Детекторы рукокрылых.
Один из последних постов в группе, где я написал о поиске человека, разбирающегося в электротехнике, и о попытках сделать детектор летучих мышей (или бэт-детектор), вызвал некоторый интерес к данной теме. Тем не менее, я несколько озадачен тем, что в различных каналах, группах и на других ресурсах, посвящённых рукокрылым, как выяснилось, далеко не все знают что это за детекторы, для чего они нужны и т. д. Собственно, поскольку я задумал проект сборки этого устройства ещё в прошлом году, а попытки его собрать длятся уже полгода (или даже чуть больше), то за это время у меня накопилось достаточно материала, который может пригодиться тому, кто, всё же, откликнется на мой пост с поиском или же захочет погрузиться в эту тему сам. Поэтому в данной статье я постараюсь достаточно подробно рассказать о том, что это за детекторы, какие они бывают, как их используют, а также приведу ссылки и схемы на те устройства, которые собирают энтузиасты и хироптерологи-любители в Европе и США.
Однако, чтобы снять один вопрос, который наверняка ещё не раз возникнет у читающих эту статью, повторюсь: можно было бы просто взять любую готовую схему, и сделать прибор по ней, но я сознательно не рассматриваю для себя этот вариант, поскольку многие из этих схем, на мой взгляд, не отвечают текущим реалиям и тем целям, для которых мне необходим этот прибор. Мой замысел в том, чтобы используя эти схемы, как некую базу, собрать детектор из относительно бюджетных, но доступных на российском рынке компонентов, с приближением по характеристикам к коммерческим образцам.
Примечание: некоторые ссылки, приведённые в данной статье, могут не открываться без использования сторонних программ и приложений.
Итак. Начать нужно с того, что рукокрылые используют для перемещения и для охоты эхолокацию. Для ориентирования в пространстве или во время поиска добычи летучие мыши испускают звуки высокой частоты. Эти звуки отражаются от препятствий или насекомых, летучая мышь слышит отражённое эхо, и, исходя из полученных данных, меняет направление полёта (если речь о перемещении) или же нападает на добычу.
Звук высокой частоты это то, что мы называем ультразвуком. Человек не способен его услышать: наше ухо воспринимает диапазон примерно от 20 до 20000 Гц (герц). 20000 Гц также можно записать как 20 кГц (килогерц). Летучие мыши же испускают свои охотничьи и иные сигналы на частотах от 20 кГц и выше. Оговорюсь: это не означает, что они способны издавать только ультразвук. Обычные, слышимые нами звуки они тоже издают: цыканье, цвирканье, писк, «треск» и прочие.
Можно было бы далее написать, что, поскольку человек не может услышать ультразвук, то перед хироптерологами однажды встал вопрос «а как, всё же, узнать что за сигналы издают летучие мыши?», но всё было немного не так.
В 1938 году гарвардский профессор зоологии Дональд Гриффин (Donald Redfield Griffin), занимавшийся исследованием летучих мышей, принёс своему коллеге — профессору физики Джорджу Вашингтону Пирсу (George Washington Pierce) —одного из зверьков, и попросил его придумать что-то, чтобы узнать — не используют ли летучие мыши для охоты и ориентирования звуки, не слышимые человеком.
Результатом сотрудничества двух профессоров стал первый детектор летучих мышей, а также совместная работа «Experimental Determination of Supersonic Notes Emitted by Bats», вышедшая в ноябре 1938 года в «Journal of Mammalogy» (Volume 19, Issue 4).
Первый детектор, конечно, не был похож на те миниатюрные приборы, что есть сейчас. Это был массивный ящик, длиной 49 см, со множеством переключателей. Ниже приведена фотография прибора, взятая из статьи «The bat detector story», авт. Дэвид Пай (David Pye). Статья опубликована в «The International Journal of Animal Sound and its Recording» (Volume 34, Issue 4, 2025).
