ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ ФАЗЫ КОГЕРЕНТНОГО СИГНАЛА В СРЕДЕ С АКУСТИЧЕСКИМИ КОЛЕБАНИЯМИ

February 2, 2013 by admin Комментировать »

Меркишин Г. В., Афонин К. Н. Московский авиационный институт (государственный технический университет) ГСП-3, Волоколамское шоссе д. 4, г. Москва, 125993, Россия тел.: 158-47-28, e-mail: merkishingv@rambler.ru

Аннотация – Рассматривается применение когерентного излучения для создания высокочувствительных дистанционных измерителей колебаний плотности среды.

I.                                       Введение

Дистанционный анализ вибраций и малых перемещений рабочих поверхностей (например, крыла самолета) по флуктуациям оптической плотности окружающей среды, характеристик газового потока, турбулентности среды и т. п. имеет много технических приложений и весьма актуален для практических задач. Это задачи бесконтактного контроля режимов и состояния ответственных узлов машин и механизмов, высокочувствительные направленные микрофоны для журналистов, охотников, спасателей, шоу-индустрии и пр.

Как известно, хорошей направленностью обладает луч лазера. В мире широкое применение нашли лазерные микрофоны, принцип действия которых основан на амплитудной модуляции луча лазера (при получении звуковой информации, например, по колебаниям оконного стекпа). Но как получить акустическую информацию на большом расстоянии, если отсутствуют предметы, с помощью которых мы можем снять акустическое колебание. Можно использовать обычный микрофон, но тогда встает вопрос о узкой диаграмме направленности и, соответственно, сложности прицеливания и плохой чувствительности. В данной работе дан расчет чувствительности снятия аудио информации с помощью модуляции фазы лазерного луча [1]. Такое устройство должно обладать высокой чувствительностью.

II.                              Основная часть

Как известно, фаза световой волны – очень чувствительный параметр. Рассмотрим поведение фазы лазерного луча при изменении давления среды на пути прохождения лазера. Схема установки показана на рис.1:

Рис. 1. Схема установки.

Fig. 1. Laboratory set-up configuration

При распространении звуковых колебаний в среде возникают области с различным давлением. При прохождении через эти области лазерный луч меняет свою фазу. Для селекции лазерного луча по частоте применяется фильтр (3), а для пространственной селекции – линза (2) с диафрагмой (1), находящимися на расстоянии:

Ι/α + 1/b = 1/ f                                                                                                  (1)

где f – фокусное расстояние линзы. Используя данное соотношение (1) можно решить проблему пространственной фильтрации, т. к изменяя расстояние Ь можно «настраиваться» на различные дальности до объекта излучения звуковых волн а. Данный подход является схожим с фокусировкой фотоаппаратов. В качестве фотоприемника используется четырехоконный фотодетектор [1].

Рассмотрим, в каком диапазоне изменяется давление воздуха при нормальном разговоре. Для этого возьмем из справочника параметры звукового давления для конденсаторного динамического микрофона С568ЕВ. Данный микрофон обеспечивает довольно хорошее качество звука при записи разговора. Для него:

Pmin = Ю’"* Па; Ртах = 10^ Па Будем проводить расчеты для средней величины диапазона:

ΔΡ = (Pmin + Pmax)/2 = 50 Па Из справочника возьмем параметры давления и коэффициента преломления для различных сред:

Среда

Коэффициент преломления, η

Давление, Р

Вакуум

1

0 Па

Воздух

(норм, условия)

1.00033333

101,325*10^ КПа

Скорость света зависит от коэффициента преломления следующим образом:

Vc = с / п, тогда:

VcBaK “ С —3*1 О м/с Усвозд = С/1.00033333 =2,99900033*10® м/с Предположим линейную зависимость скорости света в среде от давления, тогда (рис.2):

Рис. 2. Зависимость скорости света в среде от давления.

Fig. 2. Velocity ofiigiit in the environment as a function of preassure.

