Автор неизвестен - Сборник научных трудов 3-го международного радиоэлектронного форума прикладная радиоэлектроника - страница 112

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  61  62  63  64  65  66  67  68  69  70  71  72  73  74  75  76  77  78  79  80  81  82  83  84  85  86  87  88  89  90  91  92  93  94  95  96  97  98  99  100  101  102  103  104  105  106  107  108  109  110  111  112  113  114  115  116  117 

Введение. Большое число устройств технической акустики, в особенности, гидро­акустики, содержит акустические антенны, представляющие собой криволинейные сис­темы, образованные из электроакустических преобразователей и акустического экрана. Преобразователи могут быть выполнены в виде тонкостенных круговых цилиндрических пьезокерамических оболочек, протяженность которых превышает длину рабочей волны в окружающей систему среде. Акустические экраны обычно выполняются из материала конечной звукопрозрачности. Обычно в системе экран размещается с той стороны кривой линии, которая образует внутреннюю полость системы. При изучении свойств системы рассматриваемого типа используются различные модельные представления как для пре­образователей, так и для экранов.

В тех случаях, когда размеры преобразователей и экранов соизмеримы с длиной волны, свойства рассматриваемых систем существенно зависят от дифракционных эф­фектов.

Целью данной работы является изучение влияния взаимодействия плоской акусти­ческой волны с криволинейной цилиндрической решеткой, образованной из тонкостен­ных пьезокерамических цилиндрических преобразователей и акустического экрана ко­нечной звукопрозрачности, на звуковые поля ф0, формируемые каждым преобразовате­лем в составе системы.

Физической причиной изменения звукового поля преобразователя при работе его в составе системы является непрозрачность для звука тел, образующих эту систему. Из-за этой непрозрачности плоская волна, приходящая на систему, порождает возникновение многократного процесса обмена отраженными волнами между элементами системы, следствием которого является появление взаимодействия преобразователей в системе по звуковому полю. В итоге звуковое поле преобразователя в составе системы существенно отличается от такового для преобразователя, работающего вне системы. Продемонстри­руем это на примере рассмотрения круговой и дуговой систем преобразователей с аку­стически мягким экраном во внутренней полости.

Сущность исследований. Задача аналитического определения звукового поля, воз­никающего при взаимодействии плоской волны с криволинейной системой, образован­ной из цилиндрических преобразователей и экрана конечной звукопрозрачности, част­ным случаем которого является акустически мягкий экран, была решена в работе [1]. Воспользуемся математическими выражениями этой работы для количественной оценки влияния многократного рассеяния волн на звуковые поля преобразователей, размещен­ных в круговой (рис. 1, а) и дуговой (рис. 1, б) системах с экраном.

Фо (а)

На рис. 2 приведены результаты расчета характеристик направленности —-—-

ф0пшх

одиночных преобразователей в составе систем. Номера кривых соответствуют номерам преобразователей в системах.

СРРСН'2008

I-ч. 2 - 2 3 5

У, У0

б

Рис. 1

Расчеты производились для следующих значений параметров систем и их элемен­тов: N _ 4; Ь _ ; Я _ 0,0675 м ; к _ 0,006 м ; Яэ _ 0,24 м ; расстояние в дуге между поверхностями соседних элементов I _ 0,09Я ; / _ 4 кГц;10кГц (частоты плоских па­дающих волн); _ 1000 Ом . Резонансная частота пульсирующих колебаний преобразо­

СРРСН'2008

1-ч . 2 - 2 3 6вателей в воде составляла 10 кГц . Количество членов, учитываемых в разложениях полей по цилиндрическим волновым функциям, выбиралось так, чтобы вклад последнего учи­тываемого члена не превышал 3...4% от суммарного получаемого результата. Системы

103 Ж-

и с -

:1,5 -103 м

с

располагались в жидкости с параметрами р0 _ 10 3

м

плоскими волнами с частотами 10 кГц и 4 кГц (обозначения со штрихом).

ф0 тах

и возбуждались

0,5

 

/

1

\

 

 

 

і /

і

 

 

1 /

\

 

А

\

ж

 

 

 

/

\ у

\/\

 

»

 

 

і

v

 

 

1

і

1 \

 

 

\ Л

Л

Iі,

і

і

1

\

\

' 1

/ .

