Активные акустические сенсоры: тонометры, эхолоты, гидролокаторы

Цель лекции: ознакомить слушателей с устройством и принципами работы современных интеллектуальных акустических сенсоров, в частности, простых и электронных тонометров и эхолокаторов. Дать им базовые сведения о гидролокации. Объяснить разницу между автоматическими и полуавтоматическими тонометрами, между однопучковыми и многопучковыми, неадаптивными и адаптивными гидролокаторами. Привести показательные примеры активных интеллектуальных акустических сенсоров, показать их роль в современной жизни.

6.1. Тонометры

До сих пор мы рассматривали в основном пассивные акустические сенсоры, "пассивные" в том плане, что акустические сигналы к ним приходят "со стороны", а сенсоры их лишь воспринимают. Однако разработаны и широко используются также и активные акустические сенсоры. Из них мы рассмотрим в этой лекции тонометры, эхолоты и гидролокаторы.

Люди, больные на гипертензию или гипотензию (повышенное или пониженное артериальное давление крови, которые называют также гипертонией и гипотонией), знают, что такое тонометр. Артериальное давление – это один из очень важных показателей физиологического состояния сердечно-сосудистой системы человека. Давление крови в артериях изменяется в такт с работой сердца. Когда сердце сжимается и выталкивает кровь в артерии, давление в них кратковременно повышается и достигает своего пика, который называют систолическим или "верхним" давлением. В фазе максимального расслабления сердечных мышц давление крови в артериях наиболее низкое, – его называют диастолическим или "нижним" давлением.

Всемирная организация здравоохранения утвердила нормы, в соответствии с которыми нормальными (допустимыми) для взрослого человека считаются систолическое давление от 100 до 140 мм рт. ст. и диастолическое давление от 60 до 90 мм рт. ст. Повышенное артериальное давление ускоряет изнашивание, старение кровеносных сосудов, неоправданно увеличивает интенсивность работы сердца и нагрузку на него, повышает риск инсультов, инфарктов. Пониженное артериальное давление вызывает у человека апатию, вялость, снижение жизненного тонуса. Поэтому как с гипертензией, так и с гипотензией надо бороться с помощью здорового способа жизни, лекарств или средств народной медицины. Но для правильного лечения надо контролировать артериальное давление. Для этого и нужны тонометры – приборы для измерения артериального давления.

6.1.1. Ручные тонометры

В ХVІІІ–ХХ веках использовались . Такой тонометр состоит из манжеты 1, резиновой груши 2, соединительных резиновых трубок 3, механического манометра 4, фонендоскопа 5 и вентиля 6 для выпускания воздуха.

Перед измерением манжету 1 накладывают на плечо пациента так, чтобы ее резиновый мешочек охватил весь обвод руки, и застегивают. Наушники фонендоскопа 5 вставляют в ухо (врача, медсестры или самого пациента, если он измеряет давление сам себе), а слуховой элемент фонендоскопа (стетоскоп) вставляют под край манжеты у сгиба локтя над артерией. Закрывают клапан 6 и с помощью резиновой "груши" 2 через соединительную трубку 3 нагнетают в манжету воздух до тех пор, пока в наушниках фонендоскопа не исчезнет звук пульсации крови в артерии.

Дело в том, что через резиновый мешочек созданное в манжете давление передается на живые ткани под ней, в том числе и на артерию. Когда внешнее давление превышает давление крови внутри артерии, последняя перекрывается, и кровь уже не может проходить по ней дальше. Поэтому пульсация крови за манжетой и прекращается. Через соединительную трубку давление в манжете измеряется манометром 4. Тот, кто слушает звук в фонендоскопе (врач, медсестра или сам пациент), – начинает с помощью вентиля 6 понемногу уменьшать ("стравливать") давление в манжете со скоростью 1-5 мм рт. ст. за секунду. Когда давление в манжете сравнивается с систолическим, кровь в моменты систолы получает возможность снова проталкиваться по артерии. Благодаря этому за манжетой снова слышится звук пульсации крови. В момент возобновления пульсаций надо сразу же считать значение давления на манометре. Оно и является систолическим давлением. Продолжая стравливать давление и слушая звуки пульсации крови через фонендоскоп, надо теперь уловить момент, когда интенсивность этих звуков резко уменьшается. Давление, которое в этот момент показывает манометр, и принимают за диастолическое значение. Ведь интенсивность пульсаций резко уменьшается именно потому, что, как только внешнее давление на артерию становится меньше диастолического, кровь во всех фазах сердечного цикла проходит по артериям без напряжения, следствием чего и становится значительное ослабление звука пульсаций.

