Устройство определения направления на источник звука

Устройство определения направления на источник звука

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к устройствам определения направления на источник звука.

Известны устройства определения направления на источник звука (К.Клей, Г.Медвин, Акустическая океанография, М., Мир, 1980, с.170) с помощью линейки из n электроакустических преобразователей, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Электрические сигналы с выходов преобразователей подают на n линий задержки (см.фиг.1). Меняя Δt (разницу в задержках сигнала между соседними линиями задержки), меняют задержку сигнала τ=(n-1) Δt на выходах линий задержки.

Направление на источник звука определяют по максимуму суммарного сигнала с выходов линий задержки при изменении Δt или по максимуму взаимно корреляционной функции. Угол направления на источник звука

где Δt_max - Δt, соответствующее максимуму сигнала;

Δl - расстояние между преобразователями;

с - скорость звука.Это устройство имеет тот недостаток, что при движении антенны в среде возникает добавочный шум (по отношению к шуму прибора и среды), вызванный обтеканием средой защитного колпака антенны.

Перспективным для регистрации звуковой волны является использование теневых приборов (Т.П.), регистрирующих наличие в среде градиента показателя преломления (плотности), так как пучок света не вносит изменений в среду. Угол отклонения светового пучка

где z - направление, перпендикулярное направлению светового пучка;

n - показатель преломления среды;

L - длина светового пучка в среде.

где - градиент показателя преломления по давлению.

Обычно угол θ измеряют с помощью теневого прибора, использующего параллельный пучок света в объеме измерения, по изменению мощности светового сигнала за ножом, который располагают в фокусе объектива, фокусирующего пучок света, с помощью фотоприемника, на выходе которого меняется электрический сигнал (М.А.Брамсон, Э.И.Красовский, Б.В.Наумов, Морская рефрактометрия, Л., Гидрометеоиздат, 1986, с.183).

В общем случае при расходящемся пучке света в измерительном объеме нож располагают после фокусирующего объектива в фокусе сходящегося светового пучка, то есть в плоскости изображения светозадающей диафрагмы, или для лазерного пучка в плоскости минимальной перетяжки лазерного пучка.

Известен теневой фотоэлектрический прибор для регистрации изменения давления (Л.А.Васильев, Теневые методы, М., Наука, 1969, с.60). С помощью этого устройства, не внося изменений в среду, можно определить наличие акустической волны, но нельзя определить направление на источник звука.

В качестве прототипа выбран теневой фотоэлектрический прибор с двойной фильтрацией светового поля (М.А.Брамсон и др. Морская рефрактометрия, с.181).

Теневой прибор с двойной фильтрацией светового поля, структурная схема которого приведена на фиг.2, содержит: источник света (в данном случае лампу накаливания) 1, конденсор 2, световую диафрагму 3, объектив 4, защитные стекла 5, 6, фокусирующий объектив 7, нож в виде полуплоскости 8, согласующий объектив 9, диафрагму 10, помещенную в плоскости, оптически сопряженной с плоскостью, расположенной в середине объема измерения (объем, расположенный между защитными стеклами), фотоприемник 11.

Упомянутый выше теневой прибор для регистрации изменений давления (М.А.Брамсон и др. Морская рефрактометрия, 1986, с.183) отличается от теневого прибора с двойной фильтрацией тем, что в нем вместо диафрагмы 10 устанавливается диафрагма перед защитным стеклом, что ведет к увеличению дифракционного размытия изображения световой диафрагмы в плоскости ножа.

Отметим, что дополнительная фильтрация ведет к расширению полосы пропускания пространственных частот. Описанный прибор с двойной фильтрацией является разновидностью приборов, работающих по методу ножа и щели. Использование лазера в качестве источника света повышает чувствительность теневого фотоэлектрического прибора (М.А.Брамсон и др., Морская рефрактометрия, с.179).

