5.3.4. Направленность и модуляция в акустической локации

При построении АЛС необходимо учитывать, что направленность про­является только в дальней зоне излучения (зоне Фраунгофера) при г>1п.

Характеристика направленности D(r) датчика АЛС описывает отношение давлений, развиваемых в этой зоне на одном и том же расстоянии / от цен­тра датчика в направлении произвольного радиус-вектора г и некоторого

фиксированного r₀:

Диаграмма направленности АЛС зависит от волнового размера излуча­теля, т. е. от отношения характерного размера излучателя d_хар к длине λ из­лучаемой волны

Диаграммы направленности идеального излучателя при , равном 0,5 (а), 1,0 (б), 2,0 (в) (на 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 X = 5,5 мм, направленность создается излучателем диаметром не менее 20 мм.

Учитывая, что ширина 0 обратно пропорциональна частоте сигнала, а за­тухание — ее квадрату, для ультразвуковой локации в воздушной среде обычно используют частоты 30... 100 к1 ц.

При оценке направленности в АЛС, так же как и в других ЛС, используют

коэффициент концентрации Определяют его как отношение интенсивно­сти звука ./тах> создаваемой на расстоянии / > /д в направлении главного мак­симума интенсивности, к ипгенсивности У гипотетического ненаправленного

излучателя с такой же излучаемои мощностью и на том же расстоянии /: Кт = = Утах/У. Значения К1{Л рассчитывают по формуле

где Р — мощность излучателя, — амплитуда звукового давления в

направлении радиус-вектора r_0.

Это выражение можно упростить, если представим, излучатель в виде плоского поршня в жестком экране. Тогда при Кпд = . Уровень добавочных максимумов по

отношению к главному в этом случае составляет не более 0,13.

В активных АЛС приемник воспринимает сигнал, посланный собствен­ным излучателем и отраженный от объекта. Чем выше направленность из­лучателя, тем меньше диаметр пятпа озвучивания на объекте. Так, при локации 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 поверхности объекта до приемника.

В АЛС используют различные виды модуляции сигналов, выбор которой зависит от назначения системы и радиуса ее действия. Например, для акусти­ческих дальномеров, работающих в ближней зоне (до I 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 звуковое давление (интенсивность) — частота. Для импульсной модуляции характе­рен сплошной спектр, для непрерывной — комбинированный, содержащий линии и сплошные участки. В целом спектр импульспо-модулированного сигнала шире, чем амплитудно- или частотно-модулированного, хотя в лю­бом случае 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:

, где f_r — верхняя граничная частота приемника. В целом ИМ с несущей частотой обладает большей эффективностью, чем без нее. Досто­инством такой передачи является большая направленность излучения, обу­словленная наличием высокочастотной составляющей, а также лучшая по­мехозащищенность 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. Использова­ние в АЛС непрерывной модуляции приводит к уменьшению ширины спек­тра сигнала, а следовательно, улучшению избирательности канала передачи информации и увеличению отношения сигнал/шум.

Датчики и системы акустической локации

Датчики АЛС подразделяют по двум основным признакам:

по назначению — излучатели и приемники;

по принципу действия — генераторные и параметрические преобразо­ватели.

Рассмотрим сначала излучатели акустической энергии. В излучателях ге­нераторного типа колебания возбуждаются вследствие наличия препятствия на пути постоянного потока — струи газа или жидкости (к ним относятся си­рены, свистки). В параметрических излучателях заданные колебания электри­ческого напряжения или тока преобразуются в механические колебания твер­до! о тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.

Жидкостные механические излучатели часто основываются на возбуж­дении колебаний твердой излучающей системы при натекании на нее струи. Они создают от носительно дешевую энергию ультразвуковых колебаний на

частотах до 40 кГц при интенсивности вблизи излучателя до 2 104Вт/м". Такие излучатели используют в звуковом и низкочастотном ультразвуковом диапазонах. Их недостатком является невозможность получения монохро­матического излучения, а также излучения звуковых сигналов строго задан­ной формы (спектр их сложен и определяется конструкцией и режимом ра­боты). КПД генераторных преобразователей составляет 5...50 % при общей мощности излучения от нескольких ватт до десятков киловатт.

Параметрические излучатели подразделяют на 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 моделям излучателя типа большого поршня, монополя и ряда других. В частности, полная мощность излучателя типа большого поршня

.

