Глава 5 (Учебник - информационные системы), страница 8
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 8 страницы из документа "Глава 5"
Отражение звука от объектов приводит к появлению эха и реверберации.
Область применения линейной акустической модели УЗ определяется двумя основными факторами - интенсивностью звуковых волн и их частотой. Так, при увеличении интенсивности J волн в их поле проявляются многочисленные нелинейные эффекты (нарушается принцип суперпозиции, изменяется форма волны, а ее спектр обогащается высшими гармониками и т.д.). Критерием применимости аппарата линейной акустики служит выражение вида:
М = v/c << 1,
где М - число Маха. Данное неравенство означает, что колебательная скорость частиц среды v должна быть много меньше скорости распространения звука в этой среде. Это выражение выполняется довольно часто. Так, для звука в воздухе, интенсивность которого соответствует громкому разговору М 10-6. Даже вблизи мотора реактивного самолета v 250 см/с, и, следовательно, при скорости звука в воздухе с = 342 м/с, М < 0,01.
Роль нелинейных эффектов в звуковом поле возрастает и с частотой. Действительно, для гармонической волны частотой f колебательная скорость определяется формулой: v = 2 f u и тогда M = 2 f u/c.
5.3.2. Акустические свойства среды
Особенности распространения УЗ волн (их тип, скорость c, дальность L и пр.) определяются, главным образом, акустическими свойствами среды, к которым относятся:
-
упругость (характеризуемая модулями объемной упругости K, Юнга E и сдвига G) и плотность ;
-
характеристический импеданс Z;
-
затухание .
Например, при распространении УЗ в неограниченной газовой или жидкой среде в последней возникает изменение объема, вызывающее продольные волны. Их скорость c равна:
В твердом теле, кроме того, существует упругость формы, и, поэтому, здесь образуются волны двух типов: продольные и поперечные. Следовательно, скорость распространения c зависит от типа деформации. В частности, для безграничного твердого тела продольные волны спр (вызывающие деформацию растяжения-сжатия) и поперечные споп (вызывающие деформацию сдвига) распространяются со скоростью:
Здесь - коэффициент Пуассона.
В ограниченных средах на скорость распространения влияет наличие и характер границ, что приводит к зависимости скорости звука от частоты: c = F(f), т.е. к дисперсии скорости звука.
В табл. 5.4 представлены некоторые акустические характеристики различных сред.
Таблица 5.4. Сравнительные акустические характеристики некоторых сред
Материал | , 103 кг/м3 | Скорость распространения волн, 103 м/с спр споп сповер | Z (для продольных волн), МПа с/м | ||
Al | 2,7 | 6,4 | 3,1 | 2,9 | 17,2 |
Fe | 7,8 | 5,9 | 3,2 | 3,0 | 46,3 |
Pt | 21,4 | 3,9 | 1,6 | 1,5 | 84,6 |
Бетон | 1,8 ... 2,8 | 2,1 ... 5,2 | - | - | 6,9 |
Стекло | 2,6 | 5,7 | 3,4 | 3,1 | 14,5 |
Вода | 0,98 | 1,5 | - | - | 1,5 |
Резина | 1,3 ... 2,1 | 1,5 | - | - | 1,9 ... 3,1 |
Костная ткань | 1.2 …1,8 | 2500 …4300 | - | - | 3,3 … 7,5 |
Камни печени | 1400 …2200 | - | - | 1,2 … 2,4 | |
Кровь | 1,06 | 1540 … 1600 | - | - | 1,5 … 1,7 |
Воздух | 1,3 10-3 | 0,33 | - | - | 4,3 10-4 |
Затухание УЗ сигнала представляет собой уменьшение амплитуды u и, следовательно, интенсивности J звуковой волны по мере ее распространения (рис. 5.34):
u = u0 e-2x и J = J0 e-4x
где - коэффициент затухания, x - направление распространения волны. (В формулах учтено, что интенсивность звука J пропорциональна квадрату амплитуды волны u (или давления p), и волна при локации проходит двойной путь 2х). Коэффициент затухания измеряется в Нп/м или дБ/м, причем 1 дБ/м = 0,115 Нп/м.
Затухание вызывается следующими основными факторами: расхождением фронта волны с удалением от источника, а также рассеянием и поглощением звука.
