Пристрій акустичного спостереження із заповненою порожниною акустичної антени

Реферат: Пристрій акустичного спостереження із заповненою порожниною акустичної антени містить акустичну антену і приймач акустичного сигналу від акустичної антени. Акустична антена виконана заповненою матеріалом, характеризованим анізотропними щодо швидкості розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частоти властивостями з найнижчими значеннями вказаної швидкості в області поздовжньої осі акустичної антени і одночасно в області розтрубу акустичної антени та зі зростанням вказаної швидкості радіально в напрямку від поздовжньої осі акустичної антени до зовнішньої сторони акустичної антени та поздовжньо в напрямку від розтрубу акустичної антени до її основи вздовж її поздовжньої осі. UA 109850 U (12) UA 109850 U UA 109850 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі вимірювальної техніки, превентивного моніторингу та контролю і може застосовуватись для діагностування деформацій і пошкоджень об'єктів, що супроводжуються виникненням у середовищі пружних механічних коливань, зокрема звукового діапазону, для реєстрації самого факту наявності акустичних збурень і для їх подальшого розпізнавання та ідентифікації, якщо джерело акустичних коливань знаходиться на певній віддалі від пристрою спостереження чи необхідно відокремити сигнал, що надходить з розташованого за певним напрямом у просторі джерела. Пристрій може застосовуватись для контролю наземного і повітряного простору аеропортів, полігонів, рівнинної чи гірської місцевості; акустико-сейсмічної розвідки в гірництві, як у відкритих, так і закритих розробках; для акустичного контролю лабораторних експериментів, зокрема при дослідженнях високошвидкісного удару, для аналізу процесів пошкодження матеріалу; для контролю стану будівельних конструкцій; для діагностики і моніторингу етапу лопатей вітрових установок, зокрема в процесі роботи, а також технічного стану промислового обладнання при встановленні пристрою акустичного спостереження в цеху, зокрема для контролю підшипників верстатів. Відомі пристрої акустичного спостереження [1; 2] та вибраний за найближчий аналог пристрій акустичного спостереження [3], що містять акустичну антену і приймач акустичного сигналу від акустичної антени, як такий може використовуватись чутливий мікрофон. Аналог [1] може застосовуватись для контролю стану обертових підшипників у цехових приміщеннях. Аналог [2] може застосовуватись для акустичного спостереження віддалених джерел звукових коливань. Найближчий аналог [3] може застосовуватись для моніторингу конвеєрів доставки породи в гірничій промисловості, зокрема етапу роликових направляючих. Особливістю найближчого аналога [3] є те, що приймач акустичного сигналу може бути виконаним чутливим у широкому діапазоні частот. В усіх випадках необхідною умовою забезпечення функціонування вказаних пристроїв є надання акустичній антені параболічної форми таким чином, що акустичні хвилі, які потрапляють на розтруб, під яким розуміють дальній від основи край акустичної антени, нормально до площини розтрубу, тобто паралельно поздовжній осі акустичної антени, відображуються від внутрішньої поверхні антени у напрямку точки геометричного фокусу сформованої параболи, де і розташовується приймач акустичного сигналу. На подальшому шляху променів вони повторно відображуються від внутрішньої поверхні антени і продовжують свій шлях паралельно її поздовжній осі. Так як відображення променів відбувається від усіх точок внутрішньої поверхні антени, а напрями розповсюдження падаючих і остаточно відображених від різних точок внутрішньої поверхні антени променів лежать на одній прямій, то для певного діапазону частот, залежно від розміру антени, відбувається взаємне посилення чи послаблення амплітуди коливань, зокрема приймач акустичного сигналу може опинитися у зоні пучності або вузла утвореної стоячої хвилі. Це призводить до спотворення реєстрованого акустичного сигналу і може критичним чином вплинути на результати його обробки і аналізу, що являється недоліком вказаних пристроїв. Підтвердженням даної проблеми є вказівки, приведені у описі аналога [2], щодо оптимального фокусування звуку різних частот на різних відстанях від приймача акустичного сигналу. В основу корисної моделі поставлена задача покращення звукофокусуючих характеристик пристрою акустичного спостереження, яке має свій прояв у фокусуванні в області розташування приймача акустичного сигналу акустичних хвиль різної частоти без перерозподілу енергії і амплітуди коливань між сусідніми точками у просторі для перешкоджання спотворенню реєстрованого сигналу, що дає змогу проводити поглиблений аналіз джерел звуку, зокрема при застосуванні пристрою для лабораторного контролю та діагностики, процесів пошкодження матеріалів під навантаженням. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій акустичного спостереження із заповненою порожниною акустичної антени, що містить акустичну антену і приймач акустичного сигналу від акустичної антени, згідно з корисною моделлю виконаний із акустичною антеною, заповненою матеріалом, характеризованим анізотропними щодо швидкості розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот властивостями з найнижчими значеннями вказаної швидкості в області поздовжньої осі акустичної антени і одночасно в області розтрубу акустичної антени та зі зростанням вказаної швидкості радіально в напрямку від поздовжньої осі акустичної антени до зовнішньої сторони акустичної антени та поздовжньо в напрямку від розтрубу акустичної антени до її основи вздовж її поздовжньої осі. В результаті забезпечується зміна напряму розповсюдження звукових променів, що потрапляють на поверхню розтрубу акустичної антени в різних точках розтрубу шляхом їх заломлення і відображення від границь областей матеріалу, характеризованих різними значеннями швидкості розповсюдження 1 UA 109850 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 звукових коливань реєстрованого діапазону частот, причому зміна напряму тим сильніше виражена, чим далі в радіальному напрямі від поздовжньої осі акустичної антени промінь потрапляє на її розтруб, а отже, забезпечується не тільки фокусування, але і результуюче розповсюдження падаючих в різних точках площини розтрубу променів вздовж різних траєкторій, що унеможливлює взаємне накладання променів із одного джерела із взаємним посиленням чи послабленням та утворенням стоячих хвиль, і значить, відсутність перерозподілу енергії і амплітуди коливань між сусідніми точками у просторі і спричиненого ним спотворення реєстрованого сигналу. Вказана залежність від відстані точки падіння променя до поздовжньої осі акустичної антени пояснюється наступним. При падінні променя акустичної хвилі на поверхню розтрубу акустичної антени на відстані r i = rа від поздовжньої осі він продовжує свій шлях у матеріалі заповнення із заданим, згідно з корисною моделлю, розподілом властивостей щодо швидкості розповсюдження звукових коливань, причому у тій області вказаного матеріалу, яка характеризується вищою швидкістю розповсюдження звукових коливань, ніж та область вказаного матеріалу, в якій розповсюджується промінь, що потрапляє на поверхню розтрубу акустичної антени на відстані ri = rb, де rb < ra. Далі обидва промені продовжують відображуватись на границях областей матеріалу, характеризованих вищими значеннями швидкості розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот, і заломлюватись на границях областей матеріалу, характеризованих нижчими значеннями вказаної швидкості, в напрямку поздовжньої осі акустичної антени внаслідок того, що за початковим напрямком їх руху коефіцієнт заломлення акустичних хвиль, пов'язаний зі швидкістю розповсюдження звукових коливань у матеріалі вказаного шару, зменшується. Внаслідок заданого, згідно з корисною моделлю, зростання швидкості розповсюдження звукових коливань у матеріалі заповнення акустичної антени обидва промені продовжують свій рух у матеріалі заповнення акустичної антени під змінними кутами та в розташованих під кутом один до одного напрямках, перетин яких визначає точку фокусування вказаних акустичних променів. Якщо властивості матеріалу заповнення змінюються поступово, то практично ламані лінії розповсюдження розглянутих променів приймають вигляд плавних кривих. Шлях розповсюдження вздовж акустичних променів тим довший, чим далі від поздовжньої осі акустичної антени потрапляє на її розтруб акустичний