Это упражнение полезно даже в том случае, если вы уйдете из системы безопасности.
ГЛАВА 4
ОСНОВЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ В ПРОСТРАНСТВЕ
На первый взгляд, данная глава появляется в книге преждевременно. Но почему я поместил ее именно здесь? Я включил ее в книгу, потому что в последующих главах мне придется употреблять незнакомые понятия или слова в непривычных для читателя значениях, возникающих в новом контексте. Поэтому именно в данной главе я ввожу некоторые из них.
Пространство: как понять то, чего мы не видим
Пространство - для нас это пустота, возникающая, когда из помещения убирается все. Живое существо может попасть в пространство, если ничто не препятствует ему на пути. Мы говорим об обычном пространстве, где вы, я и злоумышленник можем существовать, а не о космическом пространстве, в котором перемещаются астронавты.
Если мы хотим узнать, находится ли в пространстве человек, мы можем использовать для этого электронные способы обнаружения. В сфере безопасности пространственные (объемные) детекторы проходят под разными названиями, некоторые из которых употребляются крайне редко - микроволновые, радио-, ультразвуковые или инфракрасные: названия которых больше отражают принципы работы детекторов, нежели их реальные возможности.
В самом названии детектора не отражается то, что они могут делать, каковы их функции, да и вообще эта тема покрыта слоем таинственности. В настоящей главе я попытаюсь упростить общую картину, внести больше ясности в нее и представить истинное положение дел.
Зачастую, когда люди чего-либо не понимают, они принимают уверенный вид и пытаются тем самым скрыть свое непонимание; при этом они выглядят, как дети, прыгающие с обрыва в воду или перебегающие дорогу в неположенном месте и не ведающие, к чему их действия могут привести. Когда дело доходит до обнаружения предметов, находящихся в определенном пространстве, тут незачем скрывать свое незнание. Действительно, как можно понять то, чего нельзя увидеть глазами? Но успокойтесь: мы проникнем в суть вопроса с помощью обычных слов. Даже в том случае, если вам не будут ясны в деталях те устройства, которые описаны в этой книге, то все равно вы сможете работать с ними благодаря пониманию общего принципа их действия.
Понятия
Солнце излучает свет и тепло. Фортепиано издает звук. Газовая плита излучает тепло и немного света. Лампа дневного света излучает свет, но не дает почти ни какого тепла и не издает звука. Радиостанция излучает... некоторые разъяснения по этому поводу даются позже. Все эти предметы - излучатели или передатчики, - и знаем мы это потому, что сама Природа, а также люди создали рецепторы или приемники.
Эти два понятия используются как в повседневной жизни, так и в области электронных систем безопасности.
Генерирование и прием звука
Нажмите на клавишу "до": вы услышите богатый и благородный звук. С технической точки зрения, это объясняется длиной и плотностью струны, а также резким ударом по струне молоточка, приводимого в движение нажатием пальца на клавишу. Главное в этом явлении - вибрация, которую можно увидеть или почувствовать, прикоснувшись к струне. Молоточек дает толчок одной части струны, напрягая ее. Струна же немедленно возвращается в исходное положение. Однако наподобие маятника она выходит за исходную позицию, и в результате, возникает новое ее напряжение. Все повторяется заново, однако вибрация постепенно уменьшается, хотя колебания струны продолжаются периодически. Излагая это другим образом, скажем, что за определенный промежуток времени струна совершает определенное количество колебаний. Допустим, что таким промежутком является одна секунда. Количество колебаний, происходящих в одну секунду называется 1 частотой 0. Теперь у нас есть еще одно нужное нам понятие. Нажмем клавишу инструмента справа от клавиши "до". Заглянув внутрь фортепиано, мы увидим, что эта струна немного короче и поэтому звук получается выше, при ударе молоточком струна совершает большее число колебаний. Число колебаний будет все увеличиваться и увеличиваться вплоть до самой верхней ноты. Составим для ясности шкалу оценок: струна "до" совершает 242 вибрации в секунду, в то время как самая верхняя струна - 4224 вибрации.
Слово цикл наиболее подходит для описания одного колебания, но издавна существует традиция давать физическим величинам имена тех ученых-физиков, которые открыли эти величины. Поэтому для определения циклов вибрации за 1 сек употребляется единица герц.