При расчетах реальных АЛС чаще всего пользуются моделями излучате­лей нулевого, первого, второго, ..., n-го порядка. Излучатель нулевого по­рядка — монополь — представляет собой пульсирующую сферу с конечным радиусом г, которая создает в окружающей среде сферические волны. Если размеры излучателя не удовлетворяют условию 5 > X , мощность излучения определяют приблизительно:

, где — волновое число; V — объемная скорость излучателя,

Поскольку обычно кr< 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, осциллирующую около положения равновесия, а его излучение не имеет сферической симмет­рии и характеризуется направленностью. Диаграмма направленности диполя — тело вращения в виде восьмерки. Промышленные ультразвуковые излучатели, широко применяемые в системах гидроакустической связи, подводных роботах и других подводных системах, представляют собой наборную конст­рукцию (пакет) из диполей Диполи, как правило, идентичны и, следовательно, имеют одинаковые диаграммы направ­ленности, а их соединение в излучателе позволяет сформировать диаграмму на­правленности нужной формы.

На рис. 5.21 представлены два гидро­акустических излучателя. Оба представляют собой короткие полые цилиндры

(кольца)

Схемы гидроакустиче­ских излучателей с продольным (а) и поперечным (б) пьезоэффектом (стрелками показаны направления колебаний)

Электроды первого установлены снаружи и изнутри цилиндра» вто­рого — собраны из отдельных секций. На рисунке а показана частотная характеристика излучателя с максимумом на частоте 40 кГц» а на рисунке, б — зависимость ширины излучаемого спектра от отношения толщины излучателя

А к его среднему радиусу гер Некоторые параметры излучателей представле­ны в таблице

АЧХ излучателя (а) и зависимость ее ширины от отношений (б)

Модель	Назначение	/ Гц	СнФ	иш, в	Размеры, мм					т, кг
					(I		/	Ь	И
5С5 17	I ромкого-	700.. 8000	20	5 30			9,7	22	22	0,002
(США)	воритель
5С5-77	Динамик	150 20 000	380	5.. 30	_		10	77	77	0,04
(США)
0М5 2000	генератор	250 5000	II д.	12 .18	45		62	—		0,055
(Швеция)	шума
ИГ-500	гидроакус 1 и-	15 150	Нд	27	550		110	—	—	70
(Россия)	чсский излу­
	чатель

Приемники звука в зависимости от частотного диапазона разделяют на две группы: параметрические ультразвуковые приемники и микрофоны. И те и другие, как правило, устроены по принципу обратимых электроакустиче­ских преобразователей. Для них характерна линейная функция преобразова­ния, что позволяет точно воспроизводить форму возбуждающего сигнала как в режиме приема, так и излучения. Как правило, электроакустические преоб­разователи обладают сравнительно узкой частотной характеристикой, что по­зволяет применять их в мобильных системах связи. Для повышения эффек­тивности в конструкциях датчиков используют явления резонанса.

Задачей электроакустических 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 у). Важнейшей частью преобразователя, определяющей его КПД и направлен­ность, является механическая колебательная система. Как правило, она име­ет форму стержня, пластины, сферы, полого цилиндра и т. д. и рассчитана на вибрации определенного вида.

Электроакустические преобразователи Л С строят на базе ДДВ. В рабо­чем диапазоне частот применяют пьезоэлектрические, магнитострикционные, электростатические и электродинамические 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 пьсзокерамичсские или кристаллические диски (стержни), зажатые между двумя металлическими блоками. В качестве примера можно привести цилиндрический излучатель из пьезокерамики ЦТС-19 диаметром 26 и толщиной 20 мм. На резонансной час­тоте 60 кГц в нем создаются торцевые колебания амплитудой около I мкм

при излучаемой акустической мощности 10 Вт. Направленность достигает­ся использованием акустической линзы и демпфера.

В настоящее время появились пьезоэлектрические громкоговорители и микрофоны, работающие в звуковом диапазоне 0,100...20 кГц1. Амплитудно- частотная характеристика громкоговорителя 5С8-77 приведена на рис. 5.23.

