بخشی از مقاله
چکیده
سنسورهای برداریِ آکوستیکی علاوه بر فشار آکوستیکی با اندازهگیری سرعتِ ذرات آکوستیکی در یک جهت خاص، استفاده بیشتری از اطلاعات سیگنال دریافتی میکنند که با استفاده از این سنسورها میتوان زوایای سمت و ارتفاع سیگنالهای وارده را بطور همزمان تخمین زد. در این مقاله با اندازهگیری گرادیان فشار رویکردی بمنظور طراحی و ساخت یک سنسوربرداری و بررسی قابلیت جهتیابی منابع صوتی توسط این سنسور ارائه شدهاست.
در این راستا با استفاده از سنسورهای فشار آکوستیکیِ از جنس هیدروفن، یک آرایه هیدروفنبرداری طراحی و ساخته شده است و برای این آرایه عملکرد جهتیابی منابع آکوستیکی با استفاده از الگوریتم رزولوشن بالای MUSIC بصورت عملی تست و بررسی گردیدهاست. نتایج نشان داده-اند که آرایه هیدروفنبرداری ساخته شده در جهتیابی زوایای سمت و ارتفاع سیگنالهای وارده، عملکرد مطلوبی دارد..
-1 مقدمه
یک سنسوربرداری آکوستیکی که در کاربردهای دریایی به آن هیدروفنبرداری هم گفته میشود Ahmadi- - - shokuoh and Keshavarz, 2007 و ، از سه سنسور سرعت که بصورت فشرده و عمود برهم در راستای محورهای مختصات کارتزین قرار گرفتهاند و یک سنسور فشار تشکیل شدهاست. هرکدام از سنسورهای سرعت، یکی از مؤلفههای کارتزین سرعتذره میدان موج آکوستیکی را اندازهگیری میکنند و سنسور فشار، فشار موج آکوستیکی را به یک مقدار عددی - اسکالر - تبدیل مینماید. اغلب سیستمهای آشکارسازیِ سیگنالهای آکوستیکی بر اساس آرایه سنسورهای اسکالر ساخته شدهاند.
این نوع از سنسورها همانطور که از نامشان برمیآید تنها قادر به اندازهگیری فشار میدان آکوستیکی که مؤلفهای اسکالر میباشد هستند و هیچکدام از مؤلفههای سرعت ذره میدان آکوستیکی را اندازهگیری نمیکنند . - Nehorai and Paldi, 1994 - در چند دهه اخیر، حجم زیادی از تحقیقات بر روی تئوری، ارزیابی عملکرد و طراحی سنسورهای برداری صورت گرفته است. بطور متداول، رویکرد پسیو برای آشکارسازی سیگنالهای آکوستیکی، استفاده از نصب آرایهای طویل از سنسورهای فشار میباشد تا سیگنالهای آکوستیکی را دریافت و آشکارسازی کند.
راستاوری آرایه در فرکانسهای پائین، برای آرایهای از سنسورهای فشار، بطور اساسی بوسیله اندازه آرایه محدود میشود. سنسورهای برداری بخاطر ماهیتی که دارند، بطور همزمان فشار آکوستیکی و سرعت ذرات آکوستیکی را اندازهگیری میکنند و از آنجائیکه استفاده بهتری از اطلاعات سیگنالهای دریافتی میکنند، در فرکانسهای پائین عملکرد خوبی دارند و لزوم استفاده از آرایههایی طویل سنسورهای فشار را میکاهند . - Abdi et al, 2007 -
در این مقاله با اندازهگیری گرادیان فشار رویکردی بمنظور ارزیابی عملکرد یک تک هیدروفنبرداری معرفی میشود، نمونه اولیه این ساختار طراحی و با استفاده از سنسورهای فشار از جنس میکروفون و سپس هیدروفن ساخته شدهاست و با استفاده از الگوریتمهای تخمین DOA عملکرد آن تست و ارزیابی میشود. در بخش 2 مفاهیم سرعت ذرهای و ارتباط آن با فشار آکوستیکی مطرح میشود و نحوه پیکربندی آرایه جهت دستیابی به عملکرد متناظر با یک سنسوربرداری مورد بحث قرار خواهد گرفت. بخش 3 نمونه آزمایشگاهی آرایه سنسور برداری که توسط این مقاله بررسی داده شدهاست را توصیف میکند.
در بخش 4 به جزئیات الگوریتم تخمین DOA که برای این سنسور مورد استفاده قرار گرفته است پرداخته شدهاست. در بخش 5 به آزمایش و تست این سنسور و تحلیل دادههای بدست آمده از طریق آن مبتنی بر مباحث مطرح شده در بخش 2 تا بخش 4 پرداخته شدهاست و در نهایت بخش 6 یافتهها و نتایج این مقاله را معرفی میکند.
-2 مفاهیم
بسته به کاربرد، چیدمانهای متفاوتی از سنسورهای سرعت و فشار وجود دارند که همچنان هیدروفنبرداری تشکیل میدهند و انتظارات کاربرد مورد نظر را برآورده میکنند - Ahmadi-shokuoh and Keshavarz, . - 2007 معمولترین ساختار، متشکل از سه سنسور سرعت و یک سنسور فشار میباشد که شماتیک ساختاری این سنسور در شکل 1 به تصویر درآمده است. هر کدام از سنسورهای سرعت، مؤلفههای سرعت ذره را در راستای یکی از محورهای مختصات کارتزین استخراج میکنند و سنسور فشار که در مبدأ مختصات قرار دارد، فشار آکوستیکی سیگنال وارده را اندازهگیری مینماید.
نحوه اندازهگیری سرعت ذرات آکوستیکی و استفاده از سنسورهایی که بتوانند با دقت خوب و در کمترین فضای فیزیکی ممکن این کمیت را اندازهگیری کنند، وجه تمایز سازندههای سنسورهای برداری است. برای یک موج مسطح یا تخت، فشار تنها در راستای انتشارِ صوت تغییر میکند. فشار در همه نقاط واقع در هر صفحه همراستا با جهت انتشار، یکسان میباشد.
جبهههای موج، صفحههایی میباشند که با فاصلهای به اندازه یک طول موج از هم مجزا هستند و فشار آکوستیکی p در این صفحات در بیشترین مقدار خود قرار دارد. سرعت صوت به حرکت طولی جبهه موج در محیط برمیگردد و بوسیله رابطه c f به فرکانس و طولموج ارتباط دارد. سرعت صوت نمیبایست با سرعت ذرات u اشتباه گرفته شود، سرعت ذرات به جابجایی و حرکت مولکولها در محیط بر میگردد. برای یک موج مسطح، فشار به صورت رابطه - 1 - به سرعت ذرات ارتباط پیدا میکند . - Waite, 2002 -
-3 طراحی و ساخت آرایه
با فرض اینکه امواج آکوستیکی امواجی تخت باشند، فشار آکوستیکی p t , r معادله موج آکوستیکی همگن و خطی را برآورده میکند.
