УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ НА ИСТОЧНИК ЗВУКА Российский патент 2013 года по МПК G01S3/80 

Изобретение относится к области приборостроения, а более конкретно 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 поступают на n линий задержки. При изменении Δt (разницы в задержках сигнала между соседними линиями задержки) меняется задержка сигнала τ=(n-1)Δt на выходах линий задержки.

Направление на источник звука определяется по максимуму суммарного сигнала с выходов линий задержки при изменении Δt по максимуму взаимно корреляционной функции. Это устройство имеет тот недостаток, что при движении антенны в среде возникает добавочный шум, вызванный обтеканием средой защитного колпака антенны.

Этот недостаток устранен в оптических теневых приборах (Т.П.), регистрирующих наличие в среде градиента показателя преломления (плотности), так как пучок света не вносит изменений в среду.

Угол отклонения светового пучка под воздействием звуковой или ультразвуковой волны θ=(dn/dz)L, где

z - направление, перпендикулярное направлению светового пучка,

n - показатель преломления среды,

L - длина хода светового пучка в среде.

θ=(dn/dp)(dp/dz)L, где dn/dp=1,5·10^-101/Па - градиент показателя преломления по давлению.

Обычно угол θ измеряется с помощью теневых приборов с параллельным световым пучком в исследуемом объеме. Примерами таких устройств могут быть приборы, описанные в монографиях:

Л.А.Васильев. Теневые методы. М.: Наука, 1969, с.60;

М.А.Брамсон, Э.И.Красовский, Б.В.Наумов. Морская рефрактометрия. Л.: Гидрометеоиздат, 1986, с.183;

В.А.Яковлев. Прямые и обратные задачи в гидрооптике. СПб.: РГТМУ, 2004, 127 с.

В этих приборах индикация и визуализация наличия турбулентности или воздействия звуковой (ультразвуковой) волны происходит с помощью ножа Фуко (в виде полуплоскости) или фазовой пластинки, в плоскости которых изображается источник оптического излучения (светозадающая диафрагма, кристалл полупроводникового лазера или перетяжка газового лазера). С помощью этих приборов, не внося изменений в среду, можно определить наличие акустической волны, но нельзя определить направление на источник звука.

Этот недостаток устранен в защищенном патентом №2232400, МПК7 G01S 3/80 устройстве, которое выбрано в качестве прототипа. Здесь для определения направления на источник звука в какой-либо плоскости световой (лазерный) пучок направлен в исследуемую среду перпендикулярно этой плоскости. После приемного (фокусирующего) объектива световой пучок разделяется на два с помощью светоделителя. Разделенные пучки фокусируются на два ножа, кромки которых перпендикулярны друг другу. Далее свет попадает на фотоприемники, выходы которых подключены к квадраторам, выходы квадраторов подключены к усилителям, выходы которых подключены к сумматору, причем сигнал на выходе сумматора поддерживается постоянным за счет петли обратной связи с выхода сумматора на входы усилителей, 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.

Устройство, реализованное в прототипе, позволяет определять направление на источник звука, но:

а) подвержено влиянию лазерных шумов, что уменьшает чувствительность прибора;

б) в прототипе используются мгновенные значения сигналов, что уменьшает точность в определении направления на источник звука:

в) наличие петли обратной связи создает неустойчивость в работе устройства, из-за чего возникают дополнительные ошибки в определении угла.

Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно:

- уменьшение влияния лазерных шумов;

- повышение точности определения направления на источник звука.

Указанная цель достигается тем, что в теневом приборе с коллимационной оптической схемой и двумя информационными каналами в приемной части (фиг.1), в которых используются ножи Фуко (или фазовые пластинки), кромки которых перпендикулярны друг другу, в излучающей части создан опорный канал, за счет установки между источником излучения (лазером) и коллимирующим объективом светоделителя, отражающего часть света на дополнительный фотоприемник, сигнал с которого поступает на дополнительный усилитель, а после него на два устройства вычитания, к каждому из которых соответственно подключены выходы с двух усилителей, электрически связанных с фотоприемниками информационных каналов.