Частотные свойства пьезоэлектрических датчиков зависят от условий экс­плуатации: в одних случаях их делают резонансными, других — широкопо­лосными. Исходя из этого выбирают и размеры. Например, размер подводно­го ультразвукового приемника — гидрофона рассчитывается из условия, что-

Первый широкополосный громкоговоритель, по-видимому, был выпущен в 1997 г. фирмой 8оп11гоп. Его достоинством явилась высокая стабильность характеристик в широком диапазоне частот и температур, а также малое потребление энергии и высокий КПД.

Самым распространенным типом акустического приемника является микрофон. В зависимости от принципа действия различают шесть основных типов микрофонов: порошковые угольные, электродинамические, электро­статические (конденсаторные и электретные), пьезоэлектрические, электро­магнитные и полупроводниковые.

Порошковый микрофон был разработан русским изобретателем М Махальским в 1878 г. и независимо от него П. Голубицким в 1883 г. Сейчас используется только в телефонии. Электродинамический микрофон катушечного типа изобрели американ­ские ученые Э. Венте и А. Терас в 1931 г В нем применена фольговая диафрагма или очень тонкая (1 .3 мкм) фольговая ленточка. Конденсаторный микрофон был также изобретен Э. Венте в 1917 г., а электретный в 1923 г. японцем Егути. Отличие элек- третиого микрофона от конденсаторного заключается в том, что роль неподвижной обкладки конденсатора и источника постоянною напряжения в нем играет пластина из электрета. Недостатком его является высокое выходное сопротивление, что требу­ет применения исгокового повторителя. Первый пьезоэлектрический микрофон был создан в 1925 г. советскими учеными С. Ржсвкиным и А. Яковлевым на базе кристал­ла сегнетовой соли. В настоящее время это один из самых распространенных типов микрофонов, используемых, в частности, в системах мобильной связи. Электромаг­нитные микрофоны конструктивно похожи на электродинамические, но в отличие от последних в них применяют постоянные магниты, а мембрана жестко связана с яко­рем магнита. Действие полупроводниковых микрофонов основано на изменении со противления эмиттерного перехода транзистора под действием звуковою давления на связанную с ним диафрагму. Несмотря на достаточно высокую чувствительность для полупроводниковых микрофонов характерна значительная неравномерность частот­ной характеристики, поэтому их, как порошковые и электромагнитные, применяют только в простых акустических устройствах.

Диафаммы направ­ленности микрофона:

/ — круговая; 2 — восьмеркообраз- пая, 3 — кардиоида

В современных системах звукозаписи, как правило, используют электродинамиче­ские и конденсаторные (чаще электретные) микрофоны. Они представляют собой по­следовательную цепь преобразователей, содержащую, как правило, четыре каскада преобразования информации* акустический (приемный), акустико-мехаиический, меха- ноэлектричеекий и электрический (согласу­ющий). Первые два каскада служат для формирования необходимой диаграммы направленности микрофона, в зависимости от которой различают два типа микрофо­нов: ненаправленные (нулевого порядка, круговые), называемые также приемниками давления, и направленные (градиентные) (рис. 5.24). Градиентные микрофоны со­держат несколько акустических входов, что позволяет получать диаграмму направленности требуемой формы. Так, в микрофоне с двумя симметричны­ми акустическими входами (их называют двунаправленными) диаграмма на­правленности имеет форму восьмерки. Если же в микрофоне два или более

Диафамма направленности электродинамического микрофона МД-78 на частоте/, равной 0,05 (1), 0,5 (2), 1 (3), 4 (4) и 10 кГц (5)

несимметричных входа, диаграмма направленности имеет форму кар­диоиды. В этом случае микрофоны являются однонаправленными. От­метим, что ненаправленные микро­фоны не подавляют шума.

На рис. 5.24 представлены идеа­лизированные диаграммы направ­ленности микрофонов. Реальные диа­граммы направленности близки к ним только в пределах узкого диапа­зона частот (рис. 5.25). Особенно сильно сказывается зависимость вида диафаммы направленности от часто­ты для ненаправленных микрофонов. С увеличением частоты ширина диа­фаммы направленности обычно уменьшается.

В особую группу выделяют комбинированные микрофоны, или микро­фоны с переменной диаграммой направленности. В них форма диаграммы определяется напряжением поляризации на электродах.

Электродинамические микрофоны в зависимости от конструкции механи­ческой колебательной системы подразделяют на кагушечные и ленточные. Ленточный микрофон обладает наиболее естественной передачей звука.