При использовании лазера в качестве источника света конденсор 2 и объектив 4 (см. фиг.2) заменяются телескопической системой (коллиматором), служащей для увеличения диаметра коллимированного лазерного пучка, что приводит к уменьшению шума на выходе фотоумножителя, вызванного рассеянием лазерного пучка частицами, находящимися в измерительном объеме.

Известны эксперименты, в которых с помощью теневого прибора регистрировались изменения давления, создаваемые в море искусственными источниками (отчет по НИР Эхо, НИИ ФООЛИОС, Санкт-Петербург, 2001 г., инв. №4, с.60), однако с помощью описанного прибора нельзя определить направление на источник звука. Действительно, для параллельного пучка света величина перемещения изображения световой диафрагмы в плоскости фокуса фокусирующего объектива (плоскость х` о y` на фиг.2) в направлении, параллельном проекции градиента давления и проекции вектора звуковой волны на плоскость, перпендикулярную оси светового пучка oz в среде, зависит от величины градиента давления и мощности звука. Величина этого отклонения:

где ϕ - угол между градиентом и осью oz,

F - фокусное расстояние объектива.

В случае, если в объеме измерения пучок, расходящийся:

где F_p - расстояние от главной плоскости фокусирующего объектива до фокуса сходящегося пучка света.

Величина сигнала U на выходе фотоприемника пропорциональна величине проекции ρ на ось ох`, перпендикулярную кромке ножа.

В результате:

где θ - угол между осью ox` и направлением перемещения фокального пятна (угол между осью ох` и проекцией на плоскость х` о y`).

Очевидно, что по величине выходного сигнала U невозможно определить направление вектора звуковой волны.

Целью предлагаемого изобретения является:

- расширение возможностей теневого прибора для определения направления на источник звука в заданном полупространстве, в котором значения одной из координат всегда положительны;

- определение направляющих косинусов и соответствующих им углов, определяющих это направление;

- уменьшение шумов акустической антенны за счет использования в качестве чувствительного элемента лазерного пучка, не вносящего изменений плотности в среду.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве (фиг.3), состоящем из двух фотоэлектрических теневых приборов, лазерные пучки которых направлены в среду под углом 90° друг к другу, каждый из двух фотоэлектрических теневых приборов содержит последовательно установленные лазер, коллиматор, защитное стекло, защитное стекло, фокусирующий объектив, светоделитель для разделения лазерного пучка на два лазерных пучка, два ножа в виде полуплоскости с взаимно перпендикулярными кромками, установленные в каждом из фотоэлектрических теневых приборов после светоделителя по одному в двух плоскостях минимальных перетяжек лазерных пучков на оптических осях лазерных пучков, полученных после светоделителя, два согласующих объектива, установленные по одному после каждого из этих двух ножей, два фотоприемника в каждом из фотоэлектрических теневых приборов, уостановленные по одному после каждого из согласующих объективов в плоскостях, оптически сопряженных с серединой измерительного объема, расположенного между защитными стеклами, выходы фотоприемников подключены к соответствующим квадраторам, выходы квадраторов подключены к соответствующим предварительным усилителям, кромка одного из ножей в каждом фотоэлектрическом теневом приборе перпендикулярна плоскости, параллельной лазерным пучкам в среде, два предварительных усилителя (по одному в каждом фотоэлектрическом теневом приборе), своими входами подключенные через квадраторы к выходам фотоприемников, установленных после согласующих объективов и ножей с кромками, параллельными плоскости, параллельной лазерным пучкам в среде, своими выходами подключены к вычитающему устройству, выход вычитающего устройства подключен к вторым входам предварительных усилителей одного из фотоэлектрических теневых приборов, выход предварительного усилителя этого фотоэлектрического теневого прибора, не подключенный ко входу вычитающего устройства, и выходы предварительных усилителей другого фотоэлектрического теневого прибора подключены к оконечным усилителям, выходы оконечных усилителей подключены к сумматору и многоканальному аналого-цифровому преобразователю; выход сумматора подключен ко вторым входам оконечных усилителей; выход одного из двух фотоприемников, установленных после согласующих объективов и ножей с кромками, параллельными плоскости, параллельной лазерным пучкам в среде, подключен ко входам двух фазовых детекторов, ко вторым входам которых подключены выходы двух других фотоприемников, соответствующих ножам, кромки которых перпендикулярны плоскости, параллельной лазерным пучкам в среде, выходы фазовых детекторов подключены к триггерам, выходы которых подключены к многоканальному аналого-цифровому преобразователю, а выход многоканального аналого-цифрового преобразователя подключен ко входу электронной вычислительной машины.

