^ ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ТЕХНИЧЕСКОЙ АКУСТИКИ
УДК 534.6.08
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ВРЕМЕННОЙ ЗАВИСИМОСТИ И ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА ШИРОКОПОЛОСНЫХ ПРОТЯЖЕННЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ В ДАЛЬНЕЙ ЗОНЕ. ЧАСТЬ 1. МЕТОДЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
© 2014 г. М. Б. Емельянов, Б. М. Салин, М. Б. Салин, А. В. Циберев
Институт прикладной физики РАН 603950 Н. Новгород, ул. Ульянова 46 E-mail: mik-emely@yandex.ru, salin@hydro.appl.sci-nnov.ru, mikesalin@hydro.appl.sci-nnov.ru, atsib@appl.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 24.10.2013 г.
Рассмотрена задача восстановления в дальней зоне временной зависимости сигнала распределенного источника. Показано, что при регистрации акустического сигнала линейной антенной, расположенной в ближнем поле источника, и последующей обработке удается восстановить временную зависимость сигнала источника в дальней зоне. В работе оценены возможные искажения сигнала, обусловленные конечностью апертуры приемной антенны, определены оптимальные характеристики системы обработки сигнала. Предлагается вариант технической реализации линейной антенны в виде цифровых приемных элементов, которые синхронно регистрируют акустическое поле в полосе до 10 кГц и передают принятый сигнал по четырем витым парам непосредственно на сетевую карту персонального компьютера. Описанная в работе методика и ее техническая реализация могут быть использованы при гидроакустических измерениях, а также при создании звукозаписывающей системы для оркестров и хоров с большим количеством исполнителей.
Ключевые слова: система звукозаписи, распределенный источник, линейная антенна, цифровой гидрофон, ближнепольные измерения, искажения поля источника.
DOI: 10.7868/S0320791914050049
ВВЕДЕНИЕ
Представим себе следующую задачу. Имеется хор певцов (или оркестр) и имеется хормейстер (дирижер), который хотел бы оценить качество звучания всего хора на некотором удалении от него (в дальней зоне), в то время как прослушивать хор ему приходится в весьма ограниченных условиях, когда фактически он хорошо слышит только ближайших к нему исполнителей. Но при уходе хормейстера в дальнюю зону (если она физически существует), на прослушивание начинает оказывать сильное влияние среда распространения (акустика помещения), которая, безусловно, накладывает индивидуальный отпечаток на звучание хора.
Такая же проблема наблюдается и в подводной акустике при прослушивании или измерении акустического шума корабля. Относительно легко, даже единичным гидрофоном, можно измерить сигнал движущегося судна (его проходную характеристику) на дистанции ~50 м. Однако при больших размерах судна (~ 100 и более метров) проходная характеристика в большей степени прорисовывает акустический портрет корабля,
чем сигнал его дальнего поля. Прямое измерение поля корабля в дальней зоне также не информативно из-за искажения сигнала средой и малости отношения сигнал/шум. Особенно это касается подводных объектов, специально проектируемых для малошумного режима движения.
Поставленная задача измерения характеристик и воспроизведения знакопеременных временных зависимостей дальних полей может решаться путем использования приемных фазированных антенных решеток (ФАР), расположенных в непосредственной близости от источника — в ближнем поле источника. Например, в радиолокации ближ-непольные амплифазометрические схемы активно применяются на больших антеннах для измерения диаграмм направленности — комплексного уровня дальнего поля [1] или для определения характеристик рассеяния объектов, которые обнаруживаются радиолокаторами.
В воздушной акустике планарные антенные решетки с количеством микрофонов ~100 и более довольно широко применяются для регистрации полей широкополосных шумовых источников [2, 3]. Однако их основным назначением, как правило, является не сигнал дальнего поля, а по-
иск и локализация отдельных составляющих источника, которые осуществляются путем электронного сканирования (в параллельном или последовательном режиме) точкой фокусировки антенны по апертуре источника.
Для узкополосных составляющих источника, работающего в стационарном режиме, в качестве ближнепольных приемных ФАР могут быть использованы как двумерные [4, 5], так и одномерные [6] синтезированные апертуры. По полученным таким образом голограммам в дальнейшем могут быть восстановлены уровни дальних и ближних полей источников.
В гидроакустике большое внимание уделяется задаче измерения энергетических характеристик дальних полей протяженных движущихся источников. Выполнение указанной задачи основано на применении горизонтальных линейных антенн, расположенных в ближнем поле источника [7—9]. Задаче восстановления временной зависимости сигнала в дальней зоне по ряду причин уделяется значительно меньшее внимание [10].
Приведем основные особенности использования антенн для восстановления временной зависимости сигнала в дальней зоне источника.
