RU2232400C2

RU2232400C2 - Method and device for determination of direction to sound source

Info

Publication number: RU2232400C2
Application number: RU2000126188/09A
Authority: RU
Inventors: Н.В. Алексеев (RU); Н.В. Алексеев; А.А. Вейп (RU); А.А. Вейп; Д.В. Кованько (RU); Д.В. Кованько; Б.М. Мартинсон (RU); Б.М. Мартинсон; Г.К. Миалович (RU); Г.К. Миалович; Л.Ф. Мусин (RU); Л.Ф. Мусин; Е.А. Цветков (RU); Е.А. Цветков; О.Г. Шахрай (RU); О.Г. Шахрай
Original assignee: Алексеев Николай Васильевич; Вейп Арнольд Августович; Кованько Дмитрий Владимирович; Мартинсон Борис Мартинович; Миалович Григорий Константинович; Мусин Лев Федорович; Цветков Евгений Анатольевич; Шахрай Олег Георгиевич
Priority date: 2000-10-17
Filing date: 2000-10-17
Publication date: 2004-07-10

Abstract

FIELD: measurement of sound pressure in an acoustic wave.

SUBSTANCE: to determine the direction to a sound source in plane, a laser beam is directed to the medium under investigation perpendicularly to the plane. After the focusing lens the light beam is divided into two beams. The light beams are directed to two blades. The edges of the blades or lines, along which a phase jump occurs, are installed mutually perpendicularly. Then, the light is directed to two photodetectors. The output signals of the latters get amplified. The amplified signals are summed up, the signal at the output of the adder is maintained constant due to the feedback loop from the adder output to the inputs of the amplifiers. The direction of the line along which the local spot deflects is determined by the value of one of the signals at the output of the amplifiers with due account made for the phase of the signals. The direction to the sound source is parallel with this line.

EFFECT: expanded potentialities and reduced interference.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к способам определения направления на источник звука и устройствам, их реализующим.The invention relates to the field of instrumentation, and in particular to methods for determining the direction to a sound source and devices that implement them.

Известны способы определения направления на источник звука (К. Клей, Г. Медвин. Акустическая океанография. М.: Мир, 1980, стр. 170) с помощью линейки из n электроакустических преобразователей, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Электрические сигналы с выходов преобразователей подают на n линий задержки (см. фиг. 1). Меняя t (разницу в задержках сигнала между соседними линиями задержки), меняют задержку сигнала τ =(n-1)Δ t на выходах линий задержки.Known methods for determining the direction to the sound source (K. Clay, G. Medvin. Acoustic oceanography. M .: Mir, 1980, p. 170) using a line of n electro-acoustic transducers located at the same distance from each other. Electrical signals from the outputs of the converters are fed to n delay lines (see Fig. 1). Changing t (the difference in signal delays between adjacent delay lines), the signal delay τ = (n-1) Δ t at the outputs of the delay lines is changed.

Направление на источник звука определяют по максимуму суммарного сигнала с выходов линий задержки при изменении t или по максимуму взаимно корреляционной функции. Угол направления на источник звукаThe direction to the sound source is determined by the maximum of the total signal from the outputs of the delay lines when t changes or by the maximum of the cross-correlation function. Direction angle to sound source

где t_max - t, соответствующая максимуму сигнала;where t _max - t, corresponding to the maximum signal;

Δ l - расстояние между преобразователями;Δ l is the distance between the transducers;

с - скорость звука.c is the speed of sound.

Этот способ имеет тот недостаток, что при движении антенны в среде возникает добавочный шум (по отношению к шуму прибора и среды), вызванный обтеканием средой защитного колпака антенны.This method has the disadvantage that when the antenna moves in the medium, additional noise (in relation to the noise of the device and the medium) arises due to the flow around the protective cap of the antenna.

Перспективным для регистрации звуковой волны является использование метода Теплера, регистрирующего наличие в среде градиента показателя преломления (плотности), так как пучок света не вносит изменений в среду. Угол отклонения светового пучкаA promising method for detecting a sound wave is the use of the Toepler method, which registers the presence in the medium of a gradient of the refractive index (density), since the light beam does not introduce changes in the medium. Beam Deflection Angle

где z - направление, перпендикулярное направлению светового пучка;where z is the direction perpendicular to the direction of the light beam;

n - показатель преломления среды;n is the refractive index of the medium;

L - длина светового пучка в среде.L is the length of the light beam in the medium.

