Пристрій акустичного спостереження із заповненою шаруватим матеріалом порожниною акустичної антени

Реферат: Пристрій акустичного спостереження із заповненою шаруватим матеріалом порожниною акустичної антени містить акустичну антену і приймач акустичного сигналу від акустичної антени. Акустична антена виконана заповненою шаруватим матеріалом із концентричними шарами, із яких більш віддалені від поздовжньої осі акустичної антени концентричні шари характеризовані вищою швидкістю розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот порівняно із більш наближеними до поздовжньої осі акустичної антени концентричними шарами, причому границі вказаних концентричних шарів виконані із матеріалу, характеризованого вищою швидкістю розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот порівняно із матеріалом вказаних концентричних шарів, а також із розташуванням вказаних концентричних шарів одним краєм у площині розтрубу акустичної антени та іншим краєм у області розташування приймача акустичного сигналу. UA 110102 U (12) UA 110102 U UA 110102 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі вимірювальної техніки, превентивного контролю та моніторингу 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 джерела, розташованого за певним напрямом у просторі. 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 стану 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 як найближчий аналог пристрій акустичного спостереження [3], що містять акустичну антену і приймач акустичного сигналу від акустичної антени, за який 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, стану 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 розтруба, 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, наведені у описі аналога [2], щодо оптимального фокусування звуку різних частот на різних відстанях від приймача акустичного сигналу. В основу корисної моделі поставлено задачу 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 шаруватим матеріалом порожниною акустичної антени, що містить акустичну антену і приймач акустичного сигналу від акустичної антени, згідно з корисною моделлю, виконаний із акустичною антеною, заповненою шаруватим матеріалом із концентричними шарами, із яких більш віддалені від поздовжньої осі акустичної антени концентричні шари характеризовані вищою швидкістю розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот порівняно із більш наближеними до поздовжньої осі акустичної антени концентричними шарами, причому границі вказаних концентричних шарів виконані із матеріалу, характеризованого вищою швидкістю розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот порівняно із матеріалом вказаних концентричних шарів, а також із розташуванням вказаних концентричних шарів одним краєм у площині розтруба акустичної антени та іншим краєм у області розташування приймача акустичного сигналу. В результаті забезпечується зміна напряму 1 UA 110102 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 розповсюдження звукових променів, що потрапляють па поверхню розтруба акустичної антени в різних точках розтруба, шляхом їх відображення від границь вказаних концентричних шарів матеріалу, так як матеріал, із якого виконані ці границі, характеризується вищими значеннями швидкості розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот, а значить, відмінним показником заломлення. Промені розповсюджуються у концентричних шарах акустичної антени, відображуючись від границь цих шарів, притому з більш високою швидкістю у шарах, більш віддалених від поздовжньої осі акустичної антени, внаслідок цього звук як від більш наближених до поздовжньої осі акустичної антени, так і від більш віддалених від неї точок розтруба акустичної антени спрямовується в область розташування приймача акустичного сигналу. В іншій конкретній формі виконання, пристрій акустичного спостереження із заповненою шаруватим матеріалом порожниною акустичної антени, згідно з корисною моделлю, виконаний з концентричними шарами зменшуваної в напрямку від розтруба акустичної антени до приймача акустичного сигналу товщини. В цьому випадку крім основного технічного результату додатково забезпечується локалізація області розташування приймача акустичного сигналу, що дозволяє або зменшити його розміри, або збільшити поверхню розтруба акустичної антени, а значить, поверхню, з якої сприймається і підсилюється корисний сигнал, тобто покращити звукофокусуючі параметри пристрою. В іншій конкретній