RU2276795C2 - Device for determining direction towards a source of sound - Google Patents
Device for determining direction towards a source of sound Download PDFInfo
- Publication number
- RU2276795C2 RU2276795C2 RU2003119632/09A RU2003119632A RU2276795C2 RU 2276795 C2 RU2276795 C2 RU 2276795C2 RU 2003119632/09 A RU2003119632/09 A RU 2003119632/09A RU 2003119632 A RU2003119632 A RU 2003119632A RU 2276795 C2 RU2276795 C2 RU 2276795C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- outputs
- laser beams
- knives
- photo
- output
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
- Optical Communication System (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области приборостроения, а именно к устройствам определения направления на источник звука.The invention relates to the field of instrumentation, and in particular to devices for determining the direction to a sound source.
Известны устройства определения направления на источник звука (К.Клей, Г.Медвин, Акустическая океанография, М., Мир, 1980, с.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 Δt (разницу в задержках сигнала между соседними линиями задержки), меняют задержку сигнала τ=(n-1) Δt на выходах линий задержки.Known devices for determining the direction to the sound source (K. Clay, G. Medvin, Acoustic Oceanography, M., Mir, 1980, p. 170) using a ruler 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 figure 1). By changing Δt (the difference in signal delays between adjacent delay lines), the signal delay τ = (n-1) Δt at the outputs of the delay lines is changed.
Направление на источник звука определяют по максимуму суммарного сигнала с выходов линий задержки при изменении Δt 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 Δt changes or by the maximum of the cross-correlation function. Direction angle to sound source
где Δtmax - Δt, соответствующее максимуму сигнала;where Δt max - Δt corresponding to the maximum signal;
Δl - расстояние между преобразователями;Δl is the distance between the transducers;
с - скорость звука.Это устройство 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.s is the speed of sound. This device 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 теневых приборов (Т.П.), регистрирующих наличие в среде градиента показателя преломления (плотности), так как пучок света не вносит изменений в среду. Угол отклонения светового пучкаThe use of shadow devices (TP), which detect the presence of a refractive index (density) gradient in a medium, is promising for recording a sound wave, since a light beam does not introduce changes into 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 - градиент показателя преломления по давлению.Where - gradient of refractive index by pressure.
Обычно угол θ измеряют с помощью теневого прибора, использующего параллельный пучок света в объеме измерения, 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).Typically, the angle θ is measured using a shadow instrument using a parallel light beam in the measurement volume, 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., Hydrometeoizdat, 1986, p. 183).
В общем случае при расходящемся пучке света в измерительном объеме нож располагают после фокусирующего объектива в фокусе сходящегося светового пучка, то есть в плоскости изображения светозадающей диафрагмы, или для лазерного пучка в плоскости минимальной перетяжки лазерного пучка.In the general case, with a diverging light beam in the measuring volume, the knife is placed after the focusing lens in the focus of the converging light beam, that is, in the image plane of the light-setting diaphragm, or for the laser beam in the plane of the minimum waist of the laser beam.
Известен теневой фотоэлектрический прибор для регистрации изменения давления (Л.А.Васильев, Теневые методы, М., Наука, 1969, с.60). С помощью этого устройства, не внося изменений в среду, можно определить наличие акустической волны, но нельзя определить направление на источник звука.Known shadow photovoltaic device for recording pressure changes (L.A. Vasiliev, Shadow methods, M., Nauka, 1969, p.60). Using this device, 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 прибор с двойной фильтрацией светового поля (М.А.Брамсон и др. Морская рефрактометрия, с.181).As a prototype, a shadow photoelectric device with double filtering of the light field was selected (M.A. Bramson et al. Marine refractometry, p.181).
