Pages Navigation Menu

ISSN 2227-6017 (ONLINE), ISSN 2303-9868 (PRINT), DOI: 10.18454/IRJ.2227-6017
ПИ № ФС 77 - 51217

Страницы: 89-93 Выпуск: 5 (5) () Искать в Google Scholar
Цитировать

Цитировать

Электронная ссылка | Печатная ссылка

Скопируйте отформатированную библиографическую ссылку через буфер обмена или перейдите по одной из ссылок для импорта в Менеджер библиографий.
Зибров В. А. ОРГАНИЗАЦИЯ АКУСТИЧЕСКОГО КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В МАГИТРАЛЬНЫХ ВОДОПРОВОДНЫХ СЕТЯХ / В. А. Зибров, Д,А. Мальцева // Международный научно-исследовательский журнал. — 2012. — №5 (5). — С. 89—93. — URL: http://research-journal.org/technical/organizaciya-akusticheskogo-kanala-peredachi-informacii-v-magitralnyx-vodoprovodnyx-setyax/ (дата обращения: 27.05.2017. ).
Зибров В. А. ОРГАНИЗАЦИЯ АКУСТИЧЕСКОГО КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В МАГИТРАЛЬНЫХ ВОДОПРОВОДНЫХ СЕТЯХ / В. А. Зибров, Д,А. Мальцева // Международный научно-исследовательский журнал. — 2012. — №5 (5). — С. 89—93.

Импортировать


ОРГАНИЗАЦИЯ АКУСТИЧЕСКОГО КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В МАГИТРАЛЬНЫХ ВОДОПРОВОДНЫХ СЕТЯХ

В.А. Зибров, Д.А. Мальцева

Кандидат технических наук, доцент кафедры радиоэлектронные системы, федеральное государственное бюджетное учреждение высшего профессионального образования Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса

ОРГАНИЗАЦИЯ АКУСТИЧЕСКОГО КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В МАГИТРАЛЬНЫХ ВОДОПРОВОДНЫХ СЕТЯХ

Аннотация: Ультразвуковые технологии мониторинга энергоресурсов, позволяют измерять любые среды. Ограниченное пространство водопровода создает серьезное многолучевое распространение волн. В работе рассмотрена возможность распространения сигнала с линейной частотной модуляцией в магистральном водопроводе.

Ключевые слова: акустика, контроль, канал, водопровод

Keywords: acoustics, the control, the channel, product line

Область исследований акустического канала передачи информации (АКПИ) в магистральных водопроводных сетях в настоящее время слабо изучена. В отличие от акустических коммуникаций, применяемых в открытой водной среде, где ослабление является основной причиной уменьшения сигнала, акустическая прикладная реверберация в водопроводе является самым важным фактором искажения сигнала. Ограниченное пространство водопровода создает серьезное многолучевое распространение волн [1]. Ввиду того, что различные параметры характеризуют водопроводные сети: давление, температура, вязкость и удельная проводимость воды, механические примеси и воздушные пузырьки в воде, материал, диаметр водопроводной трубы и т.п., дают основание предполагать, что эти параметры вызовут определенные трудности при организации АКПИ.

Основанием для данного утверждения, является эмпирическое правило [1], которое определяет верхний предел частоты сигнала относительно расстояния передачи (при расстоянии 500м, максимальная частота, которая может использоваться для передатчика, составляет приблизительно 80 кГц [1]), при этом изменения экологических переменных, являющихся важными в открытой водной среде, имеют минимальные значения в водопроводной сети. В работе [2] рассмотрена акустическая система телеметрии с автономным роботом разработанная для водопроводных коммуникаций. В этой системе акустические волны в ультразвуковом диапазоне передаются через водную среду между роботом и базовой станцией. Длина линии связи, составила 500м, применялась труба диаметром 1м, максимальная скорость передачи данных составила 9,6Кб/с.

В статье рассмотрим распространение акустических сигналов, распространяющихся в закрытой магистральной водопроводной трубе, полностью заполненной водой. Состав АКПИ (рисунок 1), включает в себя аппаратные средства, программное обеспечение (протокол связи) и модули питания.

Расположение источника излучения акустической волны в трубе

Рис. 1. Схема акустического канала передачи информации в водопроводе

Большинство теоретических исследований анализирует волну в различных формах распространения. На практике, как правило, рассматривают три типа волны: продольные, спиральные и изгибные [3-7]. В работе рассмотрим случай, когда акустическая волна изолированно распространяется в водопроводной трубе, исключаем влияние различных препятствий и влияние внешней среды (грунта). В этом случае труба будет действовать на акустическую волну как фильтр нижних частот.

