, несколько возрос коллекторный ток транзистора T 1 .Тут же уменьшится на пряж ение между коллектором первого транзистора и общим проводом, и как следс твие упадет ток базы второго транзистора. При этом коллекторный ток Т 2 также уменьшится, что повлечет уменьшени е падения напряжения на ре зисторе R э2 . Поскольку ток базы транзистора T 1 в основном определяется э тим напряжением, то он также уменьшится. Кольцо обратной связи замкнулось, в результате чего колл екторный ток первого транзистора восстановит свое прежнее значение. В с хеме «б» мы имеем дело с отрицательной обратной связью. Устойчивость раб оты схемы обеспечена. За счет отрицательной обратной связи, охватывающей оба к аскада Ro . c , схема «б» стабильно работает при изменении окружающей те мпературы от -10°С до +40°С. Общий коэффициент усиления равен 1000. По той же прич ине входное сопротивление усилителя повысилось с 500— 1000 Ом до 1,5— 2,0 кОм. Кольцо обратной связи замкнулось, в результате чего колл екторный ток первого транзистора восстановит свое прежнее значение. В с хеме «б» мы имеем дело с отрицательной обратной связью. Устойчивость раб оты схемы обеспечена. За счет отрицательной обратной связи, охватывающей оба к аскада Ro . c , схема «б» стабильно работает при изменении окружающей те мпературы от — 10°С до +40°С. Общий коэффициент усиления равен 1000. По той же пр ичине входное сопротивление усилителя повысилось с 500— 1000 Ом до 1,5— 2,0 кОм. Режим работы второго транзистора выбирается из условия, чтобы напря жение между коллектором Т 2 и о бщим проводом было равно половине пи тающего напряжения. Это достигаетс я подбором величины резистора R э1 в пределах 500— 1000 Ом. Величина коллекторного напряжения пер вого транзистора не критична и может меняться в зависимости от b транзи стора от 2 до 4 В. Усилитель одинаково хорошо усиливает сигнал с частотами от 100 Гц до 10 кГц. Очень интересна в работе схема «в» (см. приложения , рисунок 12). В литературе она назы вается эмитте рным повторителем. На эмиттерном резисторе R э полностью повторяется входной сигна л с коэффициентом передачи, несколько меньшим единицы. Тут же возникает вопрос: для чег о нужна такая схема, если она не уси ливает сигнала? Эмиттерный повторитель — это каскад, имеющий большое вх одное сопро тивление (несколько сотен килоом) и очень малое выходное соп ротивление, равное 5— 20 Ом. Это, собственно, не усилитель, а трансформатор с опро тивлений. Ставится он там, где нужно в схеме иметь низкоомный выход и высокоомный вход. Входное сопротивление эмиттерного повторителя примерн о равно R вх » R э ·b . Соп ротивление R э реко мендуется брать в пределах 1— 4,7 кОм, a b = 20— 50. При этом R вх будет лежать в пределах 20— 250 кОм. Ни в одной другой схеме нет такой отрицательной обратной связи, ка к в эмиттерном повторителе. Здесь она равна 100%. Это значит, что весь сигнал с выхода схемы полностью прикладывается к ее входу. Схема рабо тает очень стабильно. Разберите схему обратной связи самосто ятельно. Необходимый опыт у вас теперь есть. Рассмотрев работу всех трех схем, «а», «б» и «в» ( см. приложения , рисунок 12 ), можно сде лать следующий вывод: отрицательная обратна я связь всегда повышает устойчивость работы аппаратуры. Этого никогда н е следует забывать, и надо стараться как можно чаще ею пользоваться. Рассказывая об использовании обратной связи в ради оэлектронных схе мах, следует напомнить о генераторах синусоидальных к олебаний. Без них теперь не обходится ни радиопередатчик, ни радиоприемн ик. Схема, пока занная на рисунке 3, г, есть генератор звуковых частот. Ее по дробный раз бор будет дан при описании платы «детектор — звуковой гене ратор». Изготовление платы «усилитель сигнала» ( см. приложения , рисунок 11 ) начин ается с основа ния. Вырезается оно из куска гетинакса или текстолита тол щиной 2,0— 2,5 мм. Размеры берутся из рисунка 13 (см. приложения) . Монтажными стойками служат кусочки медной проволо ки (гвоздики) толщиной 1 мм, вставленные в отверстия платы, залитые на рису нке черной краской. Данные деталей берутся из э лектрической схемы. Резистор R 5 пока не ставить. Сделать это при на лажива нии схемы. Транзисторы T 1 — T 3 перед установкой в схему проверяются на т естере. Коэф фициент усиления должен находиться в пределах 50— 100. Подойду т не только транзисторы, указанные на схеме, но и П13 — П16. Налаживание платы сводится к подбору резистора R 5 . Временно с тавится вместо него переменный резистор 1,5— 2,2 кОм. Нужно подобрать велич ину так, чтобы вольтметр постоянного тока, подключенный параллельно R 8 , показ ы вал 4,5 В. Далее переменный резистор заменяется постоянным. Его ве личина должна быть равна сопротивлению переменного резистора, заме ренному на омметре. Для окончательной проверки работы схемы на вход усил ителя (точки 2— 3) от любого звукового генератора подаётся сигнал в 1 мВ с ча стотой 1000 Гц. Движок переменного резистора R 3 поставьте в кр айнее верхнее положение. На выходе (точки 6— 7) вольтметр переменного тока должен показать не менее 1 В. Разделив показания прибора на 1 мВ, вы получите величи ну коэффициента усиления усилителя. Как уже говорилось, он не должен быт ь меньше 1000. В крайнем нижнем положении движка резистора R 3 вольтметр пок ажет отсутствие сигнала. Усилитель мощности Не всегда от усилителя требует ся, чтобы он усиливал сигнал по напряжению. Иногда как раз все наоборот, на вход по дается сигнал, больший по амплитуде, чем снимается с выхода. Значит, такой усилитель вовсе не усиливает? Нет, усиливает . Только усиливает он сигнал не по напряжению, а по мощности. На вход его по ступает сигнал незначительной мощности, ну, скажем, в несколько микро ва тт (мкВт), а с выхода снимаются сотни милливатт (мВт), а то и целые ватты (Вт). Выходная мощность на шего усилителя ( см. приложения , рисунок 14 ) составляет 0,2— 0,25 Вт. Питается с хема от любого источника постоянного тока напряжением 9— 12 В. Одним из вар иантов питания являются две последовательно соединенные ба тареи от ка рманного фонаря типа 3336Л. Усилитель потребляет ток 30— 35 мА в режиме максимальн ой мощности. Выход усилителя рассчитан на работу с электродинамическим громкогово рителем, имеющим сопротивление звуковой катушки 6— 10 Ом. Нам п одой дут малогабаритные громкоговорители типа 0,1 ГД, 0,15ГД, 0,2ГД и 0,25ГД. Входно е сопротивление усилителя составляет 2 кОм. Чувствительность, со ответс твующая номинальной мощности, равна 0,2— 0,3 В. Схема ( см. приложения , рисунок 14 ) имеет один каскад предварительного усиления напряже ния на транзисторе Т1 и выходной двухтактный каскад, ра ботающий в ре жиме класса В на транзисторах Т 2 и Т 3 . Выбранная схема выходного каскада делает усилитель очень экономич ным по питанию. Транзисторы Т 2 и Т 3 работают при токе покоя коллектора в несколько миллиампер. Ко гда на схему не подается никакого сигнала, ток коллектора Т 2 и Т 3 равен 1— 2 мА. Пожалуй, самыми ответственными деталями усилителя я вляются транс форматоры Тр 1 и Тр 2 . При их изготовлении нужно быть ос обенно вниматель ными. Лучше всего купить их в магазине. Междукаскадный трансформатор и выходной трансформатор — от карманных приемников «Га уя», «Селга», «Сокол», «Альпинист», «Атмосфера» или «Юпитер». Мож но испол ьзовать и другие типы трансформаторов от малогабаритных прием ников, ли шь бы их намоточные данные были близки к приводимым ниже. Самодельный междукаскадный трансформатор Тр 1 выполнен на сердеч нике из пермаллоев ых пластин Ш-6 или Ш-8, толщина набора — 6 мм. Пер вичная обмотка содержит 2000 ви тков провода ПЭ 0,1. Вторичная обмотка состоит из двух секций по 500 витков пр овода ПЭ 0,1 в каждой. Выходной трансформатор Тр 2 собирается на таком же сердечнике, что и междукаскадный. Пе рвичная обмотка содержит две секции по 400 витков провода ПЭ 0,14. Вторичная о бмотка имеет 100 витков провода ПЭ 0,35. Когда трансформаторы полностью собра ны, проверьте их обмотки на обрыв. Данные остальных деталей усилителя мощности приведе ны на рисун ке 9. Транзисторы Т 1 — Т 3 перед тем, как впаивать в схему, об язательно про верьте на тестере. Нам подойдут транзисторы с коэффициент ом усиления от 30 до 60. Обратите обязательно внимание на начальный ток колл ектора I к.