где

=1,5× 10^-10 1/Па - градиент показателя преломления по давлению.Where

= 1.5 × 10 ^-10 1 / Pa is the gradient of the refractive index by pressure.

Изменение угла θ определяют методом Теплера по изменению мощности светового сигнала за ножом, который располагают в фокусе объектива, фокусирующего пучок света, с помощью фотоприемника, на выходе которого меняется электрический сигнал (М.А. Брамсон, Э.И. Красовский, Б.В. Наумов, Морская рефрактометрия, Л.: Гидрометеоиздат, 1986, с.183).The change in the angle θ is determined by the Toepler method by changing the power of the light signal behind the knife, which is placed in the focus of the lens focusing the light beam, using a photodetector, the output of which changes the electric signal (M.A. Bramson, E.I. Krasovsky, B.V. Naumov, Marine Refractometry, L .: Gidrometeoizdat, 1986, p. 183).

С помощью этого способа, не внося изменений в среду, можно определить наличие акустической волны, но нельзя определить направление на источник звука.Using this method, without making changes to the environment, you can determine the presence of an acoustic wave, but you can not determine the direction to the sound source.

В качестве прототипа выбран теневой фотоэлектрический способ регистрации изменения давления (Л.А. Васильев, Теневые методы, М.: Наука, 1969, стр. 60).As a prototype, a shadow photoelectric method for recording pressure changes was selected (L.A. Vasiliev, Shadow methods, M .: Nauka, 1969, p. 60).

В фотоэлектрическом способе в качестве ножа предполагается использовать нож в виде полуплоскости или нож, осуществляющий преобразование Гильберта (Л.М. Сорока, Основы голографии и когерентной оптики. М.: Наука, стр 117), который повышает чувствительность метода.In the photoelectric method, it is proposed to use a knife in the form of a half-plane or a knife performing the Hilbert transform (L. M. Soroka, Fundamentals of Holography and Coherent Optics. M .: Nauka, p. 117), which increases the sensitivity of the method.

Целью предлагаемого изобретения является:The aim of the invention is:

- расширение возможностей теневого метода за счет определения проекции на полуплоскость вектора направления на источник звука;- expanding the capabilities of the shadow method by determining the projection onto the half-plane of the direction vector to the sound source;

- уменьшение шумов акустической антенны за счет использования в качестве чувствительного элемента лазерного пучка, не вносящего изменений плотности в среду;- reduction of noise of the acoustic antenna due to the use of a laser beam as a sensitive element that does not introduce density changes in the medium;

- уменьшение числа элементов акустической антенны до одного.- reducing the number of elements of the acoustic antenna to one.

Указанная цель достигается тем, что при использовании теневого метода световой (лазерный) пучок направляют в исследуемую среду перпендикулярно плоскости, в которой производят определение направления на источник звука.This goal is achieved by the fact that when using the shadow method, the light (laser) beam is directed into the medium under investigation perpendicular to the plane in which the direction to the sound source is determined.

После фокусирующего объектива пучок делят на два пучка (см. фиг. 3). Пучки света направляют на два ножа. Кромки ножей, или линии, по которым происходит фазовый скачек, устанавливают взаимно перпендикулярно (см. фиг. 2). Далее, после ножей свет направляют на два фотоприемника. Электрические сигналы с выходов фотоприемников квадрируют и усиливают. Суммарное напряжение сигнала на выходе сумматора поддерживают постоянным за счет петли обратной связи с выхода сумматора на вход усилителей. По величине одного из сигналов на выходе усилителей и фазовому сдвигу между сигналами определяют направление линии, по которой отклоняется фокальное пятно. Направление на источник звука совпадает с этим направлением (см. фиг. 2), по фазовому сдвигу определяют с какой стороны приходит звук, слева или справа от нормали к световому пучку (углы φ и -φ фиг. 2). Одновременно контролируют величины сигналов на выходе фотоприемников. Если сигналы на выходе обоих фотоприемников ниже заданной величины, измерения прекращают.After the focusing lens, the beam is divided into two beams (see Fig. 3). Bundles of light are sent to two knives. The edges of the knives, or the lines along which the phase jump occurs, are set mutually perpendicular (see Fig. 2). Next, after the knives, the light is sent to two photodetectors. The electrical signals from the outputs of the photodetectors are squared and amplified. The total voltage of the signal at the output of the adder is kept constant due to the feedback loop from the output of the adder to the input of the amplifiers. The magnitude of one of the signals at the output of the amplifiers and the phase shift between the signals determine the direction of the line along which the focal spot deviates. The direction to the sound source coincides with this direction (see Fig. 2), the phase shift determines which side the sound comes from, to the left or right of the normal to the light beam (angles φ and -φ of Fig. 2). At the same time control the magnitude of the signals at the output of the photodetectors. If the signals at the output of both photodetectors are below a predetermined value, the measurements are stopped.