Таким образом, звук пульсации крови в артерии и является здесь тем первичным информационным сигналом, который позволяет измерять артериальное давление крови. Поэтому тонометры и относим мы к классу акустических сенсоров. Тонометры являются активными сенсорами потому, что они активно воздействуют на кровеносные артерии, оказывая на них меняющееся внешнее давление. Т.е. манжета служит в тонометре узлом активного влияния на контролируемый объект (кровеносные артерии). А фонендоскоп служит акустическим чувствительным элементом, позволяющим наблюдать реакцию объекта на соответствующее воздействие.

6.1.2. Полуавтоматические электронные тонометры

Ныне все более употребительными становятся интеллектуальные электронные (цифровые) тонометры. Их разделяют на 2 группы: полуавтоматические и автоматические. В полуавтоматических тонометрах ручной остается только операция нагнетания воздуха в манжету (с помощью резиновой груши), а в некоторых – еще и операция постепенного снижения давления в манжете (с помощью ручного вентиля). Мы не принимаем во внимание операции наложения и снимания манжеты, так как они являются ручными и в автоматических тонометрах.

Две из многих марок . Такие тонометры состоят из манжеты, резиновой "груши", электронного блока и соединительных трубок. В состав электронного блока входит микрофон, усилитель и селектор звуковых сигналов, датчик давления в манжете, автоматически управляемый воздушный клапан, звуковой сигнализатор, микрокомпьютер, жидкокристаллический индикатор и кнопки управления прибором.

Пользователь накладывает манжету на плечо, закрепляет ее застёжкой, включает прибор. После появления на экране жидкокристаллического дисплея соответствующей пометки, надо с помощью резиновой "груши" нагнетать воздух в манжету. Микропроцессор непрерывно следит за нарастанием давления в манжете и может отображать его значение на экране. Когда давление достигает нужного уровня, микропроцессор подает звуковой сигнал, после которого нагнетание воздуха надо прекратить. Дальше все происходит автоматически. Микропроцессор, непрерывно "слушая" сигнал из микрофона, шаг за шагом открывает на доли секунды воздушный клапан, стравливая немного воздуха из манжеты, и фиксирует величину снижения давления. Он сам регулирует время открывания клапана так, чтобы темп снижения давления не превышал 1-3 мм рт. ст. в секунду (с каждым ударом сердца). Как только из микрофона поступает первый звуковой тон, который свидетельствует о начале пульсирования крови в артерии за манжетой, микропроцессор фиксирует значение систолического давления. А в момент, когда интенсивность звуковых тонов резко уменьшается, фиксирует диастолическое давление. Кроме того, микропроцессор в ходе измерения давления вычисляет и интервалы времени между последовательными ударами сердца, подсчитывает среднюю частоту пульса и вариации длительности интервалов между ударами. После фиксации диастолического давления, сам микропроцессор открывает клапан. Воздух выходит из манжеты, и давление в ней быстро падает до нуля. Измерение заканчивается, а компьютер выводит на экран дисплея найденные значения верхнего и нижнего артериального давления, частоту пульса и предупреждения в случае ошибок или выявления существенной сердечной аритмии.

В некоторых тонометрах все эти значения вместе с датой и временем измерения фиксируются в энергонезависимой памяти прибора, где могут сохраняться данные 30–100 измерений. В этом случае микропроцессор может вычислять и выводить значения среднего артериального давления и частоты пульса за последний период, количество случаев аритмии, и т.п. Некоторые полуавтоматические тонометры имеют также цветную шкалу артериального давления, на которой в виде столбиков отображаются измеренные уровни давления и красным цветом выделяются опасные зоны.

6.1.3. Автоматические электронные тонометры

Некоторые марки автоматических тонометров показаны на рис 6.3. В их комплектацию уже не входит резиновая груша, так как процесс нагнетания воздуха в этих тонометрах тоже автоматизирован. Для этого в электронном блоке имеется миниатюрный управляемый электронасос. Пользователю остается лишь правильно наложить манжету на плечо и нажать кнопку. Весь дальнейший процесс измерения происходит автоматически. Если в процессе измерения появляются какие-то помехи (перебои сердечного ритма, шевеление руки, кашель, посторонний громкий звук и т.п.), то встроенный в прибор микропроцессор сам запускает процесс измерения повторно.