Само собой, с развитием техники и технологий менялись и детекторы. Первый, судя по всему, был ламповым (т. е. работал на радиолампах), а вместо специализированного ультразвукового микрофона, в нём был использован кварцевый кристалл, который колебался под воздействием ультразвуковых волн. Прибор работал от сети и предназначался только для использования в лаборатории. Но наиболее интересно то, что изначально это был, по сути, радиоприёмник, в основу которого был положен гетеродин (о том, что это такое, будет написано далее). Однако время шло, и появление транзисторов, а затем и микросхем, привело к тому, что сегодня детектор летучих мышей это небольшой прибор, который можно носить в кармане и использовать где угодно.
Вообще, стоит также сказать, что бэт-детекторы делятся на три основных типа. Первые — в основе которых лежит ранее упомянутый гетеродин — маломощный генератор электрических колебаний, применяемый для преобразования частот сигнала. Принцип работы гетеродинного бэт-детектора достаточно прост. Прибор генерирует электрические колебания некоторой частоты — допустим, 40 кГц. Встроенный микрофон улавливает сигнал летучей мыши, «кричащей» на частоте 45 кГц. Прибор «вычитает» одну частоту из другой (45 - 40 = 5), и на динамике устройства мы получаем слышимый человеческим ухом звук с частотой 5 кГц. В реальных приборах всё, конечно, чуть сложнее: там мы можем изменять генерируемую частоту (для этого на таких приборах есть специальный регулятор), чтобы настраиваться на сигналы разных видов летучих мышей. Если бы частота, генерируемая прибором, была бы постоянная (те же 40 кГц), то услышав какого-нибудь подковоноса, «кричащего» на 100 кГц, мы получили бы на выходе звук с частотой 60 кГц (100 - 40 = 60), и ничего бы не услышали. Но выставив генерацию частоты на, например, 90 кГц, мы подковоноса услышим, поскольку звук на выходе будет составлять слышимые человеком 10 кГц (100 - 90 = 10).
Второй тип — детекторы на делителе частот. Принцип здесь немного иной, но тоже математический. Допустим, на микрофон прибора поступил сигнал с частотой 45 кГц. В данном случае схема прибора такова, что произойдёт не вычитание одной частоты из другой, а деление на фиксированное число. Чаще всего такие детекторы собирают на микросхемах-делителях, где это число составляет 10 (иногда 16). Таким образом, 45 : 10 = 4,5 — то есть, на выходе мы получим слышимый звук с частотой 4,5 кГц.
У детекторов такого типа есть один существенный плюс: они воспринимают весь заданный диапазон ультразвуковых сигналов (например, от 18 до 110 кГц), то есть нет необходимости настраивать прибор на конкретный вид летучей мыши. Но в этом кроется и минус — определять виды с таким детектором приходится буквально «на слух», что достаточно сложно.
Третий тип — детекторы с расширением времени. Тут стоит сразу сказать об их главном минусе — эти приборы не способны воспроизвести звуки летучих мышей в реальном времени, а служат для записи таковых (с последующим воспроизведением, например, в лаборатории). Полагаю, нет смысла подробно останавливаться на них и описывать принципы их работы. Желающие могут самостоятельно найти эту информацию по запросу «time expansion bat detector»).
Отмечу, что сейчас стали также выделять в отдельный тип так называемые «детекторы полного спектра». Это уже не аналоговые, а цифровые приборы, считающиеся наиболее технологичными. Подробный разбор принципов их работы я позволю себе также оставить за рамками данной статьи.
Итак, для чего же бэт-детекторы нужны хироптерологам — как профессионалам, так и любителям?
Хироптерологам они необходимы для:
- мониторинга численности популяции,
- определения видов — у каждого вида летучих мышей свои ультразвуковые сигналы,
- изучения путей миграций летучих мышей,
- экологического мониторинга (например, затронет ли строительство или вырубка леса летучих мышей),
- других нужд, связанных с исследованиями или реабилитацией рукокрылых.
Что касается любительского использования, то натуралисты, любители природы, и прочие заинтересованные люди используют детекторы для поиска и последующего наблюдения за летучими мышами. В странах Европы, США и других можно, в принципе, выделить такое достаточно популярное занятие как бэт-лисенинг (bat listening — «слушание летучих мышей», по аналогии с bird watching — «наблюдение за птицами»).
