Моделирование аудиосистемы дельфина для целей ультразвуковой терапии Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Известия ТРТУ

Тематический выпуск

Обработка полученных результатов (Postprocessing) проводится в модуле Postprocessing (/postl) TimeHist Postprocessing (/post26). Работа осуществляется как с действительной и мнимой частями, так и с амплитудно-фазовыми распределениями.

В силу особенностей аэрогидродинамического модуля пакета FLOTRAN (элементы FLUID 140, 141) модель можно упростить, ограничившись осесимметричным рассмотрением. При расчете для жидкостей (жидкостноподобных, биологических) сред принимаются следующие допущения: а) жидкость Ньютонова, б) однофазная, в) рассматриваемая область не меняется. Выходными значениями (результатами вычислений) являются компоненты скорости потока V, суммарная колебательная скорость и давление в объеме прилегающей к рассеивателю среде.

Предложенный подход численного моделирования с использованием вышеназванных программных пакетов может быть успешно использован в прикладных задачах медицинской акустики.

В.А. Закарян, И.Б. Старченко

МОДЕЛИРОВАНИЕ АУДИОСИСТЕМЫ ДЕЛЬФИНА ДЛЯ ЦЕЛЕЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТЕРАПИИ

В отечественной психологической практике дельфинотерапия - новое направление, насчитывает не более 4-5 лет. Возникла необходимость теоретической и практической разработки этого метода, хотя за рубежом это направление развивается с 70-х годов ХХ века. Исследователи считают, что общение с дельфинами не только доставляет эстетическое наслаждение, но и приносит медицинскую пользу: эмоции, которые при этом испытывает человек, заживляют душевные раны и нормализуют психическое состояние. По некоторым предположениям, такое благоприятное действие оказывают ультразвуковые волны, которые исходят от дельфинов [1].

Дельфины, как известно, производят и хорошо слышат звуки вне диапазона частот человеческого слуха. Они используют короткие, широкополосные сети щелчков с пиковыми значениями между 60 и 120 кГц. Напротив, относительно значительно меньше сообщается об использовании ими сверхзвуковой передачи сигналов для общительных целей. Коммуникационные сигналы издаются группами по 1 - 9 свистов, причем каждый свист отделен от другого интервалом молчания у группы животных или низкоамплитудными звуками у одного животного (см. табл. 1).

Таблица 1

Частотные характеристики свистов на примере прядильщика и пятнистого

дельфинов

Разновид- ности дельфи- нов N, количество Длитель- ность (s) Средняя частота F0(кГц) ЧМ диапазон F0 (кГц) Максимальная частота F0 max (кГц) Минимальная частота F0 min (кГц)

Прядиль- щик 167 0,66±0,36 13,8±2,3 7,3±3,9 17,4±3,0 (16,9-17,9) 10,1±2,5 (9,7-10,5)

Пятнис- тый 220 0,44±0,30 10,9±2,0 7,4±2,9 14,5±2,5 (14,1-14,9) 7,1±1,5 (6,9-7,3)

Длительность одного свиста 0,1-0,4 с. Наиболее часто встречаются свисты длительностью 0,25 с. Дельфины одной группы имеют сходные частотно-временные

Раздел III

Ультразвуковые и акустические приборы в медико-биологической практике

характеристики свистов, у дельфинов разных групп эти характеристики существенно отличаются [2]. Диапазон изменения частоты в свисте составляет 4-18 кГц. У одиночного животного свисты наблюдаются реже и довольно стереотипные, у пары - более частые и разнообразные. Для большинства свистов характерно постоянное увеличение амплитуды и спад амплитуды во время последующего свиста (слайд 5) энергия сосредоточена в полосе от 1-10 кГц.

Таким образом, можно сделать вывод, что звуки, издаваемые дельфинами, представляют собой ЛЧМ-сигналы с довольно низкими для гидроакустики частотами. Для формирования направленного излучения и минимизации размеров гидроакустической антенны в качестве базовой выбрана модель параметрического излучателя [3].

Решение уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецова для модулированного сигнала накачки в общем виде запишется как [4]

і-є-0.2 • а2

P( z, г, О) =---4---А(О) -Ф( z, г, О) , (1)

16•Со -Ро

где

z exp[-і - . 2•r2 •(1 + i •■•Lд /'д > ]

Ф(z,r,П) =Г--------l, a ^ +i• (z'-z>/L + z•- /Ід1 , (2)

J 1 + i • (z' - z)/Lд + z • z' /^

где П - несущая разностная частота, а - радиус исходного преобразователя накачки, A(n) - Фурье-спектр квадрата огибающей сигнала накачки, Ф(z, r, П) -спектр сигнала разностной частоты, z - координата распространения, r - поперечная координата в цилиндрической системе, Ld - длина зоны дифракции волны с частотой П , ld - длина зоны дифракции, l, - длина зоны затухания.

Как отмечалось ранее [3], излучение частотно-модулированного сигнала накачки не приводит к генерации волны разностной частоты параметрической антенной. При излучении суммы синусоидального сигнала и частотно-модулированного генерация разностной частоты в виде ЛЧМ имеет место [3]. Таким образом, исходный сигнал задается в виде

( [ 2 А

p(z = 0, t) = Alcosalt + A2cos co2t + —— , -ти/ 2 < t <ти/ 2, (3)

V 2 у

где Аь A2 - амплитуды сигналов с частотами юь ю2, [ = 2ad/ти - скорость линейного изменения частоты внутри импульса длительностью ти, a>d = 2nfd - девиация частоты ©о [5]. Подставляя (3) в (1) и (2) с учетом параметров сигналов, приведенных в таблице, можно получить требуемый сигнал, моделирующий сигнал дельфина.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Поденок С. Дельфинотерапия исцелит измученные души. http:/www.utro.ru.

2. Marc O. Lammersa and Whitlow W. L. The broadband social acoustic signaling behavior of spinner and spotted dolphins. // J. Acoust. Soc. Am. 114 (3), September 2003, pp. 1629-1639.

3. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981. - 264 с.

4. Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. - Л.: Судостроение, 1990. 256 с.

5. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. -4-е изд., пе-рераб. и доп. - М.: Радио и связь. 1986. -512 с.