П ервый из этих факторов связан с тем, что по мере удаления волны от источника его энергия распределяется во все большую границу волнового фронта, уменьшая, тем самым, интенсивность волны J. Амплитуда сферической волны убывает r--1, цилиндрической r--1/2. В УЗ локации также используют представление о коэффициенте ослабления Kосл = Wпр/Wизл (здесь Wпр и Wизл - величина мощности сигнала на входе приемника и выходе передатчика). Kосл уменьшается с расстоянием между объектами связи и зависит от размеров излучателя и частоты сигнала (рис. 5.35). В УЗ локации значение Kосл превышают 100 дб.
При анализе затухания УЗ волн их волновое поле, расходящееся от излучателя, рассматривают в двух зонах: ближней Lб (зоне Френеля) и в дальней Lд (зоне Фраунгофера). В ближней зоне поле имеет неопределенную форму и сложно для расчета (его сечение иногда аппроксимируется цилиндром). В дальней - фронт волны имеет сферическую форму, а само поле подобно усеченному конусу, с углом расхождения :
Здесь dхар - характерный размер (обычно, диаметр излучателя dизл). Для определения ближней Lб и дальней Lд зон используется неравенство: Lб Lкр и Lд >> Lкр, причем
Приведенные выражения свидетельствуют, что расхождение фронта зависит от диаграммы направленности излучателя. На практике для оценки затухания чаще всего используют графики (рис. 5.36).
Р ассеяние и поглощение звука определяют потери энергии в среде. При поглощении звуковая энергия переходит в другие формы, в первую очередь - тепловую, а при рассеянии остается звуковой, но теряет направленность в результате отражений от неоднородностей среды. Относительная роль того или иного фактора при затухании звука зависит от свойств среды распространения и от характеристик самой волны. Так, для жидких и газовых сред (без взвесей) рассеяние практически отсутствует, и затухание определяется в основном поглощением. В твердых телах коэффициенты поглощения п для продольных и поперечных волн различны, правда, их значения сравнительно невелики, и, поэтому, затухание зависит, главным образом, от рассеяния р на границах зерен. В задачах дефектоскопии, когда дальность распространения УЗ невелика затухание оценивается одним коэффициентом равным: = п + р.
Коэффициент поглощения п пропорционален квадрату частоты: п f2, следовательно, затухание УЗ волн существенно выше, чем звуковых. (Так, увеличение частоты звука в 10 раз увеличит п в 100 раз, что уменьшит дальность локации в 100 раз). Поэтому, коэффициент затухания приводят к установленной частоте (например, 2 МГц как в табл. 5.5), либо вводят параметр /f2.
Таблица 5.5. Коэффициенты затухания продольных УЗ волн в некоторых средах
, дБ/м | Материал | Дальность проникновения Lmax, м |
0,1 ... 10 | Алюминий, магний, сталь, фарфор | 1 ... 10 |
10 ... 100 | Полистирол, чугун, медь, бронза | 0,1 ... 1 |
> 100 | Резина, медь, дерево, керамика | 0 ... 0,1 |
Отражение и рассеяние УЗ на неоднородностях среды позволяют формировать в оптически непрозрачных средах звуковые изображения предметов, используя звуковые фокусирующие системы подобно тому, как это делается с помощью световых лучей. Процесс фокусирования УЗ волн посредством акустических линз, рефлекторов и с помощью излучателей вогнутой формы возможен лишь при: << dхар. Фокусировка УЗ позволяет получать звуковые изображения на дисперсионных средах, например, в системах звуковидения и акустической голографии, а также концентрировать звуковую энергию. При этом в среде получают столь высокие значения интенсивности звука, которых на поверхности обычных УЗ излучателей достичь невозможно. С помощью фокусирующих систем можно формировать заданные характеристики направленности излучателей и управлять ими.
5.3.3. Направленность и модуляция в акустической локации
П ри построении АЛС необходимо учитывать, что Н проявляется только в дальней зоне излучения (или зоне Фраунгофера) при r Lд. Характеристика Н датчиков АЛС D(r) описывает отношение давлений p, развиваемых в этой зоне на одном и том же расстоянии l от центра датчика в направлении, определяемом произвольным радиус-вектором r и некоторым фиксированным R0:
D(r) = p(r)/p(R0).
Амплитудная характеристика Н АЛС R(r) в функции аргумента зависит от волнового размера излучателя d/ (рис. 5.37).