Научные стремления 2011-1

исследуемого движения [4]. Разработанная методика позволяет: рассчитать время каждой фазы и общие динамические характеристики движения (работу и мощность), энергию и мощность ЭМГ сигнала мышц в каждой фазе и для всего движения.

На рисунке 2 представлен пример исследования спортивного движения «прыжок вперед с места».

1 - фаза подседа, 2 – фаза толчка, 3 – фаза полета, 4 – фаза приземления, 5 – фаза

Рисунок 2 – Пример исследования спортивного движения «прыжок вперед с места»

На рисунке 2 а показаны многоканальные электромиограммы мышц

Rectus Femoris, Biceps Femoris, Gastrocnemius и Soleus правой ноги, а также показаны границы фаз движения (1 - фаза подседа, 2 – фаза толчка, 3 – фаза полета, 4 – фаза приземления, 5 – фаза подъема). На рисунке 2 б показаны кадры синхронной видеосъемки, соответствующие выделенным фазам движения.

Для данного примера время, затраченное на фазу подседа и фазу толчка, составляет 0.336 секунды, на фазу полета – 0.363 секунды, фазу приземления и подъема – 0.37 секунды. Для мышц Biceps Femoris, Gastrocnemius и Soleus

большая часть энергии ЭМГ (более 60%) выделяется во время фаз подседа и толчка, а для мышцы Rectus Femoris – во время фазы подъема (более 40 %). Основными мышцами, задействованными в движении, являются Rectus Femoris, Gastrocnemius и Soleus (суммарная энергия ЭМГ составляет более 50 мВ2*10-3). Общая работа движения 126,83 Дж, мощность – 377,20 Вт.

Заключение. Представленная методика структурно-функционального анализа двигательных навыков позволяет, во-первых, качественно оценить

641

функциональное состояние нервно-мышечного аппарата человека и межмышечную координацию, во-вторых, определить последовательность включения мышц в процессе выполнения движения и исследовать распределение усилий работающих мышц по фазам движения, в-третьих, установить принципиальную возможность выполнения движения и вычислить общие динамические характеристики последнего.

Предложенная методика может быть использована:

1)для диагностики двигательного навыка спортсмена и последующего построения тренировочного процесса в соответствии с его индивидуальными особенностями;

2)для оценки двигательных способностей спортсмена и эффективности тренировочного процесса;

3)для оперативного и точного контроля эффективности восстановления функционального состояния опорно-двигательного аппарата человека на каждом этапе реабилитационных мероприятий.

Литературные источники

1.Лукьяненко В.П. Физическая культура: Основы знаний: Учебное пособие. - М.: "Советский спорт", 2003 - 224 с.

2.Анохин П.К. Принципиальные вопросы общей теории функциональных систем

/П.К. Анохин // Принципы системной организации функций. М.: Наука,- 1973, с.5-61.

3.Персон Р.С. Электромиография в исследованиях человека / Р.С. Персон.- М.,

1969. – 125с.

4.Давыдова, Н.С. Экспресс - диагностика функционального состояния нервномышечного аппарата спортсмена на основе построения и анализа электромиографического портрета прыжка / Н.С. Давыдова [и др.] // Научно-технический журнал «Инженерный вестник». Мн., №2 (30), 2010. Стр.86-91.

N.S. Davydova, A.N. Osipov, M.M. Mezhennaja

REMOTE STRUCTURALLY FUNCTIONAL DIAGNOSTICS OF MOTION SKILLS OF THE PERSON

Belorussian State University of Informatics and Radio electronics, Minsk

Summary

The features and physiological mechanisms of formation of motion skills of the person are considered. The method and program-technical system of remote structurally functional diagnostics of motion skills of the person on the basis of multichannel electromyography, podography and a synchronous video filming are offered.

642

УДК 676.22:676.038:676.024.7

А.А. Дубовик, В.В. Горжанов, Т.В. Соловьева

ПОВЫШЕНИЕ УДЕРЖАНИЯ НАПОЛНИТЕЛЯ И МЕЛКИХ ВОЛОКОН В БУМАГЕ ДЛЯ ПЕЧАТИ, СОДЕРЖАЩЕЙ МАКУЛАТУРУ

Белорусский государственный технологический университет, Минск

Актуальность. В связи с повышением цен на импортируемую целлюлозу, большую значимость приобретает макулатура, которая ранее не применялась в производстве высокосортных видов бумаги для печати. Главное отличие макулатуры заключается в ее изначально пониженных бумагообразующих свойствах по сравнению с первичными полуфабрикатами. В результате влияния технологических стадий изготовления бумаги, а также процессов переработки происходит потеря эластичности, чрезмерное уплотнение поверхности и увеличение хрупкости волокон. Макулатура после разволокнения в гидроразбивателе представляет собой суспензию, состоящую из волокон различной длины с значительным содержанием коротковолокнистой фракции, плохо удерживающейся на сетке бумагоделательной машины. Кроме того, она содержит наполнитель, который препятствует осаждению на волокна его новых частиц при последующем изготовлении бумаги.

