Разработка акустических приемников с использованием различий в структуре полей сигналов и помех тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет

Борновалов Александр Иванович

РАЗРАБОТКА АКУСТИЧЕСКИХ ПНШУКККОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗЛИЧИЙ В СТРУКТУРЕ ПОЛЕЙ СИГНАЛОВ И ПОМЕХ

Специальность: 01.04.06 - Акустика

На правах рукописи

Автореферат диссертации на соискание ученой степе! кандидата технических наук

!анкт-Петербург- 1992

Работа выполнена е НТПК "Техническая диагностика"

Научный руководитель -доктор технических наук профессор Дидкоеский B.C.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук профессор Колесников А.З. кандидат технических наук доцент Алдошкна И.А.

Ведущая организация - Нижегородский филиал института

машиноведения им.А.А.ЕлагонраЕова РАН

Еащита состоится « ХЧ " НСз^^ЬЧ_1952 года

в с часов на заседании специализированного соЕета

К 063.36.11 Санкт-Петербургского государственного электротехнического Университета по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул.Проф.ПопоЕа, 5.

С диссертацией монно ознакомиться в библиотеке Университета.

'О V

Автореферат разослан „ ^С " с/аиЛиМ 1992 года.

Ученый секретарь специализированного совета

СоботкоЕский Б.Е.

-1 -

ОЕШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Задача Еыделения сигналов из подах предстаьляет собой одну из важнейших проблем, возникающих 1ри разработке различных систем и устройств приема и обнаружения.

В настоящее Еремя Есе возрастащее внимание уделяется пространственно-временным методам обработки сигналов, основанных г!а совместном использовании нескольких датчиков для получения лнформации от одного объекта. При этом повышение инфоркатив-?ости приема может быть достигнуто не только путем использования множества однотипных датчиков (отличающихся расположением или ориентацией), но и путем рационального ЕзаимодейстЕия ка-^лов, нетождественных е физическом отношении. К числу таких методов откосится зонно-компонентная компенсация помех, использующая факт линейной независимости (зависимости) различных компонент поля в ближней (дальней) зоне источника, а также межкомпонентная корреляционная обработка сигналов, сущность которой заключается е Еычислении корреляционных интегралог от упомянутых компонент. Однако зонно-компонентная компенсация помех изучена недостаточно. Этот метод нашел применение в радиолокации и сеязи и практически не используется е акустике. Фактически отсутствуют оценки его эффективности- и результаты экспериментальной проверки. Межкомпонентная корреляционная обработка применяется лишь в акустике для подавления помех от источников ближней зоны и практически не используется е радиотехнике.

Весьма перспективным направлением е задачах обработки сигналов является градиентная компенсация помех, осноЕанная на Енчитании сигналов с близко расположенных однотипных датчиков. Градиентная компенсация реализуется е акустических приемниках енских порядков (по сравнению с монопольным). Однако известные акустические приемники обладают неизотропной (несферической) диаграммой направленности. Кроме этого, в литературе отсутствуют оценки влияния на эффективность таких приемников погрешностей согласования их элементов по амплитуде, фазе и их пространстЕенному расположению.

В сеязи с ужесточением требований к качеству и полноте об-

работки принимаемой информации решение перечисленных вопросов является весьма -актуальной проблемой.

Цель работы состоит в разработке и исследовании акустических приемников с использованием различий в структуре полей сигналов и помех.

Задачи исследований. В соответствии с поставленной цельв I выбранными-направлениями исследований решались следующие основные задачи:

- развитие, оценка и экспериментальное исследование эффективности зонйо-компонентной компенсации помех;

- теоретическое и экспериментальное исследование межкомпонентной корреляционной обработки;

- разработка, оценка и экспериментальная проверка эффекткЕност! акустических приемников с укороченной дистанционной диаграммой ;

- разработка с использованием указанных методов и устройств по-ыехозащшденных приемников акустических и электромагнитных сигналов.