промінь. Завдяки тому, що і результуюча швидкість розповсюдження звуку вздовж відповідних кривих, які відповідають більшим відстаням ri точок падіння променів на поверхню розтрубу акустичної антени від її поздовжньої осі, більша, це призводить до уникнення появи зсуву фаз сфокусованих променів. Задавання властивостей швидкості розповсюдження звуку у матеріалі заповнення можливе, зокрема за рахунок використання як цього матеріалу композиційного матеріалу на основі комбінації часток та матриці із різними швидкостями звуку тапористого чи волокнистого наповнювача. В іншій конкретній формі виконання пристрій акустичного спостереження із заповненою порожниною акустичної антени, згідно з корисною моделлю, виконаний з акустичною антеною, заповненою матеріалом із вказаним розподілом властивостей щодо швидкості розповсюдження звуку, але при цьому в області розтрубу акустичної антени поблизу поздовжньої осі акустичної антени, яка характеризується, відповідно, найнижчими показниками швидкості розповсюдження звуку, забезпечуються такі властивості матеріалу заповнення, що вказана швидкість нижча, ніж у навколишньому середовищі, для приймання акустичного сигналу, в якому передбачений даний пристрій акустичного спостереження. В цьому випадку, крім основного технічного результату, додатковий технічний результат полягає у спрощенні технологічного процесу виготовлення матеріалу заповнення, зменшенні ваги конструкції пристрою акустичного спостереження та зменшенні його габаритних розмірів за рахунок використання легких пористих і волокнистих наповнювачів та забезпечення більших кутів викривлення траєкторії розповсюдження звукових променів у матеріалі заповнення від розтрубу до точки фокусування. В іншій конкретній формі виконання пристрій акустичного спостереження із заповненою порожниною акустичної антени, згідно з корисною моделлю, виконаний із акустичною антеною, заповненою матеріалом, який характеризується зростанням швидкості розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот у матеріалі заповнення акустичної антени за лінійним законом у радіальному напрямі у площинах, перпендикулярних до поздовжньої осі акустичної антени, пропорційно віддалі від вказаної осі. В іншій конкретній формі виконання пристрій акустичного спостереження із заповненою порожниною акустичної антени, згідно з корисною моделлю, виконаний із акустичною антеною, заповненою матеріалом, який характеризується зростанням швидкості розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот у матеріалі заповнення акустичної антени за лінійним законом у поверхнях чи площинах розташування поздовжньої осі акустичної антени 2 UA 109850 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 вздовж напрямку від розтрубу акустичної антени до основи акустичної антени і пропорційно віддалі від розтрубу акустичної антени до основи акустичної антени. В іншій конкретній формі виконання пристрій акустичного спостереження із заповненою порожниною акустичної антени, згідно з корисною моделлю, виконаний із акустичною антеною, заповненою матеріалом, який характеризується зростанням швидкості розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот у матеріалі заповнення акустичної антени у радіальному напрямі у площинах, перпендикулярних до поздовжньої осі акустичної антени, пропорційно квадрату віддалі від вказаної осі. В іншій конкретній формі виконання пристрій акустичного спостереження із заповненою порожниною акустичної антени, згідно з корисною моделлю, виконаний із акустичною антеною, заповненою матеріалом, який характеризується зростанням швидкості розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот у матеріалі заповнення акустичної антени у поверхнях чи площинах розташування поздовжньої осі акустичної антени вздовж напрямку від розтрубу акустичної антени до основи акустичної антени і пропорційно квадрату віддалі від розтрубу акустичної антени до основи акустичної антени. Така конструкція пристрою акустичного спостереження із заповненою порожниною акустичної антени дозволяє покращити якість реєстрованого акустичного сигналу завдяки уникненню спотворень при фокусуванні акустичних хвиль, що надходять від джерел різної частоти на поверхню розтрубу акустичної антени, а отже забезпечити збереження корисної інформації, яку несе реєстрований акустичний сигнал, та їх механічне (фізичне) підсилення ще до етапу аналогово-цифрового перетворення. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями. На фіг. 1 зображений загальний вигляд пристрою збоку у розрізі та спереду. На фіг. 2 зображена схема заломлення і відображення акустичних променів, що потрапляють на розтруб акустичної антени в області позначеної на фіг. 1 ділянки А пристрою. Пристрій акустичного спостереження із заповненою порожниною акустичної антени містить (фіг. 1) акустичну антену 1, приймач 2 акустичного сигналу від акустичної антени 1, причому акустична антена 1 виконана заповненою матеріалом 3. На фіг. 1 також позначено поздовжню вісь 4, розтруб 5, зовнішню сторону 6, основу 7 акустичної антени 1, напрямки падіння на неї променів акустичних хвиль 8, границі 9 областей матеріалу заповнення 3, характеризовані різними значеннями швидкості розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот. Пристрій акустичного спостереження із заповненою порожниною акустичної антени може містити суміщений чи відокремлений від приймача 2 акустичного сигналу підсилювач сигналу 10, який надалі може бути пов'язаним дротовим зв'язком 11, бездротовим чином чи бути конструктивно суміщеним із блоком аналогово-цифрового перетворювача 12, блоком обробки, аналізу і збереження даних 13, блоком взаємодії із оператором і управління 14, а також систему кріплення 15. Пристрій акустичного спостереження із заповненою порожниною акустичної антени працює наступним чипом. Як показано на фіг. 1, промені 8 падають на поверхню розтрубу 5 акустичної антени 1, потрапляючи на області матеріалу заповнення 3, характеризовані заданими, згідно з корисною моделлю, нижчими значеннями швидкості розповсюдження звуку реєстрованого діапазону частот у околі поздовжньої осі 4 акустичної антени 1 та вищими значеннями вказаної швидкості у околі зовнішньої сторони 6 акустичної антени 1. При їх подальшому розповсюдженні в напрямку від розтрубу 5 до основи 7 акустичної антени 1 промені 8, шляхом багатократного заломлення та відображення на границях 9 областей матеріалу заповнення 3, характеризованих різними значеннями швидкості розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот, фокусуються в області внутрішньої порожнини акустичної антени 1 і сприймаються приймачем акустичного сигналу 2, який генерує відповідний сигнал, що надалі підсилюється підсилювачем сигналу 10, передається дротовим зв'язком 11 чи бездротовим чином до блока аналогово-цифрового перетворювача 12, блока обробки, аналізу і збереження даних 13, блока взаємодії із оператором і управління 14. Блоком обробки, аналізу і збереження даних 13, крім іншого, може проводитись розрахунок параметрів сигналу, його перетворення, порівняння. Взаємодія із оператором блоком взаємодії із оператором і управління 14 може реалізовуватись візуальним, акустичним чи іншим способом, причому оператор може знаходитись на місці чи віддалено. Блоком взаємодії із оператором і управління 14 здійснюється зокрема керування приводами системи кріплення 15, якою задається напрям розташування акустичної антени 1, керування підсиленням сигналу та частотними фільтрами, а також іншими параметрами пристрою акустичного спостереження із заповненою порожниною акустичної антени. Області матеріалу заповнення 3, характеризовані різними значеннями швидкості розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот і відділені одна 3 UA 109850 U 5 10 15 20 від одної границями 9, є тим тоншими, чим більш плавною є зміна властивостей матеріалу щодо вказаної швидкості звукових коливань, а отже, при плавній зміні властивостей матеріалу щодо вказаної швидкості звукових коливань границі 9 є умовними. Зображена на фіг. 2 схема ілюструє траєкторії акустичних променів 8, що потрапляють на розтруб 5 на різних відстанях rа та rb, rb < rа, від поздовжньої осі 4 акустичної антени 1 в області позначеної на фіг. 1 ділянки А акустичної антени 1 пристрою акустичного спостереження із заповненою порожниною акустичної антени. Нормалі до границь 9 областей матеріалу заповнення 3, характеризованих різними значеннями швидкості розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот, а відповідно, різними значеннями коефіцієнта заломлення, у точках падіння акустичних променів позначені лініями nn. Проходження променем, якому відповідає відстань ra, більшої кількості розділених вказаними границями 9 областей матеріалу 3 призводить до більш вираженого викривлення його траєкторії та фокусування обох променів у точці перетину їх траєкторій. Джерела інформації: 1. Патент WO2004017038A1. Detector of defects fоr rotating machinery / Hiramatsu Katsumi, Oishi Michitoshi. - Опубл. 