Пристрій акустичного спостереження з фокусуючою антеною

Реферат: Пристрій акустичного спостереження з фокусуючою антеною містить акустичну антену і приймач акустичного сигналу від акустичної антени. Акустична антена виконана із розташованим зі сторони приймача акустичного сигналу шаром матеріалу, характеризованим вищою, ніж у навколишньому середовищі, для приймання акустичного сигналу, в якому передбачений даний пристрій акустичного спостереження, швидкістю розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот, причому із забезпеченням зростання вказаної швидкості розповсюдження звукових коливань у вказаному шарі вздовж розташованої у площині поздовжньої осі акустичної антени твірної у напрямку від краю до основи акустичної антени. UA 110072 U (12) UA 110072 U UA 110072 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 повітряного і наземного 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 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; контролю стану будівельних конструкцій. Відомі пристрої акустичного спостереження [1, 2] та вибраний за найближчий аналог пристрій акустичного спостереження з фокусуючою антеною [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 стану роликових направляючих. Особливістю найближчого аналога [3] є те, що приймач акустичного сигналу може бути виконаним чутливим у широкому діапазоні частот. Недоліки вказаних пристроїв полягають у наступному. 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, фокусуються у точці геометричного фокусу сформованої параболи, де і розташовується приймач акустичного сигналу. Якщо б джерело звуку, під яким надалі розуміємо акустичні коливання довільного частотного діапазону, які можуть бути зареєстровані приймачем акустичного сигналу, розташовувалось на нескінченній відстані від акустичної антени, акустичні промені дійсно падали б на її поверхню паралельно до поздовжньої осі. Проте реальні джерела звуку розташовуються на скінченній відстані, при цьому при наближенні джерела звуку до акустичної антени точка фокусування швидко віддаляється від основи акустичної антени вздовж її осі, що не дозволяє оптимальним чином сфокусувати акустичні промені від розташованих на скінченній відстані від акустичної антени джерел звуку. В основу корисної моделі поставлена задача покращення звукофокусуючих характеристик пристрою акустичного спостереження з фокусуючою антеною, що має свій прояв у фокусуванні в області розташування приймача акустичного сигналу акустичних променів від різновіддалених джерел і 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 з фокусуючою антеною, що містить акустичну антену і приймач акустичного сигналу від акустичної антени, згідно з корисною моделлю, акустична антена виконана із розташованим зі сторони приймача акустичного сигналу шаром матеріалу, характеризованим вищою, ніж у навколишньому середовищі, для приймання акустичного сигналу, в якому передбачений даний пристрій акустичного спостереження, швидкістю розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот, причому із забезпеченням зростання вказаної швидкості розповсюдження звукових коливань у вказаному шарі вздовж розташованої у площині поздовжньої осі акустичної антени твірної у напрямку від краю до основи акустичної антени. В результаті забезпечується зміна напряму розповсюдження звукових променів, що потрапляють на внутрішню поверхню акустичної антени шляхом їх багатократного заломлення і відображення від границі вказаного шару, причому зміна напряму виявляється тим сильніше вираженою, чим більший початковий кут падіння на поверхню акустичної антени, завдяки чому і забезпечується фокусування. Вказаний зв'язок із початковим кутом падіння пояснюється наступним. При падінні променя акустичної хвилі на поверхню акустичної антени під кутом ia > ib після заломлення він продовжує свій шлях у матеріалі шару із заданим розподілом 1 UA 110072 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 властивостей щодо швидкості розповсюдження звукових коливань під кутом ra більшим, ніж кут rb розповсюдження заломленого променя, що потрапляє на поверхню акустичної антени під кутом ib. Далі обидва промені продовжують заломлюватись в напрямку протилежної, дальньої відносно приймача акустичного сигналу, поверхні