Далее выходы с устройств вычитания подключаются к соответствующим аналого-цифровым преобразователям, выходы каждого из которых подключены к соответствующим устройствам измерения среднеквадратичного отклонения и одновременно оба вышеуказанных выхода подключены к умножителю мгновенных сигналов, выход которого подключен к устройству, измеряющему математическое ожидание, выход которого подключен к входу порогового устройства с порогом 0, при этом параллельно выходы устройств среднеквадратичного отклонения подключены к делителю сигналов вышеуказанных устройств, при этом выход с делителя сигналов и выход с порогового устройства подключены к программируемой логической интегральной схеме (например, XL9500 фирмы Xilinx, USA), определяющей направление на источник звука.

На фиг.1 изображены оптическая и структурная схемы предлагаемого устройства для определения направления на источник звука, которое содержит лазер 1, первый светоделитель 2, коллимирующий объектив 3, защитные стекла 4 и 5, между которыми размещается исследуемый объем (И.О.), фокусирующий объектив 6, второй светоделитель 7, ножи 8 и 9, фотоприемники информационного (приемного) канала Ф₁ и Ф₂, усилители информационных каналов 10 и 11, фотоприемник опорного канала Ф_о.к, усилитель опорного канала 12, две схемы вычитания (СВ1 и СВ2), два аналого-цифровых преобразователя (АЦП1 и АЦП2), два устройства СКО1 и СКО2, измеряющих среднеквадратичное отклонение на выходе Ф₁ и Ф₂, делитель сигналов Д, умножитель мгновенных сигналов У (на выходе Ф₁ и Ф₂), устройство, измеряющее математическое ожидание (на выходе умножителя У) - МО, пороговое устройство П и программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС).

Световой пучок от лазера 1, пройдя светоделитель 2, попадает на объектив 3, формирующий коллимированный (параллельный) пучок, который, пройдя защитное стекло 4, исследуемый объем И.О., защитное стекло 5, попадает на фокусирующий объектив 6, а затем на светоделитель 7, разделяющий его на два и изображающий тело излучения лазера в плоскости ножей 8 и 9, выполненных в виде полуплоскостей, кромки которых перпендикулярны друг другу и частично перекрывают световые пятна (изображения тела излучения). Таким образом сформированы два информационных канала, в одном из которых световой пучок после ножа 8 попадает на фотоприемник Ф₁, который чувствует изменение света, пропорциональное проекции отрезка перемещения фокального пятна (под действием звуковой волны) на ось У (фиг.3), а фотоприемник Ф₂ - изменение света, пропорциональное проекции отрезка перемещения фокального пятна на ось Х (фиг.2). В результате на выходе фотоприемников Ф₁ и Ф₂ появляются электрические сигналы, содержащие информацию о направлении отклонения светового пучка в плоскости ножей, т.е. о направлении проекции вектора звуковой волны на плоскость в исследуемом объеме, перпендикулярную оси светового пучка и параллельную плоскости ХУ. Когда одна из проекций вектора, лежащего в плоскости ХУ, меняет знак, меняется фаза сигнала на выходе соответствующего фотоприемника (фиг.4). Светоделитель 2 отражает часть светового пучка на фотоприемник опорного канала Ф_о.к. Электронная схема предлагаемого устройства (фиг.1) решает задачу обработки информации и определяет направление на источник звука.

Сигналы с выходов фотоприемников Ф₁ и Ф₂ после усилителей 10 и 11 поступают на схемы вычитания CB₁ и СВ₂, на которые поступил сигнал от усилителя 12 фотоприемника опорного канала Ф_о.к. С выходов Ф₁ и Ф₂ получаем сигналы с компенсированными лазерными шумами. Далее аналоговые сигналы с обеих схем вычитания преобразуются в цифру после аналого-цифровых преобразователей АЦП 1 и АЦП 2. После этого оцифрованные сигналы поступают на устройства, измеряющие среднеквадратичные отклонения на выходах Ф₁ и Ф₂ соответственно. Сигнал на выходе Ф₁ пропорционален Asin F_i, где А - амплитуда звуковой волны, F_i - угол между осью У и источником звука. Сигнал на выходе Ф₂ и среднеквадратичное отклонение пропорционален Acos F_i. Затем сигналы СКО1 и СКО2 поступают на делитель Д, после которого получаем тангенс F_i, а на выходе ПЛИС (программируемая логическая интегральная схема) получаем арктангенс, т.е. сам угол F_i.