Печатные виды бумаги содержат большое количество наполнителя. Применение наполнителей в производстве бумаги для печати обеспечивает достижение специальных печатных свойств, в том числе высокой белизны, яркости, красковосприятия, способности воспроизводить элементы графической защиты. Кроме того, наполнители в определенной мере улучшают макроструктуру бумаги и приводят к снижению затрат на ее изготовление за счет частичной замены целлюлозы на более дешевое минеральное сырье [1–4].

Для эффективного использования наполнителя, независимо от вида и характеристик, а также макулатуры с ее высоким содержанием коротких волокон необходима высокая степень их удержания в композиции бумаги. Очевидно, что уменьшение потерь наполнителя и мелких волокон ведет к снижению себестоимости продукции и увеличению производительности бумагоделательной машины [5].

Удержание в процессе производства бумаги протекает по механизму механической агломерации и коллоидного агрегирования.

Повышение удержания механическим способом обеспечивается применением формирующей сетки с меньшим размером ячеек, повышением степени помола бумажной массы и массы 1 м2 бумаги, снижением скорости бумагоделательной машины.

Коллоидное агрегирование включает в себя механизмы коагуляции и флокуляции [6], которые положены в основу современных систем удержания наполнителя. Системы удержания – комплекс химических вспомогательных веществ, обеспечивающих оптимальное протекание физико-химических процессов в бумажной массе для достижения необходимой степени удержания наполнителя и мелких волокон в композиции бумаги [7].

643

Цель настоящего исследования заключалась в повышении удержания наполнителя и мелких волокон в бумаге для печати, содержащей макулатуру.

Материалы и методы. При проведении эксперимента композиция бумаги была следующей: целлюлоза сульфатная хвойная производства компании BOTNIA (Финляндия) – 26%, целлюлоза сульфатная лиственная производства компании ILIM PULP (Россия) – 45%, макулатура марок МС–2А и МС–7Б – 29% [8], упрочняющий агент (катионный крахмал Нi-Cat C 323 А) – 8%, наполнитель (мел МТД-2); двойная удерживающая система состояла из химикатов – катионного коагулянта PAX-18 и анионного флокулянта Fennopol A 5050 R. Степень удержания волокон и наполнителя без введения химических веществ составляла 50 %.

В ходе эксперимента последовательность дозирования химикатов была следующей: наполнитель → катионный крахмал → коагулянт → флокулянт.

Для определения оптимального соотношения вспомогательных химических веществ в композиции бумаги для печати применили математическое планирование эксперимента. Организационной основой для математического описания и оптимизации композиционного состава являлся многофакторный план Бокса [9]. Независимыми управляющими переменными (факторами) были выбраны: расход наполнителя (Х1, %), расход коагулянта (Х2, %), расход флокулянта (Х3, %). Уровни варьирования факторов в кодированном и натуральном выражении представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Уровни варьирования факторов

При нахождении оптимальных значений выбранных переменных критериями оптимизации являлись показатели: зольность бумаги, скорость обезвоживания бумажной массы, степень удержания волокон и наполнителя, разрывная длина бумаги.

После последовательного дозирования химикатов в размолотую бумажную массу определяли показатели скорости ее обезвоживания, степени удержания волокон и наполнителя. Из полученной бумажной массы изготавливали на листоотливном аппарате Ernst-Haage образцы бумаги массой 80 г/м2, для которых определяли разрывную длину на горизонтальной разрывной машине фирмы «Lorentzen and Wettre» и зольность.

Результаты реализации плана эксперимента представлены в таблице 2.