Исходя из полученных ранее данных о давлении звуковых колебаний, получается, что давление воздуха при разговоре меняется в диапазоне:

(Рвозд-АР)<Р<(Рвозд + АР),

или

Тогда по графику не трудно заметить, что скорость света будет меняться:

от Vmin = 2.99900083*10® м/с до Vmax = 2.99899984*10® м/с

Предположим, что используется лазер с длинной волны λ = 0,63 мкм. Тогда частота колебания:

За время Т фаза колебания изменится на 360 град.

Если предположить, что разговор ведется на нормальной громкости, то модуляция светового колебания будет происходить примерно за расстояние

S  = 1 м (разборчивое восприятие разговора, а соответственно наибольшая величина звукового давления). Тогда свет будет проходить за время:

tmax- tmin = 0,00000109*10’“ = 0,1 *1 O’С – ТО есть фаза изменится на 180 град.

III.                                   Заключение

Полученные в результате проведенных вычислений значения показывают, что изменение фазы, при модуляции света звуком, обеспечивает высокую чувствительность. Это позволяет сделать вывод о том, что данную систему можно использовать для высокоточных измерений колебаний плотности среды.

IV.                          Список литературы

[1] Меркишин Г. В. Многооконные оптико-электронные датчики линейных размеров. – М.: Радио и связь, 1986.

ESTIMATION OF COHERENT SIGNAL PHASE SHIFT INSIDE THE ENVIROMENT WITH ACOUSTIC VARIATIONS

Merkishin G. V., Afonin K. N.

Moscow Aviation Institute (State Technical University) GSP-3, 4 Volokolamskaya st., Moscow, 125993, Russia

Ph.: 158-47-28, e-mail: merkishingv@ramblerru

/Ibsfracf-Application of coherent optical radiation to create high sensitive remote measuring devices of environment density is considered.

I.                                       Introduction

The remote vibration analysis of working surfaces (for instances, aircraft’s wings), based on optical density modulation of the surrounding medium, characteristics of gas stream, turbulence of atmospheric environment has many technical applications and is the problem of current importance. These applications are: remote control of operational modes and conditions of important machine units and mechanisms; high sensitive directive microphones for journalists, hunters, salvors, show- industry and so on.

It is well known, that laser beam has excellent directivity. And laser microphones based on amplitude modulation of reflected laser beam has the worldwide application (for example, to obtain acoustic information using pane of glass oscillations).

The question arises, how one could obtain acoustic info at a big distance if the objects assisting to indicate acoustic info are absent? Application of the conventional microphone requires narrow beam width, is connected with difficult aiming and suffer of bad sensitivity.

The present paper concludes the sensitivity calculation for the process of information extraction using the phase modulation of laser light [1]. This method and device have to posses higher sensitivity compared with amplitude modulation method.

II.                                        Main Part

During propagation of acoustic waves in the surrounding the areas of different pressure arise inside it. Passing through these areas laser light changes its phase. As shown in Fig.1, frequency selection of laser light is performed by filter 3, whereas the spatial selection is performed with lens 2 with diaphragm 1, arranged at distances combined with equation (1), which may be used for solution the spatial filtration problem.

Using the data on acoustic oscillation pressure, obtained earlier [1] one could obtain the air pressure range for conventional talk:

< 1.014-10^ Pa

Then according to the plot of Fig.1 one may note that corresponding velocity of light will vary within the range: from Vmin = 2.99900083*10° m/s up to = 2.99899984Ί 0° m/s.

Assuming laser light with λ = 0,63 μ m and frequency

where T is period – time interval of phase variations from 0 to 360°.

If to assume, that conversation is held with normal intensity of sound, then modulation of light will take place approximately during a distance s = 1 m, witch provides legible speech intelligibility, and the highest value of sound pressure. Then light will pass this distance during time interval:

tmax- tmin = 0,000001 09*1 O’® = 0,1*1 O’^^’s, where tmin = S/Vcmin = 3.33555538*1 O’® s and tmax = s/Vcmax = 3.33555647*1 O’® s

That is the optical phase will have approximately 180° phase shift during each 1 m of propagation length.

III.                                       Conclusion

Estimations made in the paper show, that change of a phase during light modulation by a sound waves, provides high sensitivity of measurement. This leads to a conclusion on possible application considered phase method for measurement the parameter variations of surroundings with high accuracy.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты