Научная статья на тему 'Параметрический акустический локатор'

Параметрический акустический локатор Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
318
108
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Максимов В. Н., Воронин В. А., Тарасов С. П.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Параметрический акустический локатор»

В. Н. Максимов, В. А.Вороним, С. П.Тарасов ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АКУСТИЧЕСКИЙ ЛОКАТОР

Имеющиеся параметрические локационные системы, как правило, определяют расстояние до обнаруженных объектов и их отражательную способность на частотах накачки П, 12 и разностной частоте Б [1].

Предлагаемый локатор дополнительно выполняет классификацию объектов по их акустическому сопротивлению. Преимущественная область использования -гидроакустика, ультразвуковая дефектоскопия, медицина, рыболокация.

На рис.1 показана функциональная схема локатора, а на рис.2 - спектральные характеристики сигналов. Генератор высокочастотных сигналов 1 вырабатывает синусоидальный сигнал с частотой і, поступающий на входы делителей частоты 2 и 3 с коэффициентами деления п и п+1. На их выходах формируются сигналы и2 и из с частотами і2=іУп и ґ3=ґі/(п+1), поступающие на входы нормально закрытых модуляторов 4, 5, на управляющие входы которых с выхода импульсного генератора 6 подаются периодически повторяющиеся видеоимпульсы И4. Радиоимпульсы И5 и И6 с выходов модуляторов после усилителей мощности 7 и 8 проходят через коммутаторы 9, 10 и поступают на элементы преобразователя 11, излучающего в среду лоцирова-ния акустические сигналы И7 и И8 с частотами і и і3. При распространении в среде происходит их взаимодействие и образование сигналов с комбинационными частотами, т.е. появляется сигнал И9 с разностной частотой Б = і^-із. Сигналы И7, И8 и И9 достигают объекта, расположенного в среде лоцирования, и отражаются от него. Если акустическое сопротивление объекта р1с1 больше акустического сопротивления среды рс, то отраженные сигналы имеют ту же фазу, что и падающие, если же р1с1<рс, то при отражении они изменяют фазу на 1800 [2]. Эхо-сигналы И10 с частотой Б принимаются преобразователем 12 и электрические сигналы с него поступают на избирательный усилитель 13, а с его выхода напряжение И11 подается на вход индикатора 14, на второй вход которого поступают видеоимпульсы И4, осуществляющие временную привязку работы импульсных модуляторов 4, 5 и индикатора 14. Эхо-сигналы И12 и И13 с частотами і и і принимаются преобразователем 11, а соответствующие им электрические сигналы проходят через коммутаторы 9, 10 и поступают на входы избирательного усилителя 15 с частотой настройки і2 и усилителя 16 с частотой настройки і3. Напряжения И14 и И15 с их выходов поступают на индикатор 14, а также на вход умножителя частоты 17, выполняющего умножение частоты сигнала И14 в п раз, и на вход умножителя частоты 18, выполняющего умножение частоты сигнала И15 в (п+1) раз. Напряжения И16 и И17 с выходов умножителей частоты поступают на входы фазового детектора 19, а с его выхода напряжение И18 подается на индикатор 14, в качестве которого может служить многоканальный осциллограф (запуск развертки выполняется видеоимпульсом И4, а сигналы И11, И14, И15 и И18 поступают на входы усилителей, отклоняющих лучи осциллографической трубки по оси «У»).

На экране индикатора при этом наблюдают эхо-сигналы И11, И14 и И15, амплитуды которых характеризуют отражательную способность обнаруженного объекта для сигналов с частотами Б, і , і3 а их задержка относительно начала развертки -расстояние г от преобразователей локатора до объекта. Напряжение И18, наблюдаемое также на экране индикатора, представляет собой видеоимпульс, полярность которого будет зависеть от соотношения акустических сопротивлений р1с1 и рс.

Рис. 1

Ull

Напряжения и1, и2 и из можно записать в виде следующих выражений:

и1 = И1тах • + ф1) ;

+ ф1 |

И2 = И2тах • СО8|

ИЗ = ИЗтах • СО8|

п

+ ф1 п+1

где И1тах - максимальные амплитуды соответствующих напряжений.

Сигналы И5 и И6, а также акустические сигналы И7 и И8 будут представлять собой реализацию напряжений И2 и ИЗ, действующих в течение временных интервалов т.

Следовательно,

И7 = И7 • соэ 1 ГЦ + 'ф

тах

И8 = И8 • сов тах

ГЦ + ф

п + 1

Пройдя расстояние г, акустические сигналы И7 и И8 достигают поверхности объекта, отражаются от него, претерпевая при этом изменения фазы а2 и а3, проходят еще раз расстояние г и достигают преобразователя 11, сигналы с которого через коммутаторы 9 и 10 поступают на входы избирательных усилителей 15 и 16.