Методы исследований. В работе применялись теоретические исследования на базе аппарата математической физики и математического анализа, методы расчета на ЭВМ, натурные и лабораторные исследования с использованием современной отечественной и зарубежной аппаратуры.

Научная новизна основных результатов диссертационной работы заключается в следующем.

1. Предложен и экспериментально исследован метод зонно-компонентной компенсации акустических и виброакустических помех.

2. Теоретически и экспериментально исследован метод межкомпонентной корреляционной обработки акустических и электромагнитных сигналов.

3. Предложены акустические применики. 2-4-го порядка с укороченной дистанционной диаграммой, проведены теоретическая оценка и экспериментальная проверка их эффективности.

4. Теоретически исследовано влияние на эффективность приемников 2-4-го порядка погрешностей согласования их элементов по амплитуде, фазе и их взаимному пространственному расположению.

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. В зависимости от типа и месторасположения источников возможно разделение сигналов от этих источников с помощью метода зонно-компонентной компенсации помех, основанной на использовании амплитудных и фазоЕкх различий между компонентами акустического или виброакустического полей в разных зонах источников.

2. Межкомпонентная корреляционная обработка сигналов позволяет осуществлять подавление помех от произвольно расположенных источников ближней зоны, при этом эффективность метода растет по мере приближения приемника к мешающему источнику ближней зоны.

3. Предаоженные акустические приемники второго и четвертого порядков, периферийные элементы которых расположены по вершинам октаэдра, обладают изотропной диаграммой направленности.

4. Наибольшее Елияние на выигрыш акустических приемников п. -го порядка оказывают погрешности согласования их элементов по амплитуде, фазе и координатам их расположения друг к другу, причем это влияние не зэеисит от к К , где к - волновое число, к - расстояние .между центрами приемников давления.

Практическая ценность работы:

- предложен метод зонно-компонентной компенсации акустических и виброакустических помех, позволяющий разделять сигналы от источников, излучающих е одном направлении и в одной полосе частот ;

- создан шумомер с использованием зонно-компонентной компенсации акустических помех и защищенный авторским свидетельством на изобретение ;

- создан двухканальный корреляционный приемник амшштуд-но-модулированных сигналов, способный эффективно работать в условиях помех ближней зоны ;

- создан шумомер с использованием акустических приемников Еторого и четвертого порядкоЕ с укороченной дистанционной диаграммой и защищенный авторским свидетельством на изобретение.

Результаты работы использованы в Нижегородском филиале научно-исследовательского института стандартизации общесистем-

ннх технологий, НТПК "Техническая диагностика" и МП "ИНКОТЕС" с экономическим эффектом 146200 рублей в ценах 1991 года.

Апробация работы

Основные разделы диссертационной работы докладывались на всесоюзных научно-технических семинарах "Обработка акустической информации в многоканальных системах", Ленинград, 1987 г., "Но-Еые методы и средства акустических измерений и приборы контроля", Ленинград, 1989 г., Девятом Всесоюзном межотраслевом семинаре "Виброакустические исследования", '.'осква ,1989 г., всесоюзных научно-технических конференциях "Развитие и внедрение ноеой техники радиоприемных устройств и обработки сигналов". Горький, 1989 г., "Проблемы технической диагностики е задачах обеспечения и повышения эксплуатационной надежности судоЕЫХ технических средств", Николаев, 1989 г., а также на семинарах Научно-исследовательского радиофизического института, Горьковского научно-исследовательского института радиотехники, Горьковского инженерно-строительного института, Горьковского Филиала Всесоюзного научно-исследовательского института нормализации е машиностроении.