На фиг.3 изображены оптическая и структурная схемы предлагаемого оптико-электронного устройства для определения направления на источник звука, которое содержит: лазеры 1, 22, коллиматоры 2, 23, защитные стекла 3, 4, 24, 25, фокусирующие объективы 5, 26, светоделители 6, 27, ножи 7, 10, 28, 34 в виде полуплоскостей, согласующие объективы 8, 11, 29, 35, фотоприемники 9, 12, 30, 36, квадраторы 13, 19, 31, 37, предварительные усилители 14, 20, 32, 38, оконечные усилители 15, 21, 33, сумматор 16, многоканальный аналого-цифровой преобразователь 17, вычитающее устройство 18, фазовые детекторы 39, 40, триггеры 41, 42, электронную вычислительную машину 43.

Между защитными стеклами расположены объемы измерения.

Лазерные пучки лазеров 1, 22 двух фотоэлектрических теневых приборов (узлы 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 19, 20, 10, 11, 12, 13, 14 - первый фотоэлектрический теневой прибор) и (узлы 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 34, 35, 36, 37, 38 - второй фотоэлектрический теневой прибор) попадают на коллиматоры 2, 23, где расширяются для уменьшения помехи от рассеивающих свет частиц из измерительного объема. Пройдя защитные стекла 3, 24, объем измерения и защитные стекла 4, 25, лазерные пучки, направленные в среду под углом 90° друг к другу, фокусируются объективами 5, 26, и каждый из лазерных пучков делится на два сходящихся лазерных пучка светоделителями 6, 27, после которых лазерные пучки попадают на два ножа 7, 10 одного фотоэлектрического теневого прибора, и соответственно, на два ножа 28, 34 другого фотоэлектрического теневого прибора, установленные так, чтобы их кромки в каждом фотоэлектрическом теневом приборе были взаимно перпендикулярны, а кромка одного из ножей в каждом фотоэлектрическом теневом приборе была перпендикулярна плоскости, параллельной лазерным пучкам в среде, после ножей 7, 10 лазерные пучки попадают через соответствующие согласующие объективы 8, 11 на соответствующие каждому согласующему объективу фотоприемники 9, 12 в одном фотоэлектрическом теневом приборе и соответственно после ножей 28, 34 через соответствующие согласующие объективы 29, 35 на соответствующие каждому согласующему объективу фотоприемники 30, 36 в другом фотоэлектрическом теневом приборе.

В системе координат, в которой ось ох совпадает с направлением в среде лазерного пучка от лазера 22, ось oy совпадает с направлением в среде лазерного пучка от лазера 1, а ось oz перпендикулярна лазерным пучкам, фотоприемник 9 чувствует изменение света, пропорциональное проекции перемещения перетяжки лазерного пучка на ось ох, фотоприемник 12 чувствует изменение света, пропорциональное проекции перемещения перетяжки лазерного пучка на ось oz, фотоприемник 30 чувствует изменение света, пропорциональное проекции перемещения перетяжки лазерного пучка на ось oy, фотоприемник 36 чувствует изменение света, пропорциональное проекции перемещения перетяжки лазерного пучка на ось oz (см. фиг.4). Сигналы на выходах фотоприемников 12, 36 всегда коррелированы, так как лазерные пучки через соответствующие согласующие объективы 11, 35 попадают на фотоприемники 12, 36 после ножей 10, 34 с кромками, перпендикулярными оси oz и параллельными плоскости, параллельной лазерным пучкам в среде.