Эта часть вычисления определяет только модуль угла, а для определения знака угла используется вторая ветвь, где сигналы с фотоприемников Ф₁ и Ф₂ умножаются с помощью умножителя «У» и затем определяется математическое ожидание (МО). Для положительного угла F_i сигналы находятся в фазе и математическое ожидание положительно, а для отрицательного угла сигналы находятся в противофазе и математическое ожидание произведения отрицательно.

Пороговое устройство П с нулевым порогом завершает определение знака угла F_i, а программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) окончательно выдает угол (направление) на источник звука.

Предлагаемое устройство позволяет с помощью теневого фотоэлектрического прибора определить направление на источник звука. По сравнению с прототипом здесь введен опорный канал, использование которого с последующим вычитанием сигналов информационных каналов ~ в 10 раз уменьшает влияние шумов лазерного источника света, что в соответствующее количество раз увеличивает чувствительность прибора.

Кроме того, в прототипе подлежат обработке мгновенные значения сигналов, а в предлагаемом устройстве используются усредненные значения, что уменьшает ошибки и увеличивает точность определения направления на источник звука.

Изобретение относится к области приборостроения. В устройстве определения направления на источник звука, состоящем из фотоэлектрического теневого прибора и системы обработки информации, в излучающей части, состоящей из лазера и коллимирующего объектива, установлен светоделитель, формирующий опорный канал, сигналы которого вычитаются с сигналами двух информационных каналов. В приемной части, состоящей из фокусирующего объектива и светоделителя, формирующего два информационных канала, световые пучки фокусируются на кромки ножей, установленных перпендикулярно друг другу и реагирующих на изменение градиента показателя преломления (плотности) в двух взаимно перпендикулярных направлениях, что позволяет индицировать изменение света пропорционально проекциям отрезков перемещения световых пятен в плоскости ножей на оси Х и У, что является информацией о направлении на источник звука. Далее электрические сигналы после усиления и вычитания оцифровываются, после чего поступают на две ветви обработки информации, одна из которых, состоящая из двух устройств, измеряющих среднеквадратичное отклонение после делителя, выдает тангенс F_i, т.е. модуль угла, а вторая ветвь, состоящая из умножителя мгновенных сигналов, устройства, измеряющего математическое ожидание, и порогового устройства с нулевым порогом, определяет знак угла, после чего сигналы с обеих ветвей обработки информации поступают на вход программируемой логической интегральной схемы, определяющей направление на источник звука. Технический результат заключается в увеличении чувствительности и точности прибора. 4 ил.

Устройство определения направления на источник звука, содержащее последовательно установленные лазер, коллимирующий объектив, два защитных стекла, между которыми размещается исследуемый объем, фокусирующий объектив, светоделитель для разделения сходящегося светового пучка на два пучка, формирующих два информационных канала, два ножа, выполненных в виде полуплоскостей, кромки которых перпендикулярны друг другу, два фотоприемника, один из которых чувствителен к изменению света, пропорциональному проекции отрезка перемещения фокального пятна на ось симметрии одного ножа, а другой чувствителен к изменению света, пропорциональному проекции отрезка перемещения фокального пятна на ось симметрии другого ножа, а также два усилителя, входы которых подключены к выходам соответствующих фотоприемников, отличающееся тем, что между лазером и коллимирующим объективом дополнительно установлен еще один светоделитель и третий фотодиод, которые формируют опорный канал, а выход третьего усилителя подключен к входам двух схем вычитания, к которым, в свою очередь, подключены выходы двух усилителей информационных каналов, а выходы схем вычитания подключены к входам соответствующих аналого-цифровых преобразователей, выходы которых параллельно подключены на вход умножителя мгновенных сигналов с фотодиодов информационных каналов и на входы устройств, предназначенных для измерения среднеквадратичного отклонения на выходе тех же фотодиодов, выходы устройств среднеквадратичного отклонения подключены к делителю сигналов, выход умножителя мгновенных сигналов подключен к входу устройства, предназначенного для измерения математического ожидания на выходе умножителя, при этом выход делителя сигналов подключен к входу программируемой логической интегральной схемы, а выход устройства измерения математического ожидания через пороговое устройство - к программируемой логической интегральной схеме.