Дополнительный фазовый сдвиг для сигналов И14 и И15 будет равен сумме углов а2 и а3 и угла р1, характеризующего задержку сигналов при прохождении расстояния 2г, причем

2ГО

= 2г •-

2ГО

Г?’

с с

где X 2 = 2п-----------, X 3 = 2п-----,

откуда

Р2 =

2г •ш1 С • п

Рз =

2г •ш1 С • (п + 1)

Для напряжений И14 и И15 можно записать

И14 = И14тах • сов| ^ + ф + а2 + Р2

И15 = И15„ах • сов

Углы а2 и а3 в общем случае будут равны:

юД

— +-^ + а3 +Р3

п +1 п +1

= аг^

= aгctg

ЯеК К

где К (^2) К (^3) - комплексные углы отражения акустических сигналов с частотами

1:2 и 13 от поверхности объекта. Для акустически жестких материалов объекта можно считать, что а2«а3«0, а для акустически мягких а2«а3«я. Затем сигналы И14 и И15 пропускаются через умножители частоты 17, 18, где происходит умножение их полного аргумента, соответственно на п и на (п+1). Для сигналов И16 и И17 можно записать:

(

И16 = И16

ГЦ: ф 1

+ Г:2 + гА

Л

2г • ГЦ

= И16 • сов | ГЦt + ф. + п' • п + -

тах 1 1 2

И17 = И17 •СОВ

тах

ГЦ:

Т

п + 1

—1—+ Г1 + гА п +1 3 3

• п + 1

= И17

гЦ + ф + Г1 • (п + 1) + -

2г • гЦ

На выходе фазового детектора 19 формируется напряжение И18, уровень которого зависит от разности фаз между сигналами И16 и И17, т.е.

И18 = Б • И16тах • И17тах • сов(а2 • п - а3 (п + 1)),

со

со

2

3

п

п

СОВ

п

тах

п

С

+

СОВ

тах

С

где D - коэффициент передачи фазового детектора, определяемый особенностями его схемных реализаций. Чтобы напряжение U18 не зависело от уровней сигналов U16max и U17max, на входах фазового детектора 19 устанавливают ограничители сигналов по уровню. Если частоты f2 и f3 достаточно близки друг к другу (а это условие выполняется практически для всех параметрических акустических локаторов, т. к. для них F<<f2, F<<f3 [3] ), то а2яа3»а. Окончательно

U18 = K • cosa,

где K=D U16maxU17max и с учетом ограничения уровней U16max и U17max K=const, т.е. уровень сигнала U18 для объектов со значениями a=00 будет равен U18=+K, а для a=1800 - U18= -К. Для промежуточных значений a сигнал U18 будет находиться в пределах -K<U18<+K и однозначно характеризовать величину a. Этот сигнал поступает на вход индикатора, по нему судят об импедансе отражающей поверхности объекта.

Таким образом, в предлагаемом локаторе возможно получение дополнительной информации об импедансе материала обнаруженного объекта. Это значительно расширяет его эксплуатационные возможности. На представленный локатор авторами получено положительное решение на изобретение [4].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Параметрический акустический локатор / Пат. США №4308599, G01S15/02 // ИЗР.

1981. №7.

2. Ржевкин С.Н. Курс лекций по теории звука. М.: Изд-во МГУ, 1960.

3. . Новиков Б.К,. Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. Л.: Су-

достроение, 1990 .

4. Максимов В. Н., Воронин В. А., Тарасов С. П. Параметрический акустический ло-

катор. Решение от 21.01.03 по заявке №2002104631.

А. М. Гаврилов, В. Ю. Медведев

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ИСХОДНОГО СПЕКТРА И НЕЛИНЕЙНЫХ ПРОЦЕССОВ В ВОЛНАХ КОНЕЧНОЙ АМПЛИТУДЫ

При теоретическом рассмотрении нелинейного распространения плоской периодической волны с дискретным спектром отмечен ряд особенностей, отличающих этот случай от нелинейного искажения монохроматической волны конечной амплитуды (ВКА) [1]. К ним отнесены расширение спектра в низкочастотную и высокочастотную области, заполнение нелинейно генерируемыми волнами промежутков между исходными частотами, превалирующая передача энергии вверх по частоте и др. Основное внимание уделялось взаимосвязи нелинейных искажений с шириной и положением исходного спектра на оси частот без учета фазовых соотношений в нем.

Предпринятые попытки экспериментально оценить роль фазовых соотношений [2, 3] в многокомпонентной ВКА (N=6) не привели к созданию физической модели, объясняющей нелинейные процессы при ее распространении, и сопровождались ошибочными выводами, в частности, о направленной перекачке энергии в наиболее низкочастотную волну разностной частоты (ВРЧ).

До настоящего времени вопрос о роли фазовых соотношений и влиянии количества компонент в исходном спектре на распространение ВКА остается открытым. Решение его представляет интерес как в рамках общей задачи, так и при проектировании нелинейных акустических излучателей (НАИ) [4].

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.