بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله نتایج طراحی و ساخت یک سنسور برداری صوتی و آزمون آن برای جهت یابی و طبقه بندی ارائه شده است. این حسگر برداری متشکل از دو ژئوفون برای اندازهگیری سرعت ذرهای در فرکانسهای پایین در امتداد دو محور x و y و یک سنسور فشار برای اندازهگیری مقدار فشار صوتی تشکیل شده است. با اندازهگیری همزمان دو مولفه سرعت ذرهای صوت و فشار صوتی مشخصه کامل میدان صوتی استخراج و با استفاده از آن، زاویه سمت هدف تخمین زده می شود. در ادامه برای طبقهبندی اهداف با استفاده از سیگنال خروجی ژئوفون ها از روش ماشین بردار پشتیبان استفاده شده است.
کلمات کلیدی: حسگر برداری صوتی؛ ژئوفون؛ جهتیابی؛ طبقهبندی.
1.مقدمه
اولین بار مفهوم اندازهگیری سرعت ذرهای صوت توسط H.F. Olsen مطرح شدو نحوه عملکرد سنسورهایی که سرعت ذرهای را اندازهگیری میکنند، توسط او در سال 1930 مورد بررسی قرار گرفت . olsen ثابت کرد اگر بخواهیم پاسخ فرکانسی در یک پهنای باند وسیع ثابت باشد، باید مولفههای سرعت ذرهای صوت را اندازهگیری کرد. به کمک ژئوفون میتوان سرعت ذرهای صوت را اندازهگیری کرد .[1] ژئوفونها شامل یک میدان مغناطیسی به همراه یک یا چند سیمپیچ و چندین فنر میباشند، به این صورت که سیمپیچها درون این میدان مغناطیسی معلق میباشند. با ورود یک سیگنال صوتی این سیمپیچها به دلیل تغییر فشار، به حرکت در میآیند، و جریان الکتریکی در این سیمپیچها القا میشود. مقدار این جریان الکتریکی، سرعت ذرهای در امتداد محور ژئوفون را نشان میدهد.
در سالهای اخیر استفاده از حسگرهای صوتی و ژئوفون ها کاربردهای زیادی همچون سیستم های مراقبتی ، لرزه نگاری و اکتشاف نفت و غیره پیدا کرده است. در این مقاله نتایج طراحی و ساخت یک سنسور برداری صوتی و آزمون آن برای جهت یابی و طبقه بندی ارائه شده است.جهتیابی اهداف با استفاده از سنسور برداری را به دو روش شکلدهی پرتو و استفاده از همبستگی میتوان انجام داد. در این تحقیق از روش همبستگی استفاده شده است وجهت هدفبر اساس ضرب داخلی بین نمونههای فشار صوتی و مولفههای سرعت ذرهای اندازهگیری میشود.ژئوفونها یکی در راستای محور x و دیگری در امتداد محور y قرار دارد، که به ترتیب مولفه سرعت ذرهای در امتداد محور x و y را اندازه میگیرند.
با عملیات ضرب داخلی بین نمونههای فشار و نمونههای سرعت، مولفه هایشدت صوت در امتداد محور x و y حاصل میشوند.شدت صوت یا شار قدرت صوت در واحد سطح با استفاده از فشار صوتی و سرعت ذرهای صوت اندازهگیری میشود. شدت صوت در واحد سطح با ضرب بردار سرعت ذرهای صوت در فشار بدست میآید.در رابطه بالا Iشدت صوت لحظهای، P فشار آکوستیکی و Vبرابر با سرعت ذرهای صوت میباشد. جهت شدت صوت با استفاده از فاز بین سرعت و فشار بدست میآید. اندازه شدت صوت در میدان دور با استفاده از رابطه زیر بدست میآید.در رابطه بالا برابر با چگالی محیط و c سرعت صوت در محیط میباشد. این رابطه فقط برای حالتی که بتوان موج را بصورت تخت فرض کرد، درست میباشد.