вказаного шару матеріалу внаслідок того, що на шляху їх руху коефіцієнт заломлення акустичних хвиль пов'язаний із заданою, згідно з корисною моделлю, швидкістю розповсюдження звукових коливань у матеріалі вказаного шару зменшується. Внаслідок заданого, згідно з корисною моделлю, зростання швидкості розповсюдження звукових коливань у матеріалі вказаного шару обидва промені досягають вказаної дальньої поверхні шару матеріалу під різними кутами, а тому відображуються від неї під рівними їм відповідно різними кутами і, продовжуючи надалі поступово заломлюватись на шляху до початкової ближньої до приймача акустичного сигналу поверхні вказаного шару матеріалу, виходять з товщі вказаного шару у середовище внутрішньої порожнини акустичної антени у напрямках двох різних прямих, перетин яких визначає точку фокусування акустичних променів, що надійшли з різної відстані l > lb, а тому під різними кутами ia > ib. Крім цього, причиною падіння променів акустичних хвиль під великими кутами ia може бути їх надходження від джерел звуку, розташованих не фронтально до розтрубу акустичної антени, тобто бокових джерел звуку. При цьому завдяки реалізації запропонованої, згідно з корисною моделлю, конструкції забезпечується можливість механічного (фізичного) підсилення сигналів від таких джерел звуку шляхом фокусування хвиль, що передує подальшому аналоговому чи цифровому підсиленню акустичного сигналу, зареєстрованого приймачем, завдяки чому зберігається корисна інформація, яку несе сигнал, яка в іншому випадку могла б бути втрачена ще на етапі реєстрації приймачем ще до будь-якої обробки і підсилення. В іншій конкретній формі виконання пристрій акустичного спостереження з фокусуючою антеною, згідно з корисною моделлю, виконаний з багатошаровою акустичною антеною, хоча б один із шарів якої відповідає визначеним, згідно з корисною моделлю, вимогам щодо швидкості розповсюдження звукових коливань. В цьому випадку додатковий технічний результат полягає у забезпеченні іншими шарами акустичної антени та їх комбінацією додаткових корисних властивостей, зокрема достатньої жорсткості для експлуатації, захисного покриття від забруднень і механічних, корозійних та інших пошкоджень. Крім цього, основний технічний результат підсилюється при реалізації визначених, згідно з корисною моделлю, вимог щодо швидкості розповсюдження звукових коливань у декількох шарах акустичної антени. В іншій конкретній формі виконання пристрій акустичного спостереження з фокусуючою антеною, згідно з корисною моделлю, виконаний із шаром матеріалу одношарової чи багатошарової акустичної антени, який характеризується зростанням швидкості розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот у матеріалі вказаного шару за експоненціальним законом вздовж розташованої у площині поздовжньої осі акустичної антени твірної в напрямку від краю до основи акустичної антени пропорційно до степеня основи натурального логарифму із показником степеня, пропорційним квадрату відстані від краю акустичної антени вздовж вказаної твірної. В іншій конкретній формі виконання пристрій акустичного спостереження з фокусуючою антеною, згідно з корисною моделлю, виконаний із декількома шарами матеріалу антени, які характеризуються зміною швидкості розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот у матеріалі вказаних шарів, відповідно до відмінних між собою хоча б значеннями сталих коефіцієнтів законів. Це дозволяє підсилити основний технічний результат завдяки тому, що більш віддалені від приймача акустичного сигналу шари матеріалу акустичної антени виконані із забезпеченням більш інтенсивної зміни швидкості розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот у матеріалі вказаних шарів. Тоді промені, для достатнього заломлення яких не вистачає товщини розташованих ближче до приймача акустичного сигналу шарів, спрямовуються далі розташованими від приймача акустичного сигналу шарами акустичної антени. Така конструкція пристрою акустичного спостереження з фокусуючою антеною дозволяє фокусувати акустичні хвилі, що надходять від віддалених і близько розташованих, бокових і фронтальних до розтрубу акустичної антени джерел, забезпечуючи збереження корисної інформації, яку можуть нести ці сигнали, та їх механічне (фізичне) підсилення ще