Воротников С.А. - Информационные устройства робототехнических систем (960722), страница 42
Текст из файла (страница 42)
4 2 Интенсивность .У звукового излучения достигает (3...5) 1~ Вт/м у се: рийных пьезоэлектрических излучателей и (1...5) 10 Вт/м у магнито. стрикционных. Ее максимальное значение ограничивается прочностью и упругостью материала. Для увеличения интенсивности излучения используют импульсные режимы работы излучателя„а также применяют специ- альные ультразвуковые концентраторы,'которые представляют собой фокусирующую систему, излучающую сходящуюся сферическую волнк В фоку- 9 ! 2 се подобных .концентраторов интенсивность достигает 10 ...10 Вт/м на : частотах 0,1...10 МГц. Ультразвуковые концентраторы используют, в частности, при проведении операций, когда необходимо обеспечить воздействие ультразвука на малую область пространства. Для низкочастотного диапазо-.на разработаны концентраторы в виде резонансных стержней переменного сечения, позволяющие получать амплитуды смещения до 50...80 мкм.
Их применяют при механической обработке, сварке, дроблении материалов и в других случаях. Параметры некоторых наиболее распространенных моделей электроакустических преобразователей приведены в табл. 5.5. 213 5. Локациоиные ит~юрмациоииые системы Таблица 5.5 Параметры электроакустических преобразователей ~ В скобках указана частота резонанса.
Рассмотрим несколько характерных примеров примснсния АЛС. Как правило, в промьппленпосги и робототехнике они выполняют функции ультразвуковых дальномеров или локаторов. Первые предназначены для измсреиия дальности.до объекта или препятствия в воздушной или жидкой среде, вторые — для детектирования препятствий распространению волн.
Например, разнообразпыс ультразвуковые дефектоскопы позволяют определять нарушения сплошности в твердых средах ~металлических предметах, строительных конструкциях и др.), а разработанные на основе традиционного эхо-метода приборы — обнаруживать дефекты. размером 0,05 мм при глубине залегания до 5 м. На рис. 5.27 приведена схема ультразвукового локатора, представляющего собой индикатор препятствия и предназначенного для определения объектов в воздушной среде на расстоянии до 10 м на основе эхо-метода. Посланный излучателем 1 сигнал отражаегся от препятствия и воспринимается микрофоном 2. Полученный сигнал усиливается транзистором ~Тз, детектируется цепочкой Сз, ПЭ~, И)2 и подается на реле 3.
Рис. 5.27. Электрическая схема ультразвукового локатора: 1 — излучатель; 2 — микрофон; 3 — реле 2!4 5.3. Акустические локиционные системы Функциональная схема акустического дальномера приведена на рис. 5.28. Схема управления переключает режим работы дальномера на излучение или прием. В первом случае формируется импульсно-модулированный сигнал с несущей частотой 50...120 кГц, во втором — принятый и усиленный сигнал поступает па временной дискриминатор, вычисляющий задержку принятого сигнала по отношению к излучешюму, Дальномер определяет расстоянис до предметов в пределах 0,2...80 м с погрешностью около 2 %. Рис.
5.28. Функциональная схема акустического дальномера фирмы Возем Для работы на еще меньших расстояниях и в режиме наведения необходима ФМ. В этом случае отраженный сигнал принимается двумя приемниками, причем разность хода лучей Л вызывает разность фаз принятых сиг: налов. Так, если на первом приемнике сигнал имеет вид Ц = Усошо~, то на -: втором У2 = Усоя(щ~ — ~р), где ~р — фазовый сдвиг, у = 2лЬ/Х= = 2тс (/о / Х)ъ1п а; Ео — база приемников (расстояние между ними); сс — угол между направлснисм фронта волны и осью приемника. Для определения искомой величины ~1/ служит фазовый детектор, на ко- торый поступают два сигнала, причем с первого приемника через фазовра'::::::: щатель, изменяющий фазу сигнала на к/2. Выделив постоянную состав::, ляющую с помощью фильтра нижних частот, имеем 0а,,„, — — 0,5У ь!п~1/=Оу5(/ 27~(/о/Х)81п(х.
':„:''-::,:-:. При значениях а, удовлетворяющих неравенству Щ/Х)япа<<1, функция :;='::: преобразования ультразвукового локатора наведения близка к линейной: (/аых = Кр(/О/~)О . :где Ʉ— коэффициент преобразования. 5.
Локацио~ные информационные системы Ультразвуковой локатор наведения установлен на захватном устройстве окрасочного робота фирмы Тга!Га (Норвегия). Погрешность измерения при его использовании не превышает 1,5 %. Основныс параметры некоторых моделей ультразвуковых АЛС представлены в табл. 5.6. 'Таблица 5.6 Параметры промышленных ульгразвуковых АЛС ~ Угол диаграммы направленности. 5.3.б.
