Тема 9/1

Общие сведения о
современных
акустических средствах
обнаружения
УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ
Общие сведения об ультразвуковых
колебаниях. Излучатели и приемники
ультразвука
 Основы обнаружения в ультразвуковом
поле. Эффект Доплера
 Принцип построения ультразвукового
средства обнаружения.

Ультразвуком называют механические колебания упругой
среды с частотой, превышающей верхний предел
слышимости - 20 кГц.
Область частот ультразвука. можно подразделить на три
подобласти:
•Ультразвук. низких частот ((1,5 * 104 ....105 ГЦ); ) - УНЧ,
•Ультразвук средних частот (105 - 107 Гц) - УСЧ
•Ультразвук высоких частот (107-109 Гц) - УЗВЧ.
Каждая из этих подобластей характеризуется своими
специфическими особенностями генерации, приёма,
распространения и применения.
По своей физической природе. представляет собой упругие
волны и в этом он не отличается от звука.
Частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми
волнами поэтому условна; она определяется субъективными
свойствами человеческого слуха и соответствует усреднённой
верхней границе слышимого звука.
Однако благодаря более высоким частотам имеет место ряд
особенностей распространения ультразвука.
Так, для УЗВЧ длины волн составляют
в воздухе 3,4×10-3-3,4×10-5 см,
в воде 1,5×10-2-1,5 ×10-4 см
в стали 5×10-2- 5×10-4 см.
У. в газах и, в частности, в воздухе распространяется с большим
затуханием.
Жидкости и твёрдые тела (в особенности монокристаллы)
представляют собой, как правило, хорошие проводники
ультразвука, затухание в которых значительно меньше.
Поэтому области использования УСЧ и УЗВЧ относятся почти
исключительно к жидкостям и твёрдым телам, а в воздухе и газах
применяют только УНЧ.
Распространение ультразвуковых волн в пространстве
связано с упругим свойствами среды.
 Упругая волна, излучаемая источником колебаний,
распространяется в пространстве и во времени.
Поэтому одной из важнейших характеристик волнового
поля является его геометрическая форма,
определяемая фронтом волны.
Фронтом волны называется поверхность, отделяющая
область возмущения от области покоя и все точки
которой находятся в одной и той же фазе колебаний.
Различают несколько типов фронтов волны, имеющих
вид:
 а) сферической поверхности;
 б) цилиндрической поверхности;
 в) плоскостной поверхности.

ЗАТУХАНИЕ И ПОГЛОЩЕНИЕ
ЗВУКОВЫХ ВОЛН
В реальной среде интенсивность звука
плоской волны уменьшается.
 Поглощение - это затухание волны,
связанное с переходом части энергии в
тепло.
 Основная причина - трение частиц, так
называемая вязкость среды.

ОТРАЖЕНИЕ ЗВУКА.


При падении плоской звуковой волны на
границу раздела двух сред часть энергии
падающей волны переходит в энергию
отраженной волны, часть переходит в волну,
распространяющуюся в новой среде, часть
энергии поглощается (переходит в тепло) на
границе сред.
Для акустических колебаний, также, как и
для света, справедливы геометрические
законы отражения и преломления.
Д И Ф Р А К Ц И Я.
ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ
Явление дифракции заключается в огибании звуковой
волной препятствия, размеры которого меньше длины
волны. При этом нарушается закон прямолинейности
распространения звука.
 Наложение двух или более волн, имеющих одну и туже
частоту, друг на друга называют интерференцией.
Важным частным случаем интерференции является
наложение двух плоских гармонических волн одинаковой
частоты, одинаковой амплитуды, распространяющихся одна
навстречу другой. При этом образуется так называемая
стоячая волна. Наиболее часто так взаимодействуют
падающая и отраженная волны. Точки пространства, в
которых получается максимальная амплитуда, называют
пучностями. Точки, где амплитуда минимальна, называют
узлами.
Расстояние между соседними узлами (пучностями)
равны половине длины волны.

БИЕНИЯ
В случае, когда в пространстве
взаимодействуют два источника колебаний со
слегка отличающимися друг от друга
частотами, то между волнами возникают
биения.
Они заключаются в периодическом
изменении амплитуды суммарного колебания.
Это происходит потому, что со временем сдвиг
фаз ∆φ между колебаниями изменяется.
В какой-то момент он оказывается нулевым и
амплитуды складываются.
В другой момент ∆φ=1800 и амплитуды
вычитаются. Частота биений равна разности
частот взаимодействующих колебаний.

Физика ультразвукового поля в замкнутом
пространстве.