Предположим, что распределенный источник представляет собой совокупность локальных коррелируемых всенаправленных источников, расположенных в свободном пространстве в точках г,-с временной зависимостью сигнала источника Р() (уровень приведен к 1 м, временная зависимость — к центру источника). Единичный всена-правленный гидрофон (микрофон), находящийся в точке г0, зафиксирует суммарный сигнал всей совокупности источников вида
_ vр(( - \г, - г0|/С) |г,- - Го| '
р,(0 _ X -
(1)
который будет существенно отличаться от сигнала тех же источников в дальней зоне по направлению, например, оси г:
Ъаи«) = X - (г - г о)/С). (2)
г
Здесь II — проекция вектора г,- на ось г, вдоль которой определяется сигнал дальнего поля распределенного источника, г0 — условная координата центра источника по оси г, С — скорость звука в среде. В работе здесь и далее строчной буквой р обозначены реальные значения (в паскалях) полей в определенных точках пространства, заглавной буквой Р — приведенные к 1 м значения дальнего поля единичного или совокупного источника (размерность Па м).
Основное отличие дальнего поля (2) от ближнего (1) — это, во-первых, отсутствие весовых множителей (то есть в дальней зоне все источники суммируются с одинаковыми весами) и, во-вторых, временные задержки сигналов источников будут определяться проекциями векторов г,
на направление, по которому измеряется дальнее поле.
Следует отметить, что при измерении единичным гидрофоном (1) форма сигнала отдельных источников и, следовательно, их спектральные
1
характеристики не искажаются .
При приеме сигнала планарной антенной, расположенной в ближней зоне источника, для определения временной зависимости дальнего поля используется разложение измеренного в плоскости антенны акустического поля по плоским волнам (будем предполагать, что все источники расположены по одну сторону от антенной решетки). Для широкополосного источника разложение по плоским волнам осуществляется путем введения в сигналы с микрофонов ру временных задержек ту(п) вида
Ху,п = • п)/С. (3)
Здесь pj — радиус-вектор, проведенный в плоскости приемной антенны из начала координат к микрофону с номером у, п — направление, по которому определяется дальнее поле распределенного источника.
Из интеграла Кирхгофа—Гельмгольца, переходя к временному представлению, можно получить, что сигнал в дальне зоне по направлению п определяется производной по времени от выходного сигнала антенны, сфазированной по направлению п. Например, для направления п, ортогонального плоскости антенны, сигнал источника в дальней зоне (приведенный к 1 м) находится согласно выражению
?„,, т = 2пС | Е о, (4)
1
где Д для эквидистантной антенны — это произведение расстояний (интервалов) между соседними гидрофонами по осям х и у. Из (4) следует, что спектр сигнала в дальней зоне равен произведению спектра выходного сигнала планарной антенны АsX p(pj, 0 на множитель /ю/2яС.
Выражение (4) можно использовать для восстановления временной зависимости дальнего поля только в том случае, если размер антенны значительно превышает геометрический размер самого источника. Превышение по каждой координате должно быть не менее чем на радиус первой френелевской зоны ~1кЯ, где Я — среднее расстояние от источника до плоскости антенны по нормали. В связи с этим для объектов с большими геометрическими размерами (для воздушной акустики это размер автомобиля) применение планарных антенн для восстановления сигнала в дальней зоне оказывается технически не осуществимым из-за большого количества мик-
1 По крайней мере, с точностью до линейности АЧХ гидрофона и ее верхней границы.
Рис. 1. Схема измерения сигнала в дальней зоне с использованием линейной антенны, расположенной в ближнем поле источника.
рофонов (~104), которые необходимы для заполнения апертуры планарной антенны с шагом ^/2.
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛИНЕЙНЫХ АНТЕНН
Для целого ряда источников, имеющих вытя-2
нутую конфигурацию , существует реальная возможность использования не планарной, а линейной антенны, расположенной в ближней зоне источника параллельно его продольной оси [6—10]. В воздушной акустике вытянутую конфигурацию, как правило, имеют источники, находящиеся на одном горизонте, — это транспортные, наземные и воздушные средства, а также некоторые объекты из музыкальной сферы (оркестры, хоры). При морских измерениях практически все движущиеся объекты, даже биологического происхождения, имеют вытянутую форму.
При нахождении дальнего поля обработка широкополосного сигнала с элементов линейной антенны, так же, как и с планарной, может производиться с применением временных задержек вида (3) и суммирования задержанных сигналов. Отличие в использовании линейной антенны от планарной заключается в алгоритмах преобразования выходного сигнала антенны.
На рис. 1 представлена типовая схема ампли-фазометрического измерения характеристик дальнего поля протяженного источника с использованием линейной антенны. Протяженный источник, как и ранее, представлен в виде совокуп-
3
ности локальных, монопольных , вообще говоря, когерентно излучающих источников Р(х, 0, расположенных вдоль оси X.
2 Будем считать, что источник имеет вытянутую конфигурацию, если его р
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.