Разработка функциональной схемы, алгоритма процесса идентификации плоских деталей произвольной формы акустической локационной системы (стр. 3 из 4)
Важнейшим требованием, предъявляемым к микрофонам, является равномерность их АЧХ. У микрофонов с неравномерной АЧХ возникают нелинейные искажения при передаче звука, которые могут привести к самовозбуждению акустической системы. На рис. 3.3 представлены АЧХ электродинамического и электретного микрофонов. Как видно на рисунке, АЧХ электретного микрофона существенно равномернее, чем электродинамического.
Рис. 3.3. АЧХ электродинамического микрофона МД-78 (а) и электретного микрофона МКЭ-2 (б)
Отдельный класс составляют направленные микрофоны, использующие резонансные схемы и параболические отражатели. В табл. 3.2 представлены типовые характеристики микрофонов разных типов.
Таблица 3.2 Сравнительный анализ микрофонов различных типов
| Тип микрофона | f, кГц | ∆£, дБ | S, мВ۰м²/Н |
| ПорошковыйЭлектродинамическийКонденсаторныйЭлектретныйПьезоэлектрическийЭлектромагнитныйПолупроводниковый | 0,3…3,40,03…150,03…150,02…180,1…50,3…50,1…15 | 201252152030 | 50015150550 |
Для работ в водной среде достаточно широко применяют преобразователи из магнитострикционных материалов (никеля, железокобальтовых сплавов или феррита), сердечник которых имеет форму стержня или кольца. В режиме излучения в этих устройствах используется магнитострикционный эффект (деформация ферромагнетика, помещенного в переменное магнитное поле), в режиме приема — магнитоупругий эффект (переменные деформации вызывают изменение магнитной проницаемости ферромагнетика и появление ЭДС). Магнитострикционные преобразователи работают приблизительно в том же частотном диапазоне, что и пьезоэлектрические, но обладают значительно большей акустической мощностью. Их КПД при работе в жидкости и в твердых телах в диапазоне низких и средних частот достигает 80 %. КПД преобразователей, работающих в гиперзвуковом диапазоне частот, существенно ниже. Для них используют специальные материалы на основе магнитострикционных пленок из никеля, пермаллоя или др.
Таблица 3.3 Параметры промышленных ультразвуковых АЛС
| Модель | Дальностьдействия, м | f, кГц | θ,град | ε,% | Размеры, мм | m,кг | ||
| b | h | l | ||||||
| УТ-10ДР(Россия) | 0,15…9,5 | 60 | 20 | 5 | 200 | 120 | 300 | 2,5 |
| УТ-65(Россия) | 0,001…0,3 | переменная | 7 | 1 | 85 | 40 | 165 | 0,5 |
| М-942(Германия) | 0,001…2 | 215 | 10 | 0,05 | Н.д. | Н.д. | Н.д. | 1,0 |
| UC2000-F43(Германия) | 0,1…2,0 | Н.д. | 5 | 0,5 | 45 | 20 | 210 | 0,3 |
| RS/8.5(Япония) | 0,1…6 | 140 | 5 | 0,3 | Н.д. | Н.д. | Н.д. | 0,7 |
| Zircon-4.0(США) | 0,5…12,5 | 75 | 10 | 0,5 | 62 | 30 | 110 | 0,1 |
В большинстве случаев построения АЛС ограничиваются моделью геометрической, или линейной, акустики. Эта модель соответствует зоне упругих деформаций среды распространения звука. Характер распространения волн зависит от соотношения между длиной волны
звука и характерным для условий его распространения геометрическим параметром dхар (размером источника звука или препятствия на пути волны, поперечным сечением волновода и т. д.). В рамках линейной модели принимают dхар » .Границы применения линейной акустической модели определяются двумя основными факторами: интенсивностью звуковых волн и их частотой.
