УДК 621.791
ЭНЕРГОИНФОРМАЦИОННЫЙ МЕТОД АКУСТИЧЕСКОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ ДЛЯ ШИРОКОМАСШТАБНЫХ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТРУКТУР
А.Ш. Мехтиев, Н.А. Абдуллаев, Х.Г. Асадов
Показано, что известный локационный метод окружностей требует осуществить многократную итерационную процедуру приближения, что не позволяет оперативно определить местонахождение аварийной зоны излучения акустических волн. Для повышения быстродействия реализации метода окружностей предложено сократить итерационные процедуры путем начального использования максимально информативной зоны, определяемой по методу информационной локации.
Ключевые слова: акустическая дефектоскопия, информация, распределенные структуры, коэффициент ослабления, локация.
ВВЕДЕНИЕ
Повышение точности локализации мест излучения акустических волн, образовавшихся в результате появления различных аварийных ситуаций в широкомасштабных распределенных структурах, является важной и актуальной задачей.
Существует особый подкласс крупномасштабных промышленных распределенных структур, когда аварийная ситуация, возникшая из-за какой-либо скрытой неисправности в функционировании всей системы, создает скрытую зону излучения акустических волн в некотором частотном диапазоне, например: повреждения подземных трубопроводов высокого давления; аварийные режимы функционирования в больших турбинных залах и в сети распределенных по полю генеративных датчиков, а также в поле установки ветряных энергоустановок; временное развитие остаточных деформаций в больших строительных сооружениях и т. д.
Задачи акустической диагностики крупномасштабных промышленных распределенных структур традиционно решаются с использованием метода триангуляции, который имеет следующие недостатки.
1. В триангуляционном методе важными операциями являются определение скорости звука и точная регистрация времени поступления акустических волн. Однако, как известно [1], температура и влажность значительно воздействуют как на скорость звука, так и на затухание акустических волн, что, в конечном счете, приводят к погрешности вычисления.
2. В этом методе точность оценки мощности источника зависит от точности триангуляционной процедуры локации.
Перечисленные недостатки триангуляционного метода могут быть устранены, если отказаться от тригонометрических вычислений и использовать физические и геометрические основы процесса распространения акустической волны для решения данной задачи, что было сделано в предложенном методе окружностей [2, 3]. Прежде всего рассмотрим физические основы метода окружностей. Как известно [1], для акустической волны ам-
Ариф Шафаятович Мехтиев, доктор физ.-мат. наук, академик, начальник кафедры Национальной Академии Авиации. Азербайджан, г. Баку. Тел. 994-124-621-114. E-mail: mehdiyevas@rambler.ru
Новруз Алмамед-оглы Абдуллаев, канд. техн. наук, старший научный сотрудник НИИ Министерства оборонной промышленности. Азербайджан, г. Баку. Тел. 994-124-761-418. E-mail: nabdullayev@rambler.ru
Хикмет Гамидович Асадов, доктор техн. наук, начальник отдела НИИ Аэрокосмической информатики. Азербайджан, г. Баку. Тел. 994-503-247-240. E-mail: asadzade@rambler.ru
плитуда акустического давления на расстоянии х может быть вычислена по формуле
Р = Р0е-тх, (1)
где Р0 — амплитуда давления источника; Р — измеренное значение акустического давления на расстоянии х; т — коэффициент общего ослабления.
Метод локации на основе построения окружностей базируется на выражении (1), которое приведем к следующему виду:
х = —lnP = —lnP0- —lnP = a -—inP, (2)
m P m m m
где a = —in P0. m
Очевидно, что при фиксированных величинах температуры и влажности a = const. При этом, учитывая (2) и используя три микрофона, получаем систему уравнений:
X +—lnP = a; (3.1)
m
х2 +—lnP2 = a; (3.2)
m
х3 + —lnP3 = a. (3.3)
m
Допустим, что параметр т известен, а неизвестен. В этом случае процедура локации состоит из следующих шагов.
1.1. Устанавливают микрофоны М1, М2, М3 (рис. 1).
1.2. Проводят измерения Р1, Р2, Р3.
Рис. 1. Процедура локации по итерационному методу окружности.
1.3. Задают наиболее вероятную экспертную оценку значения а.
1.4. Выполняют геометрические построения в таком порядке: место нахождения микрофона М. выбирают в качестве центра 7-й окружности,
радиус которой равен а - — 1п .
т
1.5. Фигуру треугольной формы образовавшуюся на месте пересечения окружностей, рассматривают в качестве искомой зоны генерации.
1.6. Если площадь фигуры оказывается непозволительно большой, то всю процедуру повторяют, предварительно несколько уменьшив радиусы окружностей.
1.7. Всю геометрическую процедуру построения фигур пересечения окружностей повторяют вплоть до стягивания фигуры ^^^ в точку О.
Из вышеизложенного становится ясным, что метод окружностей не позволяет быстро и безошибочно определить место аварии с первого раза и требует проведения итерационной процедуры приближения.