Полностью автоматический режим дает также возможность повысить точность измерения. Если, например, момент перехода через систолическое давление случайно совпал с фазой расслабления сердечной мышцы, то микропроцессор дает команду насосу снова повысить давление в манжете несколько выше систолического, и измерение последнего автоматически повторяется в более медленном темпе снижения давления. Запомнив артериальное давление данного пользователя, микропроцессор при следующих измерениях сам регулирует уровень нагнетания воздуха так, чтобы он лишь на необходимую величину превышал систолическое давление данного пациента, и обеспечивает тем самым более комфортные условия измерения. Некоторые из автоматических тонометров имеют также интерфейс к внешнему компьютеру, выводят на свой дисплей текущие дату и время. Они могут быть запрограммированы на различные сервисные действия. Например, напоминать звуковым сигналом и значками на дисплее о необходимости приема лекарства или очередного измерения артериального давления и т.п.

На работу электронасоса расходуется значительно больше энергии, чем на измерение. Поэтому в автоматических тонометрах запас энергии встроенных аккумуляторов исчерпывается значительно быстрее, их приходится чаще заряжать. Чтобы избавиться от этого недостатка, автоматические тонометры стали выпускать с дополнительным трансформатором-адаптером, который сделал возможным безопасное питание их от обычной сети переменного тока.

6.1.4. Электронные тонометры с манжетой на запястье

Кроме автоматических тонометров с манжетой на плечо, выпускаются также автоматические тонометры с манжетой на запястье и даже на палец руки. Некоторые из таких тонометров показаны на рис 6.4.

Как правило, они меньшие по размерам и поэтому удобней в пользовании. Их можно взять в дорогу, в отпуск, хотя они пока несколько уступают плечевым тонометрам в точности измерения артериального давления. Дело в том, что артерии в области запястья из-за наличия связок не так надежно перекрываются манжетой, и звуки пульсации крови здесь значительно приглушены. С целью повышения точности в некоторых из таких тонометров цикл измерения автоматически повторяется трижды, а потом рассчитываются и выводятся средние значения.

6.2. Гидролокаторы

Еще более активными акустическими сенсорами являются эхолокаторы, которые сами генерируют акустические волны для того, чтобы собрать нужную информацию о контролируемых объектах. В этом они подобны радиолокаторам, но зондирование окружающей среды ведется не радиоволнами, а акустическими волнами. Поскольку акустические волны распространяются значительно медленнее, чем радиоволны, то время запаздывания отраженных сигналов значительно больше, что существенно упрощает обработку сигналов при зондировании на небольшие расстояния.

Преимущество в эхолокации обычно отдают ультразвуковым (далее УЗ) волнам, поскольку они

УЗ волны средних и высоких частот довольно сильно поглощаются и быстро затухают в воздухе и газах. Поэтому для эхолокации в воздухе применяют преимущественно низкочастотные УЗ волны.

Эхолокацию в водной и вообще в жидкой среде принято называть гидролокацией. Первые гидролокационные приборы измеряли только глубину водоема, т.е. расстояние от акустической антенны до дна моря (океана, реки, озера). Именно такие приборы сначала и называли эхолотами. Если судно с эхолотом перемещалось, то на основе таких измерений строился профиль дна относительно поверхности воды вдоль траектории перемещения судна. Ныне понятие "эхолот" значительно расширилось. Эхолотами называют все сенсоры, которые действуют по принципу восприятия звуков, отраженных от расположенных поодаль предметов, т.е. по принципу эха (от греческого "эхо" – отраженный звук, отзвук, отклик).

В гидролокации названия " гидролокатор " и " эхолокатор ", "эхолот", "сонар" (аббревиатура от английского названия "SOund NAvigation and Ranging", приблизительный перевод – звуковая навигация и измерение расстояний) стали практически синонимами [].

6.2.1. Принцип действия гидролокатора

Принцип действия гидролокатора показан на рис 6.5.

Акустическая антенна 1, герметически защищенная оболочкой 2, сделанной из прозрачного для звука материала, находится в воде. Через кабель она соединена с коммутатором 3, который поочередно подключает к ней генератор 4 или приемник-усилитель акустических сигналов 5. Последний соединен с селектором сигналов 6, выход которого подключен к микропроцессору 7. Выходы последнего подключены к индикатору 8 и к интерфейсному блоку 9.

Работой гидролокатора автоматически управляет микропроцессор 7. Он подает на генератор 4 сигнал о начале зондирования водного пространства и команды о параметрах этого зондирования (частота ультразвука, продолжительность, структура и мощность УЗ импульсов, периодичность их повторения и т.п.). Затем микропроцессор 7 подает сигнал на коммутатор 3, который пропускает электрические колебания от генератора 4 к антенне 1. Там они с помощью пьезоэлектрического осциллятора превращаются в мощные акустические колебания и излучаются антенной в окружающее водное пространство.

