5.3.4. Датчики и системы акустической локации

Датчики АЛС классифицируются по двум основным признакам:

1. по назначению: излучатели и приемники;

2. по принципу действия: генераторы и параметрические преобразователи

Рассмотрим сначала излучатели акустической энергии. В излучателях генераторного типа колебания возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока - струи газа или жидкости (к ним относятся сирены, свистки). В параметрических излучателях - заданные колебания электрического напряжения или тока преобразуются в механические колебания твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.

Жидкостные механические излучатели УЗ часто основываются на возбуждении колебаний твер­дой излучающей системы при натекании на нее струи. Они дают относительно дешевую УЗ энергию на частотах до 30 ... 40 кГц при интенсивности вблизи от излучателя до 10^-3 Вт/м². (Такие излучатели используются в звуковом и низкочастотном УЗ диапазонах). Недостатком излучателей-гене­раторов является невозможность получения монохроматического излучения, а также излучения звуковых сигналов строго заданной формы: спектр их сложен и определяется конструкцией и режимом работы. КПД гене­раторов составляет 5... 50%, при общей мощности излучения от нескольких Вт до десятков кВт.

К параметрическим излучателям относятся УЗ излучатели и громкоговорители.

Эффективность излучателя зависит от соотношения между его размерами и длиной волны. Точные решения получены только для идеальных моделей «большого поршня», монополя и ряда других. В частности, полная излученная мощностьW «большого поршня» ($ > ²) равна:

При расчетах реальных АЛС чаще всего пользуются моделями излучателей 0-го, 1-го, 2-го и т.д. порядка. Излучатель 0-го порядка - монополь, представляет собой пульсирующую сферу конечного радиуса r, которая создает в окружающей среде сферические волны (рис. 5.40а). В случае если его размеры не удовлетворяют условию $ > ², мощность излучения определяют приблизительной формулой:

W  ck²V²/8,

где k = 2/ - волновое число, V - объемная скорость излучателя, равная V = 4r²v. Поскольку, обычно kr << 1, следовательно, при заданной частоте мощность излучения определяется объемной скоростью излучателя, независимо от его размеров. Это выражение применяется и при расчете других малых излучателей, не имеющих сферической симметрии. Другим простейшим излучателем является акустический диполь (излучатель 1-го порядка), представляющий собой сферу, осциллирующую около положения равновесия (рис. 5.40б). Его излучение не имеет сферической симметрии и характеризуется направленностью. Диаграмма направленности диполя - тело вращения в виде восьмерки. Промышленные УЗ излучатели, широко применяемые в системах гидроакустической связ­и, подводных роботах и других подводных системах, представляют собой наборную конструкцию (пакет) из диполей. Диполи, как правило, идентичны, и, следовательно, имеют одинаковые диаграммы Н, а их соединение в излучателе позволяет сформировать диаграмму Н нуждой формы. На рис. 5.41а представлены два гидроакустических излучателя, построенных на продо­льном и поперечном пьезоэффекте. Оба представляют собой короткие полые цилиндры (кольца); электроды первого установлены снаружи и изнутри цилиндра, а второго собраны из отдельных секций. Здесь же показана частотная характеристика излучателя с максимумом на частоте 40 кГц (рис. 5.41б), а также зависимость ширины излучаемого спектра от отношения толщины излучателя  к его среднему диаметру R_ср (рис. 5.41в).

Некоторые характеристики громкоговорителей представлены в табл. 5.6.

Таблица 5.6. Пьезокерамические громкоговорители

Модель	f, кГц	C, нФ	Uп, В	m, г	Габариты, мм
SCS-17	700 … 8000	20	5 … 30	1,7	229,7
SCS-77	150 … 20000	380	5 … 30	43	7710

Примечание. Модели SCS разработаны фирмой So­nitron, США.

Приемники звука, как правило, также используют параметрический принцип, и, в зависимости от частотного диапазона разделяются на две группы: УЗ приемники (в том числе, гидрофоны) и микрофоны.