н. Отберите те транзисторы, у которых I к.н. не превышает 5 мкА. Вся электрическая сх ема, включая два трансформатора, монтируется на гетинаксовой или тексто литовой плате размером 120X80 мм, толщиной 2,0— 2,5 мм. По рисунку 6, а на плате произведите разметку отверстий. Те из ни х, что залиты краской, просверлите сверлом диаметром 1 мм. Затем во все мил лиметровые отверстия вставьте кусочки медного провода (гвоздики) диаме тром 1 мм и длиной 10 мм. Расположение деталей на плате и сам монтаж сделайте строго по ри сунку 15, б ( см. приложения) . Особенн о внимательны будьте при распайке выводных концов трансформаторов. Нап утаете в их подключении, усилитель работать не будет. Отыскать такую оши бку бывает трудно даже опытному инженеру, в распоряжении которого имеет ся вся необходимая измерительная аппа ратура. Наладка схемы сводится в первую очередь к проверке монтажа. Необ ходимо тщательно проверить распайку выводов транзисторо в. При этом же лательно убедиться в правильности номинальных значений р езисторов. Кто из вас не имеет еще достаточного опыта, именно в этом чаще в сего допу скает ошибки. Если ошибочно впаяна деталь с другим номиналом, о тыскать неисправность бывает очень трудно. Необходимо в этой схеме замерить мощность сигнала, подаваемого на громкоговоритель. Она и является выходной мощностью наш его уси лителя. Подайте на вход платы ( см. приложения , точки 2 — 3, рисунок 15) от звукового генерато ра переменное напряжение 0,2 В, частотой 1000 Гц. К точкам 6— 7 подключите громко говоритель нужного типа. Перемещая движок резистора R 1 вверх, добе йтесь максимальной громкости сигнала. Усилитель работает! Любым вольт метром переменного тока измерьте напряжение сигнала, подаваемого на гр омкоговоритель (точки 6— 7). Подсчет выходной мощ ности производится по фо рмуле: где U — напряжение по прибору в вольтах, R — сопротивл ение звуковой ка тушки громкоговорителя в омах. Предположим, что прибор покажет напряжение 1,5 В, а сопроти вление звуковой катушки равно 10 Ом. Тогда мощность сигнала, подаваемого н а громкоговоритель, равна: В этом случае из громкогово рител я должен раздаваться довольно громкий чистый звук. Если полученная мощность окажется меньше 0,2 Вт, то следует подо брать величину резистора R 6 . Эту операцию удобно проводить с помощью переменного рези стора несколько большего номинала, нежели рекомендуе мый. Последовател ьно с переменным резистором обязательно включите по стоянный резистор в 2 — 3 кОм. Он предохранит транзисторы от случайной перегрузки большим то ком, который может возникнуть при выдвижении движка в сторону минимальн ого значения. Одновременно контролируется коллекторный ток обоих тра нзисторов. В режиме покоя, то есть при отсутствии входного сигнала, он не д олжен быть больше 1— 2 мА. Миллиамперметр с током полного отклонения в 5 мА включается между средней точкой трансформатора Тр 2 и проводом питания. Как ни проста схема усилителя мощности, но и в ней не удает ся обойтись без обратной связи. Я уже говорил, в схемах радиоэлектроники они вас будут преследовать всюду, и к этому будьте всегда готовы. В рассма три ваемой плате имеется одна отрицательная обратная связь за счет эмит терного резистора R 4 . Работа похожей схемы нами уже разбиралась. Такая связь не только стабилизирует работу первого каскада по температуре, но и увеличивает входное сопротивление до 4— 5 кОм. Звуковой ге нератор и детектор Полная электрическая схема дана на рисунке 16 ( см. приложения) . С первого взгляда любая схема кажется сложной и зап утанной. Но этого не следует бояться, сложна она только вначале. С чего начинать разбор электричес кой