Эхолокация представляет собой процесс активного зондирования окружающей среды при помощи звуковых сигналов, которые животное испускает и улавливает их отражения. Этот механизм позволяет определять расстояние до объектов, их размеры, форму, движение и даже внутреннюю структуру. Эхолокация широко распространена среди летучих мышей, зубатых китов (дельфинов, кашалотов, косаток), некоторых птиц (например, гуахаро) и наземных млекопитающих (например, землероек и кротов).
Звуковой импульс, издаваемый животным, представляет собой колебание воздуха или воды, чаще всего в диапазоне ультразвука (выше 20 кГц), что обусловлено следующими факторами:
Импульсы обычно имеют сложную форму: короткие по длительности (от микросекунд до миллисекунд), часто модулированные по частоте (FM) или интенсивности (AM). Некоторые виды используют комбинации FM и CF (непрерывные частоты) импульсов, переключаясь между ними в зависимости от задачи — обнаружения, отслеживания или классификации объектов.
После излучения сигнал распространяется в окружающей среде, отражаясь от объектов различной плотности и формы. Ключевое значение имеет закон отражения звука, а также затухание акустических волн на пути распространения. Для воды затухание слабее, чем в воздухе, что позволяет морским млекопитающим обнаруживать объекты на расстоянии до сотен метров, а в ряде случаев — даже километров.
Поглощение звука зависит от частоты: высокочастотные сигналы затухают быстрее, но обеспечивают лучшее разрешение. Поэтому вблизи животные используют высокочастотные импульсы, а на больших расстояниях — низкочастотные компоненты.
Для анализа отражённых сигналов животные используют:
Временную задержку (time delay): определяет расстояние до объекта по формуле
$$ R = \frac{v \cdot \Delta t}{2} $$
где v — скорость звука в среде, Δt — интервал между излучением сигнала и получением эха.
Доплеровское смещение: даёт информацию о скорости движения цели. При сближении наблюдается сдвиг частоты вверх, при удалении — вниз.
Интерференционные характеристики сигнала: по ним можно судить о размере и текстуре поверхности объекта.
Обработка сигналов осуществляется высокоспециализированными структурами в мозге животного, зачастую в режиме реального времени, с адаптацией параметров зондирования в зависимости от получаемых данных.
Летучие мыши издают звуки с помощью гортани, нередко через носовые проходы. Частоты колеблются от 20 кГц до более чем 150 кГц. Используются как узконаправленные, так и широкополосные сигналы.
Киты и дельфины создают звуковые импульсы с помощью комплекса носовых мешков и структур, известных как «мелон» (жировое образование, фокусирующее звук). Частотный диапазон может превышать 200 кГц, а интенсивность сигнала достигает 220 дБ относительно 1 мкПа на расстоянии 1 м.
Землерои и кроты используют щелчки языка или гортанные звуки для исследования окружающего пространства, в том числе в полной темноте.
Эффективная эхолокация невозможна без направленного зондирования, что достигается за счёт:
Животные изменяют параметры зондирования в зависимости от:
Эхолокация — это не только физико-акустический, но и когнитивный процесс. Животное строит топографическую карту окружающего пространства, объединяя акустические, зрительные и моторные сигналы. Эксперименты показывают, что:
Многие насекомые, являющиеся добычей, выработали способы акустической маскировки, в том числе:
В ответ хищники адаптируют частоту, мощность и стратегию зондирования, вплоть до перехода в «бесшумный режим», чтобы не быть замеченными.
Эхолокация у разных таксонов возникла независимо (конвергентная эволюция), что подчёркивает её эффективность как сенсорного механизма. Несмотря на различие анатомических структур, используемые принципы акустики сходны:
Фактически, каждое эхолокирующее животное представляет собой биологический звуковой радар, способный не только регистрировать окружающее пространство, но и активно взаимодействовать с ним.