Глава 5 (Учебник - информационные системы), страница 7
Описание файла
Файл "Глава 5" внутри архива находится в папке "Учебник - информационные системы". Документ из архива "Учебник - информационные системы", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "информационные устройства и системы" из 9 семестр (1 семестр магистратуры), которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "книги и методические указания", в предмете "информационные устройства и системы" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Глава 5"
Текст 7 страницы из документа "Глава 5"
В робототехнике и мехатронике устройства акустической локации используются чрезвычайно широко. Акустической локационной системой (АЛС) называется совокупность акустических датчиков и средств первичной обработки информации, предназначенных для определения геометрических и физических характеристик объектов в зоне контроля, а также их ориентации относительно выбранной системы координат. Локационные системы очувствления роботов обычно реализуются в соответствии с концепцией «очувствленная рука» (рис. 5.31), при этом АЛС включаются в контур управления, а акустические датчики монтируются на исполнительном механизме.
АЛС классифицируются по пяти основным признакам.
-
По назначению: дальномеры, охранные устройства и системы безопасности, дефектоскопы и томографы.
-
По типу первичного преобразователя: пьезоэлектрические, магнитострикционные и электростатические.
-
По характеру частотного спектра сигнала: широкополосные, и резонансные.
-
По типу модулирующего воздействия: непрерывные и импульсные.
-
По избирательности: интерференционные и с широкой диаграммой направленности.
5.3.1. Звук и его основные характеристики
Р аспространение звука (в том числе и УЗ) описывается волновым уравнением, единым для всех частот:
где u, и p - смещение частиц среды (амплитуда волны), ее плотность и давление, r и c - соответственно дальность распространения и скорость волн.
Частотное уравнение для звука имеет тот же вид, что и для других волн. Оно определяет длину волны гармонического колебания (тона) , распространяющегося со скоростью c:
= c/f = cT.
Чистые звуки - тона встречаются крайне редко. Обычно звук представляет собой сложное колебание, которое представляют в виде спектра (суммы гармоник) с кратными частотами (обертонами) 2f, 3f, и т.д. ... У гармонического колебания спектр состоит из одной частоты. Периодические колебания, состоящие из набора основной частоты и кратных ей, имеют линейчатый спектр (рис. 5.32). Для непериодических колебаний (шумов) характерны сплошные спектры.
Применительно к звукам речи, различают слово - наименьшую смысловую единицу и фонему - наименьшую звуковую единицу данного языка. Например, в русском языке имеется 41 фонема, образующая 6 гласных звуков (а, о, у, э, и, ы) и 35 согласных. Количество фонем превосходит количество букв, т.к. большинству согласных звуков соответствуют две фонемы - мягкая и твердая. Произносимые звуки могут значительно отличаться от фонем (также как рукописная буква отличается от типографического курсива: к примеру, в тексте «лоб второго», в речи «лоп фтарова»). Области максимальных уровней спектра называются формантами. Именно представление звуков в виде фонем и формант (т.е. использование лингвистических принципов) позволяет строить системы распознавания речи.
Нижняя граница области УЗ частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной.
Верхняя граница УЗ обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь при условии, что >> Dэкв, где Dэкв - длина свободного пробега молекул в газах или межатомные расстояния в жидкостях и твердых телах. Следовательно, верхняя граничная частота УЗ fв определяется из условия:
fв = 1/Dэкв
Для газов при нормальном давлении fв 109 Гц, а для жидкостей и твердых тел достигает 1012 ... 1013 Гц.
В зависимости от длины волны УЗ обладает специфическими особенностями передачи и распространения, поэтому область УЗ частот удобно разделить на три диапазона:
-
низкие частоты (1,5 104 ... 105 Гц);
-
средние (105 ... 107 Гц);
-
высокие (107 ... 109 Гц).
-
гиперзвук (109 ... 1013 Гц).
Для АЛС по сравнению с ЭЛС характерна значительно меньшая (на несколько порядков) скорость распространения сигналов. Она лежит в пределах 2 102 … 1,5 103 м/c - для газов, 5 102 … 2 103 м/c - для жидкостей и 2 103 … 8 103 м/c - для твердых сред. Такие малые скорости, и, следовательно, малые длины волн намного повышают разрешающую способность УЗ методов по отношению к электромагнитными при равных частотах.
Длина волны УЗ зависит от частоты и среды распространения. Так, для воздуха в самой низкочастотной области не превышает нескольких сантиметров. В случае высоких УЗ частот значения составляют 3,4 10-5 ... 3,4 10-7 м в воздухе, 1,5 10-4 ... 1,5 10-6 м - в воде, 5 10-4 ... 5 10-6 м - в стали.