формі виконання, пристрій акустичного спостереження із заповненою шаруватим матеріалом порожниною акустичної антени, згідно з корисною моделлю, виконаний таким чином, що швидкість розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот у матеріалі кожного концентричного шару акустичної антени пропорційна до довжини шляху нормального до поверхні розтруба акустичної антени променя від точки, розташованої у площині розтруба акустичної антени в радіальному напрямі рівновіддалено від границь вказаного шару, до точки розташування приймача акустичного сигналу для шару. В цьому випадку крім основного технічного результату додатково забезпечується відсутність зсуву фаз між акустичними променями, що розповсюджуються в рамках різних шарів матеріалу, в момент досягнення ними приймача акустичного сигналу, тобто покращення звукофокусуючих характеристик пристрою. Така конструкція пристрою акустичного спостереження із заповненою шаруватим матеріалом порожниною акустичної антени дозволяє покращити якість реєстрованого акустичного сигналу завдяки уникненню спотворень при фокусуванні акустичних хвиль, що надходять від джерел різної частоти на поверхню розтруба 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 пристрою. Пристрій акустичного спостереження із заповненою шаруватим матеріалом порожниною акустичної антени містить (фіг. 1) акустичну антену 1, приймач 2 акустичного сигналу від акустичної антени 1, причому акустична антена 1 виконана заповненою шаруватим матеріалом із концентричними шарами 3, із яких більш віддалені від поздовжньої осі 4 акустичної антени 1 характеризовані вищою швидкістю розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот порівняно із більш наближеними до поздовжньої осі 4 акустичної антени 1, причому концентричні шари 3 обмежені границями 5, виконаними із матеріалу, характеризованого вищою швидкістю розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот порівняно із матеріалом концентричних шарів 3, із забезпеченням розташування вказаних концентричних шарів 3 одним краем у площині розтруба 6 акустичної антени 1 та іншим краєм у області розташування приймача 2 акустичного сигналу. На фіг. 1 також позначено можливі напрямки падіння на розтруб акустичної антени променів акустичних хвиль 7. Пристрій акустичного спостереження із заповненою шаруватим матеріалом порожниною акустичної антени може містити суміщений чи відокремлений від приймача 2 акустичного сигналу підсилювач сигналу 8, який падалі може бути пов'язаним дротовим зв'язком 9, бездротовим чином чи бути конструктивно суміщеним із блоком аналоговоцифрового перетворювача 10, блоком обробки, аналізу і збереження даних 11, блоком взаємодії із оператором і управління 12, а також систему кріплення 13. Пристрій акустичного спостереження із заповненою шаруватим матеріалом порожниною акустичної антени працює наступним чином. Як показано на фіг. 1, промені 7 падають па поверхню розтруба 6 акустичної антени 1, зокрема, потрапляючи у матеріал концентричних 2 UA 110102 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 шарів 3. Падаючі вказані промені розповсюджуються у матеріалі концентричних шарів 3, характеризованих заданими згідно з корисною моделлю значеннями швидкості розповсюдження звуку реєстрованого діапазону частот, відображуючись від матеріалу границь 5, притому розповсюджуються швидше у концентричних шарах 3, більш віддалених від поздовжньої осі 4 акустичної антени 1, так що звук як від більш наближених до неї, так і від більш віддалених від неї точок розтруба 6 спрямовується в область розташування приймача 2 акустичного сигналу. Акустичні коливання сприймаються приймачем 2, який генерує відповідний сигнал, що надалі підсилюється підсилювачем сигналу 8, передається дротовим зв'язком 9 чи бездротовим чином до блока аналогово-цифрового перетворювача 10, блока обробки, аналізу і збереження даних 11, блока взаємодії із оператором і управління 12. Блоком обробки, аналізу і збереження даних 11, крім іншого, може проводитись розрахунок параметрів сигналу, його перетворення, порівняним. Взаємодія із оператором блоком взаємодії із оператором і управління 12 може реалізовуватись візуальним, акустичним чи іншим способом, причому оператор може знаходитись на місці чи віддалено. Блоком взаємодії із оператором і управління 12 здійснюється, зокрема, керування приводами системи кріплення 13, якою задається напрям розташування акустичної антени 1, керування підсиленням сигналу та