Глава 5 (Учебник - информационные системы), страница 9

О параметрах Н УЗ можно говорить, если диаметр излучателя в несколько раз превышает его длину волны. Так, для частоты УЗ сигнала 60 кГц, когда  = 5,5 мм, Н создается излучателем диаметром не менее 20 мм. (Например, при d/ = 4 ширина диаграммы Н  = 30⁰).

Учитывая то, что Н пропорциональна частоте сигнала, а затухание пропорционально квадрату частоты, для УЗ локации в воздушной среде обычно используют частоты 30 ... 100 кГц.

П ри оценке Н в АЛС также как и других ЛИС используется коэффициент концентрации (направленного действия) - КНД. Он определяется как отношение интенсивности звука, создаваемой на расстоянии l > L_д в направлении главного максимума J_, к интенсивности гипотетического ненаправленного излучателя J с такой же излучаемой мощностью на том же расстоянии l: K_нд = J_/J. Для нахождения K_нд применяется расчетная формула:

где W - мощность излучателя, p(R₀) - амплитуда звукового давления в направлении R₀.

Это выражение упрощается, если для излучателя справедлива модель плоского поршня в жестком экране. Тогда при $ > ² ($ - площадь излучающей поверхности): K_нд = 4S/². Уровень добавочных максимумов по отношению к главному в этом случае, составляет  0,13.

В активных АЛС, приемник УЗ воспринимает сигнал, посланный собственным излучателем и отраженный от объекта. Чем выше Н излучателя, тем меньше размер «пятна озвучивания» на объекте (рис. 5.38). Этот параметр, характеризуемый диаметром d_пятна, увеличивается с расстоянием и даже при малых L превышает 2 d_изл. Так, при лоцировании плоского объекта на расстоянии 3 м на несущей частоте f = 30 кГц диаметр «пятна озвучивания» d_пятна составляет 4,7 см, а на f = 120 кГц - 2,5 см. Уровень сигнала, полученного приемником, зависит от отражательной способности и формы объекта, и в среднем, в 100 …1000 раз меньше излучаемого сигнала. Наилучшим для лоцирования был бы вогнутый сферический объект с таким радиусом кривизны, который был бы равен расстоянию от поверхности до приемника.

В АЛС используют различные виды МК, выбор которой зависит от назначения системы и ее радиуса действия. Например, для акустических дальномеров, работающих в ближней зоне (до 1 м), обычно применяется непрерывная ЧМ или ФМ. В дальномерах же среднего радиуса действия (более 2 м) предпочтение отдается импульсному излучению на несущей частоте. Этот тип МК нашел особенно широкое применение в задачах звуковой локации и связи. Как уже отмечалось, ИМ позволяет строить энергетически эф­фективные многоканальные АЛС. При­мер уплотнения частотного канала и организации временной селекции при ИМ со скважностью q = 100, был рассмотрен в разделе 5.1.2. Подобный подход позволяет разместить в одном частотном диапазоне несколько десятков каналов УЗ связи.

Спектр УЗ сигнала обычно строится в координатах «звуковое давление (или интенсивность) - частота». Для ИМ характерен сплошной спектр, для непрерывной модуляции - комбинированный, содержащий линии и сплошные участки. В целом, спектр ИМ сигнала шире, чем АМ или ЧМ, хотя в любом случае, большая часть энергии сигнала (основная площадь спектра) сосредоточена в области главных гармоник. В качестве примера на рис. 5.39 представлен спектр прямоугольного импульса (без несущей частоты) продолжительностью T  0,3 мс. Как видно из гра­фика основная мощность сигнала лежит в области до  2 кГц. Полоса пропускания приемника УЗ сигнала B, определяющая ширину его спектра, при ИМ выбирается из условия: B = f_г  1/10T, где f_г - верхняя граничная частота приемника. В целом ИМ на несущей частоте, обладает большей эффективностью, по сравнению с ИМ без несущей. Достоинством такой передачи является большая направленность излучения, обусловленная наличием высокочастотной составляющей, а также луч­шая помехозащищенность сигнала. В частности, разрешающая способность акустического дальномера достигает 0,1% от его диапазона измерения. При этом несущую частоту сигнала выбирают вдали от основных акустических частот. В ряде случаев, особенно в системах акустической связи нашли применение также и методы непрерывной МК. Использование в АЛС непрерывной МК приводит к уменьшению ширины спектра сигнала, и, следовательно, улучшению избирательности канала передачи информации и увеличению отношения сигнал/шум.

5.3.4. Датчики и системы акустической локации

Датчики АЛС классифицируются по двум основным признакам:

1. п о назначению: излучатели и приемники;

2. по принципу действия: генераторы и параметрические преобразователи

Рассмотрим сначала излучатели акустической энергии. В излучателях генераторного типа колебания возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока - струи газа или жидкости (к ним относятся сирены, свистки). В параметрических излучателях - заданные колебания электрического напряжения или тока преобразуются в механические колебания твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.

Жидкостные механические излучатели УЗ часто основываются на возбуждении колебаний твер­дой излучающей системы при натекании на нее струи. Они дают относительно дешевую УЗ энергию на частотах до 30 ... 40 кГц при интенсивности вблизи от излучателя до 10^-3 Вт/м². (Такие излучатели используются в звуковом и низкочастотном УЗ диапазонах). Недостатком излучателей-гене­раторов является невозможность получения монохроматического излучения, а также излучения звуковых сигналов строго заданной формы: спектр их сложен и определяется конструкцией и режимом работы. КПД гене­раторов составляет 5... 50%, при общей мощности излучения от нескольких Вт до десятков кВт.

К параметрическим излучателям относятся УЗ излучатели и громкоговорители.

