Разработка и исследование систем звуковой связи в атмосфере

Раков, Денис Сергеевич

Разработка и исследование систем звуковой связи в атмосфере тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Раков, Денис Сергеевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

[Томск] МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Разработка и исследование систем звуковой связи в атмосфере»

Автореферат диссертации на тему "Разработка и исследование систем звуковой связи в атмосфере"

005018390

На правах рукописи

Раков Денис Сергеевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ ЗВУКОВОЙ СВЯЗИ В АТМОСФЕРЕ

Специальность 01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 ? ДПР 2.012

Томск-2012

005018390

Работа выполнена в Институте мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения РАН (ИМКЭС СО РАН) и в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР).

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор

Красненко Николай Петрович

Официальные оппоненты: заведующий кафедрой КИПР ТУСУР,

доктор технических наук, профессор Татаринов Виктор Николаевич

доцент Томского Государственного Университета,

кандидат технических наук, доцент Соловьев Андрей Вениаминович

Ведущая организация: Институт физики атмосферы

им. A.M. Обухова РАН, г. Москва

Защита диссертации состоится 26 апреля 2012 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.268.04 на базе Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634050, г. Томск, проспект Ленина, 40, ауд. 203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634050, г. Томск, ул. Вершинина, 74

Автореферат разослан « £?» —. 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

Акулиничев Ю.П.

Общая характеристика работы

Актуальность

Системы звуковой связи различного назначения широко используются в атмосфере - это установки звукового вещания, акустического воздействия, пассивные системы локации и приема (направленные микрофоны) и др. Характеристики их работы во многом определяются условиями применения. Для оценки эффективности работы систем звуковой связи в атмосфере необходимо знать, как влияет атмосферный канал распространения на характеристики распространяющихся звуковых сигналов. Поэтому детальное изучение и понимание процессов распространения звуковых волн в приземном слое атмосферы необходимо для решения задач по увеличению эффективности систем звуковой связи. С точки зрения физики распространения звука это можно объяснить тем, что распространение звука вблизи поверхности земли имеет свои особенности, в отличие от распространения в свободном пространстве. Это обусловлено тем, что на приземное распространение звука влияет много разных факторов, к которым относятся метеорологические условия (значения метеопараметров: скорости и направление ветра, температуры, давления, влажности, характеристик турбулентности атмосферы и их вертикальные профили), а также геометрия распространения звука (длина трассы, высоты источника и приемника над уровнем земли), характеристики трассы распространения.

На основе вышесказанного, актуальность темы диссертационной работы определяется:

■ необходимостью оценки эффективности работы систем звуковой связи в атмосфере. Это дальность действия приемных акустических систем (направленных микрофонов), и дальность действия излучающих звуковых систем в атмосфере (звуковещательные станции, средства предупреждения и реагирования);

■ необходимостью разработки относительно простых инженерных методик определения слышимости и разборчивости речи при приеме или передаче звукового сообщения, как гарантии того, что необходимая информация дойдет до пункта назначения;

■ ростом требований к качеству передаваемой (принимаемой) информации;

■ необходимостью разработки современных передающих и приемных систем звуковой связи.

Целью диссертационной работы являются теоретические и экспериментальные исследования атмосферного канала распространения звука и оценка его влияния на работу систем звуковой связи, а также разработка новых устройств систем звуковой связи не уступающим зарубежным аналогам.

Задачи исследования

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

■ определялось расположение источника звука над поверхностью земли при передаче сигнала в условиях нейтрального режима распространения звука;

■ разрабатывалась методика определения слышимости и разборчивости речи для применения в системах звуковой связи;

■ проводились теоретические исследования факторов, влияющих на ослабление звука в приземном слое атмосферы для нейтрального режима распространения;

■ разрабатывался алгоритм прогноза слышимости и разборчивости речи для установки акустического воздействия и вещания;

■ проводились исследования фонового окружающего шума;

■ разрабатывались модели направленных микрофонов и мощных акустических излучателей.

Методы исследования

Теоретические исследования проводились, используя математические пакеты обработки данных и пакеты программ математической статистики.

Экспериментальные исследования ослабления звука, обусловленного атмосферой и подстилающей поверхностью, проводились в различные сезоны года при различных видах подстилающей поверхности. Для проведения экспериментов использовалось следующее оборудование: акустический стенд, включающий излучающие системы, приемные системы, в т.ч. интегрирующие шумомеры Bruel&Kjer Mediator 2238, и программное обеспечение, позволяющее генерировать различные типы сигналов.

Исследование характеристик фонового окружающего шума проводились в различные сезоны года, при различных типах подстилающей поверхности, а также при различных метеорологических условиях.

Разработка методики определения слышимости и разборчивости речи проводилась на основе анализа литературных данных, а также экспериментальных результатов, полученных по результатам исследований распространения звука в приземном слое атмосферы.

Анализ и обработка результатов проводилась с помощью методов математической статистики и стандартных пакетов математической обработки данных.

Научная новизна работы:

■ создана новая обобщенная методика определения слышимости и разборчивости речи для использования в звуковых системах приема и передачи информации при нейтральном режиме распространения звуковых волн в атмосфере. Отличительной особенностью данной методики является учет влияния канала распространения звуковых волн.

■ разработана новая методика испытаний направленных микрофонов для определения качества принимаемого сигнала на основе определе-

ния отношения сигнал/шум на заданной дальности до объекта, учитывающая влияние канала распространения звуковых волн;

■ впервые получена сводная таблица характеристик фонового окружающего шума для применения в системах звуковой связи. Отличительной особенностью данной таблицы является ее универсальность и возможность использования в ряде прикладных задач звукового вещания без непосредственного предварительного измерения характеристик окружающего шума.