Наиболее распространенный класс акустических датчиков составляютобратимые параметрические электроакустические преобразователи - ЭАП. Они обладают линейной функцией преобразования, что позволяет точно воспроизводить фор­му воз­буждающего си­гнала, как в режиме приема, так и излучения. В отличие от акустических излучателей и при­емников, ЭАП обладают сравнительно узкой частотной характеристикой и обычно используются для работы на определенной частоте в мобильных системах связи. Для повышения эффективности в их конструкциях применяются резонансные явления. В большинстве конструкций ЭАП осуществляется двойное преобразование информации (рис. 5.42): электромеханическое (U, i  F, v) и механоакустическое (F, v  p, v). Задачей теории расчета ЭАП является определение звукового давления p в поле излучателя по известным значениям напряжения U и тока i на его входе, и наоборот, расчет напряжения или тока на выходе приемника по заданному полю (давлению p и колебательной скорости v). Таким образом, существенным элементом ЭАП, опре­деляющим его КПД и направленность является механическая колебательная система. Как пра­вило, в качестве колебательных систем исполь­зуются стержни, пластины, сферы, полые цилиндры и другие оболочки, рассчитанные на вибрации заданного вида.

ЭАП АЛС строятся на базе ДДВ. В рабочем диапазоне частот применяются пьезоэлектрические, магнитострикционные, электростатические и электродинамические ЭАП.

Самым распространенным способом преобразования информации в ЭАП является прямой и обратный пьезоэффект. В основе работыпьезоэлектрических ЭАП (ПЭАП) в режиме излучения лежит принцип обратного пьезоэффекта, в режиме приема - прямого. До недавнего времени ПЭАП раз­рабатывались преимущественно для систем акустической связи УЗ ди­апа­зона частот (30 … 100 кГц). Механическая колебательная система обычно выполнялась в ви­де составной конструкции, включающей пьезокера­мичес­кие (или кристаллические) диски или стержни, зажатые между двумя металлическими блоками. В качестве материалов ПЭАП наиболее широко используются пьезокерамики на основе цирконата-титоната свинца - ЦТС. Примером является цилиндрический излучатель ди­аметром 26 и толщиной 20 мм из ЦТС-19. На резонансной частоте 60 кГц в нем создаются торцевые колебания амплитудой  1 мкм, при излучаемой акустической мощности 10^-2 Вт. Другой пример приведен на рис. 5.43. Здесь представлена конструкция дискового преобра­зо­вателя направленного излучения. Направленность достигается использованием акустической линзы и демпфера.

В настоящее время появились также и ПЭАП звукового диапазона (100 Гц … 20 кГц), используемые как широкополосные пьезокерамические громкоговорители. Первый такой преобразователь, по видимому, был выпущен в 1997 г. фирмой «Sonitron». Сейчас малогабаритные громкоговорители активно применяются в оборудовании связи, устройствах звукозаписи, системах мультимедиа и бытовой те­хнике. Они обладают высокой стабильностью характеристик в широком диапазоне частот и температур, а также малым потреблением энергии и высоким КПД. Обобщенная частотная характеристика громкоговорителя име­­ет вид, показанный на рис. 5.45.

Частотные свойства ПЭАП зависят от условий эксплуатации - в некоторых случаях их делают резонансными, в других - широкополосными. Исходя из этого, выбирают и размеры ПЭАП. Так, например, размер подводного УЗ приемника -гидрофона рассчитывается из условия, чтобы его резонансная частота была несколько выше рабочего диапазона частот. Это позволяет гидрофон диаметром несколько миллиметров использовать для приема без искажений сигналов в диапазоне частот  10² … 10⁶ (рис. 5.44).

