парусно-моторной яхты “Хина”.
<< Векторно-фазовые методы в акустике
в которой наиболее полно представлен спектр вопросов, связанных с механизмами формирования низкочастотных полей детерминированных и шумовых (распределенных) источников в океане
|
|
|
Pабочий момент подготовки к
измерению собственных шумов в Индийском
океане с борта парусно-моторной яхты “Хина”. |
|
| Научно-исследовательское судно "Академик Несмеянов", далекий Тихий океан |
|
| Пеленгование объекта на фоне движущегося на удалении около полумили сухогруза |
|
|
| Выделенные пеленги сухогруза и цели в той же полосе, с учетом знака вертикального компонента потока акустической мощности | |
|
|
Пример совместной обработки сигналов при выстреле гаубицы, регистрируемых
каналами Х, Y и Z векторного приемника, расположенного в воздухе |
|
Совместная с сотруд-никами ГМЦГИ ГП ВНИИФТРИ постановка автономной донной станции с борта судна физических полей (СФП) для метрологического обеспечения измерений – Балтика 2002 г. |
Здесь – экология (акустическая экология), в рамках которой изучаются шумы и вибрации антропогенного и естественного происхождения внутри зданий салонов автомобилей, вагонов метро и др. при их движении в тоннелях и на открытом воздухе, низкочастотные (в том числе инфразвуковые) шумы внутри зданий, обусловленные перемещающимся по улице транспортом.
Элементы биоакустики, связанные с изучением способов регистрации акустических сигналов биообъектами
Круг решаемых задач, в которых в той или иной мере используется информация о векторных характеристиках полей, гораздо шире, чем собственно проблемы гидро- и сейсмоакустики. В частности,
Здесь можно отметить работы С.Н. Ржевкина, в том числе совместно с сотрудниками кафедры акустики физического факультета МГУ, по выявлению объективных критериев, позволяющих однозначно определять, чем отличается совершенный голос от голоса плохого певца и в чем состоит сам процесс постановки певческого голоса, по влиянию ультразвука и электрических полей на живые объекты.
Особенный интерес представляет инфразвук.
Инфразвук может оказывать весьма существенное влияние на человека, в частности, на его психику. В литературе неоднократно отмечались, например, случаи самоубийств под воздействием мощного источника инфразвука.
Природными источниками инфразвука являются землетрясения, извержения вулканов, раскаты грома, штормы, ветры. Немалую роль в их возникновении играет турбулентность атмосферы. Например, мистраль (северный или северо-западный холодный ветер на юге Франции) создает инфразвук с частотой 0,6 Гц.
К искусственным (антропогенным) источникам инфразвука относят взрывы, в том числе атомные, выстрелы из тяжелых орудий, вибрации зданий, конструкций, прессы, вентиляционные системы, вибрации в поездах, автомобилях, на кораблях и судах, работа дизельных установок, авиационных двигателей и т.п.
Данные о физиологическом действии инфразвука противоречивы. Считается, что его влияние на человека связано с резонансами внутренних органов.
Так как длин волны инфразвука значительно больше размеров человека, то он подвергается ее воздействию синфазно (одновременно синхронно со всех сторон). В случае резонансов это может приводить к большим периодическим смещениям органов и тканей. Причем, движение всех органов происходит в фазе, что может приводить к разрывам и кровотечениям в легких. Считается, что инфразвук высокого уровня может приводить к смертельным исходам.
При этом, вредное действие определяется не только уровнем звука, но и его частотой.
Так как воздействие инфразвука не воспринимается непосредственно органами чувств человека, источники инфразвука могут, по мнению специалистов, быть использованы как перспективный вид оружия массового поражения людей.
Существенно, что до сих пор проблема измерений и регламентации уровней Госстандартом не решена. Существует значительный разброс в оценке допустимых норм на уровни инфразвука.
Так же как и в области более высоких частот нормируемым параметром является уровень давления в октавных, 1/3-октавных частотных полосах или интегральной интенсивности по звуковому давлению в исследуемом частотном диапазоне.
При этом не учитывается, что реакция колебательной системы организма на акустические воздействия определяется не обязательно только уровнем звукового давления, но и колебательной скоростью частиц среды или градиентом звукового давления. Последние не всегда однозначно связаны с уровнем звукового давления особенно для низкочастотных шумов. Особое место занимает измерение уровня низкочастотных шумов аэро- или гидродинамического происхождения (шум в узком участке тоннеля метрополитена при движении по нему поезда, шум реактивных и винтовых двигателей и т.д.). В этом случае приборы и инструменты, реагирующие на градиент давления или колебательную скорость, будут испытывать воздействие на 20...40 дБ больше, чем по уровню звукового давления в волне.