Практическая значимость работы заключается в том что:

■ разработанная методика определения слышимости и разборчивости речи, была применена при разработке программного обеспечения для установки акустического воздействия (ОКР «Манок»);

■ результаты исследования фонового окружающего шума использованы в устройстве прогнозирования дальности звукового вещания звуковещательных станций «УПДЗС-01.03», которое принято на снабжение вооруженных сил РФ;

Защищаемые положения.

1. Учет зависимости коэффициента ослабления звука при приземном распространении обеспечивает выбор положения источника звука, исключающий интерференционные провалы звукового давления, доходящие до 30 дБ, для речевого диапазона частот (315-3150 Гц).

2. Сводная таблица характеристик фонового окружающего шума, основанная на двухпараметрической модели шума, позволяет формальным признакам определить его спектральные характеристики без проведения предварительных измерений самого шума, что делает ее эффективной в решении инженерных задач звукового вещания в атмосфере.

3. Разработанная методика определения слышимости и разборчивости принимаемого или передаваемого сообщения учитывает влияние приземного канала распространения и позволяет исключить в расчетах интерференционные провалы звукового давления возникающего за счет влияния подстилающей поверхности.

Апробация результатов

1. Научная сессия ТУ СУР - 2005: Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов, Томск, 26-28 апреля 2005 г.

2. XVI сессия Российского акустического общества. 14-18 ноября 2005, г. Москва.

3. VII Международная школа-семинар молодых ученых «Актуальные проблемы физики, технологий и инновационного развития» (Youth-Phys'05). Томск, 6-8 декабря 2005.

4. 6th European Conference on Noise Control "Euronoise 2006N. Tampere, Finland, 30 May - 1 June 2006.

5. XVIII сессия Российского акустического общества. Таганрог 11-15 сентября 2006.

6. Российский научный форум с международным участием «Демидовские чтения 3-6 марта 2006».

7. V международная школа молодых ученых и специалистов «Физика окружающей среды» Томск. 26 июня - 02 июля 2006.

8. Научная сессия ТУСУР-2007: Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. Томск, 3-7 мая 2007.

9. XIX сессия Российского акустического общества. Нижний Новгород 24-28 сентября 2007.

10. 19th INTERNATIONAL CONGRESS ON ACOUSTICS, Madrid, Spain, September 2007.

11. Научная сессия ТУСУР-2009.12-15 мая 2009 г. Томск, ТУСУР.

12. Всероссийские радиофизические научные чтения-конференция памяти H.A. Арманда Муром, 28 июня - 01 июля 2010 г.

13. XXII Сессия РАО (политематическая), совмещенная с сессией Научного Совета РАН по акустике. Москва, 15-17 июня 2010

14. XXIV Сессия РАО, совмещенная с сессией Научного Совета РАН по акустике, 12-15 сентября 2011

Публикации

Содержание диссертационной работы отражено в 30 работах. Из них 1 статья опубликована в отечественном рецензируемом журнале из перечня ВАК, 2 в зарубежных журналах, 5 в межвузовских сборниках статей и 15 в сборниках материалов конференций.

Личный вклад автора

Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. Большинство опубликованных работ написано в соавторстве с научным руководителем д.ф.-м.н., проф. Красненко Н.П.. Автор участвовал в проведении акустических экспериментов в области распространения звуковых волн в приземном слое атмосферы. Им лично разработана методика определения слышимости и разборчивости речи передаваемого или принимаемого сообщения, которая легла в основу программного продукта при выполнении ОКР по созданию Установки акустического воздействия и вещания.

Внедрение результатов работы

Материалы исследований и разработок использованы в ИМКЭС СО РАН и ТУСУР при выполнении научно-исследовательских и опытно конструкторских работ.

Исследования фонового окружающего шума нашли свое отражение при разработке устройства прогнозирования дальности звукового вещания звуко-вещательных станций (УПДЗС-01.03), которое принято на снабжение вооруженных сил РФ.

Методика определения уровня звукового давления, а также слышимости и разборчивости речи была использована в ОКР «Манок» при разработке устройства акустического воздействия «УАВ-01».

Установка акустического воздействия участвовала в выставках по безопасности и награждена дипломом.

Практическая значимость отражена в актах о практическом использовании результатов диссертационной работы Д.С. Ракова.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложений. Содержание работы изложено на 139 страницах, включая 16 таблиц и 43 рисунка. Список литературы содержит 100 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обоснование актуальности и практической значимости диссертационной работы. Определены цель и задачи исследований, показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проводится классификация звуковых систем связи, работающих в атмосфере. Подробно рассматриваются активные и пассивные системы. Указываются их достоинства и недостатки.

В параграфах 1.3 и 1.4 рассматриваются особенности использования звуковых систем связи в атмосфере. На распространяющуюся вдоль земли звуковую волну влияют такие факторы, как характеристики подстилающей поверхности, метеорологические условия, характеристики геометрии распространения звуковой волны. Показано, что главной задачей при разработке и использовании звуковых систем связи является обеспечение хорошей слышимости и разборчивости звукового сигнала для заданного расстояния.

Во второй главе анализируется ослабление звука при распространении вдоль поверхности земли, которое имеет свои особенности.

В параграфе 2.1 и 2.2 рассмотрены три основных режима распространения звука вдоль поверхности земли: волноводный, антиволноводный и нейтральный.

Рассмотрено дополнительное ослабление звука, возникающее при распространении звука в приземном слое атмосферы. Влияние каждого из вкладов, образующих дополнительное ослабление звука при различных режимах распространения звуковых волн вдоль поверхности земли показано в таблице 1.

В параграфе 2.3 рассматриваются вопросы поглощения звука атмосферой. Приводится сравнение существующих государственных стандартов для определения данного вида ослабления звука.