Вообще говоря, ПЭАП также можно применять для излучения и приема УЗ волн в высокочастотном и гиперзвуковом диапазонах частот. Основная трудность при этом заключается в обеспечении их весьма малой резонансной толщины. В качестве материалов ПЭАП высокочастотного диапазона используют пьезополупроводниковые кристаллы типа сульфида кадмия, окиси цинка, а в области гиперзвука (1 ... 10 ГГц) - пленочные материалы на той же базе.

Самым распространенным типом акустического приемника является микрофон. В зависимости от принципа действия микрофоны разделяют на следующие типы: порошковые угольные, электродинамические, электростатические (конденсаторные и электретные), пьезоэлектрические, электромагнитные и полупроводниковые.

Немного истории. Порошковый микрофон был разработан русским изобретателем М. Махальским в 1878 г., и независимо от него П. Голубицким в 1883 г. Сейчас используется только в телефонии. Электродинамический ми­крофон катушечного типа изобрели американские ученые Э. Венте и А. Терас в 1931 г. В нем применена фольговая диафрагма или очень тонкая (1 ... 3 мкм) фольговая ленточка. Конденсаторный микрофон был также изобретен Э. Венте в 1917 г., а электрет­­ный в 1923 г. японцем Егути. Отличие электрет­ного от кон­денсаторного заключается в том, что роль неподвижной обкладки конденсатора и источника постоянного напряжения в нем играет пластина из электрета. Недостатком его является высокое выходное сопротивление, что требует применения истокового повторителя. Первый пьезоэлектрический микрофон был создан в 1925 г. советскими учеными С. Ржевкиным и А. Яковлевым на базе кристалла сегнетовой соли. Электромагнитные мик­­рофоны конструктивно похожи на электродинамические (толь­ко используют постоянные магниты, и мембрана жестко связана с якорем магнита). Они также как и порошковые используются только в простых системах.

Современные профессиональные микрофоны, как правило, используют электродинамические и электростатические (чаще - электретные) ЭАП и применяются на самых низких УЗ частотах, а также в диапазоне слышимых частот. Они строятся в виде последовательной цепи преобразователей, а их схема, в отличие от простых ЭАП (рис. 5.42), содержит четыре каскада преобразования информации - акустического (прием­ного), акустикомеханического, электромеханического (пре­­­­­­об­разую­щего колебательную ско­рость для динамических микрофонов или смещение для конденсаторных в ЭДС) и электрического (со­гласующе­го). Направленность формируется первыми двумя звеньями, причем в зависимости от нее различают два типа микро­фонов (рис. 5.46а):

• ненаправленные (нулевого порядка, круговые), называемые также приемниками давления;

• направленные (градиентные). Для них харак­тер­ны две основные схемы:

• с двумя симметричными акустическими вхо­дами (их называют двунаправленными - диаграмма Н имеет форму восьмерки);

• с двумя или более несимметричными вхо­дами (в этом случае они являются одно­направленными). Примером является кар­ди­оида.

Ненаправленные микрофоны не подавляют шума (их индекс направленности равен нулю).

В особую группу выделяют комбинированные микрофоны, или микрофоны с переменной диаграммой Н. В них Н деформируется изменением величины напряжения поляризации на эле­ктродах.

Микрофоны на основе электродинамических ЭАП в зависимости от типа колеблющегося элемента разделяются на катушечные (примером являются отечественные модели - ненаправленный МД-83, и односторонне направленные МД-97 и МД-91), а также ленточные. Ленточный микрофон обладает наиболее естественной пе­ре­дачей звука. На рис. 5.46б приведена диаграмма Н микрофона МД-83 на разных частотах сигнала от 50 до 10000 Гц.

Микрофоны на конденсаторных ЭАП (КЭАП) бывают одно- и двух мембранные. К первым относится кардиоидный электретный микрофон МКЭ-13М и ненаправленный МКЭ-400. Двухмембранные микрофоны (среди них отечественный МК51, а также U87i и U89i фирмы Neumann) позволяют изменять форму диаграммы Н от круговой, через кардиоиду к восьмерке.

КЭАП, в отличии от ПЭАП и МЭАП обладают широкой полосой пропускания.