В одних вариантах работы УЗ волна излучается равномерно во всех направлениях нижележащего водного полупространства. В других вариантах УЗ волна излучается в виде направленного конусообразного пучка волн. Распространяясь в воде, волны натыкаются на имеющиеся в ней объекты, отражаются и рассеиваются ими. Часть отраженных и рассеянных УЗ волн в значительно ослабленном виде возвращаются назад к акустической антенне 1. Независимо от углового распределения излучения угловая диаграмма направленности этой антенны на прием всегда достаточно узкая, что обеспечивает прием акустических сигналов лишь с того направления, куда "смотрит" антенна. Сразу же после посылки мощного акустического зондирующего сигнала микропроцессор 7 переключает коммутатор 3 на прием. При этом акустические сигналы, которые возвратились к антенне 1 от имеющихся в воде объектов, поступают на приемник 5, усиливаются и передаются в селектор 6. Селектор выделяет из них лишь информационно полезные составляющие, которые и передает на микропроцессор 7. Последний обрабатывает собранную информацию и формирует на индикаторе для пользователя картину, которая воссоздает окружающую обстановку в водной среде. Через интерфейсный блок 9 микропроцессор 7 может передавать некоторую важную информацию другим приборам и получать дополнительную информацию от них, также отображая ее на индикаторе (например, данные о температуре воды, атмосферном давлении, о направлении и силе ветра и т.п.).

Во многих гидролокаторах, особенно предназначенных для пассажирских, промышленных и военных кораблей, акустическая антенна 1 является подвижной. Чтобы "видеть" большой сектор окружающего водного пространства, она может вращаться вокруг горизонтальной и/или вертикальной оси. Вращение по азимуту обычно возможно на все 360 $$\deg$$. Тогда для привода антенны в составе гидролокатора имеется еще и сервоусилитель 10, управляемый тоже от микропроцессора 7.

Пусть $$l$$ – это минимальная дальность, которую "просматривает" или "прослушивает" гидролокатор. УЗ волна проходит до объектов, удаленных на такое расстояние, и обратно за время$$\tau=2l/v.$$

Здесь $$v$$ – это скорость распространения УЗ волн в воде. Длительность зондирующего УЗ импульса не должна превышать это время, поскольку иначе сигналы, отраженные от наиболее близких целей, не будут приняты.

Пусть $$L$$ – это максимальная дальность, которую "просматривает" или "прослушивает" гидролокатор. УЗ волна проходит расстояние до самых удаленных объектов и обратно за время$$t=2L/v.$$

Период посылки зондирующих УЗ импульсов не должен быть меньше этого времени, поскольку иначе сигналы, отраженные от наиболее далеких целей, тоже не будут приняты. Таким образом, диапазон расстояний до объектов, обнаруживаемых гидролокатором (от $$l$$ до $$L$$ ), максимальная длительность зондирующих УЗ импульсов $$\tau$$ и минимальный период их излучения $$T$$ однозначно между собой связаны.

6.2.2. Примеры промышленных гидролокаторов

На рис 6.6 показан базовый блок гидролокатора Furuno CH-250, который выпускается для применения на рыбопромысловом флоте. Его размеры 300 x 290 x 144 мм. Масса с акустической антенной 55 кг. Дальность обзора – до 1600 м. Максимальная глубина – до 600 м. Энергопотребление – 90 Вт.

Акустическая антенна кругового и вертикального сканирования устанавливается на подводной части корпуса корабля (http://www.navimarin.ru/catalog_more.php?page=1type=39id=3).

Гидролокатор может работать в восьми режимах:

В зависимости от режима и условий сканирования рабочая частота составляет 60 кГц, 88 кГц или 150 кГц. С изменением диапазона дальности автоматически меняется продолжительность и периодичность импульсов. В случае выявления косяка рыбы или возникновения угрозы столкновения с подводным препятствием (рифом, скалой и т.п.) может подаваться звуковой сигнал. Имеется возможность соединения гидролокатора с внешними устройствами – персональным компьютером, приемником GPS, радаром и т.п.

Для повышения безопасности движения кораблей, особенно пассажирских, на них устанавливают гидролокаторы наблюдения в направлении движения корабля. Один из таких гидролокаторов показан на рис 6.7.

