Раков, Денис Сергеевич. Разработка и исследование систем звуковой связи в атмосфере

Короткий опис

Раков, Денис Сергеевич. Разработка и исследование систем звуковой связи в атмосфере : диссертация ... кандидата технических наук : 01.04.03 / Раков Денис Сергеевич; [Место защиты: Том. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники (ТУСУР) РАН].- Томск, 2012.- 139 с.: ил. РГБ ОД, 61 12-5/3549

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ МОНИТОРИНГА КЛИМАТИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ
СИСТЕМ СО РАН (ИМКЭС СО РАН) ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

укописи

РАКОВ ДЕНИС СЕРГЕЕВИЧ
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ ЗВУКОВОЙ СВЯЗИ В
АТМОСФЕРЕ
01.04.03 радиофизика
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: Доктор физико-математических наук Н.П. Красненко
2012
РЕФЕРАТ
АТМОСФЕРА, АКУСТИКА, ВЕЩАНИЕ, ИЗЛУЧАТЕЛЬ,
ИССЛЕДОВАНИЕ, МЕТОДИКА, НАПРАВЛЕННЫЙ МИКРОФОН, ОСЛАБЛЕНИЕ, ПЕРЕДАТЧИК, ПОГЛОЩЕНИЕ, ПРОГРАММА, СИГНАЛ, СИСТЕМА, РАЗБОРЧИВОСТЬ, РАЗРАБОТКА, РЕЧЬ, ЧАСТОТА, ШУМ.
Диссертация посвящена разработке систем звуковой связи и исследованию их работы в атмосфере. Дана классификация звуковых систем связи в атмосфере, направление их применения и возможности их работы. Приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследовании в области распространения звука в приземном слое атмосферы. Описана разработанная методика проведения испытаний направленных микрофонов, приема разборчивого речевого сигнала. Приведены примеры разработанных активных систем звуковой связи в атмосфере.
ABSTRACT
ATMOSPHERE, ACOUSTICS, ACOUSTIC, ANNOUNCEMENT, HERTZ, RADIATOR, RESEARCH, TECHNIQUE, A MICROPHONE DIRECTED, EASING, TRANSMITTER, ABSORPTION, PROGRAM, SIGNAL, SYSTEM, LEGIBILITY, WORKING OUT, SPEECH, FREQUENCY, NOISE.
The given dissertation is devoted working out and research of work of systems of sound communication in atmosphere. Classification of sound communication systems in atmosphere, a direction of their application and work possibility is given. Results theoretical and experimental researches in the field of sound distribution to a ground layer of atmosphere are resulted. The developed technique of carrying out of tests of the directed microphones, on check of reception of a legible speech signal is described. Examples of the developed active systems of sound communication in atmosphere are resulted.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. ЗВУКОВАЯ СВЯЗЬ В АТМОСФЕРЕ 15
1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ЗВУКОВОЙ СВЯЗИ 15
1.1.1. АКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ ЗВУКОВОЙ СВЯЗИ 18
1.1.2. ПАССИВНЫЕ СИСТЕМЫ ЗВУКОВОЙ СВЯЗИ 20
1.1.3. СМЕШАННЫЕ СИСТЕМЫ ЗВУКОВОЙ СВЯЗИ 22
1.2. ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СИСТЕМ ЗВУКОВОЙ СВЯЗИ 22
1.3. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 25
ГЛАВА 2. АТМОСФЕРНЫЙ КАНАЛ СВЯЗИ. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКОВЫХ ВОЛН НА МАЛЫЕ РАССТОЯНИЯ 27
2.1. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКА В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ 27
2.2. ОСЛАБЛЕНИЕ ЗВУКА 29
2.3. ПОГЛОЩЕНИЕ ЗВУКА АТМОСФЕРОЙ 32
2.3.1. КЛАССИЧЕСКОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ ЗВУКА 32
2.3.2. МОЛЕКУЛЯРНОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ ЗВУКА 33
2.3.2.1. ВРАЩАТЕЛЬНАЯ РЕЛАКСАЦИЯ 34
2.3.2.2. КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ РЕЛАКСАЦИЯ 34
2.3.3. ПРАКТИЧЕСКАЯ ФОРМУЛА ВЫЧИСЛЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ ЗВУКА 37
2.4. ВЛИЯНИЕ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ НА ПРИЗЕМНОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКА 39
2.4.1. ГЕОМЕТРИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКА НАД ПОВЕРХНОСТЬЮ ЗЕМЛИ ... 40
2.4.2. МОДЕЛЬ ИМПЕДАНСА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ 44
2.4.3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИЗЕМНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКА 51
2.4.3.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИЗЕМНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ
ЗВУКА 51
2.4.3.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИЗЕМНОГО
РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКА 58
ВЫВОДЫ 61
ГЛАВА 3. ФОНОВЫЙ ОКРУЖАЮЩИЙ ШУМ 64
3.1 КЛАССИФИКАЦИЯ ШУМОВ 65
3.2. ДВУХПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ШУМА 67
3.3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ФОНОВОГО ОКРУЖАЮЩЕГО ШУМА 71 3.4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ФОНОВОГО
ОКРУЖАЮЩЕГО ШУМА
выводы
ГЛАВА 4. СЛЫШИМОСТЬ И РАЗБОРЧИВОСТЬ РЕЧИ ПЕРЕДАВАЕМЫХ ЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ 79
4.1. МОДЕЛЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКА В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ НА
МАЛЫЕ РАССТОЯНИЯ 79
4.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СЛЫШИМОСТИ И РАЗБОРЧИВОСТИ РЕЧИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СИСТЕМ ЗВУКОВОЙ СВЯЗИ В АТМОСФЕРЕ 80
4.2.1. СТАНДАРТНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СЛЫШИМОСТИ И
РАЗБОРЧИВОСТИ РЕЧИ 81
4.2.2. УЧЕТ ВЛИЯНИЯ КАНАЛА РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
84
РАЗБОРЧИВОСТИ РЕЧИ „
4.3. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ ЗВУКОВЕЩАТЕЛЬНЫХ СТАНЦИИ
85
4.4. НАПРАВЛЕННЫЕ МИКРОФОНЫ. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ
РАЗБОРЧИВОСТИ РЕЧИ. ОПТИМИЗАЦИЯ НАПРАВЛЕННЫХ МИКРОФОНОВ 90
4.4.1. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗБОРЧИВОСТИ РЕЧИ ДЛЯ НАПРАВЛЕННЫХ
МИКРОФОНОВ С УЧЕТОМ КАНАЛА РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКА 91
ВЫВОДЫ 95
ГЛАВА 5. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМ ЗВУКОВОЙ СВЯЗИ В АТМОСФЕРЕ 97
5.1. НАПРАВЛЕННЫЕ МИКРОФОНЫ 97
5.1.1. НАПРАВЛЕННЫЙ МИКРОФОН НА ОСНОВЕ ЗЕРКАЛА ТИПА АДЭ 98
5.1.2. НАПРАВЛЕННЫЙ МИКРОФОН НА ОСНОВЕ ПАРАБОЛИЧЕСКОГО ЗЕРКАЛА
ДИАМЕТРОМ 0.3
5.1.3. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ НАПРАВЛЕННЫХ МИКРОФОНОВ Ю8
5.2! АКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ. ПЕРЕДАЮЩИЕ АКУСТИЧЕСКИЕ АНТЕННЫЕ
РЕШЕТКИ
5.3. УСТАНОВКА АКУСТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ 114
ВЫВОДЫ 117
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 122
ЛИТЕРАТУРА 126
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 138
ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Список літератури