1 1

V

і

/1 /

 

і і

I

\

\

1

г

1

 

і

 

V

\

і /

 

\ 1

\ 1

 

 

 

 

 

\ і

__________v

 

\1

*/________

 

\

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ч/

 

 

 

 

 

 

 

 

240с

ф0 (а) ф0 тах

120°

240

б

Рис. 2

0

а

а

а

Для обеспечения возможности сравнения характеристик преобразователей в соста­ве и вне системы на рис. 3 приведены характеристики одиночного преобразователя, рас­положенного вблизи мягкого экрана. Кривые 1 построены для / _ 10 кГц, кривые 1' -/ _ 4 кГц.

СРРСН'2008

1-ч . 2 - 2 3 7

Влияние взаимодействия элементов систем, обусловленного многократным обме­ном в системе рассеянными волнами между преобразователями и между преобразовате­лями и экраном, на формирование волновых полей преобразователями в составе системы наглядно прослеживается путем сопоставления характеристик направленности при рабо­те преобразователей в составе системы и вне ее. Анализ кривых рис. 3 показывает, что размещение преобразователя вблизи экрана приводит у появлению пространственной избирательности преобразователя с существенно различающимися уровнями диаграмм направленности вдоль оси ОХ . На высоких частотах в присутствии мягкого экрана (кри­вая 1) характеристика направленности преобразователя с экраном может раздваиваться. Поскольку одиночный цилиндрический преобразователь в безграничной среде имеет круговую характеристику направленности в плоскости его нормального сечения, уста­новленные особенности направленности преобразователя в присутствии экрана обуслов­лены только взаимодействием между ними.

Рассмотрим, какое влияние на направленные свойства преобразователей вблизи эк­рана оказывает размещение их в составе системы. Анализ кривых рис. 2 показывает, что в области частоты резонанса нулевой моды преобразователей (/ = 10 кГц) взаимодейст­вие преобразователей в составе круговой решетки велико и обуславливает значительные изменения их характеристик направленности (кривые 1) по сравнению с характеристикой одиночного преобразователя вблизи экрана (рис. 3, кривая 1). При снижении рабочей частоты взаимодействие преобразователей в круговой системе с экраном ослабевает и затем исчезает полностью, о чем свидетельствует идентичность их диаграмм направлен­ности в составе (рис. 2, а) и вне (рис. 3, кривая 2) системы. Отметим также, что в силу симметрии круговой системы все ее преобразователи имеют одинаковые характеристики направленности.

Для дуговой цилиндрической системы (рис. 1, б) такая симметрия нарушается и причиной нарушения является наличие сильного взаимодействия даже в области низких частот. Это обусловлено более тесным расположением преобразователей в дуговой сис­теме. При этом отличия в характеристиках направленности соседних преобразователей более значительны в области высоких частот (рис. 2, б, кривые 1 и 2). В то же время сим­метрия системы относительно оси ОХ обуславливает одинаковость характеристик на­правленности соответствующих преобразователей в дуговой системе.

СРРСН'2008

1-ч. 2 - 2 3 8

Выводы. Анализ приведенных результатов свидетельствует о том, что возникнове­ние многократного рассеяния волн непрозрачными для звука телами в криволинейных системах с экраном во внутренней полости обуславливает появление взаимодействия двух видов элементов систем по акустическому полю - взаимодействие между преобра­зователями и экраном и взаимодействие собственно между преобразователями. Первый вид взаимодействия более сильный и его влияние проявляется во всем исследуемом час­тотном диапазоне. Влияние второго вида взаимодействия наиболее сильно проявляется в области резонансных частот преобразователей.

Литература

1. Кандрачук И.В. Взаимодействие плоской акустической волны с криволинейной системой, образованной из цилиндрических пьезокерамических преобразователей и эк­рана конечной звукопрозрачности // Электроника и связь. - 2007. - № 2. - С. 72-78.

ТЕЛЕВИЗИОННЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ТУРБУЛЕНТНОЙ АТМОСФЕРЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЕТОВОЗВРАЩАЮЩИХ ПОКРЫТИЙ

Доля Г.Н. Чудовская Е.С. Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина 61077, Харьков, пл. Свободы, 6, каф. теоретической и прикладной системотехники, тел. (057) 707-50-22, E-mail: dolya@onet.com.ua; тел. (057) 67-31-44 The paper presented outlines the research with respect the possibility of turbulent distur­bance sensor construction based on a measurement of the angular fluctuations of the reflected from retro-reflecting   surface radiation by means of television type receiver. The ap­proach mentioned allows to analyze the bivariate intensity distribution. The validation of the method of change air turbulence degree detection by means retro-reflecting surface sensing by the laser beam has been elaborated by the results of experimental investigations and computer simulation. The analyze of the angular position of local maximum using television receiver CCD-sensor-based has been implemented too for this goal achievement.