26.02.2004. - аналог. 2. Патент US3895188 A. Sound collecting device / Ingraham Everett L. - Опубл. 15.07.1975. аналог. 3. Патент WO2011160651A1. Acoustic sensor unit comprising a paraboloidal collector, and a machine condition monitoring unit adapted to be coupled to such acoustic sensor unit / Collyer R. Опубл. 29.12.2011. - найближчий аналог. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 35 40 45 50 55 60 1. Пристрій акустичного спостереження із заповненою порожниною акустичної антени, що містить акустичну антену і приймач акустичного сигналу від акустичної антени, який відрізняється тим, що акустична антена виконана заповненою матеріалом, характеризованим анізотропними щодо швидкості розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот властивостями з найнижчими значеннями вказаної швидкості в області поздовжньої осі акустичної антени і одночасно в області розтрубу акустичної антени та зі зростанням вказаної швидкості радіально в напрямку від поздовжньої осі акустичної антени до зовнішньої сторони акустичної антени та поздовжньо в напрямку від розтрубу акустичної антени до її основи вздовж її поздовжньої осі. 2. Пристрій акустичного спостереження із заповненою порожниною акустичної антени за п. 1, який відрізняється тим, що акустична антена виконана з найнижчими значеннями швидкості розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот в області розтрубу акустичної антени і одночасно в області поздовжньої осі акустичної антени, меншими за швидкість розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот у навколишньому середовищі, для приймання акустичного сигналу, в якому передбачений даний пристрій акустичного спостереження. 3. Пристрій акустичного спостереження із заповненою порожниною акустичної антени за п. 1, який відрізняється тим, що акустична антена виконана зі зростанням швидкості розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот у матеріалі заповнення акустичної антени за лінійним законом у радіальному напрямі у площинах, перпендикулярних до поздовжньої осі акустичної антени, пропорційно віддалі від вказаної осі. 4. Пристрій акустичного спостереження із заповненою порожниною акустичної антени за п. 1, який відрізняється тим, що акустична антена виконана зі зростанням швидкості розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот у матеріалі заповнення акустичної антени за лінійним законом у поверхнях чи площинах розташування поздовжньої осі акустичної антени вздовж напрямку від розтрубу акустичної антени до основи акустичної антени і пропорційно віддалі від розтрубу акустичної антени до основи акустичної антени. 5. Пристрій акустичного спостереження із заповненою порожниною акустичної антени за п. 1, який відрізняється тим, що акустична антена виконана зі зростанням швидкості розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот у матеріалі заповнення акустичної антени у радіальному напрямі у площинах, перпендикулярних до поздовжньої осі акустичної антени, пропорційно квадрату віддалі від вказаної осі. 6. Пристрій акустичного спостереження із заповненою порожниною акустичної антени за п. 1, який відрізняється тим, що акустична антена виконана зі зростанням швидкості розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот у матеріалі заповнення акустичної антени у поверхнях чи площинах розташування поздовжньої осі акустичної антени 4 UA 109850 U вздовж напрямку від розтрубу акустичної антени до основи акустичної антени і пропорційно квадрату віддалі від розтрубу акустичної антени до основи акустичної антени. Комп’ютерна верстка Т. Вахричева Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут інтелектуальної власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5