схемы неизвестного электронного устройства? Вначале все устройство постарайтесь представить в виде « черного ящи ка» и уясните, для чего он нужен, для решения каких задач пред назначен. Заодно уточните сигналы, которые подаются на «ящик» и которые с него снимаются. Как бы ни было сложно устройство, разобраться в нем поможе т описа ние блок-схемы машины. Назначение блок-схемы — разбить машину на блоки (устройс тва) и рас смотреть, как они взаимодействуют друг с другом. А что значит на языке кибернетики «взаимодействуют друг с другом»? Это значит, какими сигналами обмениваются между собою отдельн ые устройства, какие сигналы подаются на их входы и какие снимаются с вы х одов. В нашем случае «черный ящик» — это плата звукового генератор а и детектора. Разбирая блок-схему модели звукового локатора, вы должны б ыли уяснить себе ее назначение. На вход платы ( см. приложе ния , рисунок 16, т очки 2— 3) подается сигнал эха, который перед этим усиливается платой усил ителя сигналов. Входной сигнал имеет вид прерывистых звуковых импульсо в с частотой за полнения около 5000 Гц. Далее нам известно, что в плате имеется схема генера тора звуковых ко лебаний, которая генерирует только тогда, когда сигнал на входе отсутст вует. При возвращении эха генератор тут же прекращает р аботать на время, пока сигнал не исчезнет. Сигнал звукового генератора, р аботающего все время вот в таком прерывистом режиме, и является выходным сигналом платы. Больше о работе разбираемой пл аты вам пока ничего не известно. Но, оказывается, и того, что известно, впол не достаточно, чтобы самостоятельно составить электрическую схему вну тренностей «черного ящика». Вариантов здесь будет, конечно, много. Кажды й из вас захочет внести какие-либо «усовершенствования». Разбирать работу незнако мой схемы советую всегда слева направо по направлению прохождения сигн ала. Вы уже могли заметить, что вход схемы всегда чертится на рисунке слев а, а выход — справа. Как правило, если не все, то боль шинство каскадов вам всегда будет знакомо. Тогда остается разобраться в о взаимодействии их друг с другом. Например, в плате рисунка 16 ( см. приложения) первые два каскада вам долж ны бы ть известны. Каскад на транзисторе T 1 — это электрический фильтр. Работает он так же, как и электронное реле, с той лишь разницей, что реагирует только на сигнал со строго определен ной частотой. Когда сигнал на вход каскада не подается или подается с ча стотой, не равной частоте настройки фильтра, транзисто р заперт. Как вы думаете, почему в плате используется селективное электронн ое реле? То есть такое реле, которое реагирует на сигнал с определенной ча стотой, равной резонансной частоте контура L 1 C 1 . С выхода первого каскада ( см. приложения, рисунок 16) сигнал через рези стор R 4 поступает на эмиттерный повторитель, собранный на транзисто ре Т 2 . Напряжение на его выходе п олностью повторяет сигнал на входе. Нагрузкой эмиттерного повторителя служит каскад на транзисторе Т 3 . Это и есть генер атор звуковых частот. Когда транзистор T 1 заперт, все на пряжение питания платы через резисторы R 3 и R 4 прикладывается к базе транзистора Т 2 и далее на схему генератора. В результате генератор г енери рует звуковые колебания. Когда транзистор T 1 открыт — генератор не рабо тает, напряжение на него не подает ся. Генератор, генерировать ... Как часто мы произносим эти слова. А что такое генератор? Если обратиться к «Словарю радиол юбителя» С. Э. Хайкина (1966), то там сказано так: «Генератор — это прибор, гене рирующий (создающий) электрические напряжения или токи». Кибернетику тр удно согласиться с та ким определением. На любое незнакомое устройство он смотрит как на «черный ящик» и старается прежде всего исследовать его входной и выход ной сигналы. Физика это положение тоже подтверждает. Из нее вы знаете, ч то перпе туум мобиле невозможен! Чтобы генератор генерировал, на него нужно подавать пита ющее напря жение. Это и будет в