Воротников С.А. - Информационные устройства робототехнических систем (960722), страница 39
Текст из файла (страница 39)
За единицу громкости принят соп — громкость тона (чистого звука) частотой ! кГц прн интенсивности 40 дБ. Громкость звука в децибелах вычисляют по формуле Х = 201ФР/Ро), 11 5.3. Алустические локационные системы где р0=- 2 10 Па — минимальное давление, которое способно воспринять -5 человеческое ухо, т. е. порог чувствительности. Напримср, шепот человека оценивается в 20 дБ, крик — в 40 дБ, болевой порог — - в 130 дЬ. Громкости некоторых источников звука, дБ; приведены ниже: Тихая комната,....,........., .....,...... Оживленная улица .....,......,......,. Самолет (на расстоянии 1 м) ..... 30 60 115 К основным законам распространения звука относят: зак и преломления звука на границах сред, законы дифракции и при наличии препятствий и неоднородностей на границах водного распространения в ограниченных участках среды, В большинстве случаев построения АЛС ограничиваютс метрической, или линейной, акустики.
Эта модель соответст гих деформаций среды распространения звука, Характер р волн зависит от соотношения между длиной волны Х звука для условий его распространения ~еометрическим параметр ром источника звука или препятствия на пути волны, попсре волновода и т, д.). В рамках линейной модели принимают ах,„р Границы применения линейной акустической модели двумя основными факторами: интенсивностью звуковых вол ::;.';,-:: Так, при увеличении интенсивности волн в их поле проявля~ ленные нелинейныс эффекты 1нарушается принцип суперп '.::; .ется форма волны, а ее спектр обогащается высшими гармо Критерием применимости аппарата линейной акустики служ М =~/с <<1, оны отражения рассеяния звука и закон волно- я моделью геовуст зоне упруаспростраисния и характерным ом И„,р (размсчным сечением определяются н и их частотой, отея многочисозиции, изменя- никами и т.
д.). ит неравенство 199 ';;::;. где М вЂ” число Маха. Данное неравенство означает, что колебательная скорость частиц среды :,'.'-, ~ должна быть много меньше скорости распространения звука в этой среде -':,:: (на практике это выражение выполняется довольно часто). 'Гак, в воздухе -';,' для звука, интенсивность которого соответствует громкому разговору, ::: М = 10 . Даже вблизи мотора реактивного самолета ~ = 2,5 м/с, а значит, ~"-': ири скорости звука в воздухе с = 342 м/с число Маха М < 0„01. Роль нелинейных эффектов в звуковом поле возрастает и с частотой. .г-Действительно, для гармонической волны частотой / колебательная ско'-" рость частиц среды ~ = 2л /и и тогда М = 2п/и/с. Законы дифракции и рассеяния звука необходимо учитывать в задачах ~::,::.Экустичсской диагностики и звуковидения.
Степень отклонения от геомет-:: рической картины распространения и необходимость учета дифракционных "';; ЯВЛСНИй ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ ПаРаМЕтРОМ К1, = Ь /Их „, ГДŠà — РаеетОЯНИЕ От ; точки наблюдения до объекта, вызывающего дифракцию. 5.3. Акустические яокаггиоииые системы 7'абггигга 5,2 Акустические характеристики некоторых сред Затухание вызывают следующие основные факторы: расхождение фрон- :~.-":.
та волны по мере удаления от источника, рассеяние и поглощение звука. Первый связан с тем, что при удалении волны от исгочника сго энергия рас::-;:::: прсделяется во все большую границу волнового фронта, уменьшая тем са- ~, .мым интенсивность волны. Амплитуда сферической волны убывает обратно пропорционально г., цилиндрической — — ~/г . В звуковой локации также используют представление о коэффиг~иеите '-;;;; аслабяелия К„,, = Р„р', Риз„(где Рг1Р, Р„„— соответственно мощности сигна:; яа приемника и излучателя). С увеличением расстояния между объектами ':-':.':.связи Кос„уменьшается, а его значение зависит ат размеров излучателя и час'=.''::-. тогы сигнала (рис.
5.18). В ультразвуковой локации обычно Кос„> 100 дЬ. При анализе затухания звуковых волн расходящееся от излучателя вол- Ф. ;;.- новос поле рассматривают в двух зонах: ближней 1б (зоне Френеля) и даль;;-. ней г (зоне Фраунгофера). В ближней зоне поле имеет неопределенную =:, форму и поэтому сложно для расчета (иногда его сечение аппроксимирустся ;;: циггиндром), в дальней — — фронт волны имеет сферическую форму, а само :;;; поле подобно усеченному конусу с углом расхождения а: згп и =-1,221/О„, :- Ддя определения границ ближней и дальней зон используют неравенства ~б — ~кр ~д ~~ бакр 5. Локацнонные ннфарлыционные смсгпемы причем 1 „=д „уХ.