С целью расширения возможностей предлагаемого способа за счет определения направления на источник звука в пространстве используют два теневых фотоэлектрических прибора, в среду направляют два световых (лазерных) пучка под углом 90° друг к другу, каждый пучок направляют на свой фокусирующий объектив, светоделитель, ножи и пару фотоприемников. По информации, полученной с двух пар фотоприемников, определяют, как описано выше, проекции вектора звуковой волны на две взаимно перпендикулярные плоскости и направление на источник звука.In order to expand the capabilities of the proposed method, two shadow photoelectric devices are used to determine the direction to the sound source in space, two light (laser) beams are sent to the medium at an angle of 90 ° to each other, each beam is sent to its focusing lens, beam splitter, knives and a couple of photodetectors. According to the information obtained from two pairs of photodetectors, it is determined, as described above, the projection of the sound wave vector onto two mutually perpendicular planes and the direction to the sound source.

Для реализации предлагаемого способа в теневом фотоэлектрическом приборе, состоящем из лазера, коллиматора, защитного стекла, измерительного объема, защитного стекла, фокусирующего объектива, светоделителя, двух ножей, осуществляющих преобразование Гильберта, или ножей в виде полуплоскости, установленных после светоделителя, двух фотоприемников, ножи установлены так, что их кромки, или линии, вдоль которых происходит фазовый скачек, взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной оптической оси теневого прибора, выходы фотоприемников подключены к квадраторам, выходы которых подключены к усилителям, выходы усилителей подключены к сумматору, выход сумматора подключен к усилителям, выходы фотоприеников подключены к пороговым устройствам, выходы которых подключены к схеме ИЛИ, выход схемы ИЛИ подключен к логической матрице, выходы фотоприемников подключены к фазовому детектору, выход которого подключен к логической матрице, выход одного из усилителей подключен к аналого-цифровому преобразователю, выход которого подключен к логической матрице.To implement the proposed method in a shadow photoelectric device consisting of a laser, a collimator, a protective glass, a measuring volume, a protective glass, a focusing lens, a beam splitter, two knives performing the Hilbert transform, or knives in the form of a half-plane installed after the beam splitter, two photodetectors, knives set so that their edges, or lines along which the phase jump occurs, are mutually perpendicular and lie in a plane perpendicular to the optical axis of the shadow device, the outputs the detectors are connected to quadrants, the outputs of which are connected to the amplifiers, the outputs of the amplifiers are connected to the adders, the output of the adder is connected to the amplifiers, the outputs of the photodetectors are connected to threshold devices, the outputs of which are connected to the OR circuit, the output of the OR circuit is connected to the logic matrix, the outputs of the photodetectors are connected to the phase a detector whose output is connected to the logic matrix, the output of one of the amplifiers is connected to an analog-to-digital converter, the output of which is connected to the logic matrix.

На фиг. 3 изображены оптическая и структурная схемы предлагаемого оптико-электрического устройства для определения проекции на полуплоскость вектора направления на источник звука, которое содержит лазер 1, коллиматор 2, защитные стекла 3, 4, фокусирующий объектив 5, светоделитель 6, ножи, осуществляющие преобразования Гильберта или в виде полуплоскости 7, 10, согласующие объективы 8, 11, фотоприемники 9, 12, квадраторы 14, 18, усилители 15, 19, сумматор 16, пороговые устройства 17, 20, схему ИЛИ 21, аналого-цифровой преобразователь 22, логическую матрицу 23, фазовый детектор 13; между защитными стеклами 3, 4 расположен объем измерения.In FIG. 3 shows the optical and structural diagrams of the proposed optical-electric device for determining the projection onto the half-plane of the direction vector to the sound source, which contains a laser 1, a collimator 2, protective glasses 3, 4, a focusing lens 5, a beam splitter 6, knives that perform Hilbert transforms or in the form of a half-plane 7, 10, matching lenses 8, 11, photodetectors 9, 12, quadrants 14, 18, amplifiers 15, 19, adder 16, threshold devices 17, 20, OR 21 circuit, analog-to-digital converter 22, logical matrix 23, phase de Héctor 13; between the protective glasses 3, 4 is the measurement volume.