Мгновенные значения электрических сигналов на выходах фотоприемников устройства содержат полную информацию о направлениях отклонений перетяжек лазерных пучков в плоскостях ножей и о направлении волнового вектора, противоположно направленного направлению на источник звука.

После квадраторов теряется информация о фазе электрических сигналов, и трем модулям величин проекций на оси координат вектора, определяющего направление на источник звука, соответствуют четыре вектора, расположенные в четырех секторах полупространства (см.фиг.5):

- сектор I ограничен плоскостью xoz, плоскостью yoz и первым квадрантом плоскости xoy;

- сектор II ограничен плоскостью xoz, плоскостью yoz и вторым квадрантом плоскости xoy;

- сектор III ограничен плоскостью xoz, плоскостью yoz и третьим квадрантом плоскости xoy;

- сектор IV ограничен плоскостью xoz, плоскостью yoz и четвертым квадрантом плоскости xoy.

Линия, параллельная проекции вектора звуковой волны на плоскость xoz и проходящая через начало координат, находится в том или ином квадранте плоскости xoz в зависимости от того, являются ли синфазными или противофазными сигналы на выходах фотоприемников 9 и 12.

В плоскости xoz первый квадрант - между осями ох и oz, второй - между осями о(-х) и oz.

В плоскости yoz первый квадрант - между осями oy и oz, второй - между осями о(-y) и oz.

Действительно, нож с осью симметрии, параллельной оси z, перекрывает (затемняет) третий и четвертый квадранты плоскости xoz, а нож с осью симметрии, параллельной оси х, перекрывает (затемняет) второй и третий квадранты плоскости xoz (фиг.6, 7).

Если линия, параллельная проекции вектора звуковой волны на плоскость xoz и проходящая через начало координат, находится в первом квадранте плоскости xoz (фиг.6) (угол ζ положительный), то при изменении во времени звукового давления (и градиента показателя преломления) перетяжки лазерных пучков на двух взаимно перпендикулярных ножах одновременно выходят из тени и одновременно затемняются.

Если линия, параллельная проекции вектора звуковой волны на плоскость xoz, находится во втором квадранте (фиг.7) (угол ζ отрицательный), то когда перетяжка лазерного пучка на ноже с осью симметрии, параллельной оси z, выходит из тени, то перетяжка лазерного пучка на ноже с осью симметрии, параллельной оси х, затемняется.

Таким образом, электрические сигналы на выходах фотоприемников в первом случае изменяются в фазе, а во втором - в противофазе, что указывает квадрант, в котором находится прямая, проходящая через начало координат и параллельная проекции вектора звуковой волны на плоскость xoz.

Аналогично линия, параллельная проекции волнового вектора на плоскость yoz и проходящая через начало координат, находится в том или ином квадранте плоскости yoz в зависимости от того, являются ли синфазными или противофазными сигналы на выходах фотоприемников 30 и 36.

Характер сигналов для первого и второго случая иллюстрируется таблицей 1.

ТАБЛИЦА 1.
Ножи расположены в плоскости, параллельной xoz	Ножи расположены в плоскости, параллельной yoz
Положение перетяжки лазерного пучка	Сигналы на выходе фотоприемников	Положение перетяжки лазерного пучка	Сигналы на выходе фотоприемников
I квадрант xoz	в фазе	I квадрант yoz	в фазе
II квадрант xoz	в противофазе	II квадрант yoz	в противофазе

Итак, амплитуды и взаимные фазы электрических сигналов на выходах фотоприемников содержат информацию о направлениях проекций вектора звуковой волны на плоскости xoz и yoz и, таким образом, о направлении на источник звука.