Полностью работа докладывалась на семинарах Нижегородского филиала научнс-исследоЕательского института стандартизации общесистемных технологий, НТПК "Техническая диагностика", МП "ИНКОТЕС", кафедры акустики и акустоэлектроники Киевского политехнического института и кафедры электроакустики и ультразвуковой техники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, е том числе 4 статьи, 2 тезисов докладов на всесоюзных научно-технических конференциях и семинарах, получено 2 авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем диссертации

Работа содержит введение, пять глав, заключение, список литература, включающий 106 наименований, и II приложений.Основная часть работы изложена на 135 страницах машинописного текста. Работа содержит 60 рисунков и 2 таблицы.

- 5-

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

До введении дано обоснование актуальности и важности проблемы использования структуры акустических и других физических полей для селекции сигналов е условиях помех.

Дается оценка состояния исследований в данной области.

Указана научная ноеизнэ и практическая ценность работы. .

На основании проведенного анализа сформулированы подлежащие исследованию Еопросы.

Первая глава посвящена анализу ^устпческого и электромагнитного полей, исследованию амплитудных и разовых различий акустического и электромагнитного полей ряда элементарных источников. Приведенные формулы используются в следующих разделах диссертации для опенки исследуемых методов и устройств.

Исследованы поля акустических источников: монополя, диполя, продольного и поперечного КЕадруполей и движущегося монопольного источника. Получены зависимости отношения комплексных амплитуд давления и колебательной скорости от расстояния между приемником и источником для случая однородной среды. На основе аналогий: акустическое давление - скалярный потенциал, колебательная скорость - Еекторный потенциал электромагнитного поля результаты анализа акустических полей перенесены в электродинамику. В частности, показано, что для различных источников электромагнитного поля отношение между компонентами поля е ближней зоне зависит от типа излучателя и характеристик канала распространения, а также от импеданса Земли в районе передающей антенны.

Во Еторой главе исследованы возможности использования амплитудных и разовых различий между компонентами акустического или электромагнитного полей в разных пространственных зонах с. целью повышения помехоустойчивости приемных устройств. Проведена теоретическая оценка эффективности зонно-компонентной компенсации помех и межкомпонентной корреляционной обработки акустических и электромагнитных сигналов на основе компонентной селекции.

Рассмотрена возможность и проведена оценка эффективности метода зонно-компонентной компенсации акустических помех. Пока-

зано, что этот метод реализуется с помощью дЕухканального компенсатора, е один из каналов которого включены регулируемый усилитель и фазовращатель.

Теоретически установлено, что данный метод, являясь весьма эффективным по отношению к помехам от источников дальней зоны, позволяет подавлять помехи от источников ближней и промежуточной зон только в узком интервале расстояний от приемника до источника излучения.

Здесь же исследована возможность применения зонно-компо-нентной компенсации помех в Еиброакустике. Показано, что различия е отношениях комплексных амплитуд между тензонапряжением к ььброскоростьа в дальней и ближней зонах приема позеоляют с помощью дЕухканального компенсатора осуществлять разделение сигналов от виброакустических источников, если приемники виброскорости и тензонапряжения находятся в ближней зоне одного источника и в дальней зоне другого.

Оценена эффективность метода зонно-компонентной компенсации электромагнитных помех, реализуемого, как к для акустических помех, с помощью упомянутого выпе ДЕухканального компенсатора. Прием сигналов и помех осуществляется на электрическую и магнитную антенны.

Сделаны оценки погрешности метода зснно-коыпонентной компенсации помех. Показано, что погрешность метода растет по мере удаления точки приема от системы излучателей.

Проведены теоретические исследования метода межкомпонентной корреляционной обработки акустических или электромагнитных сигналов, основанного на использовании коррелированности в дальней зоне давления и колебательной скорости акустического поля пли компонент электромагнитного поля Е и Н и их некоррелированности е ближней зоне.

Показано, что при двухканальном приеме акустических сигналов на приемники давления и скорости или электромагнитных полей на электрическую и магнитную антенны с последующей корреляционной обработкой принимаемых сигналов еозможно подавление произвольно расположенных помех от источников ближней или дальней зоны. Установлено также, что при приеме сигналов от источника дальней зоны эффективность метода растет по мере приближения приемников к мешающему источнику ближней зоны.

