Акустические локационные системы

План занятия

1.  Основные положения 

2.  Модуляция сигналов 

3.  Электромагнитные локационные  системы 

4.  Акустические локационные  системы 

     4.1.  Принципы  распространения звука 

     4.2.  Датчики  акустической локации 

     4.3.  Особенности  цифровой записи звука 

5. Оптические локационные  системы 

 

1.  Основные положения 

Локационные информационные системы (ЛС) относятся к устройствам бесконтактного действия и реализуют

бионическую функцию слуха. Информативным параметром этих систем является модулированная волна различ-

ной физической природы, характеристики которой определяются интегральными свойствами среды распростране-

ния. В зависимости от пространственно-временных свойств среды различают потенциальные (например, электро-

статические) и вихревые (электромагнитные и акустические) поля. 

Движение волны, представляющее собой колебательный процесс распространения возмущения в некоторой среде,

происходит с конечной скоростью c и описывается волновым и частотным уравнениями вида: 

 

 

 

Под затуханием будем понимать некоторую интегральную характеристику, определяющую потерю энергии коле-

баний в среде и приводящую к ослаблению амплитуды сигнала. Затухание сигнала влияет на дальность его рас-

пространения. 

 

 

Теоретически затухание длится бесконечно долго, однако на практике колебательный процесс считают закончив-

шимся, если его амплитуда составляет 1% от начальной, т. е.                     или   t = 4,6/z. 

Ослабление сигнала зависит от расстояния l  между приемником и излучателем (или объектом) и свойств среды. 

В пассивной ЛС, где волна проходит расстояние до объекта один раз

 

В активной ЛС дальность можно определить по времени возвращения отраженного сигнала:  

Направленность  излучателя  (приемника)  ЛС  —  это  свойство,  заключающееся  в  наличии  некоторой  простран-

ственной избирательности, т. е. способности излучать (принимать) волны в одних направлениях в большей степе-

ни, чем в других. Для направленного излучения необходимо, чтобы вол-

новой размер излучателя был больше 1: 

 

 

Направленность  излучателя  и  приемника,  а  также  форма  диаграммы

направленности зависят от их волнового размера. 

В современных ЛС, преобразователи которых состоят из большого числа

элементарных  диполей  (антенные  решетки),  существует  возможность

управления диаграммой направленности путем соответствующего ампли-

тудно-фазового распределения излучения по поверхности излучателя или

приемника 

 

Зависимость вида диаграммы направленности от амплитудного распределения мощности P(x)

 

Классификация ЛС

электромагнитные  оптические  акустические

0,01, e

-zt =2.  Модуляция сигналов

В результате модуляции спектр информационного сигнала переносится в область высоких частот. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При непрерывной (аналоговой) модуляции частоту несущего колебания  f  выбирают из условия:

 

При дискретной (импульсной и кодовой) модуляции частота следования импульсов f и  должна удовлетворять тео-

реме Шеннона-Котельникова:

 

В общем случае амплитудно-модулированный сигнал определяется выражением: 

 

 

В случае модуляции несущей частоты гармоническим сигналом, имеем:

0 м ( ) cos . t t w w = w + D w 

Ширина спектра Dw ЧМ сигнала определяется значением индекса ЧМ: 

м / w b = D w 

Модулированный  сигнал  при  фазовой  модуляции  колебания  с  несущей  частотой  w 0   гармоническим  сигналом     

sin w м t   имеет вид 

 

 

Если модулирующий  сигнал u м  гармонический, то спектры фазо-

во- и ЧМ сигналов практически одинаковы. 

Ширина  спектра  ФМ,  также  как  ЧМ  сигнала  увеличивается  с

возрастанием глубины модуляции.

При импульсной модуляции (ИМ) переносчиком сигнала служит последовательность импульсов, каждый из ко-

торых обычно представляет собой цуг колебаний с высокой несущей частотой 

Кроме амплитуды, частоты и фазы различают длительность (или ширину) импульсов t  и их скважность  q

Для восстановления информации из модулированных сигналов применяют схемы демодуляции. 

Амплитудно-модулированный сигнал                                       Спектр

аналоговая  цифровая

Виды модуляции

амплитудная

частотная

импульсная

фазовая

амплитудно-импульсная 

частотно-импульсная

фазово-импульсная

широтно-импульсная

импульсно-кодовая

амплитудная манипуляция

частотная манипуляция

фазовая манипуляция

решётчатая кодированная модуляция

(TCM) 

гауссовская частотная модуляция

(GMSK) 

мультиплексирование с разделением по

ортогональным частотам (OFDM) 

квадратурная амплитудная модуляция

(КАМ) 

Колебание, с помощью которого передается

сигнал, называется несущим, а его частота 

f — несущей частотой. Несущее  колебание 

имеет  более  высокую  частоту,  чем  частота 

переносимого (модулирующего)  сигнала f м ,

которая  называется  модулирующей  часто-

той.  Модуляция  дискретным  сигналом

называется  цифровой  модуляцией  или  ма-

нипуляцией. 