Таблица 1. Учет факторов при различных режимах распространения звука

Факторы Режим распространения

Нейтральный Волноводный Антиволноводный

Сферическая расходимость + + +

Подстилающая поверхность + + -

Классическое и молекулярное поглощение + + +

Ослабление растительным покровом Полностью не изучено Полностью не изучено Полностью не изучено

Турбулентное ослабление На высоких частотах На высоких частотах На высоких частотах

Ослабление на гидрометеорах Не имеет особенностей Не имеет особенностей Не имеет особенностей

Рефракционные ослабления за счет стратификации в атмосфере скорости ветра и температуры - + +

На основе этого анализа была написана программа в среде математического программирования Майгсас!, которая впоследствии была реализована в среде программирования Эе1рЫ для дальнейшего использования в программе по определению слышимости и разборчивости речи.

В параграфе 2.4 рассматриваются вопросы влияния подстилающей поверхности на ослабление приземной звуковой волны, при нейтральном режиме распространения звуковых волн.

Значение ослабления звука, обусловленного влиянием поверхности земли, записывается в виде:

1 >

. Гг

где (¿ = Яр+{\-11р) Р{'м), га и гг —расстояние от источника до приемника и от мнимого источника до приемника соответственно, Яр — коэффициент отражения поверхности, — коэффициент поверхност-

ных потерь.

««гоипа =20-1оё

Коэффициент поверхностных потерь, описывающий взаимодействие сферического волнового фронта падающего излучения с плоской подстилающей поверхностью, записывается как:

F{w) = l + 2-i-(K-w)2-e~w ■ \ e~"2du,

-i-w2

где w — численное расстояние, которое задается в виде:

г \2

w2 =

2-i-k-г

J ground

COS

l + sin^-

Для определения импеданса земной поверхности были рассмотрены различные модели, существующие на сегодняшний день. Основное внимание в диссертации уделено рассмотрению модели импеданса Делани-Безли, которая записывается в виде:

Zc =р0-с0

1 + 0.0571

Р о'/

-0.754

-0.087 •

Ро"/

-0.732

где Ро — плотность воздуха, с0 — скорость звука в воздухе, ст — специфическое сопротивление потоку на единицу толщины поверхности, / — частота звука.

В параграфе 2.5 описываются результаты теоретических и экспериментальных исследований ослабления звука вызванного подстилающей поверхностью. Показано, что фазовый сдвиг звуковой волны, образующийся при распространении над жесткой поверхностью, не зависит от коэффициента отражения звуковой волны и коэффициента поверхностных потерь. Когда характеристическое сопротивление поверхности о = <», импеданс подстилающей поверхности Zground 00 , и коэффициент отражения Rp 1,

фазовый сдвиг Дф<180°.

В случае, когда поверхность представляет собой пористое покрытие, коэффициент Q - Rp + (l-Rp)• F(w), учитывающий коэффициент отражения и коэффициент поверхностных потерь, вносит дополнительный фазовый сдвиг, стремящийся на большом расстоянии к 180° . Скорость роста данного фазового сдвига зависит от типа подстилающей поверхности, рост тем сильнее, чем ниже характеристический импеданс подстилающей поверхности.

При решении прикладных задач в выборе расположения источника звука, рекомендуется учитывать над какой подстилающей поверхностью, будет происходить распространение звука. Для твердой поверхности (такой как, например, лед, асфальт), расположение высоты источника звука в первую очередь определяется требуемой длиной трассы распространения звука. Например, в случае, когда приемником служит человек, то размещение источника звука на высоте 1 метр над подстилающей поверхностью, позволит исключить влияние интерференционных минимумов на расстояниях более 70 метров (рисунок 1).

и 0 и

<ц IS

в -ю

ю я

« -20 о

-30

50 100 150 200 250 300 Расстояние, м

Рисунок 1. Зависимость коэффициента ослабления звука для подстилающей поверхности с а = °° (твердый асфальт, лед) от расстояния, для частоты 3150 Гц

Экспериментальные исследования ослабления звука проводились в период времени с конца ноября 2006 года по июнь 2007 года на полигоне института с использованием акустического стенда.

Экспериментальная установка включала в себя излучающую систему в виде направленной акустической антенны и приемную систему с использованием двух шумомеров фирмы Bruel&Kjaer. Первый микрофон (шумомер) размещался в базовой точке на расстоянии 20 м от излучателя, второй - путем переноса использовался в четырех последующих измерительных точках на расстояниях 90, 180, 210, 270 метров от излучателя. В каждой точке измерения проводились на 4 высотах расположения микрофона над подстилающей поверхностью: 0, 0.5, 1 и 1.5 м. В качестве полезного сигнала использовался белый шум. Измерения проводились по третьоктавной сетке

частот в диапазоне от 315 до 12500 Гц, используя третьоктавные фильтры. В качестве средств метеорологического обеспечения эксперимента использовались ультразвуковая метеостанция, акустический локатор «Звук-З» и стандартные метеоизмерители. Ось излучающей антенны находилась на высоте 6 м над землей. Подстилающая поверхность трассы представляла собой относительно ровное поле со старой засохшей травой и редким кустарником высотой до 1 м, снежным покровом в зимнее время и травяным покровом в весенний и летний период.

На рисунке 2 приведено сравнение экспериментальных и рассчитанных значений ослабления звука в точке измерения.

——Рассчитанные значения . -. .Измеренные значения

Рисунок 2. Зависимость ослабления звука от частоты для дальности 90 м. Высота источника 6 м, высота приемника 1 м, дальность 90 м. Тип подстилающей поверхности - промерзшая земля с засохшей травой

Расхождение рассчитанных и экспериментальных данных на высоких частотах обусловлено тем, что здесь рассматривалось только влияние подстилающей поверхности, без учета влияния параметров скорости ветра, турбулентного и атмосферного ослабления звука.

