ОРГАНИЗАЦИЯ АКУСТИЧЕСКОГО КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В МАГИСТРАЛЬНЫХ ВОДОПРОВОДНЫХ СЕТЯХ
ОРГАНИЗАЦИЯ АКУСТИЧЕСКОГО КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В МАГИСТРАЛЬНЫХ ВОДОПРОВОДНЫХ СЕТЯХ
Научная статья
Зибров В.А.¹, Мальцева Д.А.²
Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса, Шахты, Россия
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.
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 
(рисунок 2). Временные области распространения акустического давления рассчитываем по формуле:
где R – радиус трубы; 
– волновое число; 
– расположение источника акустической волны; 
– расположение приёмника акустической волны; Jm(kr) – функция Бесселя первого рода [3]; 
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)
Рис. 4. Временные области распространения акустического давления
z=10м (а), z=100м (б), z=1000м (в), мода (0,0)
Рис. 5. Временные области распространения акустического давления
z=10м (а), z=100м (б), z=1000м (в), мода (0,1)
Рис. 6. Временные области распространения акустического давления
z=10м (а), z=100м (б), z=1000м (в), мода (0,2)
Рис. 7. Временные области распространения акустического давления
z=10м (а), z=100м (б), z=1000м (в), мода (1,1)
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.
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).
Рис. 11. Временные области распространения акустического давления
Fмакс=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).
Список литературы / References
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.