Электрическая схема, структура которой включена в фиг.3, обрабатывает эту информацию и определяет направление вектора звуковой волны в заданном полупространстве независимо от величины звукового сигнала, колебаний мощности лазеров и изменения прозрачности оптических деталей (в основном защитных стекол). Сигналы с выходов фотоприемников 9, 12, 30, 36 квадрируются соответственно квадраторами 19, 13, 31, 37, с выходов которых сигналы поступают соответственно на входы предварительных усилителей 20, 14, 32, 38 и усиливаются.

Сигналы с выходов предварительных усилителей 14, 38, коррелированные между собой, так как они соответствуют фотоприемникам 12, 36, стоящим соответственно после согласующих объективов 11, 35 и ножей 10, 34 с кромками, параллельными плоскости, параллельной лазерным пучкам в среде, поступают на входы вычитающего устройства 18, сигнал с выхода вычитающего устройства поступает на вторые входы предварительных усилителей 32, 38 одного из фотоэлектрических теневых приборов на оптической и структурной схеме устройства (фиг.3), состоящего из узлов: 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 34, 35, 36, 37, 38; в результате этого воздействия указанный выше (второй) фотоэлектрический теневой прибор становится эквивалентным по отношению к оптическому клину в его измерительном объеме первому фотоэлектрическому теневому прибору, состоящему из узлов оптической и структурной схемы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 19, 20, 10, 11, 12, 13, 14; эквивалентность обеспечивает пропорциональность электрических сигналов на выходе предварительных усилителей 20, 32, 14 квадратам проекций волнового вектора на оси х, y, z без зависимости от изменения мощности лазеров и загрязнения защитных стекол (а также коллиматоров и фокусирующих объективов); сигналы с выходов предварительных усилителей 14, 20, 32 поступают соответственно на входы оконечных усилителей 15, 21, 33 и после усиления суммируются в сумматоре 16, сигнал отрицательной обратной связи с выхода сумматора поступает на вторые входы оконечных усилителей 15, 21, 33; эта обратная связь обеспечивает постоянную величину сигнала на выходе сумматора 16, благодаря чему сигналы на выходе оконечных усилителей 15, 21, 33 будут нормированы на заранее выставленную величину выходного напряжения сумматора и пропорциональны величинам квадратов направляющих косинусов cos² α, cos² β, cos² γ, где α - угол между направлением волнового вектора и осью о(-х), β - угол между направлением волнового вектора и осью о(-y), γ - угол между направлением волнового вектора и осью о (-z); углы α, β, γ определяют направление на источник звука; сигналы с выходов оконечных усилителей 15, 21, 33 поступают на входы многоканального аналого-цифрового преобразователя 17; сигналы с выходов фотоприемников 9, 12 поступают на входы фазового детектора 39, сигналы с выходов фотоприемников 12, 30 поступают на входы фазового детектора 40; сигналы с выходов фазовых детекторов 39, 40 поступают соответственно на входы триггеров 42, 41, срабатывающих при превышении входными сигналами нулевого уровня, а с их выходов сигналы поступают на входы многоканального аналого-цифрового преобразователя 17, с выхода многоканального аналого-цифрового преобразователя сигналы в цифровой форме поступают в электронную вычислительную машину, в которой по величинам cos² α, cos² β, cos² γ с учетом номеров квадрантов, в которых находятся проекции вектора звуковой волны на плоскости xoz и yoz (при этом номера квадрантов определяются сигналами на выходах триггеров 41 и 42) определяются величины направляющих косинусов cos α, cos β, cos γ (и направляющих углов α, β, γ).

Правила определения углов α, β, γ с учетом номеров секторов, в которых находятся векторы, определяющие направление на источник звука, и потенциалов на выходах триггеров, приведены в таблице 2.

Таблица 2.
№ триггерана фиг.3	Потенциал на выходе триггера	№ сектора	α	β	γ
42	1	I	α0	β0	γ0
41	1
42	0	II	π - α0	β0	γ0
41	1
42	0	III	π - α0	π - β0	γ0
41	0
42	1	IV	α0	π - β0	γ0
41	0

α₀=arccos√cos²α; β₀=arccos√cos²β; γ₀=arccos√cos²γ.