Отдельный класс микрофонов составляют направленные микрофоны, использующие резонансные схемы и параболические отражатели. Серийно выпускается несколько моделей обоих типов с диапазоном частот от 100 ... 250 Гц до 18 ... 22 кГц. Острая «игольчатая» диаграмма направленности ми­крофона AD-9 с параболическим отражателем позволяет контролировать речь на расстоянии до 1500 м.КНД для данного типа микрофонов определяется зависимостью:

K_нд = 4S_э/²,

где S_э - эффективная поверхность антенны.

В табл. 5.7 представлены типовые характеристики микрофонов разных типов. Обозначено: var f - изменение частотной характеристики, S - чувствительность.

Таблица 5.7. Сравнительный анализ типов микрофонов

Тип	f, кГц	var f, дБ	S, мВм2/н
Порошковый	0,3 ... 3,4	20	1000
Электродинами­чес­кий	0,03 ...15	12	1
Конденсаторный	0,03 ...15	5	5
Электретный	0,02 ... 18	2	1
Пьезоэлектри­чес­­кий	0,1 ... 5	15	50
Электромагнит­ный	0,3 ... 5	20	5

Наряду с пьезоэлектрическим другим распространенным способом преобразования информации в ЭАП является магнитострикция, особенно широко применяемая в подводных ЛИС. Основумагнитострикционных ЭАП (МЭАП) составляет наборный сердечник из магнитоупругого материала (никеля, специальных сплавов - пьезокобальтов или ферритов) в форме стержня или кольца (рис. 5.47). В режиме излучения используется непосредственно магнитострикционный эффект - деформация фер­ромагне­тика, помещенного в перемен­ное ма­гнитное поле. Режим приема основан на магнитоупругом эффекте - переменные деформации вызывают изменение магнитной проницаемости ферромагнетика и появлению ЭДС. МЭАП работают приблизительно в том же частотном диапазоне, но обладают значительно большей акустической мощностью. Например, пьезокобальтовый УЗ излучатель диаметром 60 мм и высотой 40 мм на частоте 45 кГц развивает акустическую мощ­ность  5 Вт с ампли­тудой колебаний 10 мкм. Столь высокая величина деформаций материала МЭАП приводит к его быстрому разрушению в воздушной среде; поэтому их используют в качестве гидроакустических излучателей. КПД таких излучателей (также как и ПЭАП) при работе в жидкости и твердых телах в диапазонах низких и средних частот достигает 80 ... 90%. КПД МЭАП гиперзвукового диапазона существенно ниже. При их построении используются специальные материалы на основе магнитострикционных пленок из никеля, пермаллоя или др.

Расчет датчиков АЛС основан на уравнениях обратимого пьезо- и магнитоуп­ругого преобразования (рис. 5.48). Учитывая динамический характер преобразователей, все переменные в выражениях должны быть записаны в комплексной форме [ ]. Применительно к пьезопреобразованию получим:

I = YE + A_оv и F = - A_пE + zv,

Здесь и - переменные ток и напряжение на обкладках ПЭАП; - проводимость механически заторможенного преобразователя; и - прямой и об­ратный факторы силы соответственно; - механический импеданс колебательной части ПЭАП; - колебательная скорость его по­вер­х­нос­ти, - напряженность поля, - переменная сила.

Уравнение обратимого магнитострикционного преобразования записывается похожим образом:

E = zI + A_оv и F = - A_пI + zv

Указанные выражения получили название электромеханических уравнений обратимых преобразователей. Они связывают механические конструктивные параметры преобразователя с электрическими характеристиками сигнала.

Для определения функции преобразования обратимого ПЭАП используется выражение, связывающее напряженность поля Е с относительной линейной деформацией l/l: , где и _а - пьезоэлектрическая постоянная и диэлектрическая проницаемость материала, l - расстояние между обкладками, k_п - размерный коэффициент. Поскольку электрическое напряжение на обкладках ПЭАП U = E l, то его функция преобразования может быть представлена в виде:

,

причем U и l являются комплексными величинами.

