Визуализация акустического поля в круглом волноводе

Полученные результаты свидетельствуют о высокой эффективности и целесообразности использования метода биоакустической психокоррекции в практике работы, как военного госпиталя, так и в амбулаторно-поликлинических условиях преимущественно в рамках нозологической и плановой реабилитации.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Константинов К.В., Сизов В.В., Мирошников Д.Б. Методическое руководство по использованию психофизиологического компьютерного комплекса «Синхро-С», - Спб., 2002.

2. Александровский Ю.А. Состояния психической дезадаптации и их компенсация. - М. 1993.

3. Дыбов М.Д., Шевченко В.Ф., Ситников А.Г. Биоакустическая психокоррекция при невротических нарушениях // Военно-медицинский журнал, Москва 2000, - №1. - С. 46-49.

Смекалкина Лариса Викторовна

Московская медицинская академия им. И. М. Сеченова.

E-mail: smekalkinal@bk.ru.

117208, Россия, Москва, ул. Трубецкая, 8, тел.: (916)6823781.

Кафедра нелекарственных методов лечения и клинической физиологии, доцент, к. м. н.

Smekalkina Larisa Victorovna

Moscow medical academy.

E-mail: smekalkinal@bk.ru.

8, Trubetskaya Str., Moscow, 117208, Russia, Phone: (916)6823781.

Department of not medicinal methods of treatment and clinical physiology, assistant professor, Cand. Med. Sc.

УДК 53.05, 534.213.4

А.И. Солдатов, А.И. Селезнев ВИЗУАЛИЗАЦИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ В КРУГЛОМ ВОЛНОВОДЕ

На основе метода геометрической акустики и принципа суперпозиции проведен анализ акустического поля в волноводе и получено динамически изменяемое во времени его объемное изображение.

Геометрическая акустика; визуализация; волновод; излучатель.

A.I. Soldatov, A.I. Seleznev

ACOUSTIC FIELD VISUALIZATION IN CYLINDRICAL WAVEQUIDE

Research of acoustic field in cylindrical waveguide was performed with use of geometrical acoustics method. Time-vorying 3D graphic visualization of the acoustics fief was obtained. Geometrical acoustics; visualization; waveguide; emitter.

Общая тенденция развития акустических методов контроля и диагностики связана с глубоким изучением изменений пространственно-временной структуры поля, вызванных особенностями распространения ультразвуковых колебаний в контролируемой среде. Важнейшей задачей является разработка и создание новых методов визуализации акустических волн в объеме, что позволит детально изучить характер распределения акустического поля в контролируемой среде. Особенно сложная структура поля получается в ограниченных средах, примером которой

может служить волновод круглого сечения. Визуализация волновых процессов в таких ситуациях позволит в динамике наблюдать характер изменения акустического поля, выбрать оптимальные параметры излучения для конкретных приложений, выработать рекомендации по проектированию акустического тракта с использованием волноводов [1].

Для решения поставленной задачи были проведены экспериментальные и теоретические исследования на примере волновода круглого сечения с жесткими стенками, причем расчеты проводились с использованием метода геометрической акустики. Для простейшего случая, когда излучатель имеет размеры много меньше длины волны и его можно считать точечным. Сигнал в каждой точке поперечного сечения волновода будет представлять сумму сигналов, пришедших от излучателя различными путями со своей фазой, в зависимости от пройденного акустического пути. Зная координаты излучателя и произвольной точки поперечного сечения волновода, можно найти длину каждого луча:

Ц,к =д/

где х1, у1, - координаты излучателя, х21 ,у21 - координаты 1 точки поперечного сечения волновода, 2- расстояние между излучателем и поперечным сечением, измеренное по оси волновода, к - количество отражений, 1 - количество лучей к-го отражения, Б - диаметр волновода.

Фаза сигнала на приемнике будет зависеть от пройденного пути:

Ф г = 2*к*Ь1/Х.

Просуммировав все возможные комбинации по отражениям, можно найти

суммарный сигнал от точечного излучателя:

А = ^^ Ат • $т

к г

где Ат - амплитуда сигнала.