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе проведена классификация звуковых систем связи в атмосфере, описана методика определения слышимости и разборчивости передаваемых речевых сообщений в приземном слое атмосферы на малые расстояния, приведены примеры, разработанных систем звуковой связи, и результаты исследований. По итогам проведенной работы можно сформулировать следующие выводы:
1. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований систем звуковой связи в атмосфере разработана методика расчета слышимости и разборчивости речи на малых расстояниях. Основные особенности данной методики:
a. Методика позволяет учитывать ослабление звука, обусловленное влиянием подстилающей поверхности, а также ослабление звука за счет атмосферного поглощения;
b. В методике используется сводная таблица результатов измерения характеристик фонового окружающего шума, которая позволяет задавать шум по формальным признакам;
c. Определение разборчивости речи ведется путем усреднения отношения сигнал/шум по 4 частотам, которые практически полностью перекрывают частотный диапазон речи человека, прописанный в государственных стандартах.
Данная методика была применена:
- при оценке качества принимаемого речевого сигнала направленным микрофоном, на заданном расстоянии до объекта;
- в программном обеспечении для установки акустического воздействия на биообъекты при выполнении ОКР «Манок».
2. Теоретические исследования коэффициента ослабления звука за счет подстилающей поверхности показали что:
a. Фазовый сдвиг звуковой волны, образующийся при распространении над жесткой поверхностью, не зависит от коэффициента отражения и коэффициента поверхностных потерь. В этом случае поверхностное сопротивлении ст = со, импеданс подстилающей поверхности Zground со, и коэффициент отражения
Rp->, фазовый сдвиг Ар < 180°.
b. В случае, когда поверхность представляет собой пористое покрытие, коэффициент Q = Rp+(l-Rp)-F(w), учитывающий коэффициент
отражение и коэффициент поверхностных потерь, вносит фазовый сдвиг, стремящийся на большом расстоянии к 180°. Скорость роста данного фазового сдвига зависит от типа подстилающей поверхности, рост тем сильнее, чем ниже характеристический импеданс подстилающей поверхности.
c. В случае, когда твердая подстилающая поверхность покрыта пористым слоем (например, слой снега на поверхности земли), расчет импедансных свойств земной поверхности следует проводить по двухпараметрической модели, учитывающей толщину пористого слоя.
3. Даны рекомендации по высоте размещения источника звука над поверхностью земли при приземном вещании на малых расстояниях. Показано, что:
a. При вещании на расстояния от 100 до 300 метров, рекомендуется размещать источник звука на высоте от 2 до 3 метров (возможно и более высокое размещение).
b. При вещании на расстояния от 50 до 100 метров, рекомендуется размещать источник звука на высоте от 1 до 2 метров. Данное размещение источника звука, позволит на указанных расстояниях избежать сильного ослабления звука в точках интерференционных минимумов для различных частот.
4. Анализ измеренных характеристик фонового окружающего шума позволил получить сводную таблицу данных, использовать которую можно без измерения уровня шума, только лишь по формальным признакам. Данная таблица была использована:
a. В программном комплексе «Прогноз 3.0» устройства прогнозирования дальности звукового вещания звуковещательных станций «УПДЗС-01.03», который прошел государственные испытания и принят на снабжение вооруженных сил РФ и к тиражированию;
b. В блоке расчета уровня звукового давления в программном обеспечении для устройства акустического воздействия при выполнении ОКР «Манок»;
c. В методике определения слышимости и разборчивости речи.
5. Использование параболических направленных микрофонов обладает рядом существенных недостатков, таких как большая ширина диаграммы направленности и высокий уровень боковых лепестков. Для уменьшения влияния помех приходящих с боковых направлений и уменьшения ширины диаграммы направленности предлагается использовать звукозащитные бленды малых размеров.
По результатам исследований в средствах компьютерной математики МаШсаё у14, была написана программа, для определения слышимости и разборчивости речи с учетом влияния канала распространения звука. Программа была использована при разработке установки акустического воздействия на биообъекты (ОКР «Манок»), а также для проведения испытаний с направленными микрофонами.
В рамках выполнения диссертационной работы при непосредственном участии автора были разработаны и исследованы два направленных микрофона, акустический стенд для исследования распространения звуковых волн в приземном слое атмосферы, установка акустического воздействия на биообъекты (ОКР «Манок»).
Результаты работы отражены в актах о практическом использовании
материалов диссертационной работы.
Автор благодарит научного руководителя работы д.ф.-м.н., профессора
Н.П. Красненко за постановку задачи и ценные рекомендации, помощь в
работе и консультации.
Автор также благодарен сотрудникам и коллегам Ракову A.C.,
Кудрявцеву А.Н., Сандукову Ц.Д., Стафееву П.Г. за полезные советы, а также помощь при проведении разработок и экспериментальных исследований