3 третьей главе рассмотрена возможность построения акустических приемников /г -го порядка с укороченной дистанционной диаграммой, рассмотрены различные типы, конфигурации к схемотехнические решения таких прие.тников; -теоретически исследовано влияние на эффективность приемникоЕ п.-го порядка погрешностей согласования их элементов по амплитуде, фазе и координатам.

Рассмотрены конфигурации, сеойстеэ и схемотехнические решения ряда акустических приемников л, -го порядка и проведена оценка их эффективности.

Предложен акустический приемник 2-го порядка ("октаэдр"), содержащий сесть одинаковых синфазных приемников давления,размещенных по верщпнам октаэдра, п один противофазный преемник давления, расположенный в центре системы (см. рис.). Показано,

ит ель

"г оГ —-- " * цпзт оЬ

атср

Выход приемника Еторого порядка

¿кход приемника четвертого посядка

Рис.

Структурная схема приемников второго (четвертого) порядков

что сигнал на выходе такого приемника с точностью до членов четвертого порядка пропорционален лапласиану давления в центре системы

иеых(«=и

Ь'ДрСО^)-^

й

~кЛр(О^). (I)

где К - коэффициент усиления, п- - расстояние от центрального до периферийного элементов.

Такой приемник обладает изотропной (сферической) диаграммой направленности,и выигрыш этого приемника для монопольных излучателей (полезный источник расположен в ближней зоне) по сравнению с приемником давления (приемником нулевого порядка) составляет = 2 /(КГ)г , где К - волновое число.

Предложен также приемник второго порядка ("тетраэдр"), состоящий из четырех синфазных приемников давления, расположенных по вершинам тетраэдра, и приемника давления, размещенного е центре системы и противофазного периферийным.

Показано, что система из четырех приемников давления, расположенных по вершинам тетраэдра и объединенных общим сумматором, обладает сферической диаграммой направленности, эквивалентна, с точностью до членов Еторого порядка, приемнику давления, в четыре раза более чувствительному и размещенному в центре системы. Предложенный приемник второго порядка ("тетраэдр") обладает изотропной диаграммой направленности и обладает такой же помехоустойчивостью, как и "октаэдр".

Разработан приемник третьего порядка ("куб"), образованный двумя противофазными тетраэдрами, элементы которых расположены в вершинах куба. Показано, что сигнал на выходе такого приемника пропорционален третьей смешанной производной звукогого давления по координатам х, 1| , Ъ :

Установлено, что для монопольных излучателей такой приемник обеспечивает выигрыш е отношении сигнал/помеха по сравнению с приемником нулевого порядка в о1 = 15/( КГ Я раз.

Предложен также акустический приемник четвертого порядка, полученный из упомянутого выше приемника второго порядка ("октаэдра") , путем коррекции сигнала центрального элемента (см. рис.). Сигнал на выходе такого приемника:

(2)

Для монопольных излучателей, расположенных на осях симметрии приемной системы, этот акустический приемник обеспечивает выигрыш в отношении сигнал/помеха по сравнению с приемником нулевого порядка в с(. = 24/(-КГ )4 раз.

Разработан приемник четвертого порядка, состоящий из шести радиально ориентированных приемников колебательной скорости,которые размещены по Еершинам октаэдра,и четырех приемников давления, расположенных в вершинах тетраэдра. Показано, что такой приемник, как и предыдущий, обладает изотропной диаграммой направленности и такой же помехоустойчивостью.

Здесь же показано, что выигрыш в отношении сигнал/помеха увеличивается с повышением порядков излучателя.

Произведена оценка выигрыша в отношении сигнал/помеха для акустических приемников 2-4-го порядка. Показано, чтг наибольшее влияние на Евигрыш акустических приемников оказ^ают погрешности согласования элементов по амплитуде, фазе и координатам их расположения по отношению друг к другу, причем это влияние не зависит от расстояния между центрами приемников. Влияние разброса параметров слабо зависит от конфигурации, вида и порядка приемника, причем оно тем сильнее, чем сложнее структура к чем больше отличие по амплитуде сигнала центрального элемента от периферийных. Это Елкяние не зависит от кН. , где к. -расстояние между центрами приемников давления.

Приемник третьего порядка ("куб") более технологичен по сравнению с приемником четвертого порядка ("октаэдром"), менее чувствителен к эксплуатационным погрешностям и допускает возможность работы е условиях меняющихся электрических параметров и характеристик Енешней среды, обеспечивая при этом высокую пространственную избирательность по дальности.

В четвертой глаге обсуждаются результаты экспериментальных исследований по проверке эффективности представленных в диссертации методов и устройств.

В частности, приведены результаты экспериментальной проверки эффективности зонно-компонентной компенсации помех, про-ЕеденноЗ в натурных и лабораторных условиях. Установлено, что зонно-компонентная компенсация акустических помех обеспечивает повышение отношения сигнал/помеха от II до 55 дБ, в зависимости от вида сигналов и помех, расположения источников и условий

приема. Установлено также, что применение данного метода в виброакустике повышает отношение сигнал/помеха на 10-15 дБ. Показано также, что метод зонно-компонентной компенсации электромагнитных помех обеспечивает повышение отношения сигнал/помеха на 10-20 дБ по сравнению со случаем приема на магнитную антенцу.

Даны результаты экспериментальной проверки метода межкомпонентной корреляционной обработки акустических и электромагнитных сигналов. Установлено, что межкомпонентная корреляционная обработка акустических сигналов обеспечивает повышение отношения сигнал/помеха на 18-20 дБ по сравнению со случаем приема на одинаковые звукоприемники, а межкомпонентная корреляционная обработка электромагнитных гармонических сигналов обеспечивает повышение отношения сигнал/помеха на 10-15 дБ по сравнению со случаем приема на идентичные антенны.

Приведены результаты экспериментальных исследований по проверке эффективности акустических приемников первого-четвер-того порядков. Установлено, что предложенный приемник четвертого порядка является более помехозащищенным по сравнению с известными приемниками более низких порядков п = 0,1,2. Приемник четвертого порядка обеспечивает повышение отношения сигнал/помеха на 20-23 дБ по сравнению с приемниками нулевого порядка, на 9-13 дБ по сравнению с приемником первого порядка и на 5-8 дБ по сравнению с приемником второго порядка е зависимости от вида сигналов и помех.

В пятой главе обсуждаются вопросы применения рассмотренных в работе методов и устройств в прикладных задачах акустики, радиолокации и связи. Приведены схемотехнические решения шумоме-ров, работающих с применением зонно-компонентной компенсации помех, и акустических приемников второго и четвертого порядка с изотропной укороченной дистанционной диаграммой. Разработанные шумомеры защищены ДЕумя авторскими свидетельствами на изобретения. Указаны области применения'зонно-компонентной компенсации помех в задачах обнаружения, охране государственных объектов, системах связи с подводными лодками, измерении характеристик отдельных излучателей в антенных акустических решетках,диагностике машин и механизмов, в селекции сигналов и т.д.

Предложен двухканальный приемник амплитудно-модулированных сигналов с использованием межкомпонентной корреляционной обра-

ботки (МКО)*. Указаны области применения МКО в задачах технической диагностики, гидро- и радиолокации, оценки вклада источников в общее звуковое поле.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

Приложения Еключают некоторые вспомогательные методики -расчетов, а также акты о внедрении результатов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложен метод зонно-компонентной компенсации акустических помех. Показано, что зонно-компонентная компенсация помех, являясь эффективной по отношению к помехам от источников дальней зоны, обеспечивает подавление помех от источников ближней зоны только Е узком интервале расстояний. Экспериментально установлено, что зонно-коыпонентная компенсация акустических помех обеспечивает повышение отношения сигнал/помеха от II до 55 дБ, в зависимости от вида сигналов, помех и условий приема.