644

Таблица 2 – План и результаты эксперимента

Расчеты обобщенного критерия оптимизации позволили определить оптимальное соотношение вспомогательных химических веществ в композиции бумаги для печати, содержащей макулатуру: расход наполнителя – 9,5%, расход коагулянта – 4,4%, расход флокулянта – 0,2%. Введение данного соотношения химических веществ в композицию бумаги для печати обеспечивает получение следующих значений критериев оптимизации: скорость обезвоживания бумажной массы – 31 мл/с, степень удержания волокон и наполнителя– 80,33%, зольность бумаги – 10%, разрывная длина бумаги – 4,13 км.

Применение оптимальных расходов компонентов – катионного коагулянта PAX-18 – 4,4% и анионного флокулянта Fennopol A 5050 R – 0,2%, совместно с катионным крахмалом Нi-Cat C 323 А, входящих в двойную удерживающую систему, позволило повысить степень удержания наполнителя и мелких волокон в композиции бумаги для печати, содержащей макулатуру, на 61%. При этом оптимальный расход наполнителя, при котором достигается его наилучшее удержание с достижением высоких прочностных показателей бумаги для печати, составил 9,5%.

Литературные источники

1.Технология целлюлозно-бумажного производства: в 3 т. / редкол.: П. Осипов [и др.]. – СПб.: Политехника, 2002–2006. – Т.2: Производство бумаги и картона. Ч.1: Технология производства и обработки бумаги и картона / В.И. Комаров [и др.]. – 2005. – 423 с.

2.Clay-Starch composites and their application in papermaking / Se-Young Yoon [et al.] // Journal of Applied Polymer Science. – 2006. – Vol. 100. – P. 1032–1038.

3.Improvement of paper strength with starch modified clay / Zegui Yan [et al.] // Journal of Applied Polymer Science. – 2005. – Vol. 97. – P. 44–55.

645

4.Silenius P. Improving the combinations of critical properties and process parameters of printing and writing papers and paperboards by new paper-filling methods: dis. … doct. of science in techn. / P. Silenius. – Helsinki, 2003. – 129 p.

5.Иванов С.Н. Технология бумаги / С. Н. Иванов. – 3-е изд. – Москва: Школа бумаги, 2006. – 696 с.

6.Новое в технологии удержания, обезвоживания, формования бумаги и картона / Ю. А. Крылатов [и др.] // Целлюлоза. Бумага. Картон. – 2003. – № 7–8. – С. 26–30.

7.Кейзер П.М. Системы фиксации наполнителей в производстве бумаги для печати: дис. … канд. техн. наук: 05. 21. 03. / П.М. Кейзер. – Санкт-Петербург, 2004. – 110 с.

8.Каверина А.А. Оптимизация композиционного состава бумаги для печати с использованием макулатуры / А.А. Каверина, В.В. Горжанов, Т.В. Соловьева // Материалы докладов «62 студенческой научно-технической конференции», 18-23 апреля 2011 г.: в 3 ч. – Мн.: БГТУ, 2011. – Ч. 2. – С. 132–135.

9.Пен Р.З Статистические методы моделирования и оптимизации процессов целлюлозно-бумажного производства / Р.З. Пен. – Красноярск: Красноярский гос. ун-т, 1982.

–192 с.

A.A. Dubovik, V.V. Gorzhanov, T.V. Solov’eva

INCREASED RETENTION OF FILLER AND SMALL FIBERS

IN PAPER FOR PRINTING, CONTAINING WASTE PAPER

Belarusian State Technological University, Minsk

Summary

To improve the retention of filler and small the fibers in paper for printing, containing waste paper, was applied a double restraint system, consisting of a cationic coagulant PAX-18, cationic starch Hi-Cat C 323 A and an anionic flocculant Fennopol A 5050 R. Application of the optimal components consumption, included in a double restraint system, allowed to increase the retention of filler and small fibers in the composition of the paper for printing containing waste paper, by 61%. The optimal consumption of filler in paper for printing was 9.5%.

646

УДК 681.327.6

А.В. Жуковский

ИССЛЕДОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДИНАМИЧЕСКОГО

ЗАПОМИНАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

Белорусский государственный университет, Минск

Воптическом диапазоне длин волн в настоящее время поиск методов построения систем обработки и преобразования информации ведется по нескольким направлениям, связанным с созданием оптических логических элементов и оптоэлектронных процессоров пассивного и активного действия с многоуровневым преобразованием информации в лазерных устройствах. Одним из перспективных направлений является создание оптического компьютера с обработкой информации по принципу регенеративных нейронных систем. Наиболее известными разработками в данном направлении являются структуры оптических процессоров типа digital bit-serial memory

(DBSM) [1] и analog fiber-optic memory (AOFM) [2]. В DBSM структуре хранение массива информации осуществляется в цифровом виде; в AOFM структуре информация представляется в аналоговом виде.

