СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ НА ИСТОЧНИК ЗВУКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2004 года по МПК G01S3/80 

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к способам определения направления на источник звука и устройствам, их реализующим.

Известны способы определения направления на источник звука (К. Клей, Г. Медвин. Акустическая океанография. М.: Мир, 1980, стр. 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 t (разницу в задержках сигнала между соседними линиями задержки), меняют задержку сигнала τ =(n-1)Δ t на выходах линий задержки.

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

где t_max - t, соответствующая максимуму сигнала;

Δ l - расстояние между преобразователями;

с - скорость звука.

Этот способ 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 метода Теплера, регистрирующего 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 =1,5× 10^-10 1/Па - градиент показателя преломления по давлению.

Изменение угла θ определяют методом Теплера 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).

С помощью этого способа, не внося изменений в среду, можно определить наличие акустической волны, но нельзя определить направление на источник звука.

В качестве прототипа выбран теневой фотоэлектрический способ регистрации изменения давления (Л.А. Васильев, Теневые методы, М.: Наука, 1969, стр. 60).

В фотоэлектрическом способе в качестве ножа предполагается использовать нож в виде полуплоскости или нож, осуществляющий преобразование Гильберта (Л.М. Сорока, Основы голографии и когерентной оптики. М.: Наука, стр 117), который повышает чувствительность метода.

Целью предлагаемого изобретения является:

- расширение возможностей теневого метода за счет определения проекции на полуплоскость вектора направления на источник звука;

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

- уменьшение числа элементов акустической антенны до одного.

Указанная цель достигается тем, что при использовании теневого метода световой (лазерный) пучок направляют в исследуемую среду перпендикулярно плоскости, в которой производят определение направления на источник звука.

После фокусирующего объектива пучок делят на два пучка (см. фиг. 3). Пучки света направляют на два ножа. Кромки ножей, или линии, по которым происходит фазовый скачек, устанавливают взаимно перпендикулярно (см. фиг. 2). Далее, после ножей свет направляют на два фотоприемника. Электрические сигналы с выходов фотоприемников квадрируют и усиливают. Суммарное напряжение сигнала на выходе сумматора поддерживают постоянным за счет петли обратной связи с выхода сумматора на вход усилителей. По величине одного из сигналов на выходе усилителей и фазовому сдвигу между сигналами определяют направление линии, по которой отклоняется фокальное пятно. Направление на источник звука совпадает с этим направлением (см. фиг. 2), по фазовому сдвигу определяют с какой стороны приходит звук, слева или справа от нормали к световому пучку (углы ϕ и -ϕ фиг. 2). Одновременно контролируют величины сигналов на выходе фотоприемников. Если сигналы на выходе обоих фотоприемников ниже заданной величины, измерения прекращают.

С целью расширения возможностей предлагаемого способа за счет определения направления на источник звука в пространстве используют два теневых фотоэлектрических прибора, в среду направляют два световых (лазерных) пучка под углом 90° друг к другу, каждый пучок направляют на свой фокусирующий объектив, светоделитель, ножи и пару фотоприемников. По информации, полученной с двух пар фотоприемников, определяют, как описано выше, проекции вектора звуковой волны на две взаимно перпендикулярные плоскости и направление на источник звука.

Для реализации предлагаемого способа в теневом фотоэлектрическом приборе, состоящем из лазера, коллиматора, защитного стекла, измерительного объема, защитного стекла, фокусирующего объектива, светоделителя, двух ножей, осуществляющих преобразование Гильберта, или ножей в виде полуплоскости, установленных после светоделителя, двух фотоприемников, ножи установлены так, что их кромки, или линии, вдоль которых происходит фазовый скачек, взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной оптической оси теневого прибора, выходы фотоприемников подключены к квадраторам, выходы которых подключены к усилителям, выходы усилителей подключены к сумматору, выход сумматора подключен к усилителям, выходы фотоприеников подключены к пороговым устройствам, выходы которых подключены к схеме ИЛИ, выход схемы ИЛИ подключен к логической матрице, выходы фотоприемников подключены к фазовому детектору, выход которого подключен к логической матрице, выход одного из усилителей подключен к аналого-цифровому преобразователю, выход которого подключен к логической матрице.