Конденсаторные микрофоны бывают одно- и двухмембранные. Приме­рами одномембранных являются кардиоидный электретный микрофон МКЭ-13М и ненаправленный микрофон МКЭ-400. В двухмембранных мик­рофонах (например, в отечественном МК-51, а также 11871 и 11891 фирмы Ыеитапп) можно форму диаграммы направленности изменять от круговой через кардиоиду к восьмеркообразной.

Важнейшим требованием, предъявляемым к микрофонам, является равно­мерность их АЧХ. У микрофонов с неравномерной АЧХ возникают нелиней­ные искажения при передаче звука, которые могут привести к самовозбужде­нию акустической системы. На рис. 5.26 представлены АЧХ электродинамиче­ского и электретного микрофонов. Отдельный класс составляют направленные микрофоны, использующие резонансные схемы и параболические отражатели. Серийно выпускают не­сколько моделей обоих типов с диапазоном частот 100...22 кГц. Игольчатая форма диаграммы направленности микрофона с параболическим отражате­лем позволяет контролировать речь на расстоянии до 1500 м.

В табл. 5 4 представлены типовые характеристики микрофонов разных типов.

Таблица 5 4

Сравнительный анализ микрофонов различных тииов

Тип микрофона	/ кГц		Д1*,дБ	мВ м2/Н
Порошковый	0,3...	3,4	20	500
Электродинамический	0.03.	..15	12	1
Конденсаторный	0,03.	..15	5	5
Электрегный	0,02	18	2	1
Пьезоэлектрический	0,1.	..5	15	50
Электромагнитный	0,3	5	20	5
11олу проводниковый	0,1..	.15	30	50

Неравномерность частотной характеристики.

Для работ в водной среде достаточно широко применяют преобразовате­ли из магнитострикционных материалов (никеля, железокобальтовых спла­вов или феррита), сердечник которых имеет форму стержня или кольца. В режиме излучения в этих устройствах используется магнитострикционный эффект (деформация ферромагнетика, помещенного в переменное магнит­ное поле), в режиме приема — магнитоупругий эффект (переменные дефор­мации вызывают изменение магнитной проницаемости ферромагнетика и появление ЭДС). Магнитострикционные преобразователи работают прибли­зительно в том же частотном диапазоне, что и пьезоэлектрические, но обла­дают значительно большей акустической мощностью. Так, излучатель из никель-кобальтового феррита диаметром 60 мм и высотой 40 мм на частоте 45 кГц развивает акустическую мощность около 5 Вт с амплитудой колеба­ний 10 мкм. Столь высокие деформации материала приводят к его быстрому разрушению в воздушной среде, поэтому такие устройства обычно исполь­зуют в качестве гидроакустических излучателей. Их КПД при работе в жид­кости и в твердых телах в диапазоне низких и средних частот достигает 80 %. КПД преобразователей, работающих в гиперзвуковом диапазоне час­тот, существенно ниже. Для них используют специальные материалы на ос­нове магнитострикционных пленок из никеля, пермаллоя или др.

Параметры датчиков АЛС рассчитывают с использованием электроме­ханических уравнений обратимых преобразователей, связывающих механи­ческие конструктивные параметры преобразователя с электрическими ха­рактеристиками сигнала. Например, уравнения пьезоэлектрическою преоб­разователя имеют вид

,

где — проводимость механически заторможенного преобразователя;

— напряженность электрического поля; — обратный и прямой факторы силы соответственно; — переменная сила;

— импеданс механической колебательной системы;

—- колебательная скорость поверхности преобразователя.

Уравнения магнитострикционного преобразователя записываются ана­логично:

Для определения функции преобразования электроакустического преоб­разователя из пьезоэлектрического материала используют выражение, свя­зывающее напряженность электрического поля Е с относительной линейной

деформацией , где к_э — размерный коэффициент; λ-пьезоэлектрическая постоянная материала; l— расстояние между об­кладками датчика. Поскольку электрическое напряжение на обкладках дат­чика , то его функцию преобразования можно представить так:

Здесь U и Δi являются комплексными величинами.

Для магнитострикционного электроакустического преобразователя функция преобразования описывается эмпирической зависимостью

,

где k_э — размерный коэффициент; тс — магнитострикционная постоянная сердечника; Н — напряженность магнитного поля, причем А/ и Н также являются комплексными величинами.