В третьей главе приводятся результаты исследований фонового окружающего шума в различные сезоны года при различных значениях скорости ветра и типах подстилающей поверхности.

Под оценками фонового шума подразумеваются измерения уровня звукового давления в естественных условиях окружающей среды. Фоновый шум, как правило, состоит из шумов от множества различных распределенных в пространстве источников, ни один из которых в отдельности не является преобладающим.

Экспериментальные исследования фонового шума проводились в различные периоды времени на полигоне института, а также на полях и в лесах Томской области с использованием цифрового интегрирующего шумомера

фирмы «Брюль и Къер» Mediator 2238 1-го класса точности. Диапазон измеряемых частот был от 20 до 12500 Гц, а измеряемых звуковых давлений от 0 до 140 дБ. Использовались встроенные 1/3 октавные фильтры. Микрофон располагался на уровне 1 м над землей. Измерения фонового окружающего шума проводились для каждого конкретного условия серией из 20 измерений спектров шума. Обработка результатов измерений проводилась с помощью программного пакета MathCad фирмы Math Soft Inc. При измерениях уровня фонового шума учитывались различные факторы, к которым относятся: скорость ветра, температура, тип подстилающей поверхности.

На рисунке 3 приведены графики спектральной интенсивности фонового шума, измеренного летом в поле (густая трава высотой до 0.5-0.7 м) в тихую безветренную погоду (кривая 1) и на том же поле при скорости ветра 5-7 м/с (кривая 2).

Рисунок 3.

1-1(1 1-Ю

частота f, Ги

Спектральная интенсивность шума при скорости ветра 0-1 м/с (1), и 5-7 м/с (2)

Результаты измерений показали что, при увеличении скорости ветра от штиля до 10 м/с, уровень шума возрастает примерно на 15-20 дБ. Шум был обусловлен шелестом травы и обдуванием самого микрофона (с ветрозащитной блендой).

На основе проведенных исследований была получена сводная таблица результатов измерений фонового шума (табл. 2), в которой шум был проранжирован на уровни в зависимости от скорости ветра. Входящие в таблицу коэффициенты используются в двупараметрической модели шума, которая описана в параграфе 3.2 диссертации.

Сводная таблица результатов измерений фонового окружающего была использована в программном комплексе «Прогноз-3.0», входящим в состав устройства прогнозирования дальности звукового вещания звуковещатель-ных станций «УПДЗС-01.03». Также материалы 3 главы были использованы

при разработке методики определения слышимости и разборчивости речи принимаемого сигнала для направленных микрофонов.

Таблица 2. Сводная таблица результатов измерений шума

Характеристика шума (критерий выбора) Уровень спектральной плотности шума на частоте 1 кГц, дБ Коэфф. спада, b Примечание (условия проведения измерений)

Очень слабый шум 13 4,5 Безветренная погода. Сельская местность. Ночь. Нет выраженных источников шума.

Слабый шум 20 4,8 Очень слабый ветер. Сельская местность. Легкий фоновый шум.

Умеренный шум 30 5,2 Небольшой ветер. Сельская местность.

Сильный шум 40 6 Лес и поля. Скорость ветра > 8 м/с.

В четвертой главе приведена разработанная методика для определения слышимости и разборчивости речи для направленных микрофонов, работающих в условиях нейтрального режима распространения звуковых волн.

В параграфе 4.2 рассматривааются методы определения слышимости и разборчивости речи, которые можно разделить на две большие группы. К первой группе относятся методы, основанные на субъективной экспертной оценке (ГОСТ 25902-83, ГОСТ Р 51061-97, стандарт ANSI S3.2 и др.). Ко второй группе относятся методы, основанные на расчете отношения сигнал/шум, такие, как: AI — индекс артикуляции; STI — индекс передачи речи; Sil — индекс разборчивости речи (ISO/TR-4870, ANSI S3.2, S3.5; IEC 26819).

Показано, что первые методы определения разборчивости речи не дают объективной оценки и зависят от таких факторов как профессионализм диктора и аудитора. В то время как вторые методы, основанные на вычислении отношения сигнал/шум разработаны для оценки разборчивости в помещении. Поэтому, показано, что для определения разборчивости речи необходимо дополнить метод, в основе которого лежит расчет отношения сигнал/шум, учетом влияния канала распространения звука в атмосфере.

В параграфе 4.3 речь идет об оценке качества звукового вещания звуковещательных станций. Описывается, разработанный в ИМКЭС СО РАН, программный комплек «Прогноз 3.0» для устройства прогнозирования дальности звукового вещания звуковещательных станций «УПДЗС-01.03» .

В данном программном комплексе для расчета характеристик вещания была использована сводная таблица характеристик фонового окружающего шума, описанная в главе 3. Использование этих материалов подтверждается актом о практическом применении материалов диссертационной работы.

В параграфе 4.4 описывается разработанная методика определения слышимости и разборчивости принимаемого сигнала направленным микрофоном с учетом канала распространения звука.

Расчет определения разборчивости речи направленным микрофоном происходит следующим образом:

1. Задаются уровни звукового давления речевого сигнала для 4 октав-ных полос (500,1000,2000,4000 Гц);

2. Задается расстояние до источника. Вычисляется поправка на учет сферической расходимости звуковой волны.

3. Задается КНД направленного микрофона для данных частотных полос.

4. Вычисляется величина классического и молекулярного ослабления звука для заданных частот и для заданной дальности;

5. Выбирается тип подстилающей поверхности и рассчитывается ослабление звука для заданной дальности;

6. Вычисляется дополнительное ослабление звука путем суммирования п.4 и п.5.

7. Вычисляется уровень звукового давления в точке приема для выбранных спектральных полос без учета фонового окружающего шума.