Акустические локационные системы специального назначения В последние годы АЛС находят широкое применение в ряде специальных отраслей: ннтроскопии, медицине, военном деле. Разрабатываемые изначально как отдельные приборы, эти средства все чаще включаются в состав автоматических диагностических устройств и роботов, например в системах нсразруша~о|цсго контроля при диагностикс корпусов ядерных реакторов. В таких задачах реализуется прямая визуализация объекта контроля путем его сканирования узким ультразвуковым лучом.
Минимальное время ~„необходимое для получения информации о структуре и геометрии объекта, определяется выражением в ~ с в У ! с где йв — коэффициент, зависящий от метода визуализации и. равный 2 при использовании отраженных волн и ! в случае прямого прохождения луча; 1п,а~ — максимальная длина объекта в направлении распространения воли. В простейшем случае одномерного сканирования объект облучается ультразвуком в импульсном режиме, а отраженные от неоднородностей 5.3.
Лкусп1ичсские локицмойпью сисР)мыы Рис. 5.29. Схема получения ультразвукового изображения: а — схема ЛЛС; б — двумерный ультразвуковой зонд: 1 — ультразвуковая матрица; 2— биологический объект.„З вЂ” границы структур; 4 — гель; в — изображение В томографе прим лементная решетк очую поверхность енно к биологичес узкий пучок ульгр орый, проходя скв йства приема-перед екцию ситналов н го в конструкцию сняется обратимая пьезоэлектрическая матрица ~мноа), содержащая до 1О ООО точечных преобразователей.
матрицы смазывают гелем и прикладывают нспосрсдкому объекту. Каждый из преобразователей формируазвукового излучения в диапазоне частот 2...!О МГц, озь мягкие ткани, отражается от более плотных. Устачи и управления режимами обеспечивает временную фокусировку излучения на конкретном органе. Для излучателя входит двухлинзовый ~или более) акусти- ств сигналы воспринимают обратимым электроакустичсским преобразователем. Амплитуда сигнала зависит от многих факторов: длины волны, коэффициента затухания, размеров дефекта и расс1ояпия до него. При качественных оценках амплитуда отраженного импульса прямо пропорциональна площади дефекта, а время прохождения сигнала — глубине его залегания.
Чрезвычайно эффективна ультразвуковая компьютерная томография, позволяющая получать дву- и трехмерные изображения исследуемого объекта (рис. 5.29). 5. Локационные инфорл~ационные сисшел~ы ческий объектив, формирующий звуковой рельеф (распределение звукового давления) контролируемого объекта в плоскости элсктроакустического преобразователя. Большую часть времени томограф работает на прием: время посьики составляет 5...10 % времени приема. Похожие схемы имеют акустические микроскопы, работающие на частоте 10...100 МГц и обладающие разрешающей способностью оптических микроскопов среднего класса. Для повышения чувствительности ультразвуковых приборов используют схемы стетоскопов, обеспечивающие коэффициент усиления более 50 000.
Основныс достоинства АЛС, позволяющие широко применять их в самых разных областях техники — многофункциональность, широкий диапазон измерений, простота и надежность технических решений; недостатком этих устройств является низкая помехозащигценность. 5.3.7. Основы цифровой записи звука Во многих случаях, особснно в автономных режимах работы АЛС, возникает задача записи и хранения больших объемов звуковой информации.
В наиболес простых системах производится аналоговая запись акустических сигналов на магнитофонную ленту с помощью традиционных или специальных магнитофонов„в других случаях используются системы цифровой записи. Важнейшим требованием к системам звукозаписи является необходимость обеспечения задашюго динамического дианазона Ел„„в широком спектре звуковых частот при наличии значительных акустических помех. Ограничимся простой задачей — записью акустических сигналов звукового диапазона.
Как известно, полоса частот звукового сигнала составляет 16 Гц...20 кГц. Динамический диапазон натурального звука определяется выражением Кл„в = 201фр . /ро), где р,. — болсвой порог; рр — давление, соответствующее. порогу слышимости. На разных частотах диапазон Ел„„различен, например на тестовой частоте 1000 Гц Ы„„в = 120...140 дБ. Максимальный динамический диапазон, достигаемый в канале аналоговой записи звука, даже со средствами шумоподавления обычно нс превышает 70 дБ.
Больший диапазон (свыше 100 дБ) достигается в цифровых системах записи. В этом случае практически исключаются нелинейные искажения (составляют не более 0,05 %) и детонация звука. Поэтому для высококачественной записи и воспроизведения звука все чаще используются именно цифровые системы. В 1928 г. Г. Иайквистом, инженером телефонной компании АТЛЕТ, был сформулирован основополагающий принцип оцифровки сигналов, согласно которому число замеров должно, ио крайней мере, вдвое превышать число деталеи*.
Применительно к записи звука верхний порог сигнала составляет 20 кГц. Следовательно, замеры напряжения нужно проводить не реже 40 000 раз в секунду. За стандартную частоту дискретизацииД принято значение 44,1 кГц, Дробность этого значения связана с тем, что в первых системах цифровой записи звука использовали бытовые видеомагнитофоны. В стандарте РА1 видеомагнитофон записывает 50 изображений 5.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