Интенсивность У звукового излучения достигает (3...5)-10 Вт/м у се­рийных пьезоэлектрических излучателей и (1...5)105 Вт/м у магнитострикционных. Ее максимальное значение ограничивается прочностью и упругостью материала. Для увеличения интенсивности излучения исполь­зуют импульсные режимы работы излучателя, а также применяют специ­альные ультразвуковые концентраторы, которые представляют собой фоку­сирующую систему, излучающую сходящуюся сферическую волну. В фоку­се 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 диапазо­на 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.

Таблица 5.5

Модель	Тип	/\ кГц	Размеры, мм
			с!	1
МУП 1 (Россия)	11ьезоэлектрический	30...85 (40)	18	11
УЗП-2 (Россия)	Конденсаторный	20...70 (50)	15	9
К-160 (Япония)	»	0,02...100	6	7

Параметры электроакустических преобразователей

* В скобках указана частота резонанса

Рассмотрим несколько характерных примеров применения АЛС. Как правило, в промышленности и робототехнике они выполняют функции ультразвуковых дальномеров или локаторов. Первые предназначены для измерения дальности до объекта или препятствия в воздушной или жидкой среде, вторые — для детектирования препятствий распространению волн. Например, разнообразные 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, представляю­щею собой индикатор препятствия и предназначенного для определения объектов в воздушной среде на расстоянии до 10 м на основе эхо метода. Посланный излучателем 1 сигнал отражается от препятствия и воспринима­ется микрофоном 2. Полученный сигнал усиливается транзистором УТ^ де­тектируется цепочкой и подается на реле 3.

Рис. 5.27. Электрическая схема ультразвукового локатора: / — излучатель; 2 — микрофон, 3 — реле

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 на временной дискриминатор, вычисляющий задержку принятого сигнала по отношению к излученному. Дальномер определяет расстояние до предметов в пределах 0,2...80 м с погрешностью около 2 %.

Функциональная схема акустического дальномера фирмы Воsh

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 сиг­налов. Так, если на первом приемнике сигнал имеет вид , то на втором — фазовый сдвиг,

— база приемников (расстояние между ними); а — угол между направлением фронта волны и осью приемника.

Для определения искомой величины ψ служит фазовый детектор, на ко­торый поступают два сигнала, причем с первого приемника через фазовра­щатель, изменяющий фазу сигнала на r/2. Выделив постоянную состав­ляющую с помощью фильтра нижних частот, имеем

При значениях а, удовлетворяющих неравенству , функция преобразования ультразвукового локатора наведения близка к линейной:

. где к_р — коэффициент преобразования.

Ультразвуковой локатор наведения установлен на захватном устройстве окрасочного робота фирмы Тгаlfа (Норвегия). Погрешность измерения при его использовании не превышает 1,5 %. Основные параметры некоторых моделей ультразвуковых АЛС представлены в табл. 5.6

Модель	Дальность действия,м	/, кГц	0*.	е, %	Размеры, мм			т,
			град		Ъ	Н	/	кг
УТ-10ДР (Россия)	0,15...9,5	60	20	5	200	120	300	2,5
УТ 65 (Россия)	0,001 0,3	Переменная	7	1	85	40	165	0,5
М-942 (Германия)	0,001...2	215	10	0,05	Н.д	Н.д.	Н.д.	1,0
Ю000-Р43 (Германия)	0,1...2,0	Н.д.	5	0,5	45	20	210	0,3
К5/8.5 (Япония)	0,1...6	140	5	0,3	Н.д.	Н.д	Н.д.	0,7
2лгсоп-4,0 (США)	0,5... 12,5	75	10	0,5	62	30	ПО	0,1

Параметры промышленных ультразвуковых АЛС

* Угол диаграммы направленности.

Акустические локационные системы специального назначения

В последние годы АЛС находят широкое применение в ряде специаль­ных отраслей: интроскопии, медицине, военном деле. Разрабатываемые изначально как отдельные приборы, эти средства все чаще включаются в состав автоматических диагностических устройств и роботов, например в системах иеразрушающего контроля при диагностике корпусов ядерных ре­акторов. В таких задачах реализуется прямая визуализация объекта контро­ля путем его сканирования узким ультразвуковым лучом. Минимальное время /в, необходимое для получения информации о структуре и геометрии объекта, определяется выражением

где к_b — коэффициент, зависящий от метода визуализации и равный 2 при использовании отраженных волн и 1 в случае прямого прохождения луча;

— максимальная длина объекта в направлении распространения воли. В простейшем случае одномерного сканирования объект облучается ультразвуком в импульсном режиме, а отраженные от неоднородностей сигналы воспринимают обратимым электроакустическим преобразователем. Амплитуда сигнала зависит от многих факторов: длины волны, коэффи­циента затухания, размеров дефекта и расстояния до него. Мри 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).

