Τι κοινό έχουν τα δελφίνια, οι φάλαινες, οι νυχτερίδες και το sonar; Η ερώτηση αυτή μοιάζει με μια πρώτη ματιά με ανέκδοτο! Κι όμως υπάρχει κοινό σημείο και αυτό είναι ο ηχοεντοπισμός. Πριν αναλύσουμε το θέμα του ηχοεντοπισμού, καλό θα ήταν να απαντήσουμε σε ορισμένα βασικά ερωτήματα!
Τι είναι ήχος;
Ο ήχος είναι ένα κύμα- διαταραχή που διαδίδεται σε ένα μέσο, π.χ. αέρας ή νερό και τελικά γίνεται αντιληπτό σε έναν δέκτη, π.χ. αυτί. Κάθε κύμα έχει μια πηγή. Η πηγή ηχητικών κυμάτων μπορεί να είναι:
- φυσική π.χ. ανθρώπινη ομιλία, ήχοι ζώων κλπ
- τεχνητή π.χ. κεραία
Αυτή η πηγή δημιουργεί μια αρχική διαταραχή, η οποία, με τη σειρά της, δημιουργεί μια νέα κ.ο.κ. Στην περίπτωση των θαλάσσιων κυμάτων, τα μόρια του νερού κινούνται, παρασύροντας το ένα το άλλο και τελικά αυτό που αντιλαμβανόμαστε μακροσκοπικά είναι μια συνεχόμενη κίνηση του νερού. Ανάλογο φαινόμενο είναι και αυτό της διάδοσης του ήχου στον αέρα. Στην πρώτη περίπτωση το μέσο διάδοσης είναι το νερό και στη δεύτερη ο αέρας.
Γιατί συχνά δεν ακούμε καλά τι μας λέει ο συνομιλητής μας;
Ο ήχος όπως και κάθε άλλο κύμα, κατά τη διάδοσή του εξασθενεί, λόγω απωλειών ενέργειας, ενώ συχνά υπάρχουν πηγές θορύβου στο περιβάλλον. Ως θόρυβο ορίζουμε κάτι που είναι ανεπιθύμητο και προκαλεί αλλοίωση της αρχικής πληροφορίας. Οι πηγές θορύβου γίνονται πιο εμφανείς, εάν αναλογιστούμε το βασικό σχήμα επικοινωνίας.
Το σχήμα αυτό, αποτελείται: από τον πομπό, το κανάλι επικοινωνίας (μέσο διάδοσης) και τον δέκτη. Ιδανικά, το σήμα που εκπέμπει ο πομπός θα έφτανε αναλλοίωτο στον δέκτη (βλ. παραπάνω σχήμα). Στην πραγματικότητα τόσο ο πομπός, όσο το κανάλι και ο δέκτης, μπορούν να εισάγουν θόρυβο. Για παράδειγμα:
- Ο συνομιλητής μας είναι συναχωμένος (θόρυβος από πομπό)
- Βρισκόμαστε σε ένα μέρος με δυνατό αέρα (θόρυβος από κανάλι)
- Ο συνομιλητής μας είναι βαρήκοος (θόρυβος από δέκτη)
Τελικά ο ήχος χρησιμεύει μόνο για επικοινωνία;
Εκτός από την επικοινωνία, στη φύση, οι οργανισμοί έχουν αναπτύξει ειδικούς μηχανισμούς που του επιτρέπουν να χρησιμοποιούν τον ήχο για προσανατολισμό, κίνηση, κυνήγι κλπ. Ο άνθρωπος, εμπνευσμένος από τη φύση, έχει αναπτύξει τεχνολογίες που μιμούνται τους μηχανισμούς της. Παρακάτω ακολουθούν ορισμένα παραδείγματα.
Νυχτερίδες
Ο μέσος άνθρωπος αντιλαμβάνεται συχνότητες από 20Hz έως 20kHz.Οι νυχτερίδες εκπέμπουν ήχους που κυμαίνονται από 14kHz έως και 100kHz. Οι ήχοι αυτοί προσπίπτουν σε επιφάνειες στον περιβάλλοντα χώρο απ’ όπου ανακλώνται και επιστρέφουν πίσω στην πηγή. Κατόπιν, με μια διαδικασία που ονομάζεται ετεροσυσχέτιση, συγκρίνουν το λαμβανόμενο σήμα και το εκπεμπόμενο και κατ’ αυτόν τον τρόπο μπορούν και προσανατολίζονται.
Η νυχτερίδα μπορεί να προσαρμόζει τη συχνότητα με την οποία εκπέμπει ηχητικά κύματα. Ουσιαστικά, στέλνει παλμούς οι οποίοι όταν εκπέμπονται με μεγάλη ταχύτητα (δηλαδή με μικρή χρονική διαφορά μεταξύ δύο διαδοχικών παλμών), έχουν μεγάλη συχνότητα, ενώ όταν εκπέμπονται με μικρή ταχύτητα (δηλαδή με μεγάλη χρονική διαφορά μεταξύ δύο διαδοχικών παλμών), χαρακτηρίζονται από μικρή συχνότητα.