Отражение и рассеяние ультразвуковых волн на неоднородностях среды позволяют, используя звуковые фокусирующие системы, формировать в оптически непрозрачных средах звуковые изображения предметов подобно тому, как это делается с помощью световых лучей. Процесс фокусирования ультразвуковых волн посредством акустических линз, рефлекторов и с помощью излучателей вогнутой формы возможен лишь при
.Благодаря фокусировке получают звуковые изображения на дисперсионных средах, например в системах звуковидения и акустической голографии; концентрируют звуковую энергию и т. д.При построении АЛС необходимо учитывать, что направленность проявляется только в дальней зоне излучения (зоне Фраунгофера) при r>lл. Диаграмма направленности АЛС зависит от волнового размера излучателя, т. е. от отношения характерного размера излучателя dхар к длине
излучаемой волныВ активных АЛС приемник воспринимает сигнал, посланный собственным излучателем и отраженный от объекта. Чем выше направленность излучателя, тем меньше диаметр пятна озвучивания на объекте. Так, при локации плоского объекта на расстоянии 3 м диаметр пятна озвучивания составляет 4,7 см на несущей частоте 30 кГц и 2,5 см на частоте 120 кГц. Уровень полученного приемником сигнала зависит от отражательной способности и формы объекта (в среднем он в 100—1000 раз меньше излучаемого сигнала). Наилучшим для локации был бы вогнутый сферический объект с радиусом кривизны, равным расстоянию от поверхности объекта до приемника.
В АЛС используют различные виды модуляции сигналов, выбор которой зависит от назначения системы и радиуса ее действия.
Изучив все возможные варианты технических решений, пришли к выводу, что оптимальным вариантом для решения поставленной задачи, а именно идентификации плоского объекта произвольной формы, является акустическая локационная система с использованием прямого и обратного пьезоэффекта для преобразования информации в электроакустическом преобразователе.
4. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ИДЕНТИФИКАЦИИ
Исследовав все возможные варианты технических решений, мы пришли к выводу, что для решения поставленной задачи идентификации плоской детали произвольной формы оптимальной будет акустическая локационная система с использованием прямого и обратного пьезоэффекта для преобразования информации в электроакустическом преобразователе.
Работа акустических локационных датчиков в общем виде заключается в следующем. Зондирующие импульсы формируются генератором и через коммутирующее устройство поступают на излучающий преобразователь. Излученные преобразователем ультразвуковые импульсы распространяются до объекта и, отразившись от него, поступают на приемный преобразователь (возможно применение одного преобразователя, работающего в совмещенном режиме). Принятый сигнал подвергается предварительной аналоговой обработке, а затем преобразуется в цифровой код. Пройдя блок цифровой обработки, полученная информация заносится в буферную память, из которой в нужный момент времени она может быть передана через интерфейсный блок в управляющую ЭВМ или непосредственно в исполнительное устройство.
В случае рассматриваемой системы в качестве преобразователей выступают электроакустические преобразователи с использованием пьезоэлектрических датчиков.
Прямой и обратный пьезоэффект является самым распространенным способом преобразования информации в электроакустических преобразователях. При этом в режиме излучения используется обратный пьезоэффект, в режиме приема — прямой. До недавнего времени эти преобразователи разрабатывали преимущественно для систем акустической связи ультразвукового диапазона частот (30... 100 кГц). Механическая колебательная система обычно представляла собой составную конструкцию, включающую пьезокерамические или кристаллические диски (стержни), зажатые между двумя металлическими блоками. Направленность достигается использованием акустической линзы и демпфера.
В настоящее время появились пьезоэлектрические громкоговорители и микрофоны, работающие в звуковом диапазоне 0,100...20 кГц1. Частотные свойства пьезоэлектрических датчиков зависят от условий эксплуатации: в одних случаях их делают резонансными, других — широкополосными.
Для определения функции преобразования электроакустического преобразователя из пьезоэлектрического материала используют выражение, связывающее напряженность электрического поля Е с относительной линейной деформацией
: 
, 
- размер коэффициента ; 
- пьезоэлектрическая постоянная материала; l - расстояние между обкладками датчика. Поскольку электрическое напряжение на обкладках датчика U=El, то его функцию преобразования можно представить так: 
.Здесь U и
являются комплексными величинами.Исходя их вышесказанного можно составить алгоритм идентификации плоской детали с отверстием акустической локационной системой на основе электроакустического преобразователя с использованием пьезоэлектрических датчиков:
1. Генерация зондирующих импульсов
2. Излучение импульсов при помощи электроакустического преобразователя.
3. Получение отраженных импульсов на приемный преобразователь.
4. Аналоговая обработка сигнала.
5. Преобразование сигнала в цифровой код.