частотними фільтрами, а також іншими параметрами пристрою акустичного спостереження із заповненою шаруватим матеріалом порожниною акустичної антени. Зображена на фіг. 2 схема ілюструє траєкторії акустичних променів 7, що потрапляють на розтруб 6 на різних відстанях rа та rb від поздовжньої осі 4 акустичної антени 1, а тому потрапляють на різні концентричні шари 3 і продовжують своє розповсюдження у цих шарах вздовж відокремлених траєкторій внаслідок відображення кожного з променів від границь 5 цих шарів, якими перемежовані концентричні шари 3, до досягнення приймача 2 акустичного сигналу. Нормалі до границь матеріалів, із яких виконані концентричні шари 3 і їх границі 5, характеризованих різними значеннями швидкості розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот, а відповідно, різними значеннями коефіцієнту заломлення, у точках падіння акустичних променів позначені лініями nn. У конкретній формі виконання пристрій виконаний таким чином, що швидкість розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот у матеріалі кожного із концентричних шарів 3 пропорційна до довжини траєкторії, тобто до шляху, який проходять падаючі нормально до поверхні розтруба 6 акустичної антени 1 у точках Сі кожного з цих шарів акустичні промені 7 до приймача 2 акустичного сигналу. Наприклад, проекція такої траєкторії для шару, розташованого в околі поздовжньої осі 4 акустичної антени 1 на вказану вісь рівна відстані l від розтруба б до приймача 2 акустичного сигналу. При цьому під точками Сі розуміють точки перетину площини розтруба 6 акустичної антени 1 і серединних поверхонь концентричних шарів 3, приклади таких серединних поверхонь показані на фіг. 2 осьовими лініями. В такому випадку точки С і розташовані у радіальному напрямі від поздовжньої осі 4 акустичної антени 1 пристрою рівновіддалено від границь відповідних концентричних шарів 3. В результаті цього проходження, наприклад, променем 7, якому відповідає відстань rа, довшої траєкторії, ніж променем 7, якому відповідає відстань rb, відбувається за пропорційно швидший проміжок часу, а отже, точку розташування приймача 2 вони досягають без зсуву фаз. Джерела інформації: 1. Патент WO2004017038 A1. Detector of defects for 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 WO2011160651 Α1. Acoustic sensor unit comprising a paraboloidal collector, and a machine condition monitoring unit adapted to be coupled to such acoustic sensor unit. Collycr, R. Опубл. 29.12.2011, - прототип. 50 3 UA 110102 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 1. Пристрій акустичного спостереження із заповненою шаруватим матеріалом порожниною акустичної антени, що містить акустичну антену і приймач акустичного сигналу від акустичної антени, який відрізняється тим, що акустична антена виконана заповненою шаруватим матеріалом із концентричними шарами, із яких більш віддалені від поздовжньої осі акустичної антени концентричні шари характеризовані вищою швидкістю розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот порівняно із більш наближеними до поздовжньої осі акустичної антени концентричними шарами, причому границі вказаних концентричних шарів виконані із матеріалу, характеризованого вищою швидкістю розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот порівняно із матеріалом вказаних концентричних шарів, а також із розташуванням вказаних концентричних шарів одним краєм у площині розтруба акустичної антени та іншим краєм у області розташування приймача акустичного сигналу. 2. Пристрій акустичного спостереження із заповненою шаруватим матеріалом порожниною акустичної антени за п. 1, який відрізняється тим, що товщина концентричних шарів матеріалу акустичної антени зменшується в напрямку від розтруба акустичної антени до приймача акустичного сигналу. 3. Пристрій акустичного спостереження із заповненою шаруватим матеріалом порожниною акустичної антени за п. 1, який відрізняється тим, що швидкість розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот у матеріалі кожного концентричного шару акустичної антени пропорційна до довжини шляху нормального до поверхні розтруба акустичної антени променя від точки, розташованої у площині розтруба акустичної антени в радіальному напрямі рівновіддалено від границь вказаного концентричного шару, до точки розташування приймача акустичного сигналу. 4 UA 110102 U Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко 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