На фиг. 3 изображены оптическая и структурная схемы предлагаемого оптико-электрического устройства для определения проекции на полуплоскость вектора направления на источник звука, которое содержит лазер 1, коллиматор 2, защитные стекла 3, 4, фокусирующий объектив 5, светоделитель 6, ножи, осуществляющие преобразования Гильберта или в виде полуплоскости 7, 10, согласующие объективы 8, 11, фотоприемники 9, 12, квадраторы 14, 18, усилители 15, 19, сумматор 16, пороговые устройства 17, 20, схему ИЛИ 21, аналого-цифровой преобразователь 22, логическую матрицу 23, фазовый детектор 13; между защитными стеклами 3, 4 расположен объем измерения.

Световой пучок лазера 1 попадает на коллиматор 2, где расширяется для уменьшения помехи из объема измерения от рассеивающих свет частиц. Пройдя защитное стекло 3, объем измерения и защитное стекло 4, свет фокусируется объективом 5 и делится на два сходящихся пучка светоделителем 6, после которого свет попадает на ножи 7, 10, установленные так, что их кромки, или линии, вдоль которых происходит фазовый скачек, взаимно перпендикулярны, поэтому фотоприемник 9 чувствует изменение света, пропорциональное проекции отрезка перемещения фокального пятна на ось симметрии ножа 7 (ось Х’, фиг. 2), а фотоприемник 12 - пропорциональное перемещение фокального пятна на ось симметрии ножа 10 (ось Y’’, фиг. 3), таким образом, на выходе фотоприемников появляются электрические сигналы, содержащие информацию о направлении отклонения лазерного пучка в плоскости ножей, т.е. о направлении проекции вектора звуковой волны на плоскость в измерительном объеме, перпендикулярную оси светового пучка и параллельную плоскости X, Y (см. фиг. 2). Когда одна из проекций вектора, лежащего в плоскости X, Y, меняет знак, меняется фаза сигнала на выходе соответствующего фотоприемника.

Электрическая схема предлагаемого устройства, структура которого приведена на фиг. 3, решает задачу обработки этой информации и определяет направление отклонения пучка света без зависимости от величины отклонения фокального пятна, а также прерывает обработку информации при величине сигналов на выходе обоих фотоприемников ниже пороговой величины.

Сигналы с выхода фотоприсмников 9, 12 поступают на входы квадраторов 14, 18, с выхода которых сигналы поступают на входы усилителей 15, 19, с выхода которых сигналы поступают на вход сумматора 16, сигнал обратной связи с выхода сумматора поступает на входы усилителей 15, 19, обеспечивая постоянную величину сигнала на выходе сумматора 16, благодаря этому сигналы на выходе усилителей нормированы на заранее выставленную величину выходного напряжения сумматора и пропорциональны sin²ϕ^{и cos2ϕ, где ϕ - угол между осью симметрии Х и линией, проходящей через начало координат и центр фокального пятна, определяет направление на источник звука; электрические сигналы с выходов фотоприемников 9, 12 поступают на пороговые устройства 17, 20, с выходов которых сигналы поступают на схему ИЛИ 21; при слабом сигнале, когда не срабатывает ни одно из пороговых устройств, на выходе схемы ИЛИ не появляется разрешающий обработку информации сигнал; сигнал с выхода фотоприемников поступает на фазовый детектор 13, с выхода одного из усилителей сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 22, с выхода которого сигнал поступает на вход логической матрицы 23; с выходов схемы ИЛИ и фазового детектора сигналы поступают на входы логической матрицы 23.}

Предлагаемый способ позволяет с помощью теневого фотоэлектрического прибора определить направление на источник звука. По сравнению с антенной, выполненной из линейки электроакустических преобразователей, в предлагаемом способе направление на источник звука возможно определить с помощью одного оптико-электрического преобразователя.