конкретном случае входным сигналом разби раемого «черного ящика». Выходным сигналом является генерируемое пере менное напряжение звуковой частоты. Если входной сигнал отсутствует, то есть если на схему генератора не подается питающего напряжения, то, есте ст венно, выходной сигнал будет равен нулю. Внутренности генератора могут быть самыми разными. Но во всех слу чаях в схеме должен быть усилитель с коэффициентом усиления бо льше единицы, охваченный положительной обратной связью. Разберем, как действует положительная обратная связь в схеме ри сунка 16 ( см. приложения) . Усилитель в схеме найти нетр удно. Он собран на транзисторе Т 3 . Его на грузкой является колебательный контур L 2 , C 3 , С 4 . Подобный усилитель в ра диотехнике наз ывается резонансным усилителем. Ему не безразлично, какой сигнал усилив ать. Если частота входного сигнала близка к резонансной частоте контура , коэффициент усиления резко возрастает. Для всех осталь ных частот он мо жет быть даже меньше единицы. Вот почему рассматри ваемую схему еще назы вают селективным усилителем. Цепь положительной обратной связи — это провод, идущий от конденса торов С 3 — С 4 к резистору R 7. Поскольку используется селективный усили тел ь, то схема будет генерировать сигнал только с частотой, равной резонанс ной частоте контура L 2 , C 3 , С 4 . Это потому, что положительная обратная свя зь работает только на этой частоте. Перестройку частоты проще всего прои зводить, изменяя индуктивность катушки сердечником подстройки. В схеме генератора можно исп ользовать и обычный усилитель, где на грузкой является резистор. Но в это м случае условия генерации соблю даются одновременно для большого числ а гармонических сигналов с раз личными частотами. Получится обычный мул ьтивибратор, с работой кото рого вы уже знакомы по второй главе. На этом разбор схемы звукового ген ератора и детектора закончим. Чертеж и монтажная схема даны на рисунке 8. Катушки L 1 и L 2 намота йте, используя ферритовый броневой сердечник типа СБ-14 или ОБ-12. Число витк ов — 200— 250, провод — ПЭ 0,1. Налаживание платы лучше начи нать с генератора. Подайте на него от двух последовательно включенных ба тареек 3336Л необходимое напряже ние и подбором резистора R 5 добейтесь, чтобы схема генерировала. Под ключите к точкам 6— 7 высокоомные головные телефоны, и вы услышите довольно громкий писклявый тон. Генератор работа ет. Измерьте частоту выходного сигнала. Если она значительно отличается от 5000 Гц, то попро буйте сердечником катушки L 2 перестроить индуктивность. Ког да и это не помогает, изменяйте число витков катушки. Вторым настраивается селективное реле на транзисто ре T 1 . Резонансная частота должна равняться ча стоте сигнала гене ратора. В противном случае придется подстраивать кон тур L 1 C 1 . Для окончательной проверки платы восстановите схем у и включите пи тание. В телефонах, подключенных на выход (точки 6— 7), вы усл ышите звук. Соедините коллектор транзистора Т 1 с общим проводом питания, звук должен пропасть. Напряжен ие питания в этом случае на генератор не по дается. Вот почему он замолчал . Тот же результат вы получите, если точку 2 соедините с точкой 1. Тран зистор T 1 откроется, и, как результат, нап ряжение на его коллекторе упадет до нуля. Испытания схемы подтвер дят вам не только исправную работу всех трех каскадов, но и правильное их совместное функционирование. Ни одну плату, а тем более такую сложную, ка к эта, нельзя ставить в устройство без пред варительной проверки. Частотомер Это прибор, на вход которого подается электрически й сиг нал неизвестной частоты напряжением 1— 5 В. Частота определяется не по средственно по стрелочному прибору, шкала которого размечена в герца х. И что самое ценное, в описываемом частотомере никакой предварительной градуировки не требуется. Все достигается расчетным путем с вполне дост а точной для нас точностью. При использовании частотомера в м одели звукового локатора шкалу удобнее