Однако в России, как мы можем наблюдать, любительская хироптерология только набирает обороты, и, в большей степени, связана с реабилитацией рукокрылых (помощью летучим мышам, попавшим в беду). Бэт-лисенинг у нас, кажется, не развит вообще, и это напрямую связано с тем, что на текущий момент в России не производят детекторы летучих мышей. Единственные пути их приобретения — через европейские или американские онлайн-магазины (что сегодня, мягко говоря, затруднительно) или прямая покупка «на руки» во время поездки за границу (что цену самого детектора не снижает). Отмечу, что на китайских маркетплейсах детекторов летучих мышей нет, а стоимость, допустим, европейских/американских приборов составляет приблизительно от 25 долларов до 400 евро, в зависимости от типа и назначения. За 25 долларов (иногда и чуть меньше) можно себе позволить очень скромный… нет, не готовый прибор, а конструктор для самостоятельной пайки (типа «Franzis Bat Detector Kit»). За приблизительно 100-300 евро — ручные автономные детекторы (типа британских «Magenta Bat» или шведских «Pettersson», и речь тут именно о типе устройства: так-то «Magenta Bat» стоят от 80 до 116 фунтов). Между краями этого диапазона цен — ультразвуковые микрофоны для смартфонов (типа «Echo Meter Touch»), работающие совместно со специализированными приложениями (Echo Meter Touch App, Bat Recorder, BatGizmo), или комбинированные устройства (типа «Apodemus Pipistrelle Mini», который может работать и как автономный простой детектор, и как аксессуар для смартфона). Выше этого диапазона цен — продвинутые приборы, типа «Elekon Batlogger M2» за 1500 евро, который и самостоятельно определит вид мыши по встроенной базе данных, и даже выведет на встроенный монитор спектрограмму звука.
В целом, полагаю, понятно, что для российского хироптеролога или натуралиста-любителя покупка бэт-детектора за границей — это, мягко говоря, недешёвое мероприятие.
Собственно, на что же мы можем ориентироваться в текущих реалиях? На достаточно простые, но надёжные рабочие лошадки типа «Pettersson D100» —которые, увы, компания «Pettersson» больше не выпускает. Тем не менее, это — проверенная временем и хорошо зарекомендовавшая себя схема: гетеродинный бэт-детектор с возможностью настройки на частоту искомого вида летучей мыши, подключением наушников, возможностью записи звука. И, технически, собрать подобную схему можно своими руками.
Но, переходя к вопросам самостоятельной сборки, мы упираемся в самую главную проблему любого бэт-детектора — микрофон.
Само собой, существуют специализированные ультразвуковые микрофоны, которые можно попробовать найти через российских дистрибьюторов или через китайские маркетплейсы (что достаточно рискованно). Но цены на данные модели (например, серия FG от Knowles) будут достаточно высоки, поэтому рассматривать их не имеет смысла.
Есть легендарные у западных натуралистов-любителей модели типа Primo EM258 или Panasonic WM-61A. Но достать первый вариант в виде микрофонного капсюля (а не, например, петличного микрофона) можно только за рубежом, что отразится на его стоимости. Вот, например, вариант: два капсюля за почти 2000 рублей.
Что касается второго микрофона, то, увы, компания Panasonic прекратила его выпуск. Иногда оригинальные микрофоны, выпаянные из старой японской техники, всплывают у частных лиц (например, на «Авито»), но тут остаётся только полагаться на везение. При этом, на маркетплейсах есть огромное количество микрофонных капсюлей под маркировкой «WM-61A» (раз, два, три), но даже надпись «оригинал» не даёт никакой гарантии, что это будет он среди тысяч реплик и подделок. Главная проблема здесь в том, что оригинальные микрофоны имели документированный диапазон всего до 16 кГц, но недокументированно воспринимали частоты до 80-100 кГц, что делало их пригодными для любительских бэт-детекторов. Стоит ли ожидать подобного от современных реплик (и, тем более, подделок) — думаю, это также вопрос везения. Если, допустим, мы купим 10 китайских WM-61A, протестируем их, и узнаем, что воспринимает ультразвук только один капсюль, то выгода от такого приобретения стремится к нулю. Впрочем, никто не мешает попробовать рискнуть, поскольку стоят эти реплики достаточно дёшево.