Вданной работе рассматривается структура оптоэлектроенного процессора активного типа (ОЭП), основанная на методе регенеративного хранения и записи оптической информации в лазерном многостабильном элементе памяти с волоконно-оптической линией запаздывания. Достоинством ОЭП регенеративного типа является возможность записи и хранения информации как в цифровом, так и в аналоговом виде. При этом скорость записи информации зависит от времени срабатывания инжекционного лазера и может варьироваться от наносекундного до пикосекундного масштаба длительности. Если необходимо в память ОЭП записать цифровую информацию в виде линейного кода, или в виде случайной последовательности световых импульсов возможно, используя синтезатор оптических частот, сформировать цифровую информацию в виде дискретно заданной последовательности моментов срабатывания инжекционного лазера и, таким образом, осуществляется программирование оптоэлектронного процессора. При необходимости записи в ОЭП аналоговой информации, например, в виде временных интервалов между оптическими импульсами, в контуре памяти оптоэлектронного процессора формируются временные шкалы, размерность которых соответствует информационным признакам аналоговых сигналов. Одним из основных вопросов для архитектуры современных сверхвысокопроизводительных вычислительных систем является вопрос, связанный с реализацией запоминающих устройств, обладающих достаточным быстродействием при большой информационной емкости.

Внастоящее время актуальной является задача промежуточного хранения оптической информации в цифровом и аналоговом виде, например, поступающий с аэрокосмических носителей при лазерно-локационном

647

зондировании, для последующего ввода этой информации в вычислительные структуры, в частности, в вычислительный канал суперкомпьютера «СКИФ K1000-2». Существующие в настоящее время интерфейсы электронных компьютеров не позволяют осуществлять непосредственный ввод данных субнаносекундного диапазона. Для этих целей разрабатываются специализированные быстродействующие буферные запоминающие устройства, позволяющие избежать потерь оптической информации при ее последующей обработки.

Одним из перспективных направлений создания буферной памяти являются волоконно-оптические динамические запоминающие устройства (ВОДЗУ) рециркуляционного типа. Интерес исследователей к подобным системам обусловлен, прежде всего, их способностью производить высокоскоростную запись реализаций однократных быстропротекающих случайных процессов. Достоинством ВОДЗУ является то, что запись информационного потока в них осуществляется в реальном масштабе времени, а хранение данных в цифровой и аналоговой форме возможно в течение времени, необходимого для их последующей обработки. Кроме того, в системах рециркуляционного типа существует возможность организации по одному световоду одновременно нескольких информационных каналов, используя плотное спектральное мультиплексирование с разделением по длинам волн (DWDM-технологию).

Существующие в настоящее время архитектуры ВОДЗУ [3-5] в основном ориентированы только на восстановление амплитудных характеристик циркулирующих сигналов, что ограничивает время хранения информации за счет дисперсионных эффектов в волоконном световоде. Нами разработана архитектура цифрового ВОДЗУ со спектральным уплотнением информационных каналов, позволяющая уменьшить влияние указанных недостатков на информационные характеристики таких устройств. Отличительной особенностью данной структуры является использование вопервых, комбинации стандартного одномодового волокна и волокна с отрицательной дисперсией, что позволило уменьшить результирующую хроматическую дисперсию более чем на два порядка, во-вторых, двух волоконно-оптических эрбиевых усилителя, один из которых является линейным усилителем и компенсирует потери в петле рециркуляции, а второй представляет собой выходной усилитель мощности и позволяет исключить использование электронных усилителей на выходе каждого фотоприемника. Кроме того, регенерация циркуляционных информационных сигналов осуществляется в оптическом диапазоне, что позволяет работать с гигагерцовыми скоростями записи информационного потока и не осуществлять промежуточное периодическое преобразование сигналов из оптического диапазона в электрический и обратно. Запоминающее устройство позволяет проводить одновременную запись и считывание 32-битового слова.

Однако наряду с отмеченными преимуществами увеличение скорости передачи информации сопровождается ростом искажений цифровых сигналов.

648

В частности, искажения, вызываемые хроматической дисперсией, растут пропорционально квадрату канальной битовой скорости, искажения из-за воздействия поляризационной модовой дисперсии в первом приближении пропорциональны первой степени канальной битовой скорости. Мощность шумов также пропорциональна битовой скорости.