разметить прямо в метрах до преп ятствия. Как перевести метры в герцы и наоборот, я уже писал в начале разде ла. Схема частотомера приведена на рисунке 18 ( см. приложения) . Принцип измерения осно ван на заряде и разряде конденсатора С 2 . Проследим с сам ого начала, как все получается. Во-первых, это поможет понять работу прибо ра, а во-вто рых, нам нужно вывести формулу, которая бы связала показания м илли амперметра с измеряемой частотой сигнала. Измеряемый сигнал через конд енсатор С 1 и ограничительный резистор R 2 поступает на базу транзистора T 1 . Посмотрите повнимательнее на схему: то, что нарисова но слева, — это самый обычный каскад усиления напряже ния. Единственное, что может вас смутить, так это несколько необычная его нагрузка, состоящ ая из двух диодов Д 1 и Д 2 и стрелочного пр ибора. Рабочая точка транзи стора выбирается строго на середине линейного участка, что достигается соответствующим подбором резистора R 1 . В ре зультате на выходе каскада на резисторе К 3 имеем ограни ченное с двух сто рон переменное напряжение неизвестной частоты. Но это только тогда, когда величина входного сигнала превышает 1 В. Вот почему ка ждый раз перед определением частоты неизвестного сигнала требуется из мерить его напряжение. Когда транзистор T 1 заперт, все напряжение источника пита ния прикла дывается к конденсатору С 2 , последовательно включенному с диодом Д1 и миллиамперметром. Диод Д 2 в этот момент заперт, так как включен в обрат ном направлении. Конденсатор С 2 будет заряжаться. Его зарядный ток, пр о ходя по рамке прибора, вызовет отклонение стрелки, пропорциональное с реднему значению проходящего тока. В тот моме нт, когда транзистор ti открыт, конденсатор С 2 разряжается через диод Д 2 и проходное сопротивление коллектор— эмиттер транзистора. Постоянные времени цепе й заряда и разряда выбраны таким образом, что при каждом цикле заряд — ра зряд конденсатор успевает зарядиться до напряжения источника питания и разрядиться до нуля. Поэтому можно считать, что полный заряд конденсат ора равен: где Q — заря д конденсатора , а E б — нап ряжение источника . Об этой форму ле вы мож ете прочитать в учебнике по физике для 10 -го класса. Весь ток электрического заряда протекает через мил лиамперметр за вре мя одного периода измеряемого сигнала — Т изм . Отсюда среднее значение тока, то ест ь ток, который показывает прибор, равен: где f изм — частота в герцах. Остальные обозначения вам уже известны. Чтоб ы получить окончательное выражение формулы. Q мы заменили на Теперь решим полученное выражение относительно f изм и получим искомую формулу , связывающую частоту сигна ла с показаниями миллиа м перметра : где С 2 — емкость в микрофарадах , I пр — показания стрелочного прибора в миллиам перах , Е б — напряжение источника питания в вольтах , Е б = 9 В. Емкость конденсатора и напряжен ие питания постоянны. Следовательно, ток, проходящий через прибор, завис ит только от измеряемой частоты сигнала. При конденсаторе С 2 = 1,1 мкФ расчетная формула принимает вид: Например , прибор показывает ток , равный 0,5 мА . В этом с лучае измеряе мая частота равна 50 Гц. В схеме частотомера используется миллиамперметр с током полного от клонения в 1 мА, что будет соответствов ать частоте 100 Гц. При С 2 =0,11 мкФ расчетная формула принимает вид: что соответствует 1000 Гц при полном отклонении стре лки прибора. Изготовление частотомера начинайте с подбора необхо димых радиоде талей согласно электрической схеме ( см. п риложения, рисунок 18 ). В качестве миллиамперметра подойдет любой стрело чный прибор по стоянного тока с чувствительностью 1 мА на всю шкалу. Необходимую величину емкости С 2 проще всего получить из двух парал лельно включенных конден саторов. Транзистор T 1 может быть любого .