Световой пучок лазера 1 попадает на коллиматор 2, где расширяется для уменьшения помехи из объема измерения от рассеивающих свет частиц. Пройдя защитное стекло 3, объем измерения и защитное стекло 4, свет фокусируется объективом 5 и делится на два сходящихся пучка светоделителем 6, после которого свет попадает на ножи 7, 10, установленные так, что их кромки, или линии, вдоль которых происходит фазовый скачек, взаимно перпендикулярны, поэтому фотоприемник 9 чувствует изменение света, пропорциональное проекции отрезка перемещения фокального пятна на ось симметрии ножа 7 (ось Х’, фиг. 2), а фотоприемник 12 - пропорциональное перемещение фокального пятна на ось симметрии ножа 10 (ось Y’’, фиг. 3), таким образом, на выходе фотоприемников появляются электрические сигналы, содержащие информацию о направлении отклонения лазерного пучка в плоскости ножей, т.е. о направлении проекции вектора звуковой волны на плоскость в измерительном объеме, перпендикулярную оси светового пучка и параллельную плоскости X, Y (см. фиг. 2). Когда одна из проекций вектора, лежащего в плоскости X, Y, меняет знак, меняется фаза сигнала на выходе соответствующего фотоприемника.The light beam of the laser 1 enters the collimator 2, where it is expanded to reduce interference from the measurement volume from light scattering particles. After passing through the protective glass 3, the measurement volume and the protective glass 4, the light is focused by the lens 5 and divided into two converging beams by a beam splitter 6, after which the light enters the knives 7, 10, set so that their edges, or lines along which the phase jump occurs are mutually perpendicular, therefore, the photodetector 9 senses a change in light proportional to the projection of the segment of movement of the focal spot on the axis of symmetry of the knife 7 (X axis, Fig. 2), and the photodetector 12 - proportional movement of the focal spot on the axis of symmetry of the knife 10 (axis Y ' , Fig. 3), thus the output of photodetectors appear electrical signals containing information about the direction of the laser beam deflection in the plane of the blades, i.e. the direction of the projection of the sound wave vector onto a plane in the measuring volume perpendicular to the axis of the light beam and parallel to the X, Y plane (see Fig. 2). When one of the projections of a vector lying in the X, Y plane changes sign, the phase of the signal at the output of the corresponding photodetector changes.

Электрическая схема предлагаемого устройства, структура которого приведена на фиг. 3, решает задачу обработки этой информации и определяет направление отклонения пучка света без зависимости от величины отклонения фокального пятна, а также прерывает обработку информации при величине сигналов на выходе обоих фотоприемников ниже пороговой величины.The electrical circuit of the proposed device, the structure of which is shown in FIG. 3, solves the problem of processing this information and determines the direction of deviation of the light beam without depending on the deviation of the focal spot, and also interrupts the processing of information when the magnitude of the signals at the output of both photodetectors is below a threshold value.

Сигналы с выхода фотоприсмников 9, 12 поступают на входы квадраторов 14, 18, с выхода которых сигналы поступают на входы усилителей 15, 19, с выхода которых сигналы поступают на вход сумматора 16, сигнал обратной связи с выхода сумматора поступает на входы усилителей 15, 19, обеспечивая постоянную величину сигнала на выходе сумматора 16, благодаря этому сигналы на выходе усилителей нормированы на заранее выставленную величину выходного напряжения сумматора и пропорциональны sin²φ и cos²φ , где φ - угол между осью симметрии Х и линией, проходящей через начало координат и центр фокального пятна, определяет направление на источник звука; электрические сигналы с выходов фотоприемников 9, 12 поступают на пороговые устройства 17, 20, с выходов которых сигналы поступают на схему ИЛИ 21; при слабом сигнале, когда не срабатывает ни одно из пороговых устройств, на выходе схемы ИЛИ не появляется разрешающий обработку информации сигнал; сигнал с выхода фотоприемников поступает на фазовый детектор 13, с выхода одного из усилителей сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 22, с выхода которого сигнал поступает на вход логической матрицы 23; с выходов схемы ИЛИ и фазового детектора сигналы поступают на входы логической матрицы 23.The signals from the output of the photodetectors 9, 12 are fed to the inputs of the quadrants 14, 18, from the output of which the signals are fed to the inputs of the amplifiers 15, 19, the output of which signals are fed to the input of the adder 16, the feedback signal from the output of the adder is fed to the inputs of the amplifiers 15, 19 providing a constant value of the signal at the output of the adder 16, due to this, the signals at the output of the amplifiers are normalized to a pre-set value of the output voltage of the adder and are proportional to sin ² φ and cos ² φ, where φ is the angle between the axis of symmetry X and the line passing through n The origin of coordinates and the center of the focal spot determines the direction to the sound source; electrical signals from the outputs of the photodetectors 9, 12 are fed to threshold devices 17, 20, from the outputs of which the signals are fed to the OR circuit 21; when the signal is weak, when none of the threshold devices is triggered, the signal enabling information processing does not appear at the output of the OR circuit; the signal from the output of the photodetectors arrives at the phase detector 13, from the output of one of the amplifiers, the signal enters the input of the analog-to-digital converter 22, from the output of which the signal enters the input of the logic matrix 23; from the outputs of the OR circuit and phase detector, the signals are fed to the inputs of the logic matrix 23.