8. Выбирается наиболее подходящее значение фонового шума, из таблицы характеристик фонового шума описанной в главе 3, и производится расчет уровня фонового шума, для заданных частот;

9. Вычисляется среднеарифметическое значение отношения сигнал/шум

10. Выбирается диапазон значений рассчитанного отношения сигнал/шум и делается заключение о величине разборчивости речи.

Данные расчет реализован в программе, написанной в среде математического программирования МаШсас!, все действия проводятся автоматически, необходимо лишь задать следующие параметры:

■ тип подстилающей поверхности;

■ высоты источника и приемника сигнала;

■ атмосферные условия, а именно: значения температуры, давления, влажности воздуха;

■ тип фонового окружающего шума.

В пятой главе представлены результаты разработок и исследований звуковых систем связи в атмосфере.

В параграфе 5.1 приводится описание двух разработанных направленных микрофонов на основе параболических зеркал (рисунок 4). Даются их характеристики и методика проведения эксперимента по определению слышимости и разборчивости принимаемого сигнала на заданном расстоянии по известным характеристикам источника звукового сигнала.

Приводится пример оптимизации направленных микрофонов с использованием звукозащитной бленды. Показано, что данная оптимизация характерна для микрофонов принимающих узкополосный звуковой сигнал.

В параграфе 5.2 и 5.3 описаны разработанные активные излучающие звуковые системы на основе антенной решетки (рисунок 5). Приведена схема эксперимента по измерению характеристик направленности данных акустических систем.

Также приводится описание программного обеспечения для установки акустического воздействия, а именно блок определения уровня звукового давления, слышимости и разборчивости передаваемого сообщения на заданном расстоянии. Окно программы показано на рисунке 6.

В данном программном обеспечении реализована методика определения слышимости и разборчивости речи на заданном расстоянии до объекта. В частности оператор может для расчета уровня звукового давления выбирать такие параметры как тип поверхности, над которой будет происходить вещание, тип шума, расстояние до объекта, высоту размещения установки.

Рисунок 4. Разработанные направленные микрофоны: а - направленный микрофон на основе параболического зеркала типа АДЭ диаметром 63 см; б -направленный микрофон на основе параболического зеркала диаметром 30 см

Рисунок 5. Внешний вид макета 40-элементной акустической решетки (а); разработанная установка акустического воздействия на основе 40-элементной акустической решетки (б)

Кзсс-тояниеяо объекта:

II Высота объекта

^Частота

\\!и\ 1,4 уі"і (КІКСИ

Рисунок 6. Внешний вид главного окна программы

В заключении изложены основные результаты диссертационной работы. 1. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований систем звуковой связи в атмосфере разработана методика расчета

слышимости и разборчивости речи для нейтрального режима распространения звука.

Основные особенности данной методики:

■ методика позволяет учитывать ослабление звука, обусловленное влиянием подстилающей поверхности, а также ослабление звука за счет атмосферного поглощения;

■ в методике используется сводная таблица результатов измерения характеристик фонового окружающего шума, которая позволяет задавать шум по формальным признакам;

■ определение разборчивости речи ведется путем усреднения отношения сигнал/шум по четырем частотам, которые практически полностью перекрывают частотный диапазон речи человека, прописанный в государственных стандартах.

Данная методика была применена:

■ при оценке качества принимаемого речевого сигнала направленным микрофоном, на заданном расстоянии до объекта;

■ в программном обеспечении для установки акустического воздействия на биообъекты при выполнении ОКР «Манок».

2. Теоретические исследования коэффициента ослабления звука за счет подстилающей поверхности показали что:

■ фазовый сдвиг звуковой волны, образующийся при распространении над жесткой поверхностью, не зависит от коэффициента отражения и коэффициента поверхностных потерь. В этом случае поверхностное сопротивление подстилающей поверхности <7 = °°, импеданс подстилающей поверхности Zground -» , и коэффициент отражения

подстилающей поверхности Rp-> 1, фазовый сдвиг между прямой и отраженной волной Дф < 180°.

■ когда поверхность представляет собой пористое покрытие, коэффициент <2 = Rp+{l-Rp)-F(w), учитывающий коэффициент

отражения и коэффициент поверхностных потерь, вносит фазовый сдвиг, стремящийся на большом расстоянии к 180°. Скорость роста данного фазового сдвига зависит от типа подстилающей поверхности, рост тем сильнее, чем ниже характеристический импеданс подстилающей поверхности.

■ в случае, когда твердая подстилающая поверхность земли покрыта пористым слоем (например, слой снега на поверхности земли), расчет импедансных свойств земной поверхности следует проводить по двухпараметрической модели, учитывающей толщину пористого слоя.

3. Даны рекомендации по расположению источника звука над поверхностью земли при приземном вещании в условиях нейтрального режима распространения звука.

4. Измерения фонового окружающего шума позволили получить сводную таблицу данных, использовать которую можно без измерения уровня шума, только лишь по формальным признакам. Данная таблица была использована:

■ в программном комплексе «Прогноз 3.0» устройства прогнозирования дальности звукового вещания звуковещательных станций «УПДЗС-01.03», который прошел государственные испытания и принят на снабжение вооруженных сил РФ;

■ в блоке расчета уровня звукового давления в программном обеспечении для устройства акустического воздействия при выполнении ОКР «Манок»;

■ в методике определения слышимости и разборчивости речи для систем звуковой связи, работающих на малых расстояниях.

В приложении приведены акты о практическом использовании материалов диссертационной работы.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Егоров А.Н. Слышимость и разборчивость речи при приземном звуковом вещании на большие расстояния. / А.Н. Егоров, А.Ю. Иванова, Н.П. Красненко, Д.С. Раков, A.A. Фомичев // Сб. тр. XY1 сессии Российского акустического общества. Т. II. - М.: ГЕОС, 2005. - С. 113-117.