Гидролокатор безопасности движения Interphase Twinscope Color: слева – в режиме горизонтального сканирования вперед (90?); справа – в режиме вертикального сканирования; внизу – вид базового блока

Слева вверху представлена область его горизонтального сканирования в секторе с углом 90 $$\deg$$ пучком УЗ волн частотой 200 кГц с вертикальным расхождением 12 $$\deg$$. Одновременно работает и направленный вертикально вниз УЗ пучок эхолота. Вверху справа представлена область сканирования вперед по вертикали в пределах углов от 0 до 90 $$\deg$$ пучком УЗ волн с горизонтальным расхождением 12 $$\deg$$. Дистанция наблюдения – до 360 м, контролируемая глубина – до 240 м. Базовый блок (рис 6.7, внизу) оснащен цветным экраном 234 x 480 пикселей с режимами работы "дневной", "ночной" и "при ярком солнечном освещении". Автоматически измеряются и выводятся на экран данные о скорости судна и температуре воды, выдается звуковая сигнализация о приближении мелководья, подводных препятствий, об опасности захода в запрещенную зону, если она заведомо определена. На экране могут выделяться отдельные окна для вывода навигационных и других данных. В базовом блоке имеется энергонезависимая память для сохранения всех необходимых протокольных данных.

Ныне разрабатываются и промышленно выпускаются десятки разных типов гидролокаторов для профессиональных и технических исследований. Они применяются, например:

К таким гидролокаторам можно отнести, например, разработанный в НИИ приборостроения им. В.В. Тихомирова интерферометрический гидролокатор "ГИДРА-1" со сложными сигналами зондирования, с линейной частотной модуляцией и острой (1 $$\deg$$ ) диаграммой направленности.

Еще один пример – гидролокатор кругового обзора Micron (рис 6.8), предназначенный для миниатюрных телеуправляемых подводных аппаратов типа "SeaBotix". Его внешний диаметр 56 мм, длина 78,5 мм, масса 0,29 кг. К нему придается кабель-трос длиной до 1000 м. Гидролокатор Micron может работать на глубинах до 500 м. Он имеет рабочую частоту, изменяемую в диапазоне от 650 кГц до 950 кГц, острую диаграмму направленности (2,5 $$\deg$$ по азимуту и 38 $$\deg$$ по вертикали) и обеспечивает разрешающую способность 50 мм на расстоянии до 75 м. Полученные и обработанные данные передаются через кабель-трос на пульт управления подводным аппаратом, где могут быть выведены на монитор.

Существует много более простых интеллектуальных сенсоров, в которых используется активная гидролокация. Один из них – измеритель потока жидкости Sonartron ST фирмы Honsberg показан на рис 6.9.

В проточную металлическую трубу, сквозь которую пропускается жидкость, друг против друга встроены излучатель и приемник УЗ импульсов. Эти импульсы проходят вдоль оси потока. Время запаздывания принятого импульса относительно момента излучения зависит от скорости движения жидкости. Электронная схема, которая измеряет время запаздывания, пересчитывает это время по данным предварительной калибровки в величину потока жидкости и выдает это значение в цифровой форме. Поток воды в диапазоне от 0,04 л/мин. до 40 л/мин. измеряется с точностью до 2,5 %. Сенсор имеет также аналоговый электрический выход и защитное электрическое реле, замыкающееся при превышении потоком жидкости заранее заданной в цифровом виде величины.

6.3. Рыбопоисковые эхолоты

Простейшими и наиболее дешевыми гидролокаторами являются сейчас эхолоты для любителей рыбной ловли. Их называют еще "рыбоискатель" или, на английский манер, "Fishfinder", "флешер" [, ]. Главными функциями рыбопоисковых эхолотов являются определение глубины, рельефа и структуры дна водоема, выявление рыбы и понятное рыбакам отображение этой информации на индикаторе. Такие эхолоты должны быть водостойкими, рассчитанными на работу в жару и в мороз (для зимней рыбалки), портативными, простыми в пользовании. Некоторые из них ориентированы на ловлю рыбы только с лодки. Их акустические антенны крепят снаружи подводной части лодки или внутри лодки к днищу. Тогда они работают сквозь прозрачную для звука обшивку. Другими рыбопоисковыми эхолотами рыбаки могут пользоваться как при ловле рыбы с берега, так и при ловле с лодки.