Приведенные выражения свидетельствуют, что рас- 2 / хождение фронта зависиг от диаграммы направленности излучателя. На практике для оценки затухания чаще всего используют графики «рис. 5,19). О О,! 1О х,м Рис. 5.18. Зависимость коэффициента ослабления ультразвукового сигнала от диа- метра излучателя и частоты. излучения: .1, 2 — 4, ~п = 100 мм, ~=.60 и, 120 к1 ц соотвегственно, 3, 4 — Ик,„= 10 мм, ~= 60. и 120 кГц Ул~о 1 10-12 О 2 4 б 8 10 12 хм Рис. 5Л9. Зависимость относительной интенсивности .Ыо «где .Уо =- 10 Вт~м ) — 12 ультразвукового сигнала от его частоты и коэффициента затухания среды: 1 — 3 — ~=60 кГц,у=0,1,0,3 ио,6соответствсшв;4 — ~=200 к! ц,1~= ),О еяние и поглощение звука определяют потери энергии в среде.
При нии звуковая энергия переходит в другие формы, в первую очередь ую„а при рассеянии остается звуковой, но теряет направленность в отр .ений от неод ородностей среды, О носи е ьная роль .ого '-.,'.~ о фактора при затухании звука зависит от свойств среды ансния и характеристик самой волны. Так, для жидких и газовых взвесей) рассеяние практически отсутствует и затухание опредесновном поглощением, В твердых телах коэффициенты погло- Ф "4 Расс оглоще теплов ре ра ср зультате ли иног спростр ед «без ется в о 202 5.3.
Акустическгге локаггиоггные системы щения г,„для продольных и поперечных волн различны, правда, их значения сравнительно невелики и поэтому затухание зависит главным образом от рассеяния, например на границах зерен. металла. В задачах дефектоскопии, когда далыюсть распространения ультразвука мала, затухание оценивают одним коэффициентом г, = ~"„, + г,р, где г",Р— коэффициент рассеяния.
Коэффициент поглощения г.',гг пропорционален квадригу частоты, следовательно, затухание ультразвуковых волн существенно выше, чем звуковых. Так„гговышение частоты колебаний в 10 раз увеличит г".,гг в 100 раз„что уменьшит дальность локации также в 100 раз. Поэтому коэффициент затухания г", приводят к установленной частоте, например 2 МГц, либо вводят унифицированный параметр ~l / Значения коэффициента затухания г, и дальность распространения 1„, „ продольных ультразвуковых волн в некоторых средах при ~ = 2 МГц приведены ниже: г"„, дБlм (,„, и Алюминий, магний, сталь, фарфор................
0,1...10 1...10 Полистирол, чугун, медь, бронза ........,.....,.... 10...100 0,1...1 Резина, медь, дерево„ керамика .............,........ >100 0...0,1 Отражение и рассеяние ультразвуковых волн па неоднородностях среды позволяют, используя звуковые фокусирующие системы„формировать в оптически непрозрачных средах звуковые изображения предметов подобно тому, как это делается с помощью световых лучей. Процесс фокусирования ,::::::,- ультразвуковых волн посредством акустических линз, рефлекторов и с по- 1:;,.';' мощью излучателей вогнутой формы возможен лишь прись<< И„„„. Благодаря фокусировке получают звуковые изображения на диспсрсионных сре~',-:— ,",:- дах, например в системах звуковидепия и акустической голографии; концентрируют звуковую энергию и т.
д. 5.3А. Направленность и модуляции в акустической локации При построении АЛС необходимо учитывать, что направленность про:,„: является только в дальней зоне излучения (зонс Фраунгофера) при г > гд. '.;:;; Характеристика направленности О(г) датчика АЛС описывает отношение ::;-::, давлений, развиваемых в этой зоне на одном и том же расстоянии ( от цен':-' тра датчика в направлении произвольного радиус-вектора г и некоторого -'-,,'- фиксированного го,. 0(г) =- р(г) /р(го).
Диаграмма направленности АЛС зависит от волнового размера излуча::;.::,:,' теля, т. с. от отноигсния характерного размера излучателя д ~р к длине Х из:"-':::: лучаемой волны (рис, 5.20). 203 5. Локациоиные ииформауианнь~е сис~лемы 0' 0' 0 О Рис. 5.20. Диаграммы направленности идеального излучателя при с1„ар / Х„ равном 0,5 (а), 1„0 Щ,2,0 (в) 1на рис. 5.20, б также показана диаграмма направленности реального излучателя) О направленности ультразвукового сигнала можно говорить только в том случае„если диаметр излучателя в несколько раз превышает его длину волны.
Так, для частоты сигнала 60 кГц, когда Х = 5,5 мм, направленность создается излучателем диаметром ие менее 20 мм. Иапример„при с~„ар ~Х = 4 о ширина диаграммы направленности О < 30 . Учитывая, что ширина О обратно пропорциональна частоте сигнала, а затухание —. ее квадрату, для ультразвуковой локации в воздушной среде обычно используют частоты 30...100 кГц.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