Э ффективность излучателя зависит от соотношения между его размерами и длиной волны. Точные решения получены только для идеальных моделей «большого поршня», монополя и ряда других. В частности, полная излученная мощность W «большого поршня» ($ > ²) равна:

При расчетах реальных АЛС чаще всего пользуются моделями излучателей 0-го, 1-го, 2-го и т.д. порядка. Излучатель 0-го порядка - монополь, представляет собой пульсирующую сферу конечного радиуса r, которая создает в окружающей среде сферические волны (рис. 5.40а). В случае если его размеры не удовлетворяют условию $ > ², мощность излучения определяют приблизительной формулой:

W  ck²V²/8,

где k = 2/ - волновое число, V - объемная скорость излучателя, равная V = 4r²v. Поскольку, обычно kr << 1, следовательно, при заданной частоте мощность излучения определяется объемной скоростью излучателя, независимо от его размеров. Это выражение применяется и при расчете других малых излучателей, не имеющих сферической симметрии. Другим простейшим излучателем является акустический диполь (излучатель 1-го порядка), представляющий собой сферу, осциллирующую около положения равновесия (рис. 5.40б). Его излучение не имеет сферической симметрии и характеризуется направленностью. Диаграмма направленности диполя - тело вращения в виде восьмерки. Промышленные УЗ излучатели, широко применяемые в системах гидроакустической связ­и, подводных роботах и других подводных системах, представляют собой наборную конструкцию (пакет) из диполей. Диполи, как правило, идентичны, и, следовательно, имеют одинаковые диаграммы Н, а их соединение в излучателе позволяет сформировать диаграмму Н нуждой формы. На рис. 5.41а представлены два гидроакустических излучателя, построенных на продо­льном и поперечном пьезоэффекте. Оба представляют собой короткие полые цилиндры (кольца); электроды первого установлены снаружи и изнутри цилиндра, а второго собраны из отдельных секций. Здесь же показана частотная характеристика излучателя с максимумом на частоте 40 кГц (рис. 5.41б), а также зависимость ширины излучаемого спектра от отношения толщины излучателя  к его среднему диаметру R_ср (рис. 5.41в).

Некоторые характеристики громкоговорителей представлены в табл. 5.6.

Таблица 5.6. Пьезокерамические громкоговорители

Примечание. Модели SCS разработаны фирмой So­nitron, США.

Приемники звука, как правило, также используют параметрический принцип, и, в зависимости от частотного диапазона разделяются на две группы: УЗ приемники (в том числе, гидрофоны) и микрофоны.

Н аиболее распространенный класс акустических датчиков составляют обратимые параметрические электроакустические преобразователи - ЭАП. Они обладают линейной функцией преобразования, что позволяет точно воспроизводить фор­му воз­буждающего си­гнала, как в режиме приема, так и излучения. В отличие от акустических излучателей и при­емников, ЭАП обладают сравнительно узкой частотной характеристикой и обычно используются для работы на определенной частоте в мобильных системах связи. Для повышения эффективности в их конструкциях применяются резонансные явления. В большинстве конструкций ЭАП осуществляется двойное преобразование информации (рис. 5.42): электромеханическое (U, i  F, v) и механоакустическое (F, v  p, v). Задачей теории расчета ЭАП является определение звукового давления p в поле излучателя по известным значениям напряжения U и тока i на его входе, и наоборот, расчет напряжения или тока на выходе приемника по заданному полю (давлению p и колебательной скорости v). Таким образом, существенным элементом ЭАП, опре­деляющим его КПД и направленность является механическая колебательная система. Как пра­вило, в качестве колебательных систем исполь­зуются стержни, пластины, сферы, полые цилиндры и другие оболочки, рассчитанные на вибрации заданного вида.

ЭАП АЛС строятся на базе ДДВ. В рабочем диапазоне частот применяются пьезоэлектрические, магнитострикционные, электростатические и электродинамические ЭАП.

С амым распространенным способом преобразования информации в ЭАП является прямой и обратный пьезоэффект. В основе работы пьезоэлектрических ЭАП (ПЭАП) в режиме излучения лежит принцип обратного пьезоэффекта, в режиме приема - прямого. До недавнего времени ПЭАП раз­рабатывались преимущественно для систем акустической связи УЗ ди­апа­зона частот (30 … 100 кГц). Механическая колебательная система обычно выполнялась в ви­де составной конструкции, включающей пьезокера­мичес­кие (или кристаллические) диски или стержни, зажатые между двумя металлическими блоками. В качестве материалов ПЭАП наиболее широко используются пьезокерамики на основе цирконата-титоната свинца - ЦТС. Примером является цилиндрический излучатель ди­аметром 26 и толщиной 20 мм из ЦТС-19. На резонансной частоте 60 кГц в нем создаются торцевые колебания амплитудой  1 мкм, при излучаемой акустической мощности 10^-2 Вт. Другой пример приведен на рис. 5.43. Здесь представлена конструкция дискового преобра­зо­вателя направленного излучения. Направленность достигается использованием акустической линзы и демпфера.

В настоящее время появились также и ПЭАП звукового диапазона (100 Гц … 20 кГц), используемые как широкополосные пьезокерамические громкоговорители. Первый такой преобразователь, по видимому, был выпущен в 1997 г. фирмой «Sonitron». Сейчас малогабаритные громкоговорители активно применяются в оборудовании связи, устройствах звукозаписи, системах мультимедиа и бытовой те­хнике. Они обладают высокой стабильностью характеристик в широком диапазоне частот и температур, а также малым потреблением энергии и высоким КПД. Обобщенная частотная характеристика громкоговорителя име­­ет вид, показанный на рис. 5.45.