Теневой прибор с двойной фильтрацией светового поля, структурная схема которого приведена на фиг.2, содержит: источник света (в данном случае лампу накаливания) 1, конденсор 2, световую диафрагму 3, объектив 4, защитные стекла 5, 6, фокусирующий объектив 7, нож в виде полуплоскости 8, согласующий объектив 9, диафрагму 10, помещенную в плоскости, оптически сопряженной с плоскостью, расположенной в середине объема измерения (объем, расположенный между защитными стеклами), фотоприемник 11.Shadow device with double filtering of the light field, the structural diagram of which is shown in figure 2, contains: a light source (in this case, an incandescent lamp) 1, a
Упомянутый выше теневой прибор для регистрации изменений давления (М.А.Брамсон и др. Морская рефрактометрия, 1986, с.183) отличается от теневого прибора с двойной фильтрацией тем, что в нем вместо диафрагмы 10 устанавливается диафрагма перед защитным стеклом, что ведет к увеличению дифракционного размытия изображения световой диафрагмы в плоскости ножа.The above-mentioned shadow device for recording pressure changes (M.A. Bramson et al. Marine refractometry, 1986, p. 183) differs from the shadow device with double filtration in that instead of
Отметим, что дополнительная фильтрация ведет к расширению полосы пропускания пространственных частот. Описанный прибор с двойной фильтрацией является разновидностью приборов, работающих по методу ножа и щели. Использование лазера в качестве источника света повышает чувствительность теневого фотоэлектрического прибора (М.А.Брамсон и др., Морская рефрактометрия, с.179).Note that additional filtering leads to an expansion of the spatial frequency bandwidth. The described device with double filtration is a kind of devices that work according to the method of a knife and a slit. Using a laser as a light source increases the sensitivity of a shadow photovoltaic device (M.A. Bramson et al., Marine Refractometry, p. 179).
При использовании лазера в качестве источника света конденсор 2 и объектив 4 (см. фиг.2) заменяются телескопической системой (коллиматором), служащей для увеличения диаметра коллимированного лазерного пучка, что приводит к уменьшению шума на выходе фотоумножителя, вызванного рассеянием лазерного пучка частицами, находящимися в измерительном объеме.When using a laser as a light source, the
Известны эксперименты, в которых с помощью теневого прибора регистрировались изменения давления, создаваемые в море искусственными источниками (отчет по НИР Эхо, НИИ ФООЛИОС, Санкт-Петербург, 2001 г., инв. №4, с.60), однако с помощью описанного прибора нельзя определить направление на источник звука. Действительно, для параллельного пучка света величина перемещения изображения световой диафрагмы в плоскости фокуса фокусирующего объектива (плоскость х` о y` на фиг.2) в направлении, параллельном проекции градиента давления и проекции вектора звуковой волны на плоскость, перпендикулярную оси светового пучка oz в среде, зависит от величины градиента давления и мощности звука. Величина этого отклонения:Experiments are known in which, using a shadow device, pressure changes created by artificial sources in the sea were recorded (report on Echo Research Institute, Research Institute FOOLIOS, St. Petersburg, 2001, inventory No. 4, p. 60), but using the described device You cannot determine the direction of the sound source. Indeed, for a parallel beam of light, the magnitude of the displacement of the image of the light diaphragm in the focus plane of the focusing lens (x`o y` plane in Fig. 2) in the direction parallel to the projection of the pressure gradient and the projection of the sound wave vector to a plane perpendicular to the axis of the light beam oz in the medium depends on the magnitude of the pressure gradient and sound power. The magnitude of this deviation:
где φ - угол между градиентом и осью oz,where φ is the angle between the gradient and oz axis,
F - фокусное расстояние объектива.F is the focal length of the lens.
В случае, если в объеме измерения пучок, расходящийся:If the beam diverging in the measurement volume:
где Fp - расстояние от главной плоскости фокусирующего объектива до фокуса сходящегося пучка света.where F p is the distance from the main plane of the focusing lens to the focus of the converging beam of light.
Величина сигнала U на выходе фотоприемника пропорциональна величине проекции ρ на ось ох`, перпендикулярную кромке ножа.The value of the signal U at the output of the photodetector is proportional to the projection ρ on the axis oX`, perpendicular to the edge of the knife.
В результате:As a result:
где θ - угол между осью ox` и направлением перемещения фокального пятна (угол между осью ох` и проекцией на плоскость х` о y`).where θ is the angle between the axis ax` and the direction of movement of the focal spot (the angle between the axis ax` and the projection on the plane x`o y`).
Очевидно, что по величине выходного сигнала U невозможно определить направление вектора звуковой волны.Obviously, the magnitude of the output signal U cannot determine the direction of the sound wave vector.
Целью предлагаемого изобретения является:The aim of the invention is:
- расширение возможностей теневого прибора для определения направления на источник звука в заданном полупространстве, в котором значения одной из координат всегда положительны;- expanding the capabilities of the shadow device to determine the direction to the sound source in a given half-space in which the values of one of the coordinates are always positive;
- определение направляющих косинусов и соответствующих им углов, определяющих это направление;- determination of guide cosines and their corresponding angles defining this direction;
- 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, which does not introduce density changes in the medium.