Для обратимого МЭАП функция преобразования описывается эмпирической зависимостью:

l = 4 k_м m_c²H²

где Н - напряженность магнитного поля, m_c, _а - магнитострикционная постоянная и магнитная проницаемость сердечника соответственно, k_м - размерный коэффициент. (Параметр m_c для поляризованного МЭАП достигает значения  0,2 Н/м² Тл, при напря­женности поля  1600 А/м. Напомним, что 1А/м = 1,25 10^-2 Э). Существенно, что в обоих выражениях переменные U, l и H также являются комплексными величинами.

Интенсивность излученияJ достигает нескольких Вт/см² у серийных пьезоизлучателей и нескольких десятков Вт/см² у магнитострикционных: она ограничивается прочностью и нелинейными свойствами материала излучателей. Для увеличения интенсивности и амплитуды колебаний используют импульсные режимы работы излучателей (рис. 5.49), а также применяют специальные УЗ концентраторы, представляющие собой фокусирующую систему, излучающую сходящуюся сферическую волну. В фокусе подобных концентраторов интенсивность достигает значений 10³ ... 10⁵ Вт/см² на частотах  0,1 ... 10 МГц. Они используются, в частности, при проведении нейрохирургических операций, когда необходимо обеспечить воздействие УЗ на малую область про­ст­ранства (рис. 5.50). Для ни­з­кочастотного диапазона ра­з­работаны концентраторы в виде резонансных стержней переменного сечения, позволяющие получать амплитуды сме­щения до 50 ... 80 мкм. Их применяют при УЗ механической обработке, сварке, дроблении материалов и т.п.

Примеры некоторых распространенных моделей ЭАП приведены в табл. 5.8. Символом f обозначена ширина частотного спектра.

Таблица 5.8. Примеры промышленных обрати­мых ЭАП

Модель	Тип	fрез, кГц	f, кГц	, мм
МУП-1	ПЭДП	40	0,6 ...1,0	18
УЗП-2	КЭДП		40 ... 70	15
R-160	КЭДП		0,02 ... 100	6

Примечание. Датчик R-160 разработан фирмой Rion Cо, Япония (Рзв _max = 160дб).

Рассмотрим несколько типовых примеров применения АЛС. Как правило, в промышленности, робототехнике и специальных задачах они выполняют функции УЗ дальномеров или локаторов. Первые предназначены для измерения дальности до объекта или препятствия в воздушной или жидкой среде, вторые - для обнаружения препятствий распрост­ранению УЗ волн. Этот принцип, в том числе, используют разнообразные УЗ де­фек­тоскопы, позволяющие оп­ределять нарушения сплошности в разнообразных твердых средах (металлических предметах, строительных конструкциях и др.). Так, например, разработанные на основе традиционного «эхо-ме­то­да» приборы об­наруживают дефекты ра­з­мером  0,05 мм при глубине залегания до 5м.

На рис. 5.51 приведена схе­­­ма УЗ локатора, представляющего собой прос­той «индикатор препятст­вия». Устройство, пре­д­­на­з­наченное для опреде­ле­ния препятствий в во­з­ду­шной среде на рассто­янии до 10 м, использует «эхо-метод» - сигнал посланный излучателем И отражаясь от препятствия воспринимается микрофо­ном М. Полученный сигнал уси­ливается транзистором VT₃, детектируется цепочкой С₃, VD₁, VD₂ и подается на реле Р.

Функциональная схе­ма акустического дальноме­ра, использующего обра­тимый ЭАП, приведена на рис. 5.52.

Схема управления переключает режи­мы работы дальномера - на излучение или при­ем. В первом случае, формируется посылка - ИМ сигнал с несущей ча­­с­тотой 50 … 120 кГц. Во втором, принятый и уси­ленный сигнал пос­ту­пает на временной дискриминатор, вычисля­ю­­щий задержку принятого сигнала по отношению к излученному. Дальномер определяет расстояние до предметов в пределах 0,2 … 80 м с погрешностью  2%.