Схема получения ультразвукового изображения:

а — схема АЛС; б — двумерный ультразвуковой зонд: 1 — ультразвуковая матрица; 2 — биологический объект; 3 — границы структур; 4 — гель, в — изображение

В томографе применяется обратимая пьезоэлектрическая матрица (мно­гоэлементная решетка), содержащая до 10 ООО точечных преобразователей. Рабочую поверхность матрицы смазывают гелем и прикладывают непосред­ственно к биологическому объекту. Каждый из преобразователей формиру­ет узкий пучок ультразвукового излучения в диапазоне частот 2... 10 МГц, который, проходя сквозь мягкие ткани, отражаетбя от более плотных. Уст­ройства приема-передачи и управления режимами обеспечивает временную селекцию сигналов и фокусировку излучения на конкретном органе. Для этого в конструкцию излучателя входит двухлинзовый (или более) акустический объектив, формирующий звуковой рельеф (распределение звукового давления) контролируемого объекта в плоскости электроакустического пре­образователя. Большую часть времени томограф работает на прием: время посылки 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.

Основные достоинства АЛС, позволяющие широко применять их в са­мых разных областях техники — многофункциональность, широкий диапа­зон измерении, простота и надежность технических решений; недостатком этих устройств является низкая помехозащищенность.

Основы цифровой записи звука

Во многих случаях, особенно в автономных режимах работы АЛС, воз­никает задача записи и хранения больших объемов звуковой информации. В наиболее 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 заданного динамического диапазона 4-дин 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 — болевой порог; р_о — давление, соответствующее порогу слышимости. На разных частотах диапазон &дин раз­личен, например на тестовой частоте 1000 Гц £_дип = 120... 140 дБ. Мак­симальный динамический диапазон, достигаемый в канале аналоговой записи звука, даже со средствами шумоподавления обычно не 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. Найквистом, инженером телефонной компании АТ&Т, был сформу­лирован основополагающий принцип оцифровки сигналов, согласно которому чис­ло замеров должно, по крайней мере, вдвое превышать число деталей. 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 дискретизации принято значение 44,1 кГц. Дробность этого значения свя­зана с тем, что в первых системах цифровой записи звука использовали бытовые видеомагнитофоны. В стандарте РАЬ видеомагнитофон записывает 50 изображений (полей) в секунду, причем в каждом поле содержится 294 телевизионные строки. Число замеров звука на строку может быть любым целым. При трех замерах на строку получаем 50 х 294 х 3, что и составляет/д = 44,1 кГц. Интересно, что ви­деомагнитофон, работающий в стандарте NTSC, также годен для оцифровки звука, так как он записывает 60 полей по 245 строк в секунду (60 х 245 х 3), т. е. по- прежнему f_д = 44,1 кГц.

Во всех системах звукозаписи звуковой сигнал записывается аналоговы­ми средствами. В цифровых системах аналоговый сигнал затем преобразу­ется в цифровую форму. Это преобразование описывается двумя основными параметрами: разрешением (квантованием по уровню) и частотой дискрети­зации f_д (определяющей квантование по времени). Разрешение определяется необходимым динамическим диапазоном воспроизводимого сигнала. Например, = 100 дБ требует не менее чем 16-битного квантования, т. е. разрешение составит- 1/65 535 максимальной амплитуды сигнала или

0,0015 дБ. Общепринятыми значениями /д являются: 44,100 кГц (высокое качество), 22,050 кГц (среднее качество) и 11,025 кГц (низкое качество). Представление звука в цифровой форме предполагает значительное расши­рение полосы пропускания канала. Так, передача звука с полосой 20 кГц и

-100 дБ при частоте дискретизации f_д = 44,1 кГц (без компрессии) тре­бует пропускной способности канала 1/1 не менее 44,1 кГц х 16 бит = = 706 Кбит/с, что соответствует полосе частот, равной 768 кГц.

При цифровой записи стереозвука полоса расширяется вдвое. В этом случае сначала производят аналоговую запись каждого канала. Далее сигна­лы оцифровывают и записывают непосредственно на компакт-диск в полосе частот 768 кГц х 2 = 1536 кГц. Объем двоичных данных, полученных в ре­зультате такой записи, весьма велик. Так, для хранения всего 10 секунд ау­диоинформации необходимо 15,3 Мбит дискового пространства. С увеличе­нием числа каналов эго пространство еще больше возрастает. Поэтому обычно информацию на диск записывают не непосредственно, а в формате линейной импульсно-кодовой модуляции (англ. РСМ). Линейная импульсно-кодовая модуляция является алгоритмом кван­тования и дискретизации, преобразующим аналоговые сигналы в дискрет­ные цифровые без сжатия частотного спектра. Алгоритм линейной импульсно-кодовой модуляции позволяет записывать сигналы с полосой пропускания до 6,144 Мбит/с, однако и этого для высококачественной мно­гоканальной записи оказывается недостаточно.

Более прогрессивный способ кодирования предполагает использование дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (англ. ОРСМ). В этой схеме кодируются разности между текущими и предшествующими значе­ниями сигналов, а не сами дискретизированные значения. Поскольку разно­сти меньше дискрстизироваиных значений, для кодирования той же звуко­вой информации можно использовать меньше битов (разница между двумя 16-битовыми значениями равна всего 4 бита). Поэтому дифференциальную импульсно-кодовую модуляцию можно рассматривать и как схему сжатия звуковой информации. Простейшим способом сжатия звукового сигнала без потерь является кодирование по алгоритму Хаффмена.

Оптические локационные системы

Оптические локационные системы (ОЛС) предназначены для получения информации об объекте на основании анализа его оптических параметров в диапазоне видимых, ультрафиолетовых, инфракрасных и рентгеновских волн. Такими параметрами являются спектральные и фотометрические характеристики, зависящие от строения и рельефа поверхности объекта, его температуры и агрегатного состояния, а также от длины волны и угла паде­ния излучения. Оптическое излучение является, пожалуй, самым перспек­тивным носителем информации, что позволяет использовать ОЛС в самых разнообразных задачах навигации, измерения и контроля, дефектоскопии и т. п. Наиболее широко ОЛС применяют в машино- и приборостроении, ме­таллургии и химической промышленности, средствах связи, охранных сис­темах и устройствах видеонаблюдения. ОЛС является также важнейшим элементом информационного обеспечения современных роботов. Поэтому все ОЛС можно разделить на два больших класса: системы локации и сис­темы технического зрения. Первые используют главным образом в задачах навигации и измерения, вторые — в задачах, связанных с получением и ана­лизом образа объекта. ОЛС обеспечивают высокую точность измерения размеров объектов, расстояний и скоростей. Мощность различных ОЛС лежит в пределах 10 ...10 Вт, что позволяет применять их в средствах ближней и дальней локации.

ОЛС подразделяют по трем основным признакам:

по принципу локации — активные и пассивные;

по типу первичного преобразователя — вакуумные, оптронные и ла­зерные;

по взаимному расположению объекта и его изображения — каллиматорные (объект и его изображение находятся в бесконечности), телескопи­ческие (в бесконечности расположен только объект), проекционные (в бес­конечности находится только изображение) и фокусирующие (объект и его изображение расположены на конечном расстоянии).

Первичные преобразователи ОЛС необратимы, поэтому их принято раз­делять на источники и приемники излучения.

Теоретические основы оптики

В соответствии с открытой в 1864 г. Д. Максвеллом электромагнитной теорией света оптические явления создают электромагнитные поперечные волны, представляющие собой распространяющееся в пространстве элек­тромагнитное поле. Скорость распространения оптического излучения в ва­кууме со = 299 792,5 м/с.

Диапазоны электромагнитных волн

Большинство используемых в робототехнике ОЛС, а также системы тех­нического зрения (СТЗ) функционируют в диапазоне видимого света. Излу­чение субъективно описывается двумя переменными: яркостью (амплитудой сигнала) и цветом (длиной волны). Информация о яркости применяется во всех ОЛС, о цвете — только в СТЗ.

Оптическое излучение создается благодаря колебаниям большого числа элементарных осцилляторов. Излучения с X = 380...750 нм образуют види­мый свет. Источники света принято разделять на когерентные и некогерен­тные. В некогерентных источниках (естественных, а также вакуумных и оп- тронных) различные атомы активного вещества излучают волны, фазы и направления полей которых независимы и случайным образом изменяются во времени. Когерентные источники (например, лазер) излучают мо­нохроматические волны. Световая монохроматическая волна создается вза­имно перпендикулярными и синусоидально изменяющимися во времени и в пространстве электрическим и магнитным полями, имеющими одинаковые частоты и перпендикулярными направлению ее распространения. Когерент­ность излучения оценивают коэффициентом монохроматичности Км =

= Д///,где Д/ — ширина спектра излучения. Для естественных источников

света Км «10~6, для лазера Км =10~16.

Преобразователи ОЛС, в том числе и СТЗ, основаны на использовании принципов геометрической оптики, которые были сформулированы в XVIII в. и постулируют прямолинейное распространение волн. Это справедливо, если пренебречь дифракционными эффектами, т. е. полагать, что длина волны излучения значительно меньше характерного размера препятствия: Теоретическую основу геометрической оптики составляют закон взаим­ной независимости световых лучей и принцип наименьшего времени, из­вестный как принцип Ферма, согласно которым световые лучи распростра­няются ио прямым линиям и не взаимодействуют между собой. Частными случаями принципа Ферма можно рассматривать законы отражения и пре­ломления света. Известно, что если луч свста падает на границу раздела

двух прозрачных сред с коэффициентами преломления я] и П2, он отклоня­ется на угол, пропорциональный углу падения. Все лучи, параллельные оп­тической оси сферической поверхности раздела, преломляются так, что схо­дятся в одной точке, называемой фокальной, или фокусом.

Зависимости для определения скорости распространения и длины свето­вых волн в среде имеют следующий вид:

с = с0/п; Х = с//,

где п — показатель преломления среды (п > 1); /— частота излучения. Следовательно, скорость света в вакууме больше, чем в любой другой среде. Значения показателя преломления п и коэффициента отражения &отрдля

некоторых сред приведены ниже:

Воздух	1,0003	—
Вода дистиллированная	1,333	0,02
Алмаз...... ......... .........	2,420	0,17
Стекло:
органическое	1,49	0,04
непросветленное	1,5—2,0	0,05—0,1
просветленное	1,5 —1,7	0,006—0,01

Для геометрической оптики в основном справедливы те же законы, что и для геометрической акустики. Это позволяет применить принципы проекти­рования АЛС к ОЛС. В частности, оптическое излучение также характери­зуется направленностью, а информативный параметр накладывается на несущее колебание посредством модуляции. Диаграмма направленности формируется оптической фокусирующей системой, а из всех способов мо­дуляции наиболее распространена импульсная.

Для оценки светового излучения применяются энергетические и свето­технические (визуальные) характеристики. Первые используют, как прави­ло, для излучений, которые лежат за пределами видимого спектра, вторые служат для описания процессов, протекающих в диапазоне видимого света и воспринимаемых глазом Такое разделение вызвано тем, что действие види­мого свста на глаз зависит не только от физических параметров излучения (энергии, частоты, спектрального состава), но и спектральной чувствитель­ности 8С(Х) глаза (рис. 5.30). Как видно на рисунке, чувствительность глаза к сине-фиолстовому и красно-оранжевому излучению существенно ниже, чем к желто-зеленому. Максимум 5С(Х) достигается при X = 0,5...0,555 мкм (первое значение справедливо для черно-белого, так называемого скотопического зрения, второе — для цветного, или фотопического зрения).

Рис. 5.30. Спектральная чувствительность глаза:

сине-фиолетовая, желто-зеленая и красно-оранжевая области солнечного спектра соответственно, 1 — спектр солнечного света; 2 — скотопическая чувствительность; 3 — фотопическая чувствительность глаза

Для перевода фотометрических характеристик в энергетические исполь­зуют коэффициент видности к у, показывающий, как меняется световое ощущение по всему диапазону видимого света. Так как глаз имеет наиболь­шую видность (световое ощущение) Утахк излучению с X = 0,555 мкм, то

.

где — световое ощущение к излучению с длиной волны X. В диапазоне