Предлагаемое устройство позволяет определить направление на источник звука в полупространстве по величинам направляющих косинусов cos α, cos β, cos γ. По сравнению с антенной, выполненной из матрицы электроакустических преобразователей, в предлагаемом устройстве направление на источник звука возможно определить с помощью одного двухканального оптикоэлектрического преобразователя. А главное, в предлагаемом устройстве может быть достигнуто существенное уменьшение влияния ходовых шумов по сравнению с антенной, выполненной в виде матрицы электроакустических преобразователей.

Перечень фигур.

Фиг.1. Устройство определения направления на источник звука с помощью линейки электроакустических преобразователей.

Фиг.2. Структурная схема теневого прибора с двойной фильтрацией светового поля.

Фиг.3. Оптическая и структурная схемы предлагаемого оптико-электронного устройства для определения направления на источник звука.

Фиг.4. Проекция перемещения перетяжки лазерного пучка на ось z.

Фиг.5. Четыре сектора полупространства.

Фиг.6. Сигналы на выходе фотоприемников в фазе.

Фиг.7. Сигналы на выходе фотоприемников в противофазе.

Устройство определения направления на источник звука, состоящее из двух фотоэлектрических теневых приборов, лазерные пучки которых направлены в среде под углом 90° друг к другу, каждый из двух фотоэлектрических теневых приборов содержит последовательно установленные лазер, коллиматор, два защитных стекла, между которыми расположены объемы измерений, фокусирующий объектив, светоделитель для разделения лазерного пучка на два лазерных пучка, два ножа, кромками расположенные взаимно перпендикулярно между собой, и установлены после светоделителя по одному на оптических осях разделенных лазерных пучков в двух плоскостях минимального диаметра перетяжки лазерного пучка, два согласующих объектива, установленные по одному после каждого из этих двух ножей, два фотоприемника в каждом из фотоэлектрических теневых приборов, установленные по одному после каждого из согласующих объективов в плоскостях, оптически сопряженных с серединой измерительного объема, расположенного между защитными стеклами, выходы фотоприемников подключены к соответствующим квадраторам, выходы квадраторов подключены к соответствующим предварительным усилителям, отличающееся тем, что кромка одного из ножей в каждом фотоэлектрическом теневом приборе перпендикулярна плоскости, параллельной лазерным пучкам в среде, два предварительных усилителя (по одному в каждом фотоэлектрическом теневом приборе), своими входами подключенные через квадраторы к выходам фотоприемников, установленных после согласующих объективов и ножей с кромками, параллельными плоскости, параллельной лазерным пучкам в среде, своими выходами подключены к вычитающему устройству, выход вычитающего устройства подключен к вторым входам предварительных усилителей одного из фотоэлектрических теневых приборов, выход предварительного усилителя этого фотоэлектрического теневого прибора, не подключенный к входу вычитающего устройства, и выходы предварительных усилителей другого фотоэлектрического теневого прибора подключены к оконечным усилителям, выходы оконечных усилителей подключены к сумматору и многоканальному аналого-цифровому преобразователю, выход сумматора подключен ко вторым входам оконечных усилителей, выход одного из двух фотоприемников, установленных после согласующих объективов и ножей с кромками, параллельными плоскости, параллельной лазерным пучкам в среде, подключен ко входам двух фазовых детекторов, ко вторым входам которых подключены выходы двух других фотоприемников, соответствующих ножам, кромки которых перпендикулярны плоскости, параллельной лазерным пучкам в среде, выходы фазовых детекторов подключены к триггерам, выходы которых подключены к многоканальному аналого-цифровому преобразователю, а выход многоканального аналого-цифрового преобразователя подключен ко входу электронной вычислительной машины.