Для устранения указанного недостатка предлагаем использовать в качестве базиса расстояния до максимальной информативной зоны, определяемого с помощью метода информационной локации [4], в котором допускается то, что акустические волны в виде случайного сигнала равномерно излучаются с зоны излучения и принимаются приемниками А 7 = 1,3. В этой задаче оптимизации критерием является достижение максимального количества суммарной информации, принятой этими приемниками, что эквивалентно максимальной информативности вычисляемой зоны излучения. Информационный критерий оптимальности имеет вид
^ = I
T
1о§2 (V 0 + VL +1) + 0 + VL +1)
(4)
где AT — шаг дискретизации сигналов на приемниках A i = 1,3; T — длительность принимаемого сигнала на приемнике Аг.; v0 — отношение сигнал/шум при L = 0; vL = ~~; ^ — множитель Лагранжа.
Для формирования функционала безусловной оптимизации принимается следующее ограничительное условие:
3
I ( V 0 + VL +1) = C = const. (5)
i=1
Решение оптимизационной задачи (4) с использованием правила Эйлера дает выражение
L. = v0±l - T • C ,. (6)
i / t '
Vl max ' Vl
При v0 >> 1 из формулы (6) нетрудно получить уравнение
L aT = I, (7)
L T
max max
где a = const.
Таким образом, алгоритм вычисления позиции максимально информативной зоны в этом методе заключается в следующем.
=1
1. Задают исходные w„; w'; L ; T ; a.
^ ' 0 TL' max' max'
2. С учетом реальных условий устанавливают значения L i = 1,3, а также, с использованием уравнения (7), значения T Таким образом, формируется множество пар (L., T) {(Lp Tj); (L2, T2); (L3, T3)}.
3. Осуществляется ротация пар (L T) по неподвижным приемникам
A , i = 1,3. В каждой операции ротации вычисляется значение суммы
3
1=I 1=1
4. Выбирается та ступень ротационной процедуры, при которой сумма (8) достигает максимальной величины.
5. С учетом величин {L,}, i = 1,3, выполняется геометрическое построение зоны, путем вычерчивания окружностей с максимальной информативностью точек размещения A, с радиусами L (рис. 2).
T
^ lo§2 (w о +wL +1)
(8)
После вычисления [Ь}, 7 = 1,3, определяющих позицию максимально информативной зоны, локация происходит следующим образом. Принимается справедливость равенств:
L1;
х2 = Ь2. (9)
С учетом (3) и (9) составляется система уравнений:
Ь1 + —1п Р1 = а; т
Ь 2 +—1п Р2 = а. (10)
т
Система уравнений (10) решается относительно т и а. С помощью вычисленных величин т и а, используя выражение (3.3), находится величина х3.
Очевидно, что вычисленные значения х3 и Ь3 могут находиться в соотношении х3 > Ь3 или х3 < Ь3. Случай х3 < Ь3 показан на рис. 2. В этом случае исходно формируемая зона обнаружения излучателя 040205 оказывает-
ся шире, чем максимально информативная зона O1O2O3. Чтобы гарантировать начало итерационного процесса именно с зоны U1O2O3, исходную рабочую точку начала итерационных процедур следует взять максимально близко к точке пресечения L1 и L2, то есть к точке O2.
ВЫВОДЫ
Таким образом, совмещение методов окружностей и информационной локации позволяет сократить количество итерационных процедур в методе окружностей и может привести к повышению оперативности всей операции локации мест аварий.
Сформулируем основные выводы и положения проведенного исследования.
1. Показано, что известный локационный метод окружностей требует многократной итерационной процедуры приближения, что не позволяет оперативно определить местонахождение аварийной зоны излучения акустических волн.
2. Для повышения быстродействия реализации метода окружностей предложено сократить итерационные процедуры путем начального использования максимально информативной зоны, определяемой по методу информационной локации.
Национальная Академия Авиации Поступила в редакцию
Азербайджана 21 июля 2013 г.
НИИ Министерства оборонной
промышленности Азербайджана НИИ Аэрокосмической информатики г. Баку
ЛИТЕРАТУРА
1. Bohn D.A. Environmental effects on the speed of sound.— Journal of Audio Engineering Society, 1988, v. 36, No. 4, http://www.rane.com/pdf/eespeed.pdf
2. Асадов Х. Г., Абдуллаев Н. А., Абдулов Р. Н. Метод окружностей для локализации мест излучения акустических волн в приземной атмосфере.— Авиакосмическое приборостроение, 2009, № 12, с. 25—28.
3. Абдуллаев Н. А., Абдулов Р. Н. Метод окружностей для локализации мест технологических взрывов на основе регистрации сферических акустических волн.— Электронный журнал "Техническая акустика", Санкт-Петербург, 2009, № 15, http.//www.ejta.org
4. Асадов Х. Г., Мамедов Ш. Х. Метод информационной локации для предсказания эпицентра ожидаемого землетрясения. Прямая и обратная задачи предсказания.— Информационные технологии, 2004, № 11, с. 43—47.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.