Для практических целей интерес представляет, как правило, передний фронт и вершина импульсного сигнала, поэтому можно ограничить количество отражений при анализе условием запаздывания сигнала, претерпевшего к отражений, на величину длительности импульса:

Цк - 7=N -Л,

где Ьк - длина пути луча, претерпевшего к отражений, N - Л - длительность импульса в периодах.

Подставив в (4) выражение (1) и приняв х2 = х1, у2 = у1, (точки с одинаковыми координатами), решаем относительно к:

к =

Б1

Если излучатель не является точечным, то, в соответствии с принципом суперпозиции, проинтегрировав по площади излучателя, найдем результирующий сигнал в произвольной точке поперечного сечения

Арез = § Ц Ат + &,к) Жшл .

к

изл

При отражении от боковой поверхности волновода амплитуда отраженной волны изменяется при углах падения меньше критического в соответствии с выражением:

Аотр=

где А отр' - амплитуда отраженной волны, k - количество отражений,

А m - амплитуда падающей волны, К отр - коэффициент отражения.

Коэффициент отражения К отр находится из выражения

Z - Z

Котр = f+Z  <8>

где Z1 и Z - акустические импедансы стенок волновода и заполняющей его среды соответственно.

При наклонном падении акустический импеданс определяется из выражения [2]:

Z1 = , Z=^*^.

COS Фпрох C0s Фпад

Угол падения ^пад можно найти, если известны углы падения в поперечном и продольном разрезах волновода:

где: в и а - углы падения в поперечном и продольном разрезах волновода соответственно.

Импульсный сигнал, излучаемый в контролируемую среду преобразователем с известной добротностью, имеет вид

Аимп =Am  eЧ1/в 1) • Sln

где в - коэффициент учитывающий добротность излучателя, t - время действия импульса.

С учетом выражения 11 получаем импульсный сигнал в одной точке поперечного сечения волновода:

A™ = | [EX Am. •е-

S k i

‘-’изл

По полученным выражениям были проведены расчеты акустического поля в нескольких сечениях волновода. Полученные данные в виде файла для каждой точки сечения волновода обрабатывались в пакете программ MATLAB и строилось динамически изменяемое во времени объемное изображение акустического поля.

Для экспериментального исследования акустического поля был изготовлен волновод круглого сечения и испытательный стенд, позволяющий перемещать точечный приемник по поперечному сечению волновода и записывать данные в персональный компьютер.

а Ь

Рис. 1. Результаты расчета акустического поля в круглом волноводе диаметром 52 мм на расстоянии 360 мм от излучателя, а - начало импульса,

Ь - середина импульса

Структурная схема стенда приведена на рис. 2. Основой стенда является управляющий контроллер, который обеспечивает формирование опросных импульсов, с заданной частотой заполнения, длительностью, амплитудой и начальной фазой. Частота заполнения импульсного сигнала формируется цифровым синтезатором частоты.

Рис. 2. Структурная схема испытательного стенда

Сигнал с выхода цифрового синтезатора частоты проходит через регулируемый усилитель с изменяемым коэффициентом передачи и поступает на вход выходного усилителя. Начальная фаза частоты опросного сигнала может устанавливаться в пределах +90 ...- 90 градусов. Момент начала опросного сигнала определяется компаратором. С выхода компаратора сигнал поступает на триггер временных ворот, определяющий начало оцифровки сигнала с выхода регулируемого

усилителя. Ультразвуковой датчик подключен к дифференциальному предварительному усилителю. Сигнал с выхода предварительного усилителя поступает на вход регулируемого усилителя с коэффициентом передачи +9 - +51. С выхода усилителя сигнал поступает на вход АЦП. С выхода триггера сигнал разрешения поступает на коммутатор сигналов. Сигнал с кварцевого генератора через коммутатор, поступает на счетчики и АЦП. Счетчики формируют адрес ячейки памяти, куда записываются данные. Контроллер устанавливает длительность импульсного сигнала. Все параметры задаются с персонального компьютера по интерфейсу Я8-485. Для уменьшения помех интерфейс Я8-485 электрически развязан и контроллер не имеет гальванической связи с ПК.

По команде с ПК управляющий контроллер пересылает данные в ПК, где происходит обработка сигналов и сохранение на жестком диске в виде файла.