Указанная цель достигается тем, что в устройстве (фиг.3), состоящем из двух фотоэлектрических теневых приборов, лазерные пучки которых направлены в среду под углом 90° друг к другу, каждый из двух фотоэлектрических теневых приборов содержит последовательно установленные лазер, коллиматор, защитное стекло, защитное стекло, фокусирующий объектив, светоделитель для разделения лазерного пучка на два лазерных пучка, два ножа в виде полуплоскости с взаимно перпендикулярными кромками, установленные в каждом из фотоэлектрических теневых приборов после светоделителя по одному в двух плоскостях минимальных перетяжек лазерных пучков на оптических осях лазерных пучков, полученных после светоделителя, два согласующих объектива, установленные по одному после каждого из этих двух ножей, два фотоприемника в каждом из фотоэлектрических теневых приборов, уостановленные по одному после каждого из согласующих объективов в плоскостях, оптически сопряженных с серединой измерительного объема, расположенного между защитными стеклами, выходы фотоприемников подключены к соответствующим квадраторам, выходы квадраторов подключены к соответствующим предварительным усилителям, кромка одного из ножей в каждом фотоэлектрическом теневом приборе перпендикулярна плоскости, параллельной лазерным пучкам в среде, два предварительных усилителя (по одному в каждом фотоэлектрическом теневом приборе), своими входами подключенные через квадраторы к выходам фотоприемников, установленных после согласующих объективов и ножей с кромками, параллельными плоскости, параллельной лазерным пучкам в среде, своими выходами подключены к вычитающему устройству, выход вычитающего устройства подключен к вторым входам предварительных усилителей одного из фотоэлектрических теневых приборов, выход предварительного усилителя этого фотоэлектрического теневого прибора, не подключенный ко входу вычитающего устройства, и выходы предварительных усилителей другого фотоэлектрического теневого прибора подключены к оконечным усилителям, выходы оконечных усилителей подключены к сумматору и многоканальному аналого-цифровому преобразователю; выход сумматора подключен ко вторым входам оконечных усилителей; выход одного из двух фотоприемников, установленных после согласующих объективов и ножей с кромками, параллельными плоскости, параллельной лазерным пучкам в среде, подключен ко входам двух фазовых детекторов, ко вторым входам которых подключены выходы двух других фотоприемников, соответствующих ножам, кромки которых перпендикулярны плоскости, параллельной лазерным пучкам в среде, выходы фазовых детекторов подключены к триггерам, выходы которых подключены к многоканальному аналого-цифровому преобразователю, а выход многоканального аналого-цифрового преобразователя подключен ко входу электронной вычислительной машины.This goal is achieved by the fact that in the device (figure 3), consisting of two photoelectric shadow devices, the laser beams of which are directed into the medium at an angle of 90 ° to each other, each of the two photoelectric shadow devices contains a laser, a collimator, a protective glass , a protective glass, a focusing lens, a beam splitter for dividing the laser beam into two laser beams, two knives in the form of a half-plane with mutually perpendicular edges mounted in each of the photoelectric shadow devices in after the beam splitter, one in two planes of the minimum constrictions of the laser beams on the optical axes of the laser beams obtained after the beam splitter, two matching lenses mounted one after each of these two knives, two photodetectors in each of the photoelectric shadow devices, mounted one after each of matching lenses in planes optically conjugated with the middle of the measuring volume located between the protective glasses, the outputs of the photodetectors are connected to the corresponding to adductors, the outputs of the quadrators are connected to the corresponding preamplifiers, the edge of one of the knives in each photoelectric shadow device is perpendicular to the plane parallel to the laser beams in the medium, two preliminary amplifiers (one in each photoelectric shadow device), connected through the quadrants to the outputs of the photodetectors, installed after matching lenses and knives with edges parallel to the plane parallel to the laser beams in the medium, connected to the subtracts by their outputs the output device of the subtractor device is connected to the second inputs of the preamplifiers of one of the photoelectric shadow devices, the output of the preamplifier of this photoelectric shadow device is not connected to the input of the subtractor, and the outputs of the preamplifiers of another photoelectric shadow device are connected to the terminal amplifiers, the outputs of the terminal amplifiers are connected to the adder and multi-channel analog-to-digital converter; the adder output is connected to the second inputs of the terminal amplifiers; the output of one of the two photodetectors installed after matching lenses and knives with edges parallel to the plane parallel to the laser beams in the medium is connected to the inputs of two phase detectors, the outputs of two other photodetectors corresponding to knives whose edges are perpendicular to the plane parallel to the second inputs are connected laser beams in the medium, the outputs of the phase detectors are connected to triggers, the outputs of which are connected to a multi-channel analog-to-digital converter, and the output of a multi-channel an A digital-to-digital converter is connected to the input of an electronic computer.