Акустические антенны в специальных поплавках забрасывают или опускают в воду близ места рыбалки. На зимней рыбалке акустическая антенна может работать и сквозь лед, но лучше все-таки сделать лунку и опустить антенну в воду. На экране эхолота можно увидеть рельеф дна с индикацией глубины, коряги, камни, подводную растительность и, что главное, рыбу. Ее "выдает" главным образом плавательный пузырь. Разность в скорости распространения звука в воздухе и воде настолько велика, что значительная часть звуковых колебаний, достигающих пузыря, рассеиваются в обратном направлении. На экране эхолота хорошо виден, в основном, именно плавательный пузырь рыбы. Настоящую форму рыбы, ее размеры, строение тела эхолот, конечно, показать не может. Поэтому во многих эхолотах сам микрокомпьютер формирует на экране символ рыбы. Пользуясь эхолотом, можно быстрее найти перспективное место рыбалки, можно наблюдать, как рыба реагирует на прикормку и на опущенную рыболовную снасть.

Уже более 10 фирм развитых стран мира промышленно выпускают и продают рыболовецкие эхолоты (Lowrance Electronics, Нumminbird, Garmin, JJ-GROUP, Eagle и т.д.). Одними из самых маленьких, простейших и в то же время удобных в пользовании являются "эхолот-часы" SmartCast RF 35 фирмы Нumminbird (рис 6.10).

Их управляющая часть с монохромным жидкокристаллическим экраном, имеющим длину диагонали 32 мм и разрешающую способность 48 x 32 пикселя, размещается в водонепроницаемом корпусе наручных часов (рис 6.10, справа) или в таком же небольшом корпусе, рассчитанном на крепление к комлю спиннинга либо удилища (рис 6.10, слева). Акустическая антенна вместе с необходимой электроникой, миниатюрным радиопередающим устройством и батарейками питания размещается в поплавке. Как только поплавок попадает в воду, электроника и антенна автоматически включаются, и устанавливается радиосвязь с управляющей частью. Радиосвязь на расстоянии до 50 м обеспечивает значительную мобильность и возможность обследования труднодоступных мест. Антенна формирует один ультразвуковой луч с угловой апертурой 90 $$\deg$$, работает на частоте 115 кГц, обеспечивая наблюдение подводного пространства на глубине 30 м при дальности 50 м.

На экран выводятся глубина водоема, контуры дна, подводных предметов и символы рыбы (если она есть), а также температура воды, измеренная встроенным в поплавок датчиком. Имеется функция звуковой сигнализации в случае появления рыбы в контролируемом пространстве. Ресурс работы акустической антенны со свежими батарейками составляет 500 часов. В "свободное от рыбалки время" управляющая часть эхолота может работать как обычные электронные цифровые часы.

Близкий по характеристикам к описанному, портативный рыбопоисковый эхолот JJ Fisherman 140 показан на рис 6.11.

В отличие от предыдущего, связь управляющего блока с акустической антенной осуществляется в нем через тонкий герметичный кабель длиной свыше 6 м. Антенна формирует тоже один луч, но с угловой апертурой 20 градусов. Экран имеет больший размер (44 x 44 мм). Эхолот позволяет видеть, что происходит под антенной в толще воды глубиной от 0,8 м до 24,4 м несколько более детально, чем предыдущий. Но из-за меньшей угловой апертуры он контролирует значительно меньшее подводное пространство.

Совместить более детальное "видение" с одновременным наблюдением за значительным подводным пространством позволяют многопучковые антенны (рис 6.12). Такие антенны состоят из нескольких излучателей и приёмников УЗ волн. Каждый канал в них работает независимо и отдельно управляется от микропроцессора.

рис 6.12,б-,г показаны схематические изображения пучков УЗ волн 2-, 3- и 6-пучковой акустических антенн. На рис 6.12,д показан случай использования одного вертикального и одного или нескольких боковых пучков, которые позволяют "видеть" то, что происходит в воде под крутым нависшим берегом или под скалой.

В качестве примера высококачественного двухпучкового рыбопоискового эхолота рассмотрим эхолот "Matrix 97 sonar", базовый блок которого показан на рис 6.13 слева. В нем используется акустическая антенна DualBeam PLUS $$\text{\texttrademark}$$ ("2-лучевой трансдьюсер"), которая может крепиться к транцу лодки или ко дну внутри лодки и работать сквозь её обшивку. Антенна формирует два пучка УЗ волн вокруг общей вертикальной оси: внутренний пучок с углом расхождения 20 $$\deg$$ (на уровне – 10 дБ) и с частотой ультразвука 200 кГц и внешний (как на рис 6.12,б) – с углом расхождения 60 $$\deg$$ и с частотой ультразвука 83 кГц. Средняя мощность излучения в импульсе 500 Вт, пиковая 4 кВт. Ее достаточно для того, чтобы контролировать водную толщу до глубины 450 м и на такой глубине различать предметы размером от 65 мм.