Пару раз мне попадались попытки сборки бэт-детекторов на основе ультразвуковых датчиков или приёмников (типа Murata). Но главная их проблема — фиксированная частота. Это датчики для парктроников и аналогичных устройств, которые настроены на одну конкретную частоту — 40, 50 или 60 кГц, и предназначены для работы в паре с излучателем такой же частоты. Звуки летучих мышей они, конечно, воспринимать будут, но на частотах ниже и выше заявленных — чрезвычайно плохо. Создавать на основе данных компонентов бэт-детектор не имеет смысла.
Так что же из доступного нам остаётся?
Сверхкомпактные МЭМС-микрофоны (MEMS). Опять же, существуют специализированные ультразвуковые модели (например, IMP23ABSUTR), но c ними также есть ряд сложностей. Во-первых, стоимость, которую можно увидеть по ссылке выше. Во-вторых — диапазон всего до 80 кГц (некоторые летучие мыши России «кричат» на частотах выше этого).
И, собственно, всё, что у нас остаётся — МЭМС-микрофоны с недокументированными функциями. Такие, как ни странно, есть, и натуралисты-любители уже давно начали использовать их для сборки бэт-детекторов.
Здесь имеет смысл рассмотреть несколько конкретных моделей от компании Knowles, как наиболее доступные, относительно недорогие, и воспринимающие частоты примерно до 100 кГц (что, в целом, перекрывает диапазон частот российских летучих мышей).
Во-первых, это аналоговый SPU0410LR5H-QB. Во-вторых, также аналоговый SPU0409HD5H (у меня как раз он, но сейчас их сложно найти). Также можно обратить внимание на аналоговую модель SPU0410HR5H-PB, а также на цифровой SPH0641LU4H-1.
И вот на этом моменте нельзя не сказать о главном и достоинстве, и недостатке таких микрофонов — размере. Как было написано выше — это сверхкомпактные микрофоны, которые предназначены для установки в смартфоны и иные цифровые устройства. Взгляните на фотографии ниже.
Думаю, глядя на эти фото, очевидно то, что использование таких микрофонов в самодельных проектах связано со сложностью их пайки. Это очень маленькие детали, которые должны быть посажены на плату, предназначенную для поверхностного монтажа (SMD-монтажа).
Есть, впрочем, умельцы, которые умудряются припаиваться к микроскопическим контактам микрофона тончайшими проводами, и, при этом, даже не сжечь микрофон (у меня получилось сделать так же), но понятно, что это связано с определёнными рисками.
Кроме того, подобные микрофоны требуют в схеме преобразователь напряжения, поскольку высокие значения им противопоказаны. Тут, впрочем, возможны очень изящные решения, одно из которых будет рассмотрено ниже.
Но давайте взглянем, наконец, на конкретные примеры их использования. Таких у нас не очень много, но они есть.
2019 год, в Воронежском государственном университете три автора — Е. В. Богатиков, А. Н. Шебанов и К. Э. Ангарита Лорес — пишут статью «Устройство обнаружения и цифровой обработки ультразвуковых сигналов», где в рамках создания заявленного устройства тестируют два мэмс-микрофона Knowles — SPU0410LR5H и SPU0410HR5H. Схема устройства и данные тестов приведены в статье.
В 2020 году на ресурсе GitHub появляются материалы по сборке бэт-детектора автора Марселя Мейер-Гарсия. В том же году их перевод, схемы и прочее появляются на Хабре. В данной схеме также использован микрофон SPU0410LR5H. Сложность сборки этого детектора заключается в том, что для микрофона требуется создание специальной монтажной платы.