На фиг.3 изображены оптическая и структурная схемы предлагаемого оптико-электронного устройства для определения направления на источник звука, которое содержит: лазеры 1, 22, коллиматоры 2, 23, защитные стекла 3, 4, 24, 25, фокусирующие объективы 5, 26, светоделители 6, 27, ножи 7, 10, 28, 34 в виде полуплоскостей, согласующие объективы 8, 11, 29, 35, фотоприемники 9, 12, 30, 36, квадраторы 13, 19, 31, 37, предварительные усилители 14, 20, 32, 38, оконечные усилители 15, 21, 33, сумматор 16, многоканальный аналого-цифровой преобразователь 17, вычитающее устройство 18, фазовые детекторы 39, 40, триггеры 41, 42, электронную вычислительную машину 43.Figure 3 shows the optical and structural diagrams of the proposed optical-electronic device for determining the direction to the sound source, which contains:
Между защитными стеклами расположены объемы измерения.Between the protective glasses are the measurement volumes.
Лазерные пучки лазеров 1, 22 двух фотоэлектрических теневых приборов (узлы 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 19, 20, 10, 11, 12, 13, 14 - первый фотоэлектрический теневой прибор) и (узлы 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 34, 35, 36, 37, 38 - второй фотоэлектрический теневой прибор) попадают на коллиматоры 2, 23, где расширяются для уменьшения помехи от рассеивающих свет частиц из измерительного объема. Пройдя защитные стекла 3, 24, объем измерения и защитные стекла 4, 25, лазерные пучки, направленные в среду под углом 90° друг к другу, фокусируются объективами 5, 26, и каждый из лазерных пучков делится на два сходящихся лазерных пучка светоделителями 6, 27, после которых лазерные пучки попадают на два ножа 7, 10 одного фотоэлектрического теневого прибора, и соответственно, на два ножа 28, 34 другого фотоэлектрического теневого прибора, установленные так, чтобы их кромки в каждом фотоэлектрическом теневом приборе были взаимно перпендикулярны, а кромка одного из ножей в каждом фотоэлектрическом теневом приборе была перпендикулярна плоскости, параллельной лазерным пучкам в среде, после ножей 7, 10 лазерные пучки попадают через соответствующие согласующие объективы 8, 11 на соответствующие каждому согласующему объективу фотоприемники 9, 12 в одном фотоэлектрическом теневом приборе и соответственно после ножей 28, 34 через соответствующие согласующие объективы 29, 35 на соответствующие каждому согласующему объективу фотоприемники 30, 36 в другом фотоэлектрическом теневом приборе.Laser beams of
В системе координат, в которой ось ох совпадает с направлением в среде лазерного пучка от лазера 22, ось oy совпадает с направлением в среде лазерного пучка от лазера 1, а ось oz перпендикулярна лазерным пучкам, фотоприемник 9 чувствует изменение света, пропорциональное проекции перемещения перетяжки лазерного пучка на ось ох, фотоприемник 12 чувствует изменение света, пропорциональное проекции перемещения перетяжки лазерного пучка на ось oz, фотоприемник 30 чувствует изменение света, пропорциональное проекции перемещения перетяжки лазерного пучка на ось oy, фотоприемник 36 чувствует изменение света, пропорциональное проекции перемещения перетяжки лазерного пучка на ось oz (см. фиг.4). Сигналы на выходах фотоприемников 12, 36 всегда коррелированы, так как лазерные пучки через соответствующие согласующие объективы 11, 35 попадают на фотоприемники 12, 36 после ножей 10, 34 с кромками, перпендикулярными оси oz и параллельными плоскости, параллельной лазерным пучкам в среде.In the coordinate system, in which the axis ox coincides with the direction in the medium of the laser beam from the laser 22, the axis oy coincides with the direction in the medium of the laser beam from the
Мгновенные значения электрических сигналов на выходах фотоприемников устройства содержат полную информацию о направлениях отклонений перетяжек лазерных пучков в плоскостях ножей и о направлении волнового вектора, противоположно направленного направлению на источник звука.The instantaneous values of the electrical signals at the outputs of the photodetectors of the device contain complete information about the directions of deviations of the constrictions of the laser beams in the planes of the knives and the direction of the wave vector, opposite to the direction directed to the sound source.
