Воротников С.А. - Информационные устройства робототехнических систем (960722), страница 40
Текст из файла (страница 40)
При оценке направленности в АЛС, так же как и в других ЛС, используют коэффициент концентрации Кна. Определяю'г его как отношение интенсивности звука.У„,а„, создаваемой иа расстоянии ! > (д в направлении главного максимума интенсивности, к интенсивности .У гигютетнчсского ненаправленного излучателя с такой жс излучаемой мощностью и на том же расстоянии 1: Кнд = =.У„,а„/Х Значения К, рассчитывают по формуле 2.~р( )~~' Кн ч 1 тсР где Р— мощность излучателя; р(гр) — амплитуда звукового давления в направлении радиус-вектора гв. Это выражение можно упростить, сели представить излучатель в виде плоского поршня в жестком экране.
Тогда при х>Х ~л — — площадь излу- 2 2 чающей поверхности) К„д = 4па% . Уровень добавочных максимумов по отношению к главному в этом случае составляет не более 0,13. В активных ЛХ1С приемник воспринимает сигнал, посланный собствеи-:! иым излучателем и отраженный ог объекта. Чем. выше направленность из- .::;:: лучателя, тем меньше диаметр пятна озвучивания иа объекте. Так, при лока.- ,:Ь 204 5.3.
Акустические локаиионные сисиымы ции плоского объекта на расстоянии 3 м диаметр пятна озвучивания составляет 4,7 см на несущей частоте 30 кГц и 2,5 см на частоте 120 кГц. Уровень полученного приемником сигнала зависит от отражательной способности и формы объекта (в среднем он в 100--1000 раз меньше излучаемого сигнала). Наилучшим для локации был бы вогнутый сферический объект с радиусом кривизны, равным расстоянию от поверхносги объекта до приемника.
В АЛС используют различные виды модуляции сигналов, выбор которой зависит от назначения системы и радиуса сс действия. Например, для акустических дальномеров, работающих в ближней зоне (до 1 м), обычно применяют непрерывную ЧМ или ФМ. В дальномерах среднего радиуса действия (> 2 м) предпочтение отдают импульсному излучению на несущей частоте. Этот тип модуляции нашел особенно широкое применение в задачах звуковой локации и связи. Как уже отмечалось, ИМ позволяет строить энергетически эффективные многоканальные АЛС. Подобный подход позволяет разместить в одном частотном диапазоне несколько десятков каналов ультразвуковой связи. Спектр акустического сигнала обычно строят в координатах звуковос давление (интенсивность) — частота.
Для импульсной модуляции характерен сплошной спектр, для непрерывной — комбинированный, содержащий линии и сплошные участки. В целом спектр импульсно-модулированного сигнала шире, чем амплитудно- или частотно-модулированного, хотя в любом слу гае большая часть энергии сигнала (основная площадь спектра) сосредоточена в области главных гармоник. Полосу пропускания В приемника сигнала, определяющую ширину его спектра, при ИМ выбирают из условия: о = /; < / /3, где ~„— верхняя граничная частота приемника. В целом ИМ с ,::: . несущей частотой обладает большей эффективностью, чем без нее, Достоинством такой передачи является больцгая направленность излучения, обусловленная наличием высокочастотной составляющей, а также лучшая по:::.: мехозащищенность 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 методы непрерывной модуляции: сигналов. Использова.'-;:::: . ние в АЛС непрерывной модуляции приводит к уменьшению ширины спектра сигнала, а следовательно, улучшению избирательности канала передачи ,;:„:::::,= ..информации и увеличению отношения сигнал/шум. 5.3.5. Датчики и системы акустической локации Датчики АЛС подразделяют по двум основным признакам: 1) по назначению — излучатели и приемники; 2) по принципу действия — генераторныс и параметрические преобразователи.
Рассмотрим сначала излучатели акустической энергии. В излучателях ге'!г":вераторного типа колебания возбуждаюгся вследствие наличия препятствия 205 5. Локационные информационные системы на пути постоянного потока — струи газа или жидкости (к ним относятся сирены, свистки). В параметрических излучателях заданныс колебания электрического напряжения или тока преобразуются в механические колебания твердого тела, которос и излучает в окружающу1о среду акустические волны. Жидкостные механические излучатели часто основываются на возбуждении колебаний твердой излучающей системы при натекании на нее струи.
Они созда1от относительно дешевую энергию ультразвуковых колебаний на 2 частотах до 40 кГц при интенсивнОсти вблизи излучателя до 2.10 Вт/м . Такие излучатели используют в звуковом и низкочастотном ультразвуковом диапазонах. Их недостатком является невозможность получении монохроматичсского излучения, а также излучения звуковых сигналов строго заданной формы (спектр их сложен и определяется конструкцией и режимом работы).
КПД генераторпых преобразователей составляет 5...50 % при общей мощности излучения от нескольких вачт до десятков киловатт. Параметрические излучатсли подразделяют па две группы: обратимые преобразователи и громкоговорители. Эффективность излучателя зависит от соотношения между его размерами и длиной волны. Для излучателя произвольной формы точные решения, связывающие излучаемую мощность с размерами излучателя, в настоящее время отсутствуют.
