Оптическое устройство для анализа акустических сигналов Советский патент 1983 года по МПК G01S17/66 

- Фt/г. / Изобретение относится к прибороV строению и может быть использовано при изготовлении акустоэлектрических преобразователей для использова ния их в условиях жидкой и газообразной среды, в частности, для спек рального анализа акустических колебаний, распространяющихся в этих средах, ,в реаль ном масштабе времени Известны оптические устройства на основе интерферометров Майкельсона для анализа состояния (качеств отражающей поверхности), содержащие подвижный и неподвижный отражатели и сменные светоделители Щ . Данные приборы позволяют решать различные задачи в таких областях .науки и техники, как оптика, аэроди намика, физика плазмы, радиоастроно мия. Однако ими невозможно производить спектральное разложение акусти ческих сигналов в реальном масштаб времени, обеспечивая при этом доста точную чувствительность и точность. Наиболее близким к предлагаемому является оптическое устройство для анализа акустических сигналов, в ко тором для анализа акустических сигналов одно из зеркал оптической сис темы интерферометра выполнено в .виде коллодиевой мембраны с зеркальны покрытием, второе зеркгшо частично пропускает свет. Луч света от лазера идет на коллодиевую мемб рану, многократно отражается и на выходе дает интерференцион- ную картину. Колебания мембраны с определенной частотой вызывают изме нение интерференционной картины, ко торое регистрируется электрооптичес ким прибором, преобразующим эти изменения в электрические сигналы. По ним определяют направление и амплитуду смещения интерференционных полос, а следовательно, и акустических сигналов, поступающих на мембрану f2 Недостатком известного устройстна является невозможность получения спектральных характеристик исследуемого акустического сигнала сложной формы в жидкой или в газообразной среде. Цель изобретения - получение спектральных характеристик акустических сигналов сложной формы в жидкой или газообразной среде. Поставленная цель достигается тем, что в оптическом устройстве для анализа акустических сигналов, содержащем оптически соединенные лазер, коллиматор, светоделительную пластину, неподвижный отражатель, фокусирующую линзу, матрицу фотодиодов, а Также акустооптический датчик с мембраной с зеркальным покрытием, акустооптический датчик выполнен в виде герметичной емкости, заполненной жидкой средой, одна и стенок которой имеет два окна, зак-i рытых мембранами, между, которыми к этой стенке прикреплена торцом упругая мембрана с зеркальным покрытием, делящая емкость на две сообщающиеся между собой камеры и выполненная из резины переменной толщины. Подаваемые через одно из окон акустические сигналы со скоростью звука в жидкой среде передаются на мембрану с зеркальным покрытием, заставляя колебаться те участки ее, частота собственных колебаний которых равна частоте коле.баний акустического сигнала. При этом лучи, отражаясь от неровностей, возникших в мембране, дают на выходе интерференционную картину. Колебания мембраны происходят в зависимости от спектра частот подаваемого на нее акустического сигнала Предлагаемая конструкция оптического устройства позволяет производить анализ спектра акустических сигналов с высокой точностью и в широком диапазоне частот, определяющимся толщиной мембраны, практически 10 Гц - 30 кГц. Оптическое устройство также может определять амплитуду анализируемого акустического сигнала. На фиг.1 показана оптическая схема устройства для анализа спектра ; акустических сигналов; на фиг.2 жидкостная герметичная емкость, общий вид; на фиг.З - схематическое изображение работы оптического устройства. Устройство состоит из лазера 1, оптической системы 2, создающей плоско-параллельный пучок монохроматического света (коллиматора), светоотделительной пластины 3, неподвижного отражателя 4, фокусирующей линзы 5, фотодиодной матрицы 6 и акустооптического датчика 7, содерЖсицего зеркальную мембрану 8. Зеркальная мембрана .8 выполнена из резины, с переменной толщиной и погонной жесткостью, снабжена светоотражающим покрытием и помещена в герметичной прозрачной емкости 9 (фиг.2), заполненной прозрачной жидкостью, например водой, спиртом, форма емкости 9 - прямоугольный параллелепипед. В одном из основс1ний емкости 9 размещены два окна 10 и 11 закрытые упругими пленками. Зеркальная мембрана 8 одним своим концом неподвижно закреплена на том осйовании емкости, где имеются окна 10 и 11, таким образом, что делит емкость 9 на две равные части. Второй конец мембраны 8 образует с противоположным основанием емкости 9 зазор 12. Устройство работает следующим образом.

Идущий от лазера 1 через оптическую систему 2 пучок света разделяется светоделительной пластиной 3 на два одинаковых по интенсивности, один из которых -отражается от неподвижного зеркала 4,. а второй - от зеркальной мембраны 8, оба луча проходят через, фокусирующую линзу 5, при этом на фотодйодной матрице 6 локализуется йктерференционная кар- тина, выражающая распределение нагфяже ни я на выходе каждого фотодиода.

При подаче исследуемого акустического сигнала через окно 11 на мембране 8 колеблются те участки ее, собственная ча.стота колебаний которых равна частотам, присутств щим в спектре акустического сигнала.

При помощи линзы 5 на поверхности фотодиодной матрицы 6 создается изрб ражение .мембраны 8.

Рассто:яние от светоделитедьноЯ пластины 3 Ло пассивного отраж ателя 4 равно расстоянию от зеркальной поверхности Мембраны 8 до светоделйтельиой пластины 3. Расстояние от / зеркальной поверхности мембраны 8 ДО линзы 5 и от линзы 5 До фотодиодной матрицы 6 должно быть равно двум фокусным расстояниям.

Под воздействием исследуемого акустического сигнала сложной формы на упругую пленку окна 11 в жидкости возникают колебания, передающиеся со скоростью звука на упругую мембрану 8. При этом она совершает колебания. Максимальной будет амплитуда этих колебаний на тех участках мембраны 8, собственная частота колеба|нйя которых совпё1дает с частотой

0 .гармонических составляющих сложного акустического сигнала.

f

Предлагаемое оптическое устройство Для анализа спектра акустических сигналов обеспечивает проведение

5 спектрального анализа акустического сигнала сложной формы в реальном масштабе времени и с чувствительностью, определяющейся длиной волны лазера. Наличие упругой мембраны с

0 зеркальным покрытием и её размещение в герметичной емкости с жидкой средой позволяет получить достоверные данные о спектре исследуемых акустических сигналов, об их частоте и

5 амплитуде, а также позволяет проводить спектральный анализ акустических сигналов, улавливаемых как в жидкой, так и в- газообразной среде.

ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ, содержащее оптически соединенные лазер коллиматор, светоделительную пласЧ тину, неподвижный отражатель, фокусирующую линзу, .матрицу фотодиодов, а также акустооптический датчик с упругой мембраной с зеркальным покрытием, отличающееся тем, что, с целью получения спектральных характеристик акустических сигналов сложной формы в жидкой или газообразной среде, акустооптический датчик выполнен в виде герметичной емкости, заполненной жидкой средой, одна из стенок которой имеет два окна, закрытых мембранами, между которыми к этой стенке прикреплена торцом упругая мембрана с зеркгшьным покрытием, делящая емкость на две сообщающиеся . между собой камеры и выполненная из i резины переменной толщины. . А / N

(6f/f.J