СПОСОБ АНАЛИЗА АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ СЛОЖНОГО ИСТОЧНИКА
METHOD OF ANALYSIS OF ACOUSTIC FIELD OF COMPLEX SOURCE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для поиска зон повышенного акустического излучения по длине транспортных средств - на автомобильном или железнодорожном транспорте, а также на судах различного назначения при их диагностическом обследовании.
Известен способ аддитивного направленного приема, основанный на использовании интерференции сигналов, снимаемых с выходов отдельных приемников при падении на антенну волны от акустического источника (См.: Новиков А.К. Статистические измерения в судовой акустике. Л.: Судостроение, 1985, стр.263-266).
Сущность способа поясним на примере испытаний движущихся транспортных средств, когда транспортное средство проходит на близком расстоянии от приемной системы измерительных преобразователей. В основе способа - определение звукового давления, обусловленного источниками акустического поля - различными виброактивными механизмами, распределенными по длине испытуемого транспортного средства. При этом положение источника звука (шум машин и механизмов), а следовательно, и положение источника энергии гидроакустического поля определяется путем сопоставления максимумов суммарного звукового давления с теми частями транспортного средства, которые в момент возникновения этих максимумов оказываются в створе диаграммы направленности системы отдельных приемников.
Недостатком способа является то, что расстояния между приемными элементами направленной системы должны быть меньше половины длины волны принимаемого сигнала. При поиске зон повышенного акустического излучения протяженного объекта измерений разрешающая способность способа определяется апертурой антенны.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ направленного приема, основанный на использовании интерференции сигналов, снимаемых с выходов отдельных приемников при падении на антенну акустической волны от источника с последующим умножением частот принятых сигналов, суммированием исходных сигналов, суммированием сигналов с умноженными частотами и перемножением сумм сигналов, полученных в результате детектирования (см. патент Российской Федерации №2478982, МПК G01S 15/00, 2011 г., Гарин В.Ю., Стефанский В.М.). Этот способ определения звукового давления принят за прототип. При поиске зон доминирующего акустического излучения объекта измерений необходимо относительное перемещение системы приемников и протяженного источника акустического поля.
Сущность способа-прототипа для аддитивной антенны в режиме приема сводится к следующим операциям:
1) производится многоканальный прием сигналов излучения;
2) производится фильтрация принятых сигналов на частотах повышенного излучения;
3) производится умножение частот принятых сигналов в число раз, соответствующее количеству приемников в системе;
4) производится суммирование исходных сигналов;
5) производится суммирование сигналов с умноженными частотами;
6) выделяется огибающая суммы сигналов с исходными частотами путем амплитудного детектирования;
7) выделяется огибающая суммы сигналов с умноженными частотами путем амплитудного детектирования;
8) производится перемножение огибающих сумм сигналов;
9) осуществляется регистрация результата перемножения сумм сигналов.
В последнем случае поиск максимума результата перемножения сумм сигналов с исходными частотами и сумм сигналов с умноженными частотами, соответствующего положению источника звука по длине транспортного средства, производится в результате относительного движения транспортного средства и неподвижной приемной системы.
Недостаток способа-прототипа состоит в необходимости относительного движения объекта измерений и приемной системы. Для условий измерений в ограниченных акваториях, например в гидроакустическом бассейне, этот режим нереализуем.
Задачей изобретения является обеспечение возможности поиска доминирующих зон акустического поля без относительного перемещения сложного источника и приемной системы, что упрощает процесс измерения.
Это достигается тем, что после полосовой фильтрации запоминают принятые сигналы, а затем многократно воспроизводят с ними операции способа, причем в каждом цикле воспроизведения принятые сигналы и сигналы с умноженными частотами задерживают в каждом канале на время распространения акустической волны от контролируемой точки поля до соответствующего приемника дискретной антенны. После чего запоминают результат перемножения огибающих сигналов, полученных после детектирования сигналов для контролируемых точек поля. Изменение координат контролируемых точек поля в очередном цикле воспроизведения и регистрация совокупности результатов измерений позволяют получить оценку интенсивности акустического поля, обусловленного излучением сложного источника.
Сущность предложенного технического решения поясняется фигурами, где:
на фиг.1 представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ;
на фиг.2 представлена планарная диаграмма направленности антенны с лепестком, направленным в центральную точку поля, формируемого сложным источником;
на фиг.3 представлена планарная диаграмма направленности антенны с лепестком, направленным в центральную точку поля, формируемого сложным источником, полученная в результате перемножения двух диаграмм: диаграммы направленности, построенной по принятым сигналам, и диаграммы направленности, построенной по сигналам с умноженными мгновенными частотами.
на фиг.4 представлена планарная диаграмма направленности антенны, сфокусированной в заданную точку анализируемого поля, полученная до умножения частоты сигналов в каждом приемнике;
на фиг.5 представлена планарная диаграмма направленности антенны, сфокусированной в заданную точку анализируемого поля после умножения частоты сигналов в каждом приемнике;
на фиг.6 представлено трехмерное изображение результирующей планарной диаграммы направленности антенны, полученное по предлагаемому способу;
на фиг.7 представлена трехмерная характеристика, полученная в результате взаимодействия направленных свойств антенны, сформированная по предлагаемому способу, и акустического поля, обусловленного излучением сложного источника.