Проект “Teensy” Bat Detector также использует мэмс-микрофон. Автор — Зак Пофф (Zach Poff) — упоминает SPU0410LR5H, но сам использует Invensense ICS40730, поскольку у него ниже уровень собственного шума. В России его приобрести можно, хотя цена не самая низкая. Отмечу, что данный проект, как и ему подобные, использующие микроконтроллеры (Arduino или Raspberry Pi), требуют навыка программирования. Это не те случаи, когда бэт-детектор можно собрать дёшево и сердито только из аналоговых компонентов. Если кто-то захочет пойти этим тернистым путём, то вот: сайт проекта “Teensy” Bat Detector, сайт проекта ArduBat.
Ещё один случай использования мэмс-микрофонов — немецкоязычная статья Петера Гербера. Правда, микрофон он использует от другой компании, не Knowles, но из этой статьи также можно почерпнуть много полезного.
И, наконец, бэт-детектор Стю Финниса — очень интересный проект, в котором использован всё тот же мэмс-микрофон SPU0410LR5H. Проект интересен тем, что использует гениальную схему питания микрофона — без преобразователя напряжения. Вместо него автор поставил в схему простой голубой светодиод, падение напряжения на котором как раз хватает, чтобы на микрофон поступал необходимый ток. Параллельно с этим, светодиод используется как индикатор того, что прибор включён.
Проблема лишь в том, что это детектор, работающий на принципе деления частот, а переделать его в гетеродинный у меня, увы, не получилось. Тем не менее, несколько раз я проводил тестирование своих сборок, основанных на данном проекте, в «Центре реабилитации и исследования летучих мышей Ленинградского зоопарка» (мои сердечные благодарности сотрудникам и мышам за такую возможность!), и тесты показали, что использованный мной микрофон SPU0409HD5H способен воспринимать ультразвук.
Стоило бы, наверное, подробнее остановиться на остальных компонентах, используемых для сборки данных устройств — сопротивлениях, конденсаторах, динамиках, микросхемах, которые являются «сердцами» бэт-детекторов, и т. п. Но это выходит за рамки данной статьи, поскольку вариантов выбора здесь гораздо больше, чем в случае с микрофонами.
Ну и напоследок — другие ссылки на разные проекты бэт-детекторов или похожих на них устройств. Собственно, это та «база», которую я хочу взять за основу для проектирования собственного (если, конечно, найдётся человек, который поможет это сделать).
«Обнаружитель летучих мышей» — перепечатка материала с сайта Instructables.
«Услышать неслышимое» — статья с подробной схемой, но с очень скудными данными по компонентам.
Очень странная схема детектора на контроллере PIC — выглядит, скорее, как датчик или сенсор, а не полноценный прибор.
Прибор для обнаружения летучих мышей — старенькая схема от 2011 года.
Ещё одна схема — от 2008 года.
«Build a Bat Detector» — статья с сайта «Nuts & Volts». Если не открывается, то вот схема прибора:
«Franzis Bat Detector» — подробно о продаваемом конструкторе, упомянутом выше. Схемы прибора и плат есть по ссылке.
Ещё одна схема, «World's Smallest Bat Detector» — проект, который выглядит, скорее, как игрушка, а не полноценный прибор.
«How to Make a Circuit That Detects High Frequencies: The Bat Detector!» — статья Робина Митчелла, 2017 г.
Детектор некоего Криса Ива — использует принцип деления частот.
Ещё одна немецкоязычная схема — впрочем, достаточно понятная. Также по ссылке присутствует схема небольшого генератора ультразвука для проверки прибора.
Франкоязычная схема — интересна тем, что вместо микрофона использован пьезоэлектрический излучатель («пищалка»). Технически, любой подобный динамик может работать как микрофон, и здесь это как раз реализовано.
«Simple Bat Detector» за авторством Тони Мессины.
Ещё одна схема.
Bertrik's Bat Detector Page — страница со ссылками на ряд как упомянутых здесь, так и некоторых других проектов.
Надеюсь, что эта статья и собранные в ней материалы если и не приблизит меня к проектированию собственного прибора, то приблизит к этому кого-то ещё и разожжёт в российских хироптерологах, реабилитологах и натуралистах-любителях огонёк интереса к данной теме.