Такой же эффект вибрации используется при грамзаписи. Игла звукоснимателя чувствует звуковые колебания, впрессованные в дорожку диска, и превращает эти колебания в электрические импульсы. Энергия усиливается во много раз и в динамике превращается в слышимые звуковые сигналы. Общее понятие для звукоснимателя и для динамика - преобразователи, которыми, по словарному определению, являются любые приборы, преобразующие одну форму энергии в другую.
Излучатели ультразвука
Приводя в пример фортепиано и грамзапись, мы имели дели со свойствами слышимого звука. Тем не менее, хорошо известно: в отличие от человека, собака и другие животные могут воспринимать звук более высоких частот. При наличии подходящих преобразователей мы, люди, можем услышать звук в два раза большей частоты, чем звук самой верхней ноты фортепиано. Возведите эту величину в квадрат: полученные 16 896 гц - это почти верхний предел звукового регистра, воспринимаемого человеческим ухом. Поднимемся еще выше, к частоте звука в 20 000 гц. Собака его слышит, доказывая своим поведением, что столь высокий звук реально существует. Весь регистр выше этой частоты мы относим к ультразвуку.
Вернемся к примеру с фортепиано и найдем еще одно очень важное понятие. Как мы заметили, частота звука тем выше, чем короче струна, и наоборот, по мере удлинения струны, звук становится ниже. Струна порождает звук определенной частоты, а слышим мы его благодаря тому, что струна сообщает воздуху вокруг себя, а также в пространстве между нами колебания той же самой частоты, которую ей придал удар молоточка. Вполне реалистично предположить, что во время колебания струны, она сначала отталкивает, а затем притягивает к себе непосредственно окружающий ее воздух. Последующие подъемы и падения давления воздуха напоминают волны, от брошенного в воду камня. Расстояние между двумя соседними гребнями волн в воде и между двумя соседствующими точками наиболее высокого давления воздуха - это длина волны. Только в рассматриваемом нами случае не существует ни воздушного, ни водного потока: распространяется только сама волна.
Соотношение между частотой и длиной волны
Теперь у нас достаточно большой словарь, и благодаря ему мы сможем рассмотреть три важных вопроса. Еще раньше мы заметили: чем выше частота (звучание) ноты, тем короче струна и тем короче длина волны.
Положение 1. Умножая частоту звука на длину его волны, мы всегда будем получать неизменный результат - константу.
Положение 2. Эта константа - не просто бессмысленная цифра. Она отражает скорость распространения звука в воздушном пространстве (332 м/сек).
Положение 3. Зная частоту звука, мы можем вычислить длину его волны. Исходя из положения 1 и 2 мы имеем:
частота х длина волны = константа или длина волны = константа/частота.
Для примера, вычислим длину волны, соответствующую частоте 1000 гц.
332 м/сек / 1000 гц = 0,332 метра.
Весьма полезно запомнить некоторые цифры. Скажем, длина волны звука, имеющего частоту 100 гц, составляет приблизительно 3,32 метра, а частоте ультразвукового диапазона 30000 герц соответствует длина волны около 11 миллиметров.
Некоторые другие базовые понятия
Сейчас у нас создается общий фон для понимания темы. Наберитесь терпения, чтобы узнать еще несколько понятий, столь необходимых нам в дальнейшем.
Вот простая пара слов. Когда звук 1 отражается 0 и возвращается к своему источнику, мы слышим 1эхо 0. Стреляя в тире из винтовки, мы сначала слышим непосредственно звук выстрела, а затем его 1 отражение 0 от защитной стенки, находящейся за мишенью.
Эффект Допплера
Представьте себе комнату площадью 18 квадратных метров и высотой 3 метра, в которой созданы все условия для абсолютного покоя. Предположим, что на одной из стен, на высоте 1.8 м, висит ультразвуковой передатчик, напоминающий небольшой высокочастотный динамик. Рядом с ним приемник (рецептор) ультразвука. Оба они направлены на противоположный угол комнаты. Расположенные таким образом, передатчик и приемник образуют ультразвуковую 1допплеровскую систему 0.