2. Раков Д.С. Фоновый окружающий шум и его характеристики / Д.С. Раков II Изв. вузов. Физика, 2006, № 3. Приложение., - С. 250-252

3. Krasnenko N.P. Characteristics the background environmental noise in the atmosphere and their relationships with the parameters of the medium / N.P. Krasnenko, D.S. Rakov // Acta Acustica united with Acustica, Vol. 92 (2006), Suppl. l.pp. S 111, May/June 2006.

4. Красненко Н.П. Защищенные направленные микрофоны / Н.П. Красненко, А.Н. Кудрявцев, Д.С. Раков // Акустические измерения и стандартизация. Электроакустика. Ультразвук и ультразвуковые технологии. Атмосферная акустика. Акустика океана. Сборник трудов XIX сессии Российского акустического общества. Т. 2. - М.: ГЕОС, 2007. -С. 175-178.

5. Krasnenko N.P. Effect of the snow cover on near-ground sound wave propagation in the atmosphere / N.P. Krasnenko, D.S. Rakov. II Special Issue of the journal "Revista de Acustica", vol. 38, 3-4, 2007, N01-05-009. P. 1-4. ISBN: 84-87985-12-2.

6. Красненко Н.П. Дальность действия направленных микрофонов / Н.П. Красненко, Д.С. Раков // Методы и устройства передачи и обработки информации: Межвуз. сб. науч. тр. - Вып. 10/ под ред. В.В. Ромашова, В .В. Булкина. — М.: «Радиотехника», 2008. - С. 29-39.

7. Красненко Н.П. Методика определения дальности действия направленных микрофонов с учетом канала распространения / Н.П. Красненко, Д.С. Раков // Методы и устройства передачи и обработки информации: Межвуз. сб. науч. тр. - Вып. 11/ под ред. В.В. Ромашова, В.В. Булкина. — М.: «Радиотехника», 2009. - С. 154-164.

8. Красненко Н.П. Влияние свойств земной поверхности на распространение звуковых волн в атмосфере / Н.П. Красненко, Д.С. Раков // Акустические измерения и стандартизация. Ультразвук и ультразвуковые технологии. Атмосферная акустика. Акустика океана. Сборник трудов XXII сессии Российского акустического общества и Сессии Научного совета РАН по акустике. Т. 2. -М.: ГЕОС, 2010. - С. 132-136.

9. Красненко Н.П. Излучающая акустическая антенная решетка для исследования распространения звуковых волн в приземном слое атмосферы / Н.П. Красненко, A.C. Раков, Д.С. Раков, Ц.Д. Сандуков // С 24 Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике [Электронный ресурс]: Всероссийские радиофизические научные чтения-конференции памяти H.A. Арманда. Сб.докладов III Всероссийской научной конференции (Муром, 28 июня - 1 июля 2010 г.). - Муром: Изд.-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2010. - С.109-112.-1 электрон, опт. диск (CD-ROM). - № гос. регистрации 0321001175.

10. Красненко Н.П. Акустические антенные решетки для атмосферных приложений / Н.П. Красненко, A.C. Раков, Д.С. Раков, Ц.Д. Сандуков // Акустические измерения и стандартизация. Музыкальная акустика. Ультразвук и ультразвуковая технология. Атмосферная акустика. Гидроакустика. Гидроакустика, Сейсмическая акустика. Сборник трудов Научной конференции "Сессия Научного совета РАН по акустике и XXIV сессия Российского акустического общества". - Т. II. - М.: ГЕОС, 2011.- С. 163-170.

11. Красненко Н.П. Системы звуковой связи в атмосфере / Н.П. Красненко, Д.С. Раков // Методы и устройства передачи и обработки информации. -Муром. 2011.- № 13.-С. 35-40.

12. Красненко Н.П. Акустический стенд для исследования распространения звуковых волн в приземном слое атмосферы / Н.П. Красненко, A.C. Раков, Д.С. Раков, Ц.Д. Сандуков // Методы и устройства передачи и обработки информации. - Муром, 2011. -№ 13. - С. 64-68.

13. Красненко Н.П. Технические средства для исследования приземной атмосферы и распространения звуковых волн / Н.П. Красненко, А.Н. Кудрявцев, Д.С. Раков, П.Г. Стафеев // ISSN 0869-5695. Оптика атмосферы и океана. 2012. - Т.25.№2. - С. 158-164.

14. Красненко Н.П. Мощные излучающие акустические антенные решетки / Н.П. Красненко, A.C. Раков, Д.С. Раков, Ц.Д. Сандуков // Приборы и техника эксперимента, №3,2012 г. (в печати)

Тираж 100 экз. Заказ 313. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел. (3822) 533018.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Раков, Денис Сергеевич, [Томск]

61 12-5/ЗЬ4У

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ МОНИТОРИНГА КЛИМАТИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ

СИСТЕМ СО РАН (ИМКЭС СО РАН) ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ ЗВУКОВОЙ СВЯЗИ В

АТМОСФЕРЕ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

укописи

РАКОВ ДЕНИС СЕРГЕЕВИЧ

01.04.03 радиофизика

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: Доктор физико-математических наук Н.П. Красненко

2012

РЕФЕРАТ

атмосфера, акустика, вещание, излучатель,

исследование, методика, направленный микрофон, ослабление, передатчик, поглощение, программа, сигнал, система, разборчивость, разработка, речь, частота, шум.

Диссертация посвящена разработке систем звуковой связи и исследованию их работы в атмосфере. Дана классификация звуковых систем связи в атмосфере, направление их применения и возможности их работы. Приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследовании в области распространения звука в приземном слое атмосферы. Описана разработанная методика проведения испытаний направленных микрофонов, приема разборчивого речевого сигнала. Приведены примеры разработанных активных систем звуковой связи в атмосфере.