УЗ локаторы наведения широко используются в мобильных робототехнических комплексах, тра­нспор­тных тележках и некоторых системах управления промышленных роботов. Все АЛС для подвижных сред­ств используют различные насадки для работы в бли­жней и дальней зонах, а также различные режимы модуляции. В да­ль­ней зоне достаточно просто обнаружить препятствие, в то время как в ближней его нужно детерминировать. Обычно при локации на средних и больших расстояниях применяется ИМ на несущей частоте, причем величина несущей и частота посылок уменьшаются по мере увеличения дальности до объекта. В частности, для да­ль­ностей до 20 мм используется несущая частота 700 кГц с частотой повторения импульсов 100 Гц. Для измерения расстояний в диапазоне 0,1 ... 10 м достаточно несущей частоты 60 кГц и частоты повторения импульсов 10 Гц.

Работа на самых малых расстояниях и в режиме наведения требуют применения ФМ (рис. 5.53). В этом случае, прием отраженного сигнала осуществляется двумя приемниками, причем разность хода лучей вызывает разность фаз принятых сигналов. Так, если сигнал, полученный первым приемником, имеет вид U₁ = U cos ₀t, то для второго справедливо U₂ = U cos (₀t-), где фазовый сдвиг  = 2/ = (2D/) sin  и D - база приемников (расстояние между ними).

Для определения искомой величины  =  () используется фазовый детектор, на который поступают два сигнала: с первого приемника - через фазовращатель, и со второго - напрямую. (Фазовращатель изменяет фазу первого сигнала на /2). Тогда после фазового детектора сигнал примет вид:

U_ФД = U cos (₀t-/2) U cos (₀t-) = 0,5U² sin [2₀t-)+ sin ].

Выделяя постоянную составляющую с помощью фильтра нижних частот получим в итоге:

U_вых = 0,5U² sin  = 0,5U² (2D/) sin .

При значениях , где D/ sin  <<1, функция преобразования УЗ локатора наведения оказывается приблизительно линейной:

U_вых U² 2(D/) .

Данный локатор наведения установлен на захватном устройстве окрасочного робота фирмы «Tralfa», Норвегия (рис. 5.54). Погрешность измерения не превышает 1,5%.

УЗ дальномеры разрабатываются многими фирмами. В частности, компания Polaro­id (США) выпускает помехозащищенные дальномеры среднего действия диапазона 0,15 ... 10 м, час­тот­ный спектр которых включает четыре различных несущих частоты.

Основные характеристики некоторых моделей АЛС представлены в табл. 5.9. L - дальность,  - ширина диаграммы направленности,  - погрешность.

Таблица 5.9. Примеры промышленных УЗ АЛС

Модель	L, м	f, кГц	, 0	, %	m, кг	Габариты, мм
УТ-10ДР	0,15 ... 9,99	40	20	5	2,5	400400210
УТ-100РГ	0,01 ... 1	1250	10	0,1	2,0	300220170
УТ-65	0 ... 0,3 (толщина)	переменная		1	0,5	1658540
M-942	0,001 ... 2	215	10	0,05	1,0
UC2000-F43	0,1 … 4,0			0,5	0,3	2045120
RS/8,5	0,1 ... 6	140		0,3	0,7

Примечание.

1. Массогабаритные показатели отечественных АЛС учитывают блок электроники. (Масса преобразователя УТ-100 РГ - 0,.04 кг, размеры - 4024 мм). В качестве излучателей и приемников используются пьезодатчики типа МУП.

2. Система M-942 разработана фирмой Mic­rosonic, Германия, UC2000-F43 -фирмой Pepperl+Fuchs (Германия), RS/8,5 - Takk Ко, Япония ( = 8,5 мм,  = 10 мс).