Όταν εκπέμπει σε μικρή συχνότητα, έχει μεγάλο χρόνο να επεξεργαστεί την πληροφορία που της επιστρέφεται (αντίλαλος) και συνεπώς ο παλμός είναι δυνατό να προλάβει να φτάσει σε μεγαλύτερη απόσταση. Για παράδειγμα, μια χρονική διαφορά διαδοχικών παλμών ίση με 100 ms, επιτρέπει στα ηχητικά κύματα να ταξιδέψουν περίπου 34 μέτρα. Επομένως, η νυχτερίδα μπορεί να ανιχνεύσει αντικείμενα σε εμβέλεια περίπου 34 / 2 = 17 μέτρων (17 μέτρα για τη μετάδοση και άλλα 17 για την επιστροφή τους).
Αντίθετα, όταν εκπέμπει σε μεγάλη συχνότητα, έχει λιγότερο χρόνο να επεξεργαστεί τα επιστρεφόμενα κύματα και ως εκ τούτου «βλέπει» σε μικρότερη εμβέλεια. Για παράδειγμα, μια χρονική απόσταση διαδοχικών παλμών ίση με 5 ms, συνεπάγεται εμβέλεια 85 cm, ωστόσο ενημερώνεται για οποιεσδήποτε αλλαγές στο περιβάλλον με πολύ υψηλό ρυθμό.
Τα δύο αυτά παραδείγματα συνοψίζονται στον παρακάτω πίνακα:
| Συχνότητα εκπομπής | Εμβέλεια |
| (1/100) ms = 10 Hz | 17 m |
| (1/5) ms =200 Hz | 85 cm |
Με λίγα μαθηματικά παρατηρούμε ότι, στη δεύτερη περίπτωση, μια αύξηση της συχνότητας εκπομπής κατά 20 φορές έχει σαν αποτέλεσμα τη μείωση της εμβέλειας κατά επίσης 20 φορές. Φυσικά, υπάρχουν και άλλοι παράγοντες που δεν έχουν ληφθεί υπ’ όψιν (π.χ. περιβαλλοντικά εμπόδια, θόρυβος κλπ.), οπότε x φορές μεγαλύτερη συχνότητα δε θα συνεπάγεται ακριβώς x φορές μικρότερη εμβέλεια σε πραγματικές συνθήκες.
Δεχόμενοι αυτή τη προσέγγιση, ωστόσο, οδηγούμαστε στη βασική επιλογή που έχει να κάνει η νυχτερίδα:
Ταχύτητα ενημέρωσης ή εμβέλεια;
Ας εξετάσουμε την απόφαση αυτή με μία αναλογία: Έστω ότι είσαι σερβιτόρος σε ένα εστιατόριο. Όταν οι πελάτες είναι λίγοι, δε χρειάζεται να παίρνεις παραγγελίες με μεγάλο ρυθμό, οπότε έχεις χρόνο να φτάνεις και στα πιο απομακρυσμένα από την κουζίνα τραπέζια. Ωστόσο, όταν πλακώσει κόσμος, πρέπει να τους εξυπηρετείς πολύ γρηγορότερα. Αυτό ίσως σε οδηγήσει να αμελήσεις λίγο τα απομακρυσμένα τραπέζια (τα κοντινά εξυπηρετούνται γρηγορότερα). Στην τελευταία περίπτωση μια καλή ιδέα θα ήταν να πείσεις το αφεντικό σου να προσλάβει και κάποιον άλλο υπάλληλο.
Η απάντηση στο αρχικό ερώτημα για τη νυχτερίδα έγκειται στον τρόπο που κυνηγά τη λεία της. Πρώτα, εκπέμπει ηχητικά κύματα σε χαμηλή συχνότητα προκειμένου να έχει μεγάλη εμβέλεια και να την εντοπίσει. Κατόπιν, όσο την πλησιάζει τόσο αυξάνει τη συχνότητα εκπομπής. Κάθε κίνηση του θηράματος πρέπει να ανιχνεύεται, συνεπώς η νυχτερίδα χρειάζεται υψηλή ροή πληροφορίας. Τη συγκεκριμένη στιγμή δεν απαιτείται μεγάλη εμβέλεια, αφού ολοένα και πλησιάζει τη λεία της, αλλά πιο σημαντική είναι η συχνότερη καταγραφή κάθε κίνησής του. Άρα, όσο πλησιάζει, σταδιακά αυξάνει τη συχνότητα εκπομπής.
Τελικά, αν κάποιος ψάχνει μια σύντομη απάντηση, αυτή είναι η εξής πρωτότυπη:
ΕΞΑΡΤΑΤΑΙ…
Μορμόλης 