до етапу аналогово-цифрового перетворення. Принципова схема пристрою акустичного спостереження з фокусуючою антеною зображена на фіг. 1, схема заломлення і відображення акустичного променя у виконаних, згідно з корисною моделлю, шарах пристрою акустичного спостереження з фокусуючою антеною зображена на фіг. 2, схема розповсюдження акустичних променів, що потрапляють на виконаний, згідно з 2 UA 110072 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 корисною моделлю, шар пристрою акустичного спостереження з фокусуючою антеною під різними кутами, зображена на фіг. 3. Пристрій акустичного спостереження з фокусуючою антеною містить (фіг. 1) акустичну антену 1, приймач 2 акустичного сигналу від акустичної антени, розташований зі сторони приймача 2 акустичного сигналу шар 3 матеріалу акустичної антени 1, причому акустична антена 1 може бути виконана одношаровою або багатошаровою. На фіг. 1 також позначено поздовжню вісь 4, край 5 та основу 6 акустичної антени 1 та напрямки падіння на неї променів акустичних хвиль 7. Пристрій акустичного спостереження з фокусуючою антеною може містити суміщений чи відокремлений від приймача 2 акустичного сигналу підсилювач сигналу 8, який надалі може бути пов'язаним дротовим зв'язком 9, бездротовим чином чи бути конструктивно суміщеним із блоком аналогово-цифрового перетворювача 10, блоком обробки, аналізу і збереження даних 11, блоком взаємодії із оператором і управління 12; систему кріплення 13. Пристрій акустичного спостереження з фокусуючою антеною працює наступним чином. Як показано на фіг. 1, промені 7 падають на поверхню виконаного із заданою, згідно з корисною моделлю, у напрямку розташованої у площині поздовжньої осі 4 твірної акустичної антени 1 від краю 5 до основи 6 акустичної антени 1 швидкістю розповсюдження акустичних коливань шару матеріалу 3 акустичної антени 1 зі сторони приймача акустичного сигналу 2. Шляхом багатократного заломлення та відображення за участю матеріалу шару 3 промені 7, які, будучи згенерованими різновіддаленими та боковими джерелами, потрапляють на поверхню акустичної антени 1 під різними кутами падіння, фокусуються у області внутрішньої порожнини акустичної антени 1 і сприймаються приймачем акустичного сигналу 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, порівняння. 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 з фокусуючою антеною. Деталізовано хід променя 7, який потрапляє на позначену на фіг. 1 ділянку А поверхні акустичної антени 1, показано на фіг. 2. Промінь 7 падає на поверхню шару матеріалу 3 акустичної антени 1, виконаного із заданою, згідно з корисною моделлю, швидкістю розповсюдження акустичних коливань, під кутом і до нормалі n1n1 до цієї поверхні. Після заломлення па границі середовища внутрішньої порожнини акустичної антени 1 і матеріалу шару 3 промінь 7 продовжує свій рух під кутом r. Так як, згідно з корисною моделлю, швидкість розповсюдження акустичних коливань у матеріалі шару 3 зростає в напрямку, якому на фіг. 2 відповідає напрямок від нормалі n1n1 до нормалі n5n5, зміну цієї властивості матеріалу можна представити у вигляді наявності нескінченної кількості границі mm розділу фаз, кожна із яких характеризується певним сталим значенням швидкості розповсюдження акустичних коливань, у складі матеріалу шару 3, на кожній із яких відбувається додаткове заломлення променя 7 із кутами падіння і заломлення r відносно нормалей n2n2 до границь mm (на фіг. 2 для ясності креслення показана тільки одна така границя). По досягненню протилежної, дальньої відносно приймача акустичного сигналу 2, поверхні вказаного шару матеріалу 3 під кутом  до нормалі n3n3 дo неї заломлений промінь 7 відображується від вказаної поверхні під кутом к=і. Надалі відображений промінь 7 заломлюється на границях mm розділу фаз у складі матеріалу шару 3 із кутами падіння і і заломлення r відносно нормалей n4n4 до границь mm (на фіг. 2 для ясності креслення показана тільки одна така границя). По досягненні променем 7 початкової ближньої до приймача акустичного сигналу 2 поверхні шару матеріалу 3 під кутом i до нормалі n5n5 до вказаної поверхні, промінь 7 виходить з товщі вказаного шару 3 у середовище внутрішньої порожнини акустичної антени 1 під кутом r. Деталізовано хід двох променів 7, які