ABSTRACT

ATMOSPHERE, ACOUSTICS, ACOUSTIC, ANNOUNCEMENT, HERTZ, RADIATOR, RESEARCH, TECHNIQUE, A MICROPHONE DIRECTED, EASING, TRANSMITTER, ABSORPTION, PROGRAM, SIGNAL, SYSTEM, LEGIBILITY, WORKING OUT, SPEECH, FREQUENCY, NOISE.

The given dissertation is devoted working out and research of work of systems of sound communication in atmosphere. Classification of sound communication systems in atmosphere, a direction of their application and work possibility is given. Results theoretical and experimental researches in the field of sound distribution to a ground layer of atmosphere are resulted. The developed technique of carrying out of tests of the directed microphones, on check of reception of a legible speech signal is described. Examples of the developed active systems of sound communication in atmosphere are resulted.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................6

ГЛАВА 1. ЗВУКОВАЯ СВЯЗЬ В АТМОСФЕРЕ..........................................15

1.1. Классификация систем звуковой связи..............................................15

1.1.1. Активные системы звуковой связи...................................................18

1.1.2. Пассивные системы звуковой связи.................................................20

1.1.3. Смешанные системы звуковой связи...............................................22

1.2. Особенности использования систем звуковой связи....................22

1.3. Постановка задачи.....................................................................................25

ГЛАВА 2. АТМОСФЕРНЫЙ КАНАЛ СВЯЗИ. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКОВЫХ ВОЛН НА МАЛЫЕ РАССТОЯНИЯ......................................27

2.1. Распространение звука в приземном слое атмосферы...................27

2.2. Ослабление звука.......................................................................................29

2.3. Поглощение звука атмосферой.............................................................32

2.3.1. Классическое поглощение звука.......................................................32

2.3.2. Молекулярное поглощение звука......................................................33

2.3.2.1. Вращательная релаксация................................................................34

2.3.2.2. Колебательная релаксация...............................................................34

2.3.3. Практическая формула вычисления атмосферного поглощения звука.............................................................................................37

2.4. Влияние подстилающей поверхности земли на приземное распространение звука....................................................................................39

2.4.1. Геометрия распространения звука над поверхностью земли ... 40

2.4.2. Модель импеданса земной поверхности.........................................44

2.4.3. Теоретические и экспериментальные исследования приземного распространения звука............................................................51

2.4.3.1. Теоретические исследования приземного распространения

звука.......................................................................................................................51

2.4.3.2. Экспериментальные исследования приземного

распространения звука....................................................................................58

ВЫВОДЫ..............................................................................................................61

ГЛАВА 3. ФОНОВЫЙ ОКРУЖАЮЩИЙ ШУМ.........................................64

3.1 Классификация шумов..............................................................................65

3.2. Двухпараметрическая модель шума....................................................67

3.3. Результаты экспериментальных исследований фонового окружающего шума.........................................................................................71

3.4. Практическое применение результатов исследования фонового

окружающего шума.........................................................................................

выводы..............................................................................................................

ГЛАВА 4. СЛЫШИМОСТЬ И РАЗБОРЧИВОСТЬ РЕЧИ ПЕРЕДАВАЕМЫХ ЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ.............................................79

4.1. модель распространения звука в приземном слое атмосферы на

малые расстояния.............................................................................................79

4.2. определение слышимости и разборчивости речи при использовании систем звуковой связи в атмосфере.............................80

4.2.1. Стандартные методы определения слышимости и

разборчивости речи...........................................................................................81

4.2.2. Учет влияния канала распространения звука для определения

разборчивости речи........................................................................................... „

4.3. Оценка качества звукового вещания звуковещательных станции

..................................................... 85

4.4. Направленные микрофоны. Методика определения

разборчивости речи. Оптимизация направленных микрофонов........90

4.4.1. Методика определения разборчивости речи для направленных

микрофонов с учетом канала распространения звука..........................91

ВЫВОДЫ..............................................................................................................95

ГЛАВА 5. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМ ЗВУКОВОЙ СВЯЗИ В АТМОСФЕРЕ....................................................................................97

5.1. Направленные микрофоны......................................................................97

5.1.1. Направленный микрофон на основе зеркала типа АДЭ..............98

5.1.2. Направленный микрофон на основе параболического зеркала

диаметром 0.3 .................................................................................................

5.1.3. Оптимизация параметров направленных микрофонов.............Ю8

5.2! Активные системы связи. Передающие акустические антенные

решетки...............................................................................................................

5.3. Установка акустического воздействия............................................114

ВЫВОДЫ............................................................................................................117

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................122

ЛИТЕРАТУРА...................................................................................................126

ПРИЛОЖЕНИЕ 1..............................................................................................138

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ВВЕДЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена разработке систем звуковой связи в атмосфере и исследованию их характеристик.

Актуальность

На основе вышесказанного, актуальность темы диссертационной работы определяется:

■ необходимостью оценки эффективности работы систем звуковой связи в атмосфере. Это дальность действия приемных акустических

систем (направленных микрофонов), и дальность действия излучающих звуковых систем в атмосфере (звуковещательные станции, средства предупреждения и реагирования); . необходимостью разработки относительно простых инженерных методик определения слышимое™ и разборчивости речи при приеме „ли передаче звукового сообщения, как гарантии того, что необходимая информация дойдет до пункта назначения; . ростом требований к качеству передаваемой (принимаемой)

информации;

. необходимостью разработки современных передающих и приемных

систем звуковой связи. Целью диссертационной работы являются теоретические и

экспериментальные исследования атмосферного канала распространения

звука и оценка его влияния на работу систем звуковой связи, а также

разработка новых систем звуковой связи, не уступающим зарубежным

аналогам.