Создание ВОДЗУ с высокими эксплуатационными характеристиками ограничено следующими факторами:

–увеличение объема хранимой информации при сохранении длины волоконного световода ограничено допустимым временем хранения информации, обусловленным полосой пропускания системы;

–временя хранения информации увеличивается оптимизацией схемного построения и режимов работы элементов контура ВОДЗУ по критерию максимума отношения сигнал/шум.

Особенностью процесса динамического хранения информации в замкнутом оптоэлектронном контуре является накопление ее искажений в процессе рециркуляции. Количество циклов рециркуляции N определялось из следующих условий: 1) значение вероятности ошибки при приеме информационных сигналов в битовом формате (BER) будет удовлетворять

условию BER BER0 10 9 ; 2) длительность циркулирующих импульсов не должны превышать величины тактового интервала Ti Ti .

В моделях оценки информационных характеристик быстродействующих ВОДЗУ субнаносекундного диапазона на уровень коэффициента ошибок BER кроме амплитудных флуктуаций заметное влияние могут оказывать временные флуктуации положения информационных импульсов относительного своего тактового интервала, известные как временной джиттер Гордона-Хауса (ДГХ) (Gordon–Haus jitter). Данный эффект заключается в следующем. Оптический усилитель оказывает влияние не только на амплитуду, но и на фазу усиливаемых сигналов. Зависимые от времени изменения оптической фазы ведет к флуктуациям частоты сигнала. Вследствие дисперсии групповой скорости оптического сигнала в волокне, случайные изменения скорости приводят к случайному сдвигу положения импульсов на входе фотоприемника, что и является временным джиттером.

На основе разработанной математической модели проведен многопараметрический анализ процесса рециркуляции информационного потока в замкнутом оптоэлектронном контуре с учетом шумовых источников, а также эффекта межсимвольных помех. Для оценки возможностей использования рассматриваемых ВОДЗУ в качестве буферной памяти проведены совместные исследования времени хранения и информационной емкости при заданной вероятности ошибки. Выявлены закономерности влияния режимов работы элементов контура на предельно достижимые информационные характеристики. Проведенные расчеты показали, что при длине циркуляционной петли 25 км для скорости информационного потока B=10 Гбит/с время хранения информации равно tхр1=34 мс, информационная емкость составляет W=4,7 Мбайт (тип фотоприемника – ЛФД), что является

649

вполне приемлемым для многих практических применений. Для увеличения времени хранения информации необходимо использовать специальные методы оптической регенгерации.

Таким образом, на основе волоконно-оптических динамических запоминающих устройств возможно создание сверхбыстродействующих оптоэлектронных вычислительных систем, совмещающих в оптическом диапазоне элементы программирования, первичную обработку, вычисление, хранение и кодирование оптической информации, что позволяет значительно увеличить быстродействие, точность и уменьшить объем вычислительных процедур.

Литературные источники

1.Heuring, V.P. Designing digitial optical computing systems: power distribution and cross talk / V.P.Heuring, J.P. Pratt // Applied Optics. – 1992. – Vol.31, №23. – P. 4657–4661.

2.Implementation of a general-purpose stored-program digital optical computer /

T.Main [et al.] // Applied Optics. – 1994. – Vol.33, №8. – Р. 1619–1628.

3.Singh, R. K. Wavelength division multiplexed loop buffer memory based optical packet switch / R. K. Singh, R. Srivastava and Y. N. Singh // Optical and Quantum Electronics. – 2007.–

Vol. 39, №1. – P. 15–34.

4.Laevens, K. Queueing analysis of a single-wavelength fiber-delay-line buffer/ K. Laevens, M. Maeneclaey, H. Brunnel // Telecommun. Syst. – 2006. –Vol. 31, № 3. – P. 259–287.

5.An optical resilient packet ring node with SOA-based loadable and erasable storage buffer/ S. Fu [et al.] // Appl.Phys.B. – 2006. – Vol. 85, № 4. – P. 571–574.

A.V. Zhukouski

RESEARCH OF INFORMATION CHARACTERISTICS OF THE FIBER-OPTICAL DYNAMIC MEMORY

Belarusian State University, Minsk

Summary

The structure of the optoelectronic dynamic memory, based on a method of regenerative storage and record of the optical information in a recirculating memory element with a fiber-optical delay line is offered, the multiparameter analysis of information characteristics of such system is lead.

650