м

( ) ( )cos , u t u t t = w м

м

.

du

u

dt

<< w

 

Если соотношение элементов фильтра удовлетворяет условию 

м

10 / 1/ , RC w < £ w   то на выходе схемы имеем

 

 

Принцип  действия  частотного  дискриминатора  (детектора  наклона)  основан  на  пропорциональном  изменении

амплитуды напряжения на колебательном контуре с элементами R, L и C при вариациях мгновенных значений ча-

стоты модулированных колебаний.

 

3.  Электромагнитные ЛС 

Принцип работы электромагнитных ЛС основан на взаимодействии магнитного поля преобразователя с металли-

ческими объектами. В качестве ЧЭ служат дроссели и трансформаторы различной формы. 

 

Магнитные ЛС являются основными средствами неразрушающего контроля в литейном и прокатном производ-

ствах. 

Работа вихретоковой ЛС основана на взаимодействии внешнего магнитного по-

ля с электромагнитным полем вихревых (замкнутых) токов, наводимых возбуж-

дающей катушкой в любом электропроводящем объекте.

 

 

4.  Акустические ЛС 

 

Принцип преобразования сигнала в частотном дискриминаторе                                      Электрическая схема

 

Схема амплитудного детектора                   Графическая иллюстрация принципа выпрямления

амплитудный детектор  фазовый детектор  частотный дискриминатор

Аналоговые демодуляторы

Магнитные  Радиоволновые

Классификация

Вихретоковые

накладные  комбинированные  проходные

Вихретоковые датчики

дальномеры 

охранные устройства 

дефектоскопы /томографы 

по назначению

пьезоэлектрические 

электростатические 

магнитострикционные 

по типу ЧЭ

широкополосные 

резонансные 

по характеру частотного  спектра

непрерывные 

импульсные 

по типу модулирующего сигнала

интерференционные 

широкоугольные

по избирательности

Dm = m cos 4.1. Принципы распространения звука

Распространение звука в некоторой среде описывается волновыми и частотным уравнениями: 

 

 

Обычно звук представляет собой сложное колебание в виде линейчатого спектра с основной (собственной) ча-

стотой f и кратными частотами — гармониками (обертонами) 2f, 3f, ... и т.д. У гармонического колебания (тона)

спектр состоит из одной частоты. Для непериодических колебаний (шумов) характерны сплошные спектры. 

Для акустических ЛС по сравнению с электромагнитными характерна значительно меньшая скорость распростра-

нения сигналов. Для газов она составляет 0,2 … 1,5 км/c, для жидкостей — 0,5…2 км/с, для твердых сред — 2…8

км/c. Это приводит к значительно большей разрешающей способности ультразвуковых методов по отношению к

электромагнитным при равных частотах. 

Длина звуковой волны зависит от частоты и среды распространения. 

Для  оценки  звуковой  волны  используют  следующие  параметры:  упругое  смещение  u;    колебательную  скорость

частиц среды  n = du/dt и акустическое давление p. 

Характеристикой акустического давления в среде является интенсивность, или сила звука J, определяемая через

энергию звуковой волны W:

2

2 2

pv p

J

Z

= = 

Громкость £ слышимых звуков  одинаковой интенсивности зависит  от их частот. За единицу громкости принят

сон — громкость тона (чистого звука) частотой 1 кГц при интенсивности 40 дБ. 

У чистого тона с частотой 1000 Гц уровень в фонах численно равен уровню в децибелах, для других частот ис-

пользуют поправки из таблицы или специального графика — контура равных громкостей — изофонов. 

 

Экспериментальные оценки показывают, что зависимость психологической оценки громкости £ пс  (в сонах)  от фи-

зической £ физ  (в фонах) описывается формулой: 

 

 

В звуковой локации наиболее важен закон Снеллиуса — закон отражения и пре-

ломления звуковых волн 

Коэффициенты  отражения и прохождения звуковой волны  определяются выра-

жениями:  

2 2

отр 2 2 1 1 2 1

отр

пад 2 2 1 1 1 2

J c c Z Z

k ,

J c c Z Z

æ ö æ ö g - g -

= = = ç ÷ ç ÷

g + g + è ø è ø

  

( ) ( )

пр 1 1 2 2 1 2

пр 2 2

пад 1 1 2 2 1 2

4 4 J c c Z Z

k ,

J c c Z Z

g g

= = =

g + g +

 

Следствием преломления волны является рефракция, т.е. искривление звуковых лучей в неоднородной среде, в

которой скорость звука зависит от координат, градиента температуры и пр. Звуковые лучи всегда поворачивают к

слою с меньшей скоростью звука, при этом рефракция  выражена тем сильнее, чем больше градиент скорости

звука. 

£ пс  =  k(f) × £ физ

1/3

 

Законы распространения звука 

отражения и преломления звука на гра-

ницах сред 

и закон волноводного распростране-

ния в ограниченных участках

дифракции и рассеяния звука при

наличии препятствий