5.3. Акустические локационные системы

Акустические системы имеют чрезвычайно широкую область практического применения. Условно выделяют три основных направления: получение информации об объекте, прием и передача сигналов и активное воздействие на вещество. При каждом конкретном применении используются акустические волны определенного частотного диапазона и интенсивности. Так, в рамках первого направления разрабатываются различные дефектоскопы, уровне- и толщиномеры, системы медицинской диагностики и звуковидения, гидролокационные приборы (эхолоты и гидролокаторы), работающие в диапазоне 10³ … 10¹¹ Гц. Второе направление, в основном связано с созданием средств связи, а также ультразвуковыми процессорами. Устройства этой группы функционируют на частотах 10⁵ … 10¹⁰ Гц. Наконец, в акустических системах, активно воздействующих на вещество (к ним относятся хирургические инструменты, устройства механической обработки материалов и сварки) применяются колебания высокой интенсивности 1 … 50 Вт/см² с частотами 10⁴ … 10⁷ Гц.

Ультразвуком называются упругие колебания и волны, частота которых превышает 15 ... 20 кГц.

До недавнего времени считалось, что ультразвук редко встречается в природе, однако ис­следования последних лет показали, что наш мир - это мир звуков высокой частоты. Его ис­точниками являются как живые суще­ства, так и природные источники: леса, горы, молнии, ветер и др. Интенсивность излучателей ультразвука варьи­руется в широких пределах. Так, например, сверчки на рас­стоя­нии 30 см создают излучения интен­сивностью 90 дБ. Мощными генераторами ультразвука являются джунгли и моря; интенсивность фона на частоте 20 кГц достигает 55 дБ.

История исследований в области ультразвука локации ведет свое начало с 70-х годов XVIII века и связана с именем итальянца Лазаро Спалланцани, изучавшего ночное зрение сов и летучих мышей. Его подход является примером грамотно организованной методики эксперимента. Сначала ученый, надев на голову ле­тучей мыши светонепроницаемый колпачок, убе­дился, что ориентация животного намного ухудшилась. Затем, уточняя результат, он заменил колпачок на прозрачный и с удивлением получил тот же результат. Со вре­менем Спалланцани понял, что зрение и вовсе не влияет на способность летучих мышей перемещаться в пространстве. Его швейцарский коллега Шарль Жюрин, также исследуя летучих мышей, закупоривал их уши воском и в результате, пришел к выводу, что именно уши принимают на себя функцию зрения. Спалланцани сначала скептически отнесся к этому результату, пола­гая, что опыты Жюрина травмируют мышей, но собственными точными экспериментами с использованием тонких пробок убедился в правоте швейцарца. Тем не менее, только спустя 120 лет изобретатель станкового пулемета Х. Мак­сим выдвинул предположение о наличии у мы­шей звуковой локации. Он же первым сделал попытку рассчитать и диапазон частот эхолокации; по его мнению, она осуществлялась в инфра­звуковой области, с частотами не превышающими 15 Гц.

Толчком к активному изучению ультразвука послужили два фактора. Первым была гибель «Титаника» в 1912 году. Вто­рым, явилась про­блема обнаружения немецких подводных лодок во время первой мировой войны. Для этой цели Поль Ланжевен и предложил использовать ультразвука локацию, дав, тем самым, ро­ждение гидроакустики. 1928 год можно считать годом рождения дефектоскопии, тогда советский инженер С. Соколов выдвинул идею использо­вать отражение ультразвуковых волн для об­наружения дефектов в твердых телах. Что же касается механизма эхолокации летучих мышей, то он окончательно был понят лишь в 40-х годах XX века, благодаря исследованиям сотрудников Гарвардского университета США Г. Пирса, сконструировавшего ультразвуковой детектор и Д. Гриф­фина. Они обнаружили, что частотный диапазон излучения мышей составляет 30 ... 70 кГц, при максимальной интенсивности в области 45 .. 50 кГц, причем само излучение не непрерывно, а дискретно - оно осуществляется импульсами длите­льностью 1 ... 2 мс.

Вробототехнике и мехатронике устройства акустической локации используются чрезвычайно широко.Акустической локационной системой (АЛС) называется совокупность акустических датчиков и средств первичной обработки информации, предназначенных для определения геометрических и физических характеристик объектов в зоне контроля, а также их ориентации относи­тельно выбран­ной системы координат. Локационные системы очувствления роботов обычно реализуются в соответствии с концепцией «очувствленная рука» (рис. 5.31), при этом АЛС включаются в контур управления, а акустические датчики монтируются на исполнительном механизме.

АЛС классифицируются по пяти основным признакам.

1. По назначению: дальномеры, охранные устройства и системы безо­пасности, дефектоскопы и томографы.

2. По типу первичного преобразователя: пьезоэлектрические, магнитострикционные и электростатические.

3. По характеру частотного спектра сигнала: широкополосные, и резонансные.

4. По типу модулирующего воздействия: непрерывные и импульсные.

5. По избирательности: интерференционные и с широкой диаграммой направленности.