Введение. В настоящее время различные методы лазерного дистанционного зонди­рования широко распространены в таких областях как локационная техника, экологиче­ский мониторинг окружающей среды, измерение вибраций и т.д. Это обусловлено тем, что в принимаемом сигнале содержится информация, как о среде распространения, так и о параметрах отражающего свет объекта. В частности, методы лазерного дистанционного зондирования широко применяются для измерения параметров турбулентной атмосферы /1/, а также для обнаружения источников тления и загорания /2,3/.

Методы, описанные в /2,3/, основаны на измерении флуктуаций интенсивности ла­зерного излучения при его распространении через турбулентный слой, создаваемый ис­точником загорания. Такие измерения, как правило, сопровождаются погрешностями, обусловленными внешним фоновым излучением, внутренними шумами фотоприемника и т. д. В то же время, турбулентность среды приводит к флуктуациям показателя преломле­ния на трассе и, как следствие, к искажению вида диаграммы рассеяния излучения при его отражении от СВП. Следует ожидать, что на основе этого эффекта возможно по­строение иного вида датчиков турбулентных возмущений, основанных, например, на из­мерении угловых флуктуаций отраженного излучения с помощью телевизионного типа приемников, позволяющих анализировать двумерное распределение интенсивности. Ис­следованию этой возможности и посвящена данная работа.

Основная часть. Известно, что существенного увеличения мощности принимаемо­го сигнала в системах лазерного дистанционного зондирования можно достичь путем ис­пользования уголковых отражателей либо световозвращающих покрытий. Последние представляют собой совокупность микростеклошариков либо микропризм. Такое исполь­зование позволяет увеличить дальность действия таких систем, точность измерения параметров принимаемого сигнала и т.п. /3/. l^^tfVV*

Наибольшую эффективность обеспечивает использование ^^^Н| СВП на основе микропризм (рис. 1), размер которых имеет вели- МЫ * чину порядка ЮОмкм. Характер дифракционной картины при jM*% ^    г1 . **#*#*#*« рассеянии света на такой поверхности (рис.2) в виде совокупно- *jA^^^^

сти одинаковых отражателей, характеризующихся регулярным *^Нм^_*_* * )

расположением на плоскости, может быть описан в виде произ­ведения двух множителей Б(и) и /4/. Рис. 1.СВПуктура

Здесь функция Б(и) соответствует картине дифракции на элементарном световозвращателе в виде правильного шестиугольника (при нормальном падении света), а функция ЩК\¥) определяется параметрами пространственной решетки (величиной её периода, числом освещенных периодов решетки К). При увеличении числа N происходит сужение каждого локального максимума, при этом расстояние между ними не меняется, так как определяется величиной пространственного периода решетки.

Наличие фазовых искажений зондирующего пучка, обу­словленных его распространением через турбулентную атмо­сферу, приводит к искажению амплитудно-фазового распреде­ления волны, дифрагирующей на решетке, что, в свою очередь, приводит к изменению вида диаграммы рассеянного излуче­ния. Эта диаграмма искажается также и при обратном проходе через турбулентную среду. Искажения проявляются, в частно­сти, в угловых флуктуациях локальных максимумов, что мо­жет быть зарегистрировано при проектировании этой диа­граммы на фоточувствительную площадку ПЗС матрицы.

В простейшем случае турбулентную атмосферу можно представить в виде тонкого фазового экрана, характеризующегося значениями двух па­раметров - пространственного радиуса корреляции неоднородностей (фазовых искаже­ний)

р = (С2 к 2Ь ) % (1)

и дисперсии флуктуаций фазы световой волны при её распространении через фазовый экран

Рис. 2. Дифракцион­ная картина рассея­ния света на СВП

: С2к2ЬП

5А

. (2) где Ь - длина трассы, к - волновое число, Ь0 - внешний масштаб турбулентности,

С2

структурная постоянная флуктуаций показателя преломления /4/. Отсюда видно, что эти параметры связаны соотношением

а'

к.

(3)

Процесс распространения сфокусированного лазерного луча через фазовый транс­парант, отражения его и дифракции на поверхности СВП, осуществлялся с помощью компьютерного моделирования. При этом учитывался характер поверхности СВП (рис. 1), а также закономерности 1-3 .