потрапляють на поверхню шару матеріалу 3 акустичної антени 1 під кутами ia і ib до нормалі до вказаної поверхні, такими що ia > ib, показано на фіг. 3. Точковими лініями на фіг. 3 показано умовні границі mm розділу фаз, кожна із яких характеризується певним сталим значенням швидкості розповсюдження акустичних коливань, у складі матеріалу шару 3. Пунктирними лініями на фіг. 3 показано нормалі до границь розділу середовищ, матеріалів і фаз, на яких відбувається заломлення чи відображення променів. Літерами a та b на фіг. 3 показано точки заломлення променів 7 на границях вказаних фаз. Як видно з фіг. 3, поступово заломлюючись, промені 7 виходять з товщі 3 UA 110072 U 5 10 шару матеріалу 3 у середовище внутрішньої порожнини акустичної антени у напрямках двох різних прямих, перетин яких визначає точку F фокусування акустичних променів, що надійшли з різної відстані або від бокових джерел звуку, а тому під різними кутами ia > ib. Джерела інформації: 1. Патент WO2004017038A1. 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 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 15 20 25 30 35 40 45 50 1. Пристрій акустичного спостереження з фокусуючою антеною, що містить акустичну антену і приймач акустичного сигналу від акустичної антени, який відрізняється тим, що акустична антена виконана із розташованим зі сторони приймача акустичного сигналу шаром матеріалу, характеризованим вищою, ніж у навколишньому середовищі, для приймання акустичного сигналу, в якому передбачений даний пристрій акустичного спостереження, швидкістю розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот, причому із забезпеченням зростання вказаної швидкості розповсюдження звукових коливань у вказаному шарі вздовж розташованої у площині поздовжньої осі акустичної антени твірної у напрямку від краю до основи акустичної антени. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що акустична антена виконана багатошаровою із хоча б одним шаром матеріалу, характеризованим вищою, ніж у навколишньому середовищі, для приймання акустичного сигналу, в якому передбачений даний пристрій акустичного спостереження, швидкістю розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот, причому із забезпеченням зростання вказаної швидкості розповсюдження звукових коливань у вказаному шарі вздовж розташованої у площині поздовжньої осі акустичної антени твірної у напрямку від краю до основи акустичної антени. 3. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що розташований зі сторони приймача акустичного сигналу шар матеріалу антени виконаний зі зростанням швидкості розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот у матеріалі вказаного шару за експоненціальним законом вздовж розташованої у площині поздовжньої осі акустичної антени твірної в напрямку від краю до основи акустичної антени пропорційно до степеня основи натурального логарифму із показником степеня, пропорційним квадрату відстані від краю акустичної антени вздовж вказаної твірної. 4. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що акустична антена виконана багатошаровою із хоча б одним шаром матеріалу, виконаним зі зростанням швидкості розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот у матеріалі вказаного шару за експоненціальним законом вздовж розташованої у площині поздовжньої осі акустичної антени твірної в напрямку від краю до основи акустичної антени пропорційно до степеня основи натурального логарифму із показником степеня, пропорційним квадрату відстані від краю акустичної антени вздовж вказаної твірної. 5. Пристрій за п. 2, який відрізняється тим, що різні шари матеріалу акустичної антени виконані із забезпеченням зміни швидкості розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот у матеріалі вказаних шарів, відповідно до відмінних між собою хоча б значеннями сталих коефіцієнтів законів. 6. Пристрій за п. 5, який відрізняється тим, що більш віддалені від приймача акустичного сигналу шари матеріалу акустичної антени виконані із забезпеченням більш інтенсивної зміни швидкості розповсюдження звукових коливань реєстрованого діапазону частот у матеріалі вказаних шарів. 4 UA 110072 U 5 UA 110072 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський 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 6