Предлагаемый способ позволяет с помощью теневого фотоэлектрического прибора определить направление на источник звука. По сравнению с антенной, выполненной из линейки электроакустических преобразователей, в предлагаемом способе направление на источник звука возможно определить с помощью одного оптико-электрического преобразователя.The proposed method allows using a shadow photoelectric device to determine the direction to the sound source. Compared with an antenna made of a line of electro-acoustic transducers, in the proposed method, the direction to the sound source can be determined using a single optical-electric transducer.

Принципиально важной является возможность уменьшения шумов обтекания защитного колпака антенны по сравнению с антенной, выполненной в виде линейки электроакустических преобразователей.Fundamentally important is the ability to reduce the noise flow around the protective cap of the antenna compared to an antenna made in the form of a line of electro-acoustic transducers.

Claims

1. The method of determining the direction to the sound source in a pre-selected plane, namely, that using a shadow photovoltaic device determines the direction to the sound source, characterized in that the laser beam of the shadow photovoltaic device is directed into the test medium perpendicular to the plane in which the direction to the sound source focused by the receiving lens, the laser beam is divided into two converging laser beams and sent to two knives in the form of a half-plane, the edges of which are installed mutually perpendicular, after the knives, the laser beams are sent to two photodetectors, one of which senses a change in light proportional to the projection of the segment of movement of the focal spot on the axis of symmetry of one knife, and the other photodetector - proportional movement of the focal spot on the axis of symmetry of the other knife, electrical signals from the outputs two photodetectors containing information about the direction of the deviation of the laser beam are fed to the inputs of the quadrants, from the output of which the signals are fed to the inputs of the amplifiers where the signals are fed to the input of the adder, the total signal at the output of the adder is kept constant due to the feedback loop from the output of the adder to the input of the amplifiers, by the magnitude of one of the signals at the output of the amplifiers, taking into account the phase of the signals, determine the direction in which the focal spot deviates in the plane of the knife , and the direction to the sound source that coincides with this line, at the same time check the values of the signals at the output of the photodetectors, if the signals at the output of both photodetectors are lower than a given value, measuring ekraschayut.

2. The method according to claim 1, characterized in that two shadow photoelectric devices are used, the laser beams of which are directed into the test medium at an angle of 90 ° to each other, according to the information obtained from two shadow photoelectric devices, the projections of the sound wave vector onto two mutually perpendicular planes and direction to the sound source.

3. The device for implementing the method according to claim 1, containing a laser, a collimator, a protective glass, a measuring volume, a protective glass, a focusing lens, a beam splitter for dividing the converging laser beam into two laser beams, two knives in the form of a half-plane installed after the beam splitter , two photodetectors, one of which senses a change in light proportional to the projection of the segment of movement of the focal spot on the axis of symmetry of one knife, and the other photodetector - proportional movement of the focal a spot on the axis of symmetry of another knife, characterized in that the knives in the form of a half-plane are installed so that their edges are mutually perpendicular, the outputs of the photodetectors are connected to the corresponding quadrants, the outputs of the quadrants are connected to the amplifiers, the outputs of which are connected to the adder, the output of the adder is connected to the amplifiers, the outputs of the photodetectors are connected to threshold devices, the outputs of which are connected to the OR circuit, the outputs of the photodetectors are connected to a phase detector, the output of one of the amplifiers is connected to analog-digital mu converter whose output is connected to the logic array, outputs of OR circuits and a phase detector connected to the logic array.