типа из МП39— МП42. Лишь бы он был исправен и имел коэффициент усиления 50— 100. Перед тем, как его впаивать в схему, не за будьте проверить на тестере. Величина резистора R 1 , подбирается в зависимости от b транзистора из условия работы каскада строго на середине линейной характеристики. При проверке диодов Д 1 и Д 2 на омметре обрат ите внимание на величину прямого сопротивления. Отберите те, у которых н аименьшее прямое сопро тивление. Схема настолько проста, что предварите льно собирать ее на макет ном шасси нет необходимости. Один из вариантов расположения деталей на плате, а также общий вид прибора показаны на рисунке 9. После того, как прибор смонтирован и подобрана величина резистора R 1 еще раз проверьте полярность подключения диодов. Шкалу стрелочного прибор а разметьте в герцах или метрах. Сборка звукового локатора Полная схема звукового локатора дана на рисунке 19 ( см. приложения ). Она вк лючает три платы: плату усилителя сигналов, плату уси лителя мощности и п лату звукового генератора с детектором. С работой и изготовлением всех т рех плат вы познакомились. Как работает частото мер, тоже знаете. Микрофо н и громкоговоритель можно использовать от эхолокатора «Редут-0001». Не заб удьте, что громкоговоритель подключается без выходного трансформатора , прямо к точкам а-а (рис. 5). Из физики вы знаете, как подсчитать длину волны звуковы х колебаний, зная их частоту и скорость звука. Формула такая: где l — длина волны звука в воздухе в сантиметрах , с — скорость звука в воздухе в сантиметрах за секунду , f — частота звуковы х колебаний в герца х . В нашем локаторе частота звуковых к олебаний выбрана равной 5000 Гц . Отсюда длина волны звуковых колебаний в воздухе равна 6,8 см. Рупор будет тогда излучать и принимать звук узким пучком, когда его размеры больше длины волны. Рупор от локатора «Редут-0001» этому усло вию полностью не удовлетворяет. Лучше сделать другой рупор, б ольшего размера, а капсюль оставить от ДЭМШ-1. Одно плохо: сразу же увелича тся габариты аппаратуры в целом. Конструктивно локатор может быть выполнен в двух вариантах ( см. приложения, рисунок 20 ). Один из них рассчитан на установку аппаратуры на катер или автомобиль, в торой — чтобы держать в руках. Оба варианта питаются от комплекта ба тар ей из двух 3336Л. Проверку работы локатора нач инайте на предметах, имеющих большую поверхность отражения, таких, как з абор или стена дома. Убедившись, что все работает, переходите к обнаружен ию стволов деревьев и густых кустар ников. При некотором опыте вы и их будете уверенно «видеть» на расстоя нии до 5 м. Используя звуковой локатор для измерения скорости звука, частоту им пульсных посылок придется опре делять с большей точностью. Описанный частотомер для этих целей уже не п одойдет. Он слишком груб. Здесь по дойдет метод измерения частоты с помощ ью осциллографа и звукового гене ратора по фигуре Лиссажу. Установите жестко локатор на расс тоянии пяти метров от глухой стены здания и измерьте частоту звуковых им пульсов в герцах. Скорость звука при этом определяется по формуле: с – 4 l • f (м/с), где l - расстояние от рупора до стены в метрах. Чем точнее измерите расстоя ние до препятствия и частоту импульсов, гсм точнее получите результат. Э ксперимент можно усложнить и попытаться определить зависимость скорос ти звука от температуры и влажности воздуха. Хотя звуковой локатор я и назвали моделью, но работает он отлично, как настоящий! Литература 1. Э.Ш.Айрапетьянц, А.И.Констант инов, «Эхолокация в природе», Ленинград, издательство «Наука» ленинград ское отделение, 1974г. 2. В.Г.Борисов, “Юный радиолюбитель”, Москва, издательств о «Радио и связь», 1972г. 3. А.И.Константинов, «Эхолокация животных», Москва, издате льство «Знание», 1982г. 4. Ю.М.Отряшенков, “Юный кибернетик”, Москва, издательств о «Радио и связь», 1978г. 5. Р. Сворень «Электроника шаг за шаг ом», Москва, издательство «Детская литература», 1986г. 6. С.Э.Хайкин, “Словарь рад иолюбителя”, издательство «Радио и связь», 1966г. 7. «Большая энциклопедия животного мира», / Е.Л.Богатырева, Т.В.Воронина, М.В.Комогорцева и др., Москва, издательс тво «Росмэн», 2001г.