Большой цветной экран с диагональю 142 мм имеет разрешающую способность 240 x 320 пикселей и позволяет на глубине до 12 м различать рыболовный крючок и рыбу размерами от 65 мм. С этим экраном можно уверенно работать даже при ярком солнечном свете. По ходу движения лодки на экране формируется профиль дна и предметов, обнаруживаемых в толще воды. Текущий вертикальный срез виден справа, а слева от него – профиль водного пространства вдоль пройденного пути. Этот профиль по мере продвижения автоматически смещается влево, а справа отображаются свежие данные. На фоне профиля водной толщи отмечается глубина дна, глубина на которой плавает рыба, температура воды и другая важная информация. Экран может быть программно разделен на несколько отдельных "окон". Например, на рис 6.13 слева на экране выделено "окно" с картой соответствующей акватории, на которой отмечается пройденный лодкой маршрут и текущее место пребывания в координатах GPS. Ведь к этому эхолоту могут быть присоединены не только GPS приемник, но и приемник SmartCast, служба сообщений о погоде, персональный компьютер, барометрический и другие датчики. Микропрограммное обеспечение позволяет быстро менять масштаб изображения, "замораживать" и надолго запоминать его, отдельно отображать информацию от каждого из двух пучков, формировать инверсное изображение дна и т.п. Оно же позволяет дополнительно присоединить акустическую антенну бокового обзора ("WideSide $$\text{\texttrademark}$$ " как на рис 6.12,д) и 4-пучковую антенну (QuadraBeam $$\text{\texttrademark}$$ ) для УЗ локации водного пространства по курсу лодки.

У эхолота "Humminbird WIDE 3D PARAMOUNT" (рис 6.13 справа) – экран монохромный и для выделения деталей используются лишь оттенки серого цвета. Но этот эхолот имеет шесть зондирующих УЗ пучков (как на рис 6.12,д) с частотами 200 кГц и 455 кГц и благодаря этому в ходе движения лодки может строить на своем экране очень реалистичный трехмерный (3D) профиль дна и водного пространства под лодкой.

Наличие микропроцессора сделало возможным и следующий шаг в усовершенствовании любительских рыбопоисковых эхолотов – переход к так называемым "цифровым технологиям" (фирма Raymarine именует их HDFI). Примером такого более интеллектуального рыбопоискового эхолота стал цифровой эхолот DS500Х фирмы Raymarine (рис 6.14).

В эхолотах без такой технологии многие характеристики, установленные при изготовлении, не могут быть изменены в процессе эксплуатации. Это, например, частота УЗ волн, структура, периодичность импульсов и их мощность, частотные характеристики приемника и т.п. Производители, конечно, выбирают их, казалось бы, оптимально, ориентируясь на типовые условия применения. Но на самом деле реальные условия варьируют в широких пределах. И во многих случаях установленные заранее значения оказываются не оптимальными. Слишком мощные УЗ волны нужны, например, лишь для обзора больших глубин в море. В то же время они быстрее разряжают источник питания, создают излишние помехи собственному приемнику, при небольших глубинах и возле дна ухудшают качество картинки на экране. Ухудшает ее и неоптимальная частотная фильтрация. Но ведь можно не фиксировать заранее эти и подобные параметры. "Умный" микрокомпьютер, имеющийся в составе эхолота, может оптимально подбирать их в процессе работы, адаптируясь к конкретным условиям применения. В этом и заключается суть технологии HDFI.

В цифровом эхолоте DS500Х микрокомпьютер автоматически подбирает именно такие мощность УЗ пучка, продолжительность, структуру импульсов и периодичность их излучения, которые лучше всего отвечают конкретным условиям функционирования. С ними автоматически согласовываются работа и чувствительность приемника. Вместо аналогового фильтра применяется цифровая фильтрация, которая адаптируется к текущим обстоятельствам на всех глубинах. Параметры регулируются до тысячи раз в секунду. Адаптивное регулирование позволяет получать качественные данные о рыбе, о структуре дна и обстановке в воде даже в тех условиях, когда неадаптивные эхолоты показывают очень мало или вообще ничего.

Для сравнения на рис 6.15 изображен один и тот же участок водоема, формируемый на одинаковых экранах: слева – без применения адаптивной цифровой технологии, а справа – с ее применением. Белыми кружками выделены детали картины, на которые стоит обратить внимание.