با استفاده از اندازهگیری مولفه شدت صوت در امتداد محور x و yمی توان جهت ورود سیگنال هدف را تخمین زد.[2],[3],[4]به منظورطبقهبندی نیز از دادههای اندازهگیری شده توسط ژئوفون و برای استخراج ویژگی از موجک دابیچز درجه 4 استفاده شده است. این موجک تا پنج سطح به سیگنال اعمال گشته است و در نهایت انرژی مربوط به تقریب سیگنال و بردار 5 تایی انرژی مربوط به جزئیات ها به عنوان ویژگی استخراج می شوند. برای طبقه بندی از ماشین بردار پشتیبان - SVM - استفاده شده است . دلیل استفاده از این طبقه بند این است که با توجه به کم بودن تعداد نمونه های آموزش و با توجه به ساختار SVM که فقط به داده های مرزی وابسته است برای این کار مناسب می باشد.
2.جهت یابی
2,1 رابطه بین سرعت ذره ای و مقدار فشار صوت
با اندازهگیری فشار صوتی و دو مولفهی سرعت ذرهای در امتداد محور x به عنوان Vx و در امتداد محور y به عنوان Vy در صفحه xy میتوان زاویه سمت اهداف را تخمین زد. در حالتی که اهداف در میدان دور باشد، رابطه بین فشار صوتی و سرعت ذرهای بصورت زیر میباشد:
در رابطه بالا P فشار آکوستیکی، برابر با چگالی محیط، t برابر زمان و V=[vx , vy]برابر با سرعت ذرهای صوت میباشد. برای حالتی که موج را تخت فرض کنیم و اهداف در میدان دور باشد، در فرکانس رابطه بین سرعت و فشار بصورت زیر است:
رابطه بالا نشان میدهد که سرعت ذرهای متناسب با فشار وارد شده از همان سمت ولی با یک علامت منفی است. به این ترتیب مولفههای سرعت و فشار را میتوان بصورت زیر تعریف کرد:در روابط بالا ضریب A به این دلیل است که مولفههای سرعت متناسب با فشار هستند. در رابطه n - t - - 5 - برابر با نویز فشار و nx - t - و ny - t - به ترتیب برابر با نویز ژئوفونی که در راستای محور x و y قرار دارد، هستند[12]،.[13]
2,2 روش شکل دهی پرتو
مجموع فشار معادل سرعت در جهت x و y و مقدار فشار اندازه گیری شده با الگوی همه جهته، تشکیل الگوی پرتو کلی سیستم را میدهد.در رابطه بالا B برابر الگوی پرتو، زاویه سمت، P فشار صوتی همه جهته میباشد. - 3FRV - معادل با سرعت ذرهای در امتداد محور x و Psin - - معادل با سرعت ذرهای در امتداد محور y است. در روش شکلدهی پرتو هنگام جمع کردن خروجی سنسور فشار با خروجی ژئوفونها باید این خروجیها دارای واحد یکسان باشند، برای این منظور با تقسیم کردن مقادیری که ژئوفون اندازهگیری میکند بر ثابت c واحد سرعت ذرهای نیز بر حسب واحد فشار صوتی میگردد، به این مقادیر فشار معادل با سرعت ذرهای میگویند. شکل 1 الگوی پرتو حسگر برداری که شامل دو ژئوفون عمود در امتداد محور x و y و یک سنسور فشار است، را نشان می دهد.[5,6]همان گونه که در شکل 1 مشاهده می نمایید یک سنسور برداری به تنهایی الگوی پرتوی جهتی دارد و برای جهتیابی هدف نیاز است که این الگوی پرتو در جهتهای مختلف چرخانده شود و هر کجا که میزان خروجی الگوی از یک سطح آستانه بیشتر شود هدف آشکار میشود و جهت هدف نیز برابر با جهت الگوی پرتو خواهد بود.