В трубах, тоннелях, салонах автомобилей и других замкнутых помещениях возможно возникновение стоячих или близких к ним инфразвуковых волн. В этом случае сильное воздействие на организм и приборы может происходить и в области пространства, в которой измеренное значение давления близко к нулю, так как в этих областях обычно наблюдается пучность градиента звукового давления или колебательной скорости.
|
| Характерный спектр вибраций поезда метро при скорости около 60 км/час |
Локализация источников инфразвука и определение их истинного уровня представляет трудную методическую задачу. И здесь одновременное измерение скалярных и векторных характеристик поля является мощным практически единственным подходом к проблеме.
Одной из важных и сложнейших задач, где векторно-фазовые методы позволили сотрудникам кафедры акустики физического факультета МГУ получить важные практические результаты, была борьба с акустическими шумами и выявление низкочастотных (в том числе, инфразвуковых) источников шума в салонах автомобилей. Эти работы проводились совместно с коллективом акустической лаборатории объединения ЗИЛ. Трудность задачи заключалась, прежде всего, в том, что область возбужде-ния инфразвука в салоне автомобиля являлась ближним полем источников шума. Поэтому задачу удалось решить, только применяя развитые на кафедре векторно-фазовые методы. В результате удалось построить акустическую модель шумового источника.
. Другой круг вопросов был связан с изучением реакции органов слуха животных, насекомых и т.п. на акустическое воздействие. Изучение слуховых органов в живот-ном мире, безусловно, является предметом особого обсуждения. Здесь же отметим, что целенаправленных исследований по поиску ПГД в животном мире крайне мало. Определенную роль здесь играют трудности, с которыми приходится сталкиваться при изучении слуховых органов, и в частности, влияние обратной связи «слуховой орган – центральная нервная система», как правило, искажающий в той или иной степени выходной эффект за счет «обработки» акустической информации. С другой стороны, если предположить, что у человека или высокоразвитых млекопитающих животных (лошади, собаки и т.п.) каждый из двух слуховых органов является, в первом приближении, приемником звукового давления, то при средних расстояниях ме-жду ними 20-30 см они смогут работать как ПГД лишь на частотах ниже 100...200 Гц. В более высокой частотной области предпочтение следует отдать разностно-фазовым измерениям (бинауральный эффект) или формированию простейших характеристик направленности путем аддитивной обработки сигналов. Именно это и было показано в конце 60-х годов в работах, выполненных дипломниками кафедры акустики.
Иное дело у насекомых. Здесь и размеры их измеряются миллиметрами, сантиметрами, и возможности обработки информации примитивнее.
Оказалось, что многие особи малых размеров (сверчки, кузнечики, саранча, отдельные виды рыб) широко используют регистрацию векторных характеристик акустического поля для решения возникающих координатных задач.
Пионерские работы в этом направлении были проведены на кафедре акустики в конце 60-х начале 70-х годов по инициативе С.Н. Ржевкина совместно с сотрудниками биологического факультета (доктор биологических наук профессор Р.Д. Жантиев) и частично вошли в дипломную работу студентки кафедры акустики физического факультета Е.Л. Гордиенко. К сожалению эти работы так и не были в полном объеме опубликованы в печати и получили лишь частичное отражение в вышедших позднее монографиях.
Одним из наиболее простых звукоприемников, регистрирующих градиент давления, и вместе с тем, хорошо изученных, обладает саранча. Это так называемый тимпанальный орган, напоминающий с акустической точки зрения ПГД мембранного типа.
Другая более сложная разновидность тимпанального органа наблюдается у кузнечиков. Основным элементом слухового рецептора являются три барабанные перепонки.
|
Векторные приемники звука у насекомых:
вверху – внешний вид саранчи; 1 - мембрана слухового (тимпанального) органа; Внизу слева направо – тимпанальный орган саранчи в разрезе: 1 – барабанные перепонки; 2 – воздушные мешки трахеальной системы; Строение тимпанального органа кузнечика: 1 – барабанные перепонки; 2 – рахеальные каме-ры; 3 – средняя мембрана; 4 – наружные складки; 5 – щель, ведущая в наружную полость органа. |
|
|
|
В поле волны две внешние перепонки работают синфазно, подобно приемнику звукового давления. Средняя мембрана ведет себя аналогично чувствительному элементу ленточного микрофона, реагируя на одну из проекций градиента звукового давления. Низшая резонансная частота этой приемной системы около 20 кГц, так что выходной сигнал средней мембраны выше 20 кГц оказывается пропорциональным колебательной скорости.
В последнее время появились сообщения, что некоторые виды рыб также для целей пеленгования используют органы, регистрирующие градиент давления. Таким образом, природа освоила методику векторнофазовых измерений акустических полей и решила на этой основе ряд «прикладных» задач существенно раньше человека.
©2003 Кафедра акустики