После квадраторов теряется информация о фазе электрических сигналов, и трем модулям величин проекций на оси координат вектора, определяющего направление на источник звука, соответствуют четыре вектора, расположенные в четырех секторах полупространства (см.фиг.5):After the quadrants, information about the phase of the electrical signals is lost, and three vectors corresponding to the direction of the sound source correspond to three modules of projection values on the coordinate axis of the vector, which are located in four sectors of the half-space (see figure 5):
- сектор I ограничен плоскостью xoz, плоскостью yoz и первым квадрантом плоскости xoy;- sector I is bounded by the xoz plane, the yoz plane, and the first quadrant of the xoy plane;
- сектор II ограничен плоскостью xoz, плоскостью yoz и вторым квадрантом плоскости xoy;- sector II is bounded by the xoz plane, the yoz plane, and the second quadrant of the xoy plane;
- сектор III ограничен плоскостью xoz, плоскостью yoz и третьим квадрантом плоскости xoy;- sector III is bounded by the xoz plane, the yoz plane, and the third quadrant of the xoy plane;
- сектор IV ограничен плоскостью xoz, плоскостью yoz и четвертым квадрантом плоскости xoy.- sector IV is bounded by the xoz plane, the yoz plane, and the fourth quadrant of the xoy plane.
Линия, параллельная проекции вектора звуковой волны на плоскость xoz и проходящая через начало координат, находится в том или ином квадранте плоскости xoz в зависимости от того, являются ли синфазными или противофазными сигналы на выходах фотоприемников 9 и 12.A line parallel to the projection of the sound wave vector onto the xoz plane and passing through the origin is located in a quadrant of the xoz plane, depending on whether the in-phase or out-of-phase signals at the outputs of photodetectors 9 and 12 are.
В плоскости xoz первый квадрант - между осями ох и oz, второй - между осями о(-х) и oz.In the xoz plane, the first quadrant is between the axes ox and oz, the second is between the axes o (s) and oz.
В плоскости yoz первый квадрант - между осями oy и oz, второй - между осями о(-y) и oz.In the yoz plane, the first quadrant is between the oy and oz axes, and the second is between the o (-y) and oz axes.
Действительно, нож с осью симметрии, параллельной оси z, перекрывает (затемняет) третий и четвертый квадранты плоскости xoz, а нож с осью симметрии, параллельной оси х, перекрывает (затемняет) второй и третий квадранты плоскости xoz (фиг.6, 7).Indeed, a knife with a symmetry axis parallel to the z axis overlaps (darkens) the third and fourth quadrants of the xoz plane, and a knife with a symmetry axis parallel to the x axis overlaps (darkens) the second and third quadrants of the xoz plane (Figs. 6, 7).
Если линия, параллельная проекции вектора звуковой волны на плоскость xoz и проходящая через начало координат, находится в первом квадранте плоскости xoz (фиг.6) (угол ζ положительный), то при изменении во времени звукового давления (и градиента показателя преломления) перетяжки лазерных пучков на двух взаимно перпендикулярных ножах одновременно выходят из тени и одновременно затемняются.If the line parallel to the projection of the sound wave vector onto the xoz plane and passing through the origin is in the first quadrant of the xoz plane (Fig.6) (the angle ζ is positive), then when the sound pressure (and the gradient of the refractive index) changes, the waist of the laser beams on two mutually perpendicular knives simultaneously come out of the shade and at the same time darken.
Если линия, параллельная проекции вектора звуковой волны на плоскость xoz, находится во втором квадранте (фиг.7) (угол ζ отрицательный), то когда перетяжка лазерного пучка на ноже с осью симметрии, параллельной оси z, выходит из тени, то перетяжка лазерного пучка на ноже с осью симметрии, параллельной оси х, затемняется.If the line parallel to the projection of the sound wave vector onto the xoz plane is in the second quadrant (Fig. 7) (the angle ζ is negative), then when the waist of the laser beam on the knife with the axis of symmetry parallel to the z axis leaves the shadow, then the waist of the laser beam on a knife with an axis of symmetry parallel to the x axis, is darkened.
Таким образом, электрические сигналы на выходах фотоприемников в первом случае изменяются в фазе, а во втором - в противофазе, что указывает квадрант, в котором находится прямая, проходящая через начало координат и параллельная проекции вектора звуковой волны на плоскость xoz.Thus, the electrical signals at the outputs of the photodetectors in the first case change in phase, and in the second in antiphase, which indicates the quadrant in which there is a straight line passing through the origin and parallel to the projection of the sound wave vector onto the xoz plane.
Аналогично линия, параллельная проекции волнового вектора на плоскость yoz и проходящая через начало координат, находится в том или ином квадранте плоскости yoz в зависимости от того, являются ли синфазными или противофазными сигналы на выходах фотоприемников 30 и 36.Similarly, a line parallel to the projection of the wave vector onto the yoz plane and passing through the origin is located in a quadrant of the yoz plane, depending on whether the in-phase or out-of-phase signals at the outputs of photodetectors 30 and 36 are.