Для водопроводных сетей в основном используют трубы из чугуна, стали, бетона и полимеров. Будем считать, что жесткость между водой и стенкой трубы существенна, так как модуль упругости стали 200ГПа, бетона 25ГПа, а воды 2,2ГПа. Плотность железа составляет 7874кг/м3, скорость акустической волны в стенке трубы 5100м/сек, плотность воды 1000кг/м3, скорость акустической волны в воде 1480м/сек. Допускаем, что распространение звуковой волны в воде не вызовет генерацию в промежуточном слое между стенкой трубы и водным потоком. Источник излучения (передатчик) расположен внутри цилиндрической трубы

    \[({{r}_{0}},{{\theta }_{0}})\]

(рисунок 2). Временные области распространения акустического давления рассчитываем по формуле:

    \[P(r,\theta ,z)=\frac{\rho }{2\pi {{R}^{2}}}\omega \,f(\omega ){{e}^{i\omega t}}\sum\limits_{m=1}^{M}{\left[ {{J}_{m}}({{k}_{mn}}{{r}_{0}})f({{\theta }_{0}}) \right]}\ {{J}_{m}}({{k}_{mn}}r)f(\theta ){{e}^{i{{k}_{mn}}z}}\]

 (1)

где

    \[R\]

– радиус трубы;

    \[k=2\pi f/c\]

– волновое число;

    \[{{r}_{0}}=0\]

,

    \[{{\theta }_{0}}=0\]

– расположение источника акустической волны;

    \[r=0,5R\]

,

    \[\ \theta ={{75}^{0}}\]

– расположение приёмника акустической волны;

    \[{{J}_{m}}(kr)\]

– функция Бесселя первого рода [3];

    \[\text{k}=\sqrt{k_{0}^{2}-k_{mn}^{2}}\]

;

    \[{{k}_{mn}}\le {{k}_{0}}\]

;

    \[{{F}_{}}=0;\]

    \[{{F}_{}}=40kGz;\]

    \[{{k}_{mn()}}={{k}_{0}}=2\pi 40000\left[ \text{} \right]/1480\left[ \text{/} \right]\approx 169,7{{\text{}}^{\text{-1}}}\]

.

Расположение источника излучения акустической волны в трубе

Рис. 2. Расположение источника излучения акустической волны в трубе

В работе учитываем следующий фактор, сигнал от источника излучения не должен создавать помех и находиться в слуховом диапазоне частот различных животных. В этой связи особый интерес представляет сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), позволяющий получить высокое качество передаваемой информации при минимальной мощности сигнала (рисунок 3) [4]. Для проведения расчетов применяем интерактивную систему MatLab. На рисунках 4-8 приведены временные области распространения акустического давления в трубе диаметром 50,8мм на расстояниях z=10м, 100м и 1000м.

     

         а)                                            б)                                            в)

Рис. 3. Сигнал от источника излучения (а), спектр (б) и спектрограмма (в)

     

а)                                             б)                                            в)

Рис. 4. Временные области распространения акустического давления

z=10м (а), z=100м (б), z=1000м (в), мода (0,0)

     

а)                                             б)                                            в)

Рис. 5. Временные области распространения акустического давления

z=10м (а), z=100м (б), z=1000м (в), мода (0,1)

     

а)                                             б)                                            в)

Рис. 6. Временные области распространения акустического давления

z=10м (а), z=100м (б), z=1000м (в), мода (0,2)

     

а)                                            б)                                              в)

Рис. 7. Временные области распространения акустического давления

z=10м (а), z=100м (б), z=1000м (в), мода (1,1)

     

а)                                            б)                                            в)

Рис. 8. Временные области распространения акустического давления

z=10м (а), z=100м (б), z=1000м (в), мода (2,2)

 

Рис. 9. Временная область распространения акустического давления

z=1000м, мода (7,0)

На рисунке 4 приведен импульс бегущей плоской волны (мода 0,0) который на расчетных расстояниях от z=10м до z=1000м не претерпевает существенных изменений. На рисунках 5 и 6 приведены временные области распространения акустического давления моды (0,1) и (0,2), где видно, что они значительно медленнее, чем мода (0,0), причём с увеличением расстояния z форма импульса искажается. Для случаев (рисунок 7,8,9), можно сказать, что передаваемый импульс значительно искажен из-за результата перекрытия волн, у которых есть более длинные пути распространения. Это признак многолучевого распространения акустической волны в трубе, и многих ревербераций передаваемого сигнала. Необходимо отметить, что эти реверберации соответствуют более высоким модам, которые быстрее ослабляются с увеличением расстояния.