2. Разработан и внедрён шугломер с использованием зонно-компонентной компенсации акустических помех ; показана и экспериментально подтверждена принципиальная возможность применения этого метода в вкброанустике.

3. Теоретически и экспериментально исследован метод межкомпонентной корреляционной обработки акустических и электромагнитных сигналов; теоретически показано, что эффективность метода растет по мере приближения преемника к мешающему источнику ближней зоны.

4. Разработан двухканальный приемник амплитудно-модулиро-Еанных сигналов, способный работать в условиях помех от источников ближней зоны.

5. Разработаны акустические приемники 2-4-го порядков с укороченной дистанционной диаграммой. Показано, что повышение порядкоЕ излучателей и приемникоЕ приводит к увеличению отношения сигнал/помеха на выходе приемников.

6. Установлено, что приемник третьего порядка ("куб") более технологичен и менее чувствителен к погрешностям согласования его элементов по амплитуде, фазе и их взаимному пространственному расположению по сравнению с приемником четвертого порядка - "октаэдром".

- 12 -

7. Разработан и внедрен шумомер с использованием акустических приемников второго и четвертого порядков с изотропной

диаграммой направленности.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

1. БорноЕалов А.И., Горбачев A.A., Гусева В.А., Родионов Я.Г. Зонно-компонентная компенсация радиопомех / КИРФИ. - Горький,- 1981. - 8 с. - Деп. в УП ЦИВТИ МО 1982, 1* 24343.

2. Борновалов А.И., Родионов Я.Г. Оценка эффективности зонно-компонентной компенсации радиопомех. Активируемые процессы, технологии микроэлектроники /МежЕед. тем.научн.сб. - Таганрог: ТРТИ, 1988. - ВыпЛ. - С. 126-133.

3. Борновалов А.И., ЗаслаЕский Ю.М. Об использовании зонно-ком-понентной компенсагни шума, порожденного протяженными вибро-акустическиш источниками // Судостроительная промышленность. Научн.-техн.сб. Сер.Акустика. - ГЛ.: ЦНИИ "Румб", 1990. - Вып.8. - С.53-55.

4. A.c. 1226065 СССР ШИ4 Ol Н 3/14. Шумомер / Крейн А.З., Борновалов А.И., Заславский Ю.М. (СССР). - J* 3825648/2528.-Заявлено 16.10.84. - Опубл., Бюл. А" 15 // Открытия. Ksnrfr^-тения. - 1986. - & 15. - С.116.

5. Борновалов А.И., Гаврилин А.Т., Гречихин А.И. Метод дистанционного разрешения источников звука // Обработка акустической информации е многоканальных системах: Научн.-техн.сб. -Л.: Судостроение, 1988. - С.46-48.

6. БорноЕалов А.И. Применение зонно-компонентной компенсации помех при диагностике и контроле машин и механизмов // Проблемы технической диагностики и повышения эксплуатационной надежности судоеых технических средств: Тез.докл.Всес.науч.-техн.конф. - Л.: Судостроение, 1986. - С.127-128.

7. Борновалов А.И., Гаврилин А.Т., Гречихин А.И. Об эффективности межкомпонентной корреляционной обработки электромагнитных сигналов // Развитие и внедрение новой техники радиоприемных устройств и обработка сигналов: Тез.докл. Всес. научно-техн.конф. - М.: Радио и сеязь, 1982. - С.51-52.

8. A.c. I63329I СССР МКИ G- Ol Н 3/14. Шумоыер / Борновалов А.И., Гаврилин А.Т., Гречихин А.И., Лебедев В.П. (СССР) -№ 4257915/25-28. - Заявлено 15.06.88. - Опубл., Бил. Я 9 // Открытия. Изобретения. - № 9. - С.144.