Задачи исследования

в соответствии с поставленной целью решались следующие задачи: . определялось расположение источника звука над поверхностью земли при передаче сигнала в условиях нейтрального режима

распространения звука; . разрабатывалась методика определения слышимости и

разборчивости речи для применения в системах звуковой связи;

. проводились теоретические исследования факторов, влияющих на

ослабление звука в приземном слое атмосферы для нейтрального

режима распространения; - разрабатывался алгоритм прогноза слышимости и разборчивости

речи для установки акустического воздействия и вещания;

■ проводились исследования фонового окружающего шума;

мощных

. разрабатывались модели направленных микрофонов и

акустических излучателей. Методы исследования

Экспериментальные исследования ослабления звука, обусловленного атмосферой и подстилающей поверхностью, проводились в различные сезоны года при различных видах подстилающей поверхности. Для проведения экспериментов использовалось следующее оборудование: акустический стенд, включающий излучающие системы, приемные системы, в т.ч. интегрирующие шумомерь, Bruel&Kjer Mediator 2238, и программное обеспечение, позволяющее генерировать различные типы сигналов.

Исследование характеристик фонового окружающего шума проводились в различные сезоны года, при различных типах подстилающей поверхности,

а также при различных метеорологических условиях.

разработка методики определения слышимости и разборчивости речи проводилась на основе анализа литературных данных, а также экспериментальных результатов, полученных по результатам исследовании

распространения звука в приземном слое атмосферы.

Анализ и обработка результатов проводилась с помощью методов математической статистики и стандартных пакетов математической

обработки данных.

Научная новизна работы: . создана новая обобщенная методика определения слышимости н

разборчивости речи для использования в звуковых системах приема и передачи информации при нейтральном режиме распространения звуковых волн в атмосфере. Отличительной особенностью данной методики является учет влияния канала распространения звуковых

волн.

■ разработана новая методика испытаний направленных микрофонов для определения качества принимаемого сигнала на основе определения отношения сигнал/шум на заданной дальности до объекта, учитывающая влияние канала распространения звуковых волн;

Практическая значимость работы заключается в том что:

Защищаемые положения.

2. Сводная таблица характеристик фонового окружающего шума, основанная на двухпараметрической модели шума, позволяет по формальным признакам определить его спектральные характеристики без проведения предварительных измерений самого шума, что делает ее эффективной в решении инженерных задач звукового вещания в атмосфере.

3. Разработанная методика определения слышимости и разборчивости принимаемого или передаваемого сообщения учитывает влияние приземного канала распространения и позволяет исключить в расчетах интерференционные провалы звукового давления за счет учета влияния характеристик подстилающей поверхности.

Апробация результатов

2. XVI сессия Российского акустического общества. 14-18 ноября 2005 г. Москва.

3. VII Международная школа-семинар молодых ученых «Актуальные проблемы физики, технологий и инновационного развития» (YouthPhys'05). Томск, 6-8 декабря 2005.

4. 6th European Conference on Noise Control "Euronoise 2006N. Tampere, Finland, 30 May - 1 June 2006.

5. XVIII сессия Российского акустического общества. Таганрог 11-15 сентября 2006.

6. Российский научный форум с международным участием «Демидовские чтения 3-6 марта 2006».

7. V международная школа молодых ученых и специалистов «Физика окружающей среды» Томск. 26 июня - 02 июля 2006.

9. XIX сессия Российского акустического общества. Нижний Новгород 24-28 сентября 2007.

10. 19th INTERNATIONAL CONGRESS ON ACOUSTICS, Madrid, Spain, September 2007.

11 Научная сессия ТУСУР-2009. 12-15 мая 2009 г. Томск, ТУСУР.

12. всероссийские радиофизические научные чтения-конференция

памяти H.A. Арманда Муром, 28 июня - 01 июля 2010 г.

13. XXII Сессия РАО (политематическая), совмещенная с сессией Научного Совета РАН по акустике. Москва, 15-17 июня 2010

14. XXIV Сессия РАО, совмещенная с сессией Научного Совета РАН по

акустике, 12-15 сентября 2011 Публикации

Содержание „иссертапионной работы отражено в 30 работах. Из них 1 статья опубликована в отечественном рецензируемом журнале из перечня ВАК, 2 в зарубежных журналах, 5 в межвузовских сборниках статей и 15 в

сборниках материалов конференций.

Личный вклад автора

Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. Большинство опубликованных работ написано в соавторстве с научным руководителем д.ф.-м.н., проф. Красненко Н.П Автор участвовал в проведении акустических экспериментов в области распространения звуковых волн в приземном слое атмосферы. Им лично разработана методика определения слышимости и разборчивости речи передаваемого или принимаемого сообщения, которая легла в основу программного продукта при выполнении ОКР по созданию Установки

акустического воздействия и вещания. Внедрение результатов работы

Материалы исследований и разработок использованы в ИМКЭС СО РАН и ТУСУР при выполнении научно-исследовательских и опытно

конструкторских работ.

Исследования фонового окружающего шума нашли свое отражение при

разработке устройства прогнозирования дальности звукового вещания

звуковещательных станций (УПДЗС-01.03), которое принято на снабжение

вооруженных сил РФ.

Методика определения уровня звукового давления, а также слышимости

и разборчивости речи была использована в ОКР «Манок» при разработке устройства акустического воздействия «УАВ-01».

Установка акустического воздействия участвовала в выставках по

безопасности и награждена дипломом.

Практическая значимость отражена в актах о практическом использовании

результатов диссертационной работы Д.С. Ракова.

Структура и объем диссертации

Содержание работы

Во введении приводится обоснование актуальности и практической значимости работы. Определены цель и задачи исследований, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматривается классификация систем звуковой связи в атмосфере. Говорится �