Устройство, реализующее предлагаемый способ (см. фиг.1), содержит блок приемников 1, соединенный через блок полосовых фильтров 2 с запоминающим устройством 3, выход которого подключен к входу первого блока задержек 4 и блока умножения частоты 5, соединенного с входом второго блока задержек 6, а выходы блоков задержек 4 и 6 подключены к входам сумматоров 7 и 8, выходы которых соединены с входами блока детектирования и перемножения 9, выход которого подключен к входу регистратора 10, причем к управляющим входам блоков задержек 4 и 6 подключен выход блока управления 11.
С использованием описанного устройства предложенный способ реализуется следующим образом.
Входной сигнал принимается блоком приемников 1, в качестве которого рассматривается дискретная антенна, состоящая из дискретных измерительных преобразователей - микрофонов или гидрофонов. После полосовой фильтрации сигналов, снимаемых с выходов измерительных преобразователей блока приемников 1, в блоке фильтров 2, сигналы запоминают в запоминающем устройстве 3 и при воспроизведении умножают по частоте в блоке умножения частоты 5. После чего осуществляется их задержка в блоках 4 и 6 на время распространения акустической волны от контролируемой точки поля до соответствующего приемника дискретной антенны и их суммирование в сумматоре 7. Эта операция позволяет сфокусировать диаграмму направленности на контролируемую точку акустического поля, формируемого сложным источником. Расчет требуемых задержек для блоков задержек 4 и 6 осуществляется при помощи устройства управления 11. После умножения частоты в блоке умножения частоты 5 и суммирования сигналов с умноженными частотами в сумматоре 8 формируется диаграмма направленности, характеризуемая появлением боковых лепестков, равных по величине основному. Сигналы с сумматоров 7 и 8 детектируются и перемножаются в блоке детектирования и перемножения 9. В результате этой операции подавляется влияние боковых лепестков, а результирующая диаграмма направленности обеспечивает повышенное пространственное разрешение. В результате формируется распределение амплитуд результирующих сигналов для совокупности контролируемых точек поля сложного источника.
Рассмотрим пример компьютерного моделирования работы устройства, реализующего предлагаемый способ.
В результате моделирования рассчитывались сигналы, наблюдаемые на выходе антенны, состоящей из девяти эквидистантных приемных элементов, от точечного монохроматического излучателя, перемещающегося относительно приемников антенны на различных удалениях. В результате сканирования формируется традиционная планарная диаграмма направленности, пример которой показан на фиг.2. На фиг.3 представлена планарная диаграмма направленности антенны с лепестком, направленным в центральную точку поля, формируемого сложным источником, полученная в результате перемножения двух диаграмм: диаграммы направленности, построенной по принятым сигналам, и диаграммы направленности, построенной по сигналам с умноженными мгновенными частотами. Как и в способе-прототипе, умножение сигнала по частоте осуществляется путем выделения мгновенной амплитуды и мгновенной фазы сигнала с ее умножением в заданное число раз. При этом осуществляют умножение мгновенной частоты. С этой целью используется преобразование Гильберта узкополосного сигнала и модуляция гармонического сигнала на средней частоте полосового фильтра по амплитуде и по фазе после ее умножения. Применение способа-прототипа позволяет увеличить эффективность направленного приема для различных частот без изменения апертуры антенны, но не обеспечивает возможность анализа его пространственной структуры. Введение требуемых задержек в устройство по способу-прототипу и в устройство по предлагаемому способу (фиг.4) позволяет сфокусировать дискретную антенну в произвольную точку поля. На фиг.5 показан пример планарной диаграммы направленности с повышенным пространственным разрешением, основной лепесток которой направлен в заданную точку поля. На фиг.6 в качестве примера приведено трехмерное изображение планарной диаграммы направленности, полученной по предлагаемому способу.
Эффективность предлагаемого способа подтверждается результатами следующего модельного эксперимента.
Источник тонального сигнала на частоте 1000 Гц перемещался в пределах плоскости, ограниченной размерами Х=±10 м и Y=±10 м. Исследуемый сигнал принимался антенной из 9 приемных элементов, расположенных на окружности. Расстояние между приемными элементами составляло 0,75 м. Дистанция между осью антенны и плоскостью, в которой перемещался источник, равнялась 8 м. Оценка амплитуды сигнала на выходе антенны производилась через каждые 0,2 м. В результате совместного представления измерительных данных строилась планарная диаграмма направленности. На приемные элементы антенны воздействовали сигналы, обусловленные работой 5 излучателей, расположенных в пределах квадрата 2 м × 2 м.
На фиг.7 показан результат взаимодействия направленных свойств антенны, сформированный по предлагаемому способу, и акустического поля, обусловленного излучением сложного источника.
Проведенное моделирование показало, что использование новых операций в соответствии с предлагаемым способом анализа акустического поля позволило определять положение доминирующих зон излучения в пределах заданной плоскости.
Основное преимущество предлагаемого способа определения звукового давления перед способом-прототипом состоит в том, что достигается изменение чувствительности приемной системы по пространству путем введения компенсационных задержек в тракты каналов отдельных приемников. В этом случае не требуется относительного перемещения сложного источника относительно приемной системы.