Принципиально важной является возможность уменьшения шумов обтекания защитного колпака антенны по сравнению с антенной, выполненной в виде линейки электроакустических преобразователей.

Способ определения направления на источник звука относится к области измерения звукового давления в акустической волне. Достигаемым техническим результатом является расширение возможностей и уменьшение шумов. Для определения направления на источник звука в плоскости лазерный пучок направляют в исследуемую среду перпендикулярно плоскости. После фокусирующего объектива световой пучок делят на два пучка. Пучки света направляют на два ножа. Кромки ножей или линии, вдоль которых происходит фазовый скачок, устанавливают взаимно перпендикулярно. Далее свет направляют на два фотоприемника. Выходные сигналы последних квадрируют, усиливают. Усиленные сигналы суммируют, сигнал на выходе сумматора поддерживают постоянным за счет петли обратной связи с выхода сумматора на входы усилителей. По величине одного из сигналов на выходе усилителей с учетом фазы сигналов определяют направление линии, по которой отклоняется локальное пятно. Направление на источник звука параллельно этой линии. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения направления на источник звука в заранее выбранной плоскости, заключающийся в том, что с помощью теневого фотоэлектрического прибора определяют направление на источник звука, отличающийся тем, что лазерный пучок теневого фотоэлектрического прибора направляют в исследуемую среду перпендикулярно плоскости, в которой определяют направление на источник звука, фокусируемый приемным объективом, лазерный пучок делят на два сходящихся лазерных пучка и направляют на два ножа в виде полуплоскости, кромки которых устанавливают взаимно перпендикулярно, после ножей лазерные пучки направляют на два фотоприемника, один из которых чувствует изменение света, пропорциональное проекции отрезка перемещения фокального пятна на ось симметрии одного ножа, а другой фотоприемник – пропорциональное перемещение фокального пятна на ось симметрии другого ножа, электрические сигналы с выходов двух фотоприемников, содержащие информацию о направлении отклонения лазерного пучка, поступают на входы квадраторов, с выхода которых сигналы поступают на входы усилителей, с выхода которых сигналы поступают на вход сумматора, суммарный сигнал на выходе сумматора поддерживают постоянным за счет петли обратной связи с выхода сумматора на вход усилителей, по величине одного из сигналов на выходе усилителей с учетом фазы сигналов определяют направление, по которому отклоняется фокальное пятно в плоскости ножа, и направление на источник звука, совпадающее с этой линией, одновременно проверяют величины сигналов на выходе фотоприемников, если сигналы на выходе обоих фотоприемников ниже заданной величины, измерения прекращают.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют два теневых фотоэлектрических прибора, лазерные пучки которых направляют в исследуемую среду под углом 90° друг к другу, по информации, полученной с двух теневых фотоэлектрических приборов определяют проекции вектора звуковой волны на две взаимно перпендикулярные плоскости и направление на источник звука.3. Устройство для реализации способа по п.1, содержащее последовательно установленные лазер, коллиматор, защитное стекло, измерительный объем, защитное стекло, фокусирующий объектив, светоделитель для деления сходящегося лазерного пучка на два лазерных пучка, два ножа в виде полуплоскости, установленные после светоделителя, два фотоприемника, один из которых чувствует изменение света, пропорциональное проекции отрезка перемещения фокального пятна на ось симметрии одного ножа, а другой фотоприемник – пропорциональное перемещение фокального пятна на ось симметрии другого ножа, отличающееся тем, что ножи в виде полуплоскости установлены так, что их кромки взаимно перпендикулярны, выходы фотоприемников подключены к соответствующим квадраторам, выходы квадраторов подключены к усилителям, выходы которых подключены к сумматору, выход сумматора подключен к усилителям, выходы фотоприемников подключены к пороговым устройствам, выходы которых подключены к схеме ИЛИ, выходы фотоприемников подключены к фазовому детектору, выход одного из усилителей подключен к аналого-цифровому преобразователю, выход которого подключен к логической матрице, выходы схемы ИЛИ и фазового детектора подключены к логической матрице.