Передатчик будет посылать ультразвуковую энергию с частотой излучения 20000 гц (что равняется длине волны 16.6 мм), а приемник будет принимать энергию той же частоты - исходящую прямо от передатчика, или частично отраженную от стен, и, может быть, от пола или потолка. Теперь предположим, что в углу комнаты, как раз напротив нашего датчика, находится дверь, в которую входит непрошеный гость. Часть потока энергии, которая в нормальных условиях отразилась бы от стены и закрытой двери, теперь отражается от движущегося по комнате человека. Главный вопрос состоит в том, сможет ли приемникрецептор определить разницу между сигналами, отраженными от неподвижных предметов, и сигналами, отраженными от передвигающихся объектов.
Ответ - да, может. Как мы увидели ранее, частота звука, помноженная на длину волны, составляет скорость звука. Сейчас, когда нарушитель передвигается по комнате, отражаемая от, него энергия возвращается к приемнику раньше, "чем это ожидалось". Образно говоря, приемник думает, что скорость звука увеличилась, а потому он составляет уравнение:
частота х длина волны=скорость звука + приращение.
Но уравнение стало теперь неравенством. Мы уже говорили, что в комнате созданы условия абсолютного покоя, поэтому единственное, что может привести наше уравнение в норму, - это увеличение частоты. Таким образом,
(частота + приращение) х длина волны = скорость звука + приращение.
Приемник фиксирует увеличение частоты сигналов, отражающихся от нарушителя. Электроника сравнивает новые данные со стандартной частотой излучаемого ультразвука, и выявленная разница служит основанием для подачи сигнала "Тревога".
Что-то подобное происходит и тогда, когда в качестве рецептора мы используем наши собственные уши. Мы фиксируем изменение частоты звука, когда на улице мимо нас проезжает сигналящая машина. Первым ученым, объяснившим это явление был Допплер. Сейчас, говоря о сдвигах в частоте, мы употребляем понятие "эффект Допплера".
Затухание
Вся природа устроена таким образом, что с увеличением частоты возрастает и затухание, или потеря энергии. Слушая музыку, прикройте уши ладонями. Все звуки резко уменьшатся в объеме, но заметьте при этом: высокие звуки (если вы их вообще услышите) будут звучать куда тише, чем низкие. Тоже самое получится, если поместить репродуктор за толстый тяжелый занавес.
Затухание наблюдается не только у звуковой волны, оно распространяется и на световую волну. Вспомните спектр цветов, излучаемых солнцем и в совокупности составляющих дневной свет. У фиолетового цвета - выше частота и короче длина волны. В полдень солнце дает нам нормальный свет, но на закате или на восходе солнечные лучи проделывают гораздо больший путь по наклонной через атмосферу нашей планеты, насыщенную пылью, которая поглощает фиолетовые и голубые лучи, также имеющие высокую частоту. Как следствие, восход и закат окрашены в красные тона.
Постоянство свойств природы
В природе все логически связано: и тепло, и радио сигналы и микроволновая энергия и свет передаются в пространстве электромагнитными волнами. В действительности, все они представляют собой электромагнитные волны различной длины. Так же, как звуковая волна, они обладают способностью затухать, что видно из примера с солнечными лучами. Но если скорость звука имеет границы, то скорость электромагнитного излучения практически безгранична. Сопоставление двух величин скорости создает разительный контраст: за одну секунду звук распространяется на 332 метра, а электромагнитная волна - на 300 миллионов метров.
Еще более удивительно, что свойства распространения волны сохраняются постоянными и в такой принципиально отличной от других по физическим свойствам среде, как эфир. Скорость здесь определяется по той же формуле.
Еще немного о затухании
Иллюстрируя связь между увеличением затухания и частотой, мы привели примеры из области акустики и электромагнитного излучения. К счастью, в нашей области охраны мы имеем дело с расстоянием в несколько десятков или, самое большее, в несколько сот метров. По сравнению с теми расстояниями, на которые обычно отправляются радиоволны и световые волны, наши дистанции так коротки, и потеря энергии на них столь незначительна, что при описании устройства, работающего на радиоволнах, фактор затухания можно в расчет не брать.
Если, однако, мы имеем дело с ультразвуком, то этот фактор достаточно весом. Он устанавливает предел для высоты частот. Превысив его, мы потеряем слишком много энергии, и в результате эхо не будет достаточным, чтобы обнаружить человека в помещении. Для большей ясности скажем, что потеря энергии пропорциональна квадрату частоты. Например, увеличив частоту излучения с 20 000 гц до 40 000 гц, мы уменьшим энергию эха на четверть.