     

а)                                            б)                                            в)

Рис. 10. Временные области распространения акустического давления

    \[R=\]

0,0253м,

    \[R=\]

0,054м,

    \[R=\]

0,21м, z=1000м, мода (0,0)

На рисунке 10 приведены временные области распространения акустического давления в зависимости от радиуса трубы. В данном случае отмечаем дисперсию акустической волны с увеличением радиуса трубы (сигнал, распространяющийся в трубе с большим радиусом, возбуждает больше мод, чем при распространении его в трубе с меньшим радиусом).

     

а)                                            б)                                            в)

   

г)                                                      д)

Рис. 11. Временные области распространения акустического давления

    \[{{F}_{}}\]

=10кГц (а), 20кГц (б), 60кГц (в), 80кГц (г), 100кГц (д),

    \[R\]

=0,21м, мода (0,0), z=1000м

Из-за возрастающего числа мод, возбуждаемых в трубе с большим радиусом, принимаемый сигнал будет искажен наложением отраженных сигналов на основной сигнал. В трубах с большим радиусом существуют и большее количество путей распространения высших мод. Этот факт наиболее очевиден для высокочастотных сигналов, которые имеют меньшую продолжительность во времени, и соответственно большее количество высших мод, распространяющихся по многолучевым траекториям. Причём такое же поведение можно наблюдать и при передаче сигналов с более низкой частотой, при условии увеличения радиуса трубы, увеличивается и количество путей распространения высших мод (рисунок 11).

Таким образом, в цилиндрическом продуктопроводе желательно передавать информацию с помощью оговоренной выше волны с модой (0,0). При этом следует обратить внимание на следующее: необходимо применение согласованного фильтра для выделения режима распространения 0,0 из принятых импульсов; большая часть энергии импульса приходится на распространение высших мод, при этом значительно ослабляя моду (0,0).

Литература

1. Fransois R.E, and Garrison G.R., «Sound absorption based on ocean measurements: Part II. Boric acid contribution and equation for total absorption», Journal of Acoustical Society of America, vol. 72, pp. 1879- 1890, 1982.

2. Bin L., Harrold S.O., Bradbeer R., and Yeung L.F, «An Underwater Acoustic Digital Communication Link», in Mechatronics and Machine Vision, Billingsley J. (Ed), Research Studies Press, UK, pp 275-282, 2000.

3. E. Kausel, «Compendium of Fundamental Solutions in Elastodynamics»,CambridgeUniversityPress,New York, 2006.

4. Свердлин Г.М. Прикладная гидроакустика [Текст]: Учеб пособие. 2-е изд., перераб. И доп. — Л: Судостроение, 1990. — 320с.

5. А.А. Сапронов, В.А. Зибров. Использование пьезоэлектрических преобразователей для передачи информации о потребляемых водных ресурсах. [Текст]: / Энергосбережение и водоподготовка. Научно-технический журнал. – М.: Издательский дом «Граница», 2009. – №3 – С.44-46

6. А.А. Сапронов, В.А. Зибров, И.А. Занина, О.В. Соколовская. Исследование процесса передачи информации по акустическому каналу в водопроводе // Энергосбережение и водоподготовка. Научно-технический журнал. – М.: Издательский дом «Граница», 2012. – №4. – С.52-54

7. А.А. Сапронов, В.А. Зибров, И.А. Занина, О.В. Соколовская, С.А. Тряпичкин. Пьезоэлектрический генератор в устройстве мониторинга водопровода// Энергосбережение и водоподготовка. Научно-технический журнал. – М.: Издательский дом «Граница», 2012. – №5.

3. E. Kausel, «Compendium of Fundamental Solutions in Elastodynamics»,CambridgeUniversityPress,New York, 2006.

4. Свердлин Г.М. Прикладная гидроакустика [Текст]: Учеб пособие. 2-е изд., перераб. И доп. — Л: Судостроение, 1990. — 320с.

5. А.А. Сапронов, В.А. Зибров. Использование пьезоэлектрических преобразователей для передачи информации о потребляемых водных ресурсах. [Текст]: / Энергосбережение и водоподготовка. Научно-технический журнал. – М.: Издательский дом «Граница», 2009. – №3 – С.44-46

6. А.А. Сапронов, В.А. Зибров, И.А. Занина, О.В. Соколовская. Исследование процесса передачи информации по акустическому каналу в водопроводе // Энергосбережение и водоподготовка. Научно-технический журнал. – М.: Издательский дом «Граница», 2012. – №4. – С.52-54

7. А.А. Сапронов, В.А. Зибров, И.А. Занина, О.В. Соколовская, С.А. Тряпичкин. Пьезоэлектрический генератор в устройстве мониторинга водопровода// Энергосбережение и водоподготовка. Научно-технический журнал. – М.: Издательский дом «Граница», 2012. – №5.

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.