Характер сигналов для первого и второго случая иллюстрируется таблицей 1.The nature of the signals for the first and second cases is illustrated in table 1.
Итак, амплитуды и взаимные фазы электрических сигналов на выходах фотоприемников содержат информацию о направлениях проекций вектора звуковой волны на плоскости xoz и yoz и, таким образом, о направлении на источник звука.So, the amplitudes and mutual phases of the electrical signals at the outputs of the photodetectors contain information about the directions of projections of the sound wave vector on the xoz and yoz planes and, thus, about the direction to the sound source.
Электрическая схема, структура которой включена в фиг.3, обрабатывает эту информацию и определяет направление вектора звуковой волны в заданном полупространстве независимо от величины звукового сигнала, колебаний мощности лазеров и изменения прозрачности оптических деталей (в основном защитных стекол). Сигналы с выходов фотоприемников 9, 12, 30, 36 квадрируются соответственно квадраторами 19, 13, 31, 37, с выходов которых сигналы поступают соответственно на входы предварительных усилителей 20, 14, 32, 38 и усиливаются.An electrical circuit, the structure of which is included in FIG. 3, processes this information and determines the direction of the sound wave vector in a given half-space, regardless of the magnitude of the sound signal, fluctuations in laser power and changes in the transparency of optical parts (mainly protective glasses). The signals from the outputs of the photodetectors 9, 12, 30, 36 are squared respectively by the squares 19, 13, 31, 37, from the outputs of which the signals are respectively fed to the inputs of the preliminary amplifiers 20, 14, 32, 38 and amplified.
Сигналы с выходов предварительных усилителей 14, 38, коррелированные между собой, так как они соответствуют фотоприемникам 12, 36, стоящим соответственно после согласующих объективов 11, 35 и ножей 10, 34 с кромками, параллельными плоскости, параллельной лазерным пучкам в среде, поступают на входы вычитающего устройства 18, сигнал с выхода вычитающего устройства поступает на вторые входы предварительных усилителей 32, 38 одного из фотоэлектрических теневых приборов на оптической и структурной схеме устройства (фиг.3), состоящего из узлов: 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 34, 35, 36, 37, 38; в результате этого воздействия указанный выше (второй) фотоэлектрический теневой прибор становится эквивалентным по отношению к оптическому клину в его измерительном объеме первому фотоэлектрическому теневому прибору, состоящему из узлов оптической и структурной схемы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 19, 20, 10, 11, 12, 13, 14; эквивалентность обеспечивает пропорциональность электрических сигналов на выходе предварительных усилителей 20, 32, 14 квадратам проекций волнового вектора на оси х, y, z без зависимости от изменения мощности лазеров и загрязнения защитных стекол (а также коллиматоров и фокусирующих объективов); сигналы с выходов предварительных усилителей 14, 20, 32 поступают соответственно на входы оконечных усилителей 15, 21, 33 и после усиления суммируются в сумматоре 16, сигнал отрицательной обратной связи с выхода сумматора поступает на вторые входы оконечных усилителей 15, 21, 33; эта обратная связь обеспечивает постоянную величину сигнала на выходе сумматора 16, благодаря чему сигналы на выходе оконечных усилителей 15, 21, 33 будут нормированы на заранее выставленную величину выходного напряжения сумматора и пропорциональны величинам квадратов направляющих косинусов cos2 α, cos2 β, cos2 γ, где α - угол между направлением волнового вектора и осью о(-х), β - угол между направлением волнового вектора и осью о(-y), γ - угол между направлением волнового вектора и осью о (-z); углы α, β, γ определяют направление на источник звука; сигналы с выходов оконечных усилителей 15, 21, 33 поступают на входы многоканального аналого-цифрового преобразователя 17; сигналы с выходов фотоприемников 9, 12 поступают на входы фазового детектора 39, сигналы с выходов фотоприемников 12, 30 поступают на входы фазового детектора 40; сигналы с выходов фазовых детекторов 39, 40 поступают соответственно на входы триггеров 42, 41, срабатывающих при превышении входными сигналами нулевого уровня, а с их выходов сигналы поступают на входы многоканального аналого-цифрового преобразователя 17, с выхода многоканального аналого-цифрового преобразователя сигналы в цифровой форме поступают в электронную вычислительную машину, в которой по величинам cos2 α, cos2 β, cos2 γ с учетом номеров квадрантов, в которых находятся проекции вектора звуковой волны на плоскости xoz и yoz (при этом номера квадрантов определяются сигналами на выходах триггеров 41 и 42) определяются величины направляющих косинусов cos α, cos β, cos γ (и направляющих углов α, β, γ).The signals from the outputs of the preamplifiers 14, 38, correlated with each other, since they correspond to photodetectors 12, 36, standing respectively after the matching lenses 11, 35 and knives 10, 34 with edges parallel to the plane parallel to the laser beams in the medium, are fed to the inputs of the subtracting device 18, the signal from the output of the subtracting device is fed to the second inputs of the preamplifiers 32, 38 of one of the photoelectric shadow devices on the optical and structural diagram of the device (Fig. 3), consisting of nodes: 22, 23, 24, 25, 26, 2 7, 28, 29, 30, 31, 32, 34, 35, 36, 37, 38; as a result of this action, the above (second) photoelectric shadow device becomes equivalent with respect to the optical wedge in its measuring volume to the first photoelectric shadow device, consisting of nodes of the optical and structural diagrams: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 19, 20, 10, 11, 12, 13, 14; equivalence ensures proportionality of electrical signals at the output of the preamplifiers 20, 32, 14 to the squares of the projections of the wave vector on the x, y, z axis, regardless of the change in laser power and the contamination of protective glasses (as well as collimators and focusing lenses); the signals from the outputs of the preamplifiers 14, 20, 32 are respectively supplied to the inputs of the terminal amplifiers 15, 21, 33 and after amplification are summed in the adder 16, the negative feedback signal from the output of the adder is fed to the second inputs of the terminal amplifiers 15, 21, 33; this feedback provides a constant signal at the output of the adder 16, due to which the signals at the output of the terminal amplifiers 15, 21, 33 will be normalized to the pre-set value of the output voltage of the adder and are proportional to the squares of the guiding cosines cos 2 α, cos 2 β, cos 2 γ where α is the angle between the direction of the wave vector and the axis o (-x), β is the angle between the direction of the wave vector and the axis o (-y), γ is the angle between the direction of the wave vector and the axis o (-z); angles α, β, γ determine the direction to the sound source; the signals from the outputs of the terminal amplifiers 15, 21, 33 are fed to the inputs of a multi-channel analog-to-digital converter 17; the signals from the outputs of the photodetectors 9, 12 are fed to the inputs of the phase detector 39, the signals from the outputs of the photodetectors 12, 30 are fed to the inputs of the phase detector 40; the signals from the outputs of the phase detectors 39, 40 are respectively supplied to the inputs of the triggers 42, 41, which are triggered when the input signals exceed the zero level, and from their outputs the signals are fed to the inputs of the multi-channel analog-to-digital converter 17, from the output of the multi-channel analog-to-digital converter They come in the form of an electronic computer, in which the values of cos 2 α, cos 2 β, cos γ 2 with the numbers quadrants which contain the projection of the sound wave vector in the plane and xoz yoz (wherein the numbers to adrantov determined by signals at the outputs of flip-flops 41 and 42) are determined by the magnitude of the direction cosines cos α, cos β, cos γ (and guide angles α, β, γ).
Правила определения углов α, β, γ с учетом номеров секторов, в которых находятся векторы, определяющие направление на источник звука, и потенциалов на выходах триггеров, приведены в таблице 2.The rules for determining the angles α, β, γ, taking into account the numbers of sectors in which the vectors are located that determine the direction to the sound source, and the potentials at the outputs of the triggers, are given in table 2.
на фиг.3Trigger number
figure 3
α0=arccos√cos2α; β0=arccos√cos2β; γ0=arccos√cos2γ.α 0 = arccos√cos 2 α; β 0 = arccos√cos 2 β; γ 0 = arccos√cos 2 γ.
Предлагаемое устройство позволяет определить направление на источник звука в полупространстве по величинам направляющих косинусов cos α, cos β, cos γ. По сравнению с антенной, выполненной из матрицы электроакустических преобразователей, в предлагаемом устройстве направление на источник звука возможно определить с помощью одного двухканального оптикоэлектрического преобразователя. А главное, в предлагаемом устройстве может быть достигнуто существенное уменьшение влияния ходовых шумов по сравнению с антенной, выполненной в виде матрицы электроакустических преобразователей.The proposed device allows you to determine the direction to the sound source in half space by the values of the directing cosines cos α, cos β, cos γ. Compared with an antenna made of a matrix of electro-acoustic transducers, in the proposed device, the direction to the sound source can be determined using a single two-channel optoelectric transducer. And most importantly, in the proposed device, a significant reduction in the influence of running noise can be achieved in comparison with an antenna made in the form of a matrix of electro-acoustic transducers.