Сначала в отсутствие турбулентности рассчитывалось амплитудно-фазовое распре­деление интенсивности дифрагированного лазерного излучения, и измерялись координа­ты одного из локальных максимумов. Затем аналогичные измерения проводились при одной из реализаций фазового распределения на транспаранте, и измерялось возникаю­щее отклонение его (локального максимума) положения относительно случая отсутствия искажений. Затем задавалось следующее значение случайной величины фазового набега, распределенной по нормальному закону, вновь вычислялась величина смещения локального максимума и т.д. Результаты расчетов при разном значении параметра Ь0 представ­лены графиками на рис. 3, по оси абсцисс отложены значения СКО набега фазы в радианах, по оси ординат - значения СКО смещения максимума в миллиметрах.

Из приведенных графиков видно, что при воз­растании степени турбулентных искажений происхо­дит монотонное увеличение дисперсии флуктуаций положения локального максимума, что является осно­вой обсуждаемого метода оценки состояния турбулентности воздуха на трассе распро­странения луча, например, в интересах раннего обнаружения источников тления и возго­рания.

Для экспериментальной проверки работоспособности обсуждаемого метода был собран макет, внешний вид которого изображен на рис. 4. Макет включал в себя полу­проводниковый лазер, мощностью 25мВт, излучающий красной области спектра, оп­

Рис. 3. Отклонение положе­ния лок. максимума в зави­симости от набега фазы

СРРСН'2008

1-ч . 2 - 2 4 1

Рис. 4. Эксперименталь­ный макет

и, в

тическую систему, позволяющую коллимировать выходное излучение диаметром З,2см до диаметра пучка 5см либо фокусировать его на расстояниях от 5м до 20м, световоз-вращающее покрытие на основе микропризм (см. рис І), а также телевизионный приемник на основе ПЗС матрицы с фокусирующей оптикой. На пути распространения луча с помощью теплового источника искусственно создавались флуктуации показателя преломления, приводящие к фазо­вым искажениям падающего на СВП пучка и отраженного от него излучения. Пространственное распределение ин­тенсивности отраженного луча (см. рис. 2) проектирова­лось на поверхность матрицы, и с помощью алгоритма вы­числения координат локального максимума осуществлялся расчет дисперсии их флук-туаций по аналогии с тем, как это делалось при компьютерном моделировании. Время усреднения выбиралось равным З0 с. Как показали результаты экспериментальных ис­следований макета, легко наблюдаются флуктуации координат, адекватные степени фа­зовых искажений, что является подтверждением работоспособности обсуждаемого мето­да.

Последнее утверждение иллюстрируется графи­ком на рис. 5. Здесь по оси абсцисс отложены значения напряжения, прикладываемого к нагревателю, а по оси ординат - относительное значение СКО флуктуаций. Степень турбулентности воздуха возрастает с ростом температуры нагревателя, что приводит к возрастанию флуктуаций. При проведении эксперимента длина трассы выбиралась равной І0 м, использовался скол-лимированный пучок, нагреватель располагался возле СВП. Таким образом, имеет место хорошее качествен­ное соответствие результатов компьютерного модели­рования (рис. З) и экспериментальных результатов (рис. 5).

Выводы. Таким образом, в докладе проведено обоснование метода обнаружения изменения степени турбулентности воздуха путем зондирования световозвращающей по­верхности лазерным пучком и анализа углового положения локального максимума с по­мощью ПЗС матрицы. Компьютерным моделированием и экспериментально показано, что фазовые флуктуации на трассе распространения луча приводят к появлению флук-туаций координат локальных максимумов в отраженном излучении. Показано, что при возрастании степени турбулентности происходит адекватное изменение степени флук-туаций измеряемого параметра. В целом полученные результаты свидетельствуют о воз­можности создания датчиков на основе данного метода и целесообразности их использо­вания, например, в системах пожарной безопасности.

Литература

1. Зуев В.Е. Распространение лазерного излучения в атмосфере. - М.: Радио и связь,

І98І.

2. Шаровар Ф.И. Методы раннего обнаружения загораний. - М.: Стройиздат, 1988.

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  61  62  63  64  65  66  67  68  69  70  71  72  73  74  75  76  77  78  79  80  81  82  83  84  85  86  87  88  89  90  91  92  93  94  95  96  97  98  99  100  101  102  103  104  105  106  107  108  109  110  111  112  113  114  115  116  117 


Похожие статьи

Автор неизвестен - 13 самых важных уроков библии

Автор неизвестен - Беседы на книгу бытие

Автор неизвестен - Беседы на шестоднев

Автор неизвестен - Богословие

Автор неизвестен - Божественность христа