Эксперимент начинается с перемещения приемного датчика в позицию Х=0, У=0. Управляющий контроллер формирует опросный сигнал, преобразует в цифровой вид ответный сигнал, пересылает полученные данные в ПК. Там из этих данных формируется файл, ему присваивается имя, однозначно определяющее место, с которого снят сигнал. Затем контроллер перемещает приемный датчик на следующую позицию по координате «X» на установленную величину шага. И цикл ввода данных повторяется, пока датчик не дойдет до края исследуемой области. Датчик перемещается в координату Х=0, У+1 шаг и все повторяется до тех пор, пока не будут получены данные о всех точках поперечного сечения волновода. Каждой точке соответствует свой файл. Так как формирование возбуждающего сигнала производится с максимально возможной идентичностью, а аналого-цифровое преобразование осуществляется с одной и той же частотой, то можно говорить о том, что массив файлов содержит срезы амплитуды принятого сигнала в определенные моменты времени.

После перебора всех точек поперечного сечения волновода данные всех файлов загружались в программу визуализации для получения 3Б-изображения. В автоматическом режиме осуществляется непрерывная прорисовка последовательных слоев, что позволяет увидеть развитие и формирование волн в поперечном сечении волновода. Результаты экспериментов представлены на рис.3.

Рис. 3. Визуальная картина акустического поля в поперечном сечении волновода, полученная экспериментальным путем, а - сечение с максимальной амплитудой в центре волновода, Ь - с максимальной амплитудой у стенки волновода

Полученные результаты позволяют сделать вывод о хорошем соответствии расчетных и экспериментальных данных. Неравномерное пространственно-

временное распределение акустического поля наблюдается как по длине волновода, так и по поперечному сечению. На характер распределения поля влияет положение излучателя. Смещение излучателя от продольной оси волновода приводит к появлению смещенного максимума амплитуды давления (рис.3,Ь). Различные вариации с положением излучателя в волноводе не приводят к уменьшению неравномерности акустического поля в волноводе. Для уменьшения флуктуаций сигнала на приемнике целесообразно использовать многоканальную систему приема и усиления сигнала, с выбором канала с максимальной амплитудой, это позволит существенно улучшить метрологические характеристики акустических приборов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. ГрегушП. Звуковидение: Пер. с англ. / П. Грегуш. - М.: Мир, 1982. - 232 с.

2. Бреховских Л.М. Акустика слоистых сред / Л.М. Бреховских, О.А. Годин. - М.: Наука, 1989. - 416 с. : ил. - Библиогр.: С. 387-408. - Предметный указатель: С. 409-412. - ISBN 5-02-014155-0.

Солдатов Алексей Иванович

Томский политехнический университет.

E-mail: asoldatof@mail.ru.

634050, г. Томск, пр. Ленина, 30, тел.: (3822)419605.

Кафедра ПМЭ, докторант, доцент, к.т.н.

Soldatov Alexey Ivanovitch

Tomsk Polytechnic University.

E-mail: asoldatof@mail.ru.

Lenin Avenue, 30, Tomsk, 634050, Russia, Phone: (3822)419605.

Department IME, person working for doctor's degree, associate professor, cand.of science.

Селезнев Антон Иванович

Томский политехнический университет.

E-mail: seleznev@vtomske.ru.

634050, г. Томск, пр. Ленина, 30, тел.: (3822)419605.

Кафедра ПМЭ, аспирант.

Seleznev Anton Ivanovitch

Tomsk Polytechnic University.

E-mail: seleznev@vtomske.ru.

Lenin Avenue, 30, Tomsk, 634050, Russia, Phone: (3822)419605.

Department IME, post-graduate student.

УДК 621.3.088

А.И. Солдатов, П.В. Сорокин, В.С. Макаров

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ИМПУЛЬСА МЕТОДОМ АППРОКСИМАЦИИ ОГИБАЮЩЕЙ СИГНАЛА

Предложен новый метод определения временного положения акустического импульса, позволяющий уменьшить погрешность измерения времени распространения сигнала в акустическом тракте измерительного прибора.

Радиоимпульс; волновод; скорость нарастания; огибающая сигнала.