Звуковое поле, образованное в помещении, существенно отличается
от поля в открытом пространстве. Причина этого лежит в отражении
звуковых волн границами помещения и предметами, которые в этом
помещении находятся.
Коэффициент отражения весьма близок к единице, поэтому только
небольшая доля энергии падающей волны поглощается. В силу этого
энергия волны затухает полностью лишь после многих
последовательных отражений.
В результате пространство помещения оказывается заполненным
звуковыми волнами, распространяющимися во всех возможных
направлениях. Отдельные волны взаимодействуют между собой,
поскольку имеют одну и ту же частоту. Возникает интерференция и в
конце концов сложная пространственная система стоячих волн
(“рябь”). Узлы и пучности отстоят друг от друга в среднем на λ/4 .
Наличие местных предметов не может привести к образованию
“затененных” участков, т.к. благодаря многократным отражениям
звуковые волны проникают в самые отдаленные закоулки.
Установившийся процесс характеризуется равенством
подводимый излучателем энергии и рассеиваемой станами и
поглощаемой воздухом энергии с другой стороны. Поток звуковой
энергии будет практически одинаков во всех направлениях.
Образуется так называемое диффузное ультразвуковое поле.
ИЗЛУЧАТЕЛИ И ПРИЕМНИКИ
УЛЬТРАЗВУКА.
ИЗЛУЧАТЕЛИ
механические
электрические
ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ
механические излучатели
Простейший механический излучатель —свисток.
В нем звук возбуждается за счет того, что струя
воздуха разбивается о внутренний край полости
свистка.
Периодически возникающие при этом вихри и
возбуждают колебания столбика воздуха, находящегося
в полости свистка. Размеры полости определяют
частоту собственных колебаний столбика воздуха, а
следовательно, и частоту излучаемого звука.
ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Принцип работы основан на
воздействие электрического тока,
протекающего по катушке с магнитным
полем постоянного магнита.
 Ток создает силу, смещающую катушку
и диффузор в осевом направлении.
 Изменение направления тока изменяет
направление силы.
 Колебания диффузора передаются
воздуху.
МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Некоторые ферромагнитные металлы (никель, железо,
кобальт и др.) и их сплавы обладают свойством
сжиматься или расширяться под действием магнитного
поля. Это явление, называемое магнитострикцией,
используется для получения ультразвуков большой
интенсивности в магнитострикционных излучателях.

Простейший магнитострикционный излучатель — это,
например, никелевый стержень, вставленный внутрь
катушки, по обмотке которой пропускается переменный
ток. В катушке возникает при этом переменное
магнитное поле и стержень в такт с его колебаниями
периодически то сжимается, то расширяется, т. е.
совершает механические колебания.
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ



Пьезоэлектрический эффект заключается в изменении
геометрических размеров некоторых материалов под
действием электрического поля.
Пьезоэлектрический эффект обратим. При
воздействии на внешних механических сил на его
гранях образуются электрические заряды.
Если пластинку пьезоэлемента покрыть с двух сторон
металлическими электродами (например, алюминиевой
фольгой) и присоединить к ним источник переменного
напряжения, то пластинка попеременно то сжимается, то
растягивается. Эти колебания поверхности пластинки и
возбуждают в среде ультразвуковые волны. Используя
пьезоэлектрические излучатели, удается получать
ультразвуки сравнительно небольшой интенсивности
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ


Работа электростатических или
конденсаторных излучателей основана на
возникновении сил взаимодействия между
электрическими зарядами на электродах
(обкладках) конденсатора, а
электростатических приемников - на
изменении емкости конденсатора при
изменении расстояний между обкладками,
вызывающих соответствующие изменения
разности потенциалов.
№
п/
п
Тип
преобразователя
Излучатель
Приемник
Частотные характеристики
область использования
1.
Электродинамиче
ский
Протекание
переменного
тока
по
проводнику, находящемуся в магнитном
поле, вызывает его колебательное движение
или
появление
знакопеременной
механической силы смещения проводника
F=LBi или F=LBIm simot
Колебательное движение проводника в
магнитном поле вызывает появление на его
концах переменной э.д.с. индукции..
-
Широкополосный до 20-30 кГц,
сложный по конструкции. Может
использоваться как излучатель и
приемник, надежность высокая.
2.
Электростатическ
ий
(конденсаторный)
Приложение переменного напряжения к
обкладкам поляризованного конденсатора,
одна из которых податлива, приводит к
появлению знакопеременной механической
силы между ними и к смещению податливой
обкладки здесь L-напряженность поля между
обкладками.
Колебательное
движение
податливой
обкладки поляризованного конденсатора
вызывает изменение его емкости и
возникновение переменного тока через
конденсатор
Широкополосный до 40 кГц,
простой
по
конструкции,
используется в основном как
приемник звука.
3.
Пьезоэлектрическ
ий
Пьезоэлемент, помещенный в переменное
электрическое
поле,
испытывает
знакопеременные
деформации,
пропорциональные
напряженности поля
(обратный пьезоэффект). Монокристаллы
кварца,
поликристаллические
твердые
растворы - титанат бария, цирконат- титанат
свинца, ниобат бария и свинца.
Знакопеременные деформации приводят к
появлению переменной э.д.с. на гранях
пьезоэлемента (прямой пьезоэффект)
механический резонанс;
электромеханический резонанс
Используется в основном в
резонансном
механическом
режиме колебаний, добротность
20...100 частотный диапазон от
20 до 200 кГц и более.
Одинаково
пригоден
для
излучения и приема. Надежность
высокая, стоимость небольшая.
4.
Магнитострикцио
нный
Ферромагнетик, помещенный в переменное
магнитное
поле,
испытывает
знакопеременные
деформации,
пропорциональные напряженности поля
(прямой эффект). Сплавы железа с никелем,
кобальтом; ферриты.
Знакопеременные деформации приводят к
изменению
магнитной
проницаемости
ферромагнитика и к появлению переменной
э.д.с. в обмотке (обратный эффект)
Используется в основном в
резонансном
механическом
режиме колебаний, добротность
100-200, частотный диапазон от
40 до 80 кГц. Одинаково
пригоден для излучения и
приема, надежность высокая.
Учебный вопрос №2
 ОСНОВЫ
ОБНАРУЖЕНИЯ В
УЛЬТРАЗВУКОВОМ ПОЛЕ.ЭФФЕКТ
ДОПЛЕРА.
МЕТОДЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА
Методы обнаружения подвижных объектов
в ультразвуковом поле подразделяются на
 АКТИВНЫЕ - требуют постоянного
излучения звуковых или ультразвуковых
колебаний.
 ПАССИВНЫЕ основаны на приеме
акустической энергии, созданной самим
нарушителем.

Активные методы
измерение напряженности ультразвукового поля
измеряется напряженность ультразвукового поля, созданного
излучателем в одной из точек замкнутого пространства охраняемого
помещения. При настройке средства производится подстройка
частоты излучаемого ультразвукового поля с таким расчетом, чтобы
закрепленный приемный преобразователь (микрофон) находился в
узловой точке стоячих волн ультразвукового поля.
Вскрытие помещения приводит к смещению узловой точки.
напряжение на выходе микрофона возрастает. что приводит к
появлению сигнала тревоги.

измерение времени реверберации
В помещении периодически излучается ультразвуковой импульс и
измеряется уровень отраженной энергии (через определенный
промежуток времени после окончания импульса). Изменение уровня
отраженной энергии свидетельствует об изменении акустических
параметров помещения, которые довольно стабильны.


использование эффекта Доплера
Учебный вопрос №3
 ПРИНЦИП
ПОСТРОЕНИЯ
УЛЬТРАЗВУКОВОГО СРЕДСТВА
ОБНАРУЖЕНИЯ
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ПРИБОРА "ДУЗ-4М"
 = 2 - 1
 = 25-45 Гц
Смеситель
АПФ
1-го канала
2
Усилитель ВЧ
 = 3-7Гц
Гц
АПФ
2-го канала
ПП
1
Д1
Суммирую
щее
устройство
Д2
ИП
1 = 20 кГц
ГУЧ
к
станционному
устройству
Исполнительно
е устройство
Анализирую
щее
устройство
Усилитель НЧ



Энергия электрических колебаний,
вырабатываемая ГУЧ, преобразуется ИП
(ультразвуковые преобразователи) в
механические колебания ультразвуковой
энергии.
Объем охраняемого помещения заполняется
ультразвуковыми колебаниями, и в нем
устанавливается определенное состояние
ультразвукового поля.
ПП преобразует колебания ультразвуковой
энергии в колебания электрические,
усилитель ВЧ настроен в резонанс с
частотой излучения.




С выхода усилителя ВЧ колебания поступают на
смеситель, который выделяет разностный сигнал .
Один канал, состоящий из полосового усилителя 1 и
детектора 1, имеет полосу пропускания 25–45 Гц, что
соответствует полезному сигналу. Второй канал:
полосовой усилитель 2, детектор 2, настроен на
полосу пропускания 3– 7 Гц, что соответствует
спектру помех.
Продетектированные Д1 и Д2 сигналы подаются на
суммирующее устройство в противоположной
полярности. Таким образом, сигнал от помехи
компенсируется. Коэффициент усиления 1-го канала
значительно выше, поэтому полезный сигнал,
проходящий по нему, будет превышать сигнал
помехи, и будучи поданным на УНЧ и анализирующее
устройство, приведет к срабатыванию порогового
(исполнительного) устройства.
АУ представляет из себя временной селектор, а ИУ –
срабатывает при достижении сигналом заданного
уровня по амплитуде.