Перечень фигур.Enumeration of figures.
Фиг.1. Устройство определения направления на источник звука с помощью линейки электроакустических преобразователей.Figure 1. A device for determining the direction to a sound source using a line of electro-acoustic transducers.
Фиг.2. Структурная схема теневого прибора с двойной фильтрацией светового поля.Figure 2. Block diagram of a shadow device with double filtering of the light field.
Фиг.3. Оптическая и структурная схемы предлагаемого оптико-электронного устройства для определения направления на источник звука.Figure 3. The optical and structural diagrams of the proposed optoelectronic device for determining the direction to the sound source.
Фиг.4. Проекция перемещения перетяжки лазерного пучка на ось z.Figure 4. The projection of the movement of the laser beam waist on the z axis.
Фиг.5. Четыре сектора полупространства.Figure 5. Four sectors of half space.
Фиг.6. Сигналы на выходе фотоприемников в фазе.6. The signals at the output of the photodetectors in phase.
Фиг.7. Сигналы на выходе фотоприемников в противофазе.7. Signals at the output of photodetectors in antiphase.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003119632/09A RU2276795C2 (en) | 2003-06-30 | 2003-06-30 | Device for determining direction towards a source of sound |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003119632/09A RU2276795C2 (en) | 2003-06-30 | 2003-06-30 | Device for determining direction towards a source of sound |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003119632A RU2003119632A (en) | 2005-02-10 |
RU2276795C2 true RU2276795C2 (en) | 2006-05-20 |
Family
ID=35208086
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003119632/09A RU2276795C2 (en) | 2003-06-30 | 2003-06-30 | Device for determining direction towards a source of sound |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2276795C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2476898C1 (en) * | 2011-06-16 | 2013-02-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственная корпорация "ГОИ им. С.И. Вавилова" | Device to detect direction at sound source |
RU2478220C1 (en) * | 2011-08-22 | 2013-03-27 | Открытое акционерное общество "Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" | Device for determining sound source direction |
-
2003
- 2003-06-30 RU RU2003119632/09A patent/RU2276795C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ВАСИЛЬЕВ Л.А. Теневые методы. - М.: Наука, 1969, с.60. БРАМСОН М.А. Морская рефрактометрия. - Ленинград: Гидрометеоиздат, 1986, с.183. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2476898C1 (en) * | 2011-06-16 | 2013-02-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственная корпорация "ГОИ им. С.И. Вавилова" | Device to detect direction at sound source |
RU2478220C1 (en) * | 2011-08-22 | 2013-03-27 | Открытое акционерное общество "Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" | Device for determining sound source direction |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2003119632A (en) | 2005-02-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN109798847B (en) | Measuring device for measuring beam divergence angle and laser quality factor and testing method thereof | |
US7957006B2 (en) | System and method for optical sensing of surface motions | |
US8948603B2 (en) | Optical microphone | |
CN209928021U (en) | Dual-wavelength multi-polarization laser imaging device | |
RU2276795C2 (en) | Device for determining direction towards a source of sound | |
KR950010270B1 (en) | Pick up apparatus of optical disk | |
JPS6018100A (en) | Microphone | |
US10900987B2 (en) | Robust particle velocity measurement | |
RU2232400C2 (en) | Method and device for determination of direction to sound source | |
US3643097A (en) | Optical filter for suppressing noise which utilizes a graded optical fiber and means for controlling transverse position of iris | |
KR102071486B1 (en) | Optical position sensing device | |
JPS61242779A (en) | Method of detecting inclination and focus of laser beam in laser beam machining device | |
WO2011083760A1 (en) | Optical microphone | |
CN217878006U (en) | Laser power detection device | |
JPS5850899A (en) | Microphone device | |
JP2012172982A (en) | Bidirectional reflectance distribution function acquisition apparatus and control program therefor | |
RU2478220C1 (en) | Device for determining sound source direction | |
JPH07182666A (en) | Light pickup system | |
JPH0336176B2 (en) | ||
SU1337737A1 (en) | Photoelectric shadow device | |
RU2196299C2 (en) | Facility measuring characteristics of transparent in homogeneities | |
JPH08128806A (en) | Optical displacement sensor | |
SU708541A1 (en) | Photoelectric microphone | |
SU551502A1 (en) | Device for measuring the angular displacements of an object in two mutually perpendicular planes | |
JP2001165658A (en) | Method and device for measuring angle of movable body and position detection facility of movable body using this angle measuring device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20060701 |