Полученные зависимости относятся только к идеальным 2 моделям излучателя типа большого поршня (для которого ь. > Х ), монополя и ряда друтих. В ~ас~ност~, ~о~~а~ ~ощно~ть излу~ат~л~ типа большого поршня При расчетах реальных АЛС чаще всего пользуются моделями излучателей нулевого, первого, второго, ..., и-го порядка. Излучатель нулевого порядка — монополь — представляет собой пульсиру1ощую сферу с конечным радиусом г, которая создает в окружающей среде сферические волны, Если 2 размеры излучателя нс удовлстворяют условию 5. Х, мощность излучения определяют приблизительно: Р='усй У /(Зт~), где А = 2тсΠ— волновос число; Ъ' — объемная скорость излучателя, У = = 4пг 1, Поскольку обычно Ь.« 1, следовательно, при заданной частоте мощность излучения определяется объемной скоростью излучателя независимо от его размеров.
Еще одним простейшим излучателем является акустический диполь (излучатель первого порядка). Он представляет собой сферу, осциллирующу1о около положения равновесия, а его излучение цс имеет сферической симмет- .::-':. рии и характеризуется направленностью. Диаграмма направленности диполя -:,',: — тело вращения в виде восьмерки. Промьпцленные ультразвуковые излуча- .:.--' 206 5.3.
Акустггческие локоционны е системы тели, широко применяемые в системах гидроакустической связи„подводных роботах и других подводных системах, представляют собой наборную консгрукцию (пакет) из диполей. Диполи, как правило, идентичны и, следовательно, Злсктродьг имеют одинаковые диаграммы направленности„а их соединение в излучателе Рис. 5.21. Схемы гидроакустичепозволяет сформировать диаграмму на- ских излучателей с продольным (и) правленности нужной формы.
и поперечным (6) пьезозффектом На рис, 5.21 предсгавлены два гидро- (стрелками показаны направления акустических излучателя. Оба представ- колебаний) ляют собой короткие полые цилиндры (кольца). Электролы первого установлены снаружи и изнутри цилиндра, второго — собраны из отдельных секций. Иа рис.
5.22, а показана частотная характеристика излучателя с максимумом на частоте 40 кГц, а на рис. 5.22, б— зависимость ширины излучаемого спектра от отношения толщины излучателя Ь к его среднему радиусу к . Нскоторыс параметры излучателей представлены в табл. 5.3.
0 0 Ь г Г ~ гг б Рис. 5.22. АЧХ излучателя (а) и зависимость ее ширины от отношений Ыг „(6) Тоблица 5,3 Параметры пьезокерамических излучателей 5, Локационные информационные системы Приемники звука в зависимости от частотного диапазона разделяют иа две группы: парамегрическис ультразвуковые приемники и микрофоны, И те и другие, как правило, устроены по принципу обратимых э.:гекиуоанусгничвскит преобразователей. Для них характерна линейная функция преобразования, что позволяет точно воспроизводить форму возбуждающего сигнала как в режиме приема, так и излучения.
Как правило, электровкустические преобразователи обладают сравнительно узкой частотной характерисгикой, что позволяет применять их в мобильных системах связи. Для повышения эффективности в конструкциях датчиков используют явления резонанса. Задачей элсктроакустических преобразователей является определение звукового давления р в поле излучателя по известным значениям напряжения и тока на его входе и, наоборот, расчет напряжения или тока на выходе приемника по заданному полю (давлению р и колебательной скорости и). Важнейшей частью преобразователя, определяющей его КПД и направленность, является механическая колебательная система. Как правило, она имеет форму стержня, пластины, сфсры, полого цилиндра и т.
д. и рассчитана на вибрации определенного вида. Электроакустичсские преобразователи ЛС строят на базе ДДВ. В рабочем диапазоне частот применяют пьезоэлектрические, магнитострикционные, электростатические и электродинамичсские датчики. Самым распространенным способом преобразования информации в электроакустических преобразователях является прямой и обратный пьезоэффект. При этом в режиме излучения используется обратный пьезоэффект, в режиме приема — прямой. До недавнего времени эти преобразователи разрабатывали преимущественно для систем акустической связи ультразвукового диапазона частот (30...100 кГц). Механическая колебательная система обычно представляла' собой составную конструкцию, включающую пьезокерамичсские или кристаллические диски ~стержни), зажатыс между двумя металлическими блоками. В качестве примера можно привести цилиндрический излучатель из пьезокерамики ЦТС-19 диаметром 2б и толщиной 20 мм. На резонансной частоте 60 кГц в нем создаются торцевые колебания амплитудой около 1 мкм при излучаемой акустической мощности 10 2 Вт.
Направленность достигается использованием акустической линзы и демпфера. В настоящее время появились пьезоэлектрические громкоговорители и микрофоны, работающие в звуковом диапазоне 0,100...20 кГц', Амплитудно- частотная характеристика громкоговорителя $СЗ-77 привсдена на рис. 5.23. Частотные свойства пьезоэлектрических датчиков зависят от условий эксплуат щии: в одних случаях их делают резонансными, других — широкополосными. Исходя из этого выбирают и размеры. Например, размер подводного ультразвукового приемника — гидрофона рассчитывается из условия, чтоПервый широкополосный громкоговоритель, по-видимому, был выпущен в 1997 г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