Особенностью УЗ высокочастотного и гиперзвукового диапазонов является возможность применения к нему методов квантовой механики, поскольку длины волн и частоты в этих диапазонах становятся одного порядка с параметрами, характеризующими структуру вещества. Упругой волне данной частоты сопоставляется квазичастица - фонон или квант звуковой энергии. Квантово-механические представления применяют при рассмотрении взаимодействий в твердых телах.
Для оценки амплитуды звуковой волны используются косвенные величины: акустическое давление p = cv, упругое смещение частиц среды u и их колебательная скорость v = du/dt. В свою очередь, характеристикой акустического давления в среде является интенсивность или сила звука, определяемая через энергию звуковой волны.
Интенсивностью звука J называется величина, равная средней по времени энергии, переносимой волной через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения в единицу времени (т.е. удельной мощности Wуд). Для плоской синусоидальной бегущей волны:
Параметр Z = c получил название характеристического импеданса среды. (Наряду с Z также используется акустический импеданс Zа = p/v, зависящий не только от свойств среды, но и от условий отражения, углов падения и других факторов).
В стоячей волне J = 0, т.к. она не переносит энергию. Интенсивность звука измеряется в Вт/м2 и лежит в пределах 10-12 (нижнее пороговое значение) … 106 (значение в фокусе УЗ концентратора). В частности, в задачах акустического контроля применяют АЛС звукового и УЗ диапазонов с частотами 50 Гц ... 50 МГц и интенсивностью 103 Вт/м2.
Интенсивность звука обратно пропорциональна квадрату расстояния r от источника, зависит от Z и возрастает пропорционально квадрату амплитуды p и частоты f сигнала: J (1/r2, Z, р2, f2). Следовательно, на высоких УЗ частотах могут быть получены сигналы огромной силы. Так, в мегагерцовом диапазоне в излучателях АЛС легко достигается J 10-3 В т/м2, что в 1000 раз сильнее звука пушечного выстрела. Зависимость силы звука от Z приводит к тому, что в более плотных средах меньшие звуковые давления вызывают большую интенсивность звука. В частности, для получения больших интенсивностей используется принцип «излучения в воду». В этом случае, та же сила звука будет достигнута при 60-ти кратном запасе по амплитуде звукового давления, величина которой лимитируется прочностью излучателя.
Громкость £слышимых звуков при одинаковой интенсивности зависит от его частоты. За единицу громкости принят сон - громкость тона (чистого звука) частотой 1 кГц при интенсивности 40 дБ. (Для примера, шепот человека оценивается в 20 дБ, крик - в 40, болевой порог - в 130 дБ). Часто для определения громкости применяют относительные логарифмические единицы - децибелы, показывающие, насколько звуковое давление p сигнала превосходит порог чувствительности уха. Установлено, что минимальное давление p0, которое способно воспринять человеческое ухо, составляет 2 10-5 Н/м2. Для сравнения: величина давления, при котором разрушается барабанная перепонка равна 2 103 Н/м2. Следовательно, £ = 20lg (p/p0). Вообще говоря, логарифмическая единица измерения отношений мощностей W или энергий называется бел. £* = lg W1/W2. (Обычно употребляется 1/10 доля бела, или децибел).
Громкости некоторых источников звука приведены в табл. 5.3.
Таблица 5.3. Громкости различных источников звука
Источник звука | Громкость £, дБ |
Тихая комната | 30 |
Шум оживленной улицы | 60 |
Шум самолета на расстоянии 1 м | 115 |
Болевой порог | 130 |
К основным законам распространения звука относятся:
-
законы отражения и преломления звука на границах сред (рис. 5.33);
-
законы дифракции и рассеяния звука при наличии препятствий и неоднородностей на границах;
-
законы волноводного распространения в ограниченных участках среды.
В большинстве случаев построения АЛС для задач локации и связи ограничиваются моделью геометрической или линейной акустики, в которой рассматриваются только первый и третий законы распространения. Эта модель соответствует зоне упругих деформации среды распространения УЗ. Характер распространения УЗ волн зависит от соотношения между звука и характерным (для условий его распространения) геометрическим параметром dхар (размером источника звука или препятствия на пути волны, размером неоднородностей среды, поперечного сечения волновода и т. п.). В рамках линейной модели принимается dхар >> .
Второй закон учитывается в задачах акустической диагностики и звуковидения. Степень отклонения от геометрической картины распространения и необходимость учета дифракционных явлений определяется параметром где r - расстояние от точки наблюдения до объекта, вызывающего дифракцию.
Третий закон распространения имеет очень большую роль в задачах гидроакустической связи, описывая явление «подводного звукового канала». Этот канал, образуется на некоторых глубинах моря вследствие стратификации - неравномерного распределения температуры и плотности воды с глубиной. Указанная неравномерность приводит к тому, что характеристический импеданс среды на некоторой глубине локально уменьшается. Образующийся волновод достигает сотен километров длины и может использоваться для передачи сигналов с малым затуханием.