В неадаптивных эхолотах участки возле поверхности воды и на дне забиты помехами и шумами. В адаптивных от этого удается избавиться, благодаря чему можно увидеть рыбу и вблизи поверхности, и вблизи дна, лучше увидеть структуру дна. Намного лучше различаются и объекты в толще воды.

Программное обеспечение интеллектуального рыбопоискового эхолота DS Raymarine "знает" и использует различия в частотно-импульсных характеристиках, присущие живым организмам и безжизненным предметам, сортирует каждый сигнал по 220 параметрам (!) и выделяет сигналы от рыб среди прочих сигналов значительно надежнее, чем в неадаптивных эхолотах. Адаптивным в эхолоте DS Raymarine является даже стиль вывода на экран дополнительной информации. По выбору пользователя, например, данные о температуре воды, глубине, барометрическом давлении, об оценочной массе рыбы (она автоматически вычисляется, исходя из объема плавательного пузыря) и т.п., могут выводиться на экран эхолота не в виде сухих цифр, а в виде изображений соответствующих классических аналоговых приборов с текущими показаниями (рис 6.16). Как оказалось, многим рыбакам это значительно удобней для восприятия.

Краткие итоги

К числу активных акустических сенсоров принадлежат тонометры, гидролокаторы, эхолоты. К настоящему времени разработаны удобные высококачественные интеллектуальные тонометры, полуавтоматические и автоматические. Они измеряют не только артериальное давление, но и частоту пульса, выявляют сердечные аритмии, могут накапливать и обрабатывать данные измерений за длительный период, напоминать звуковым сигналом и значками на дисплее о необходимости приема лекарства, очередного измерения артериального давления и оказывать другие сервисные услуги.

Еще более активными акустическими сенсорами являются эхолокаторы, которые сами генерируют акустические волны для того, чтобы собрать нужную информацию о контролируемых объектах. Для эхолокации обычно используют УЗ волны. Эхолокацию в водной и иной жидкой среде принято называть гидролокацией. Гидролокатор состоит из акустической антенны, генератора импульсов мощных УЗ волн, приёмника отраженных УЗ сигналов, коммутатора, электроники обработки сигналов, индикатора и клавиатуры управления. Работой гидролокатора автоматически управляет микропроцессор. Акустическая антенна чаще всего является подвижной, что позволяет с высоким разрешением "прослушивать" все окружающее водное пространство или выбранный сектор. Гидролокаторы позволяют дистанционно наблюдать подводную обстановку, обнаруживать подводные объекты, определять их координаты и расстояния до них, оценивать их размеры. Гидролокаторы применяют на кораблях для обеспечения безопасности движения, на рыболовных судах для обнаружения рыбы, при поисках затонувших кораблей, самолетов и других объектов, для наблюдений за состоянием подводных сооружений, исследований шельфа морского и океанического дна и т.д.

В последние десятилетия созданы и широко используются такие интеллектуальные акустические сенсоры, как портативные эхолоты для любителей рыбной ловли. Главными функциями таких эхолотов являются определение глубины, рельефа и структуры дна водоема, выявление рыбы и понятное рыбакам отображение этой информации на индикаторе. Пользуясь рыбопоисковым эхолотом, можно быстрее найти перспективное место рыбалки, наблюдать реакцию рыбы на прикормку и на опущенную рыболовную снасть. На экране эхолота хорошо виден плавательный пузырь рыбы. Символы рыб на экране формирует микрокомпьютер. Наличие микропроцессора сделало возможным переход к так называемым "цифровым технологиям" эхолокации. Микрокомпьютер автоматически подбирает именно такие мощность УЗ пучка, продолжительность, структуру импульсов и периодичность их излучения, которые лучше всего отвечают конкретным условиям функционирования. С ними автоматически согласовываются работа и чувствительность приемника. Вместо аналогового фильтра применяется цифровая фильтрация, которая адаптируется к текущим обстоятельствам на всех глубинах. Адаптивное регулирование позволяет получать значительно более качественные данные о рыбе, о структуре дна и обстановке в воде.

Чтобы совместить более детальное "видение" подводной обстановки с одновременным наблюдением за значительным подводным пространством, применяют многопучковые акустические антенны. Такие антенны состоят из нескольких излучателей и приёмников УЗ волн. Каждый канал в них может работать независимо и отдельно управляется от микропроцессора. Боковые пучки позволяют "видеть" то, что происходит в воде под крутым нависшим берегом или под скалой. Пучки с более высокой частотой УЗ волны обеспечивают более высокую разрешающую способность, а с более низкой частотой позволяют "видеть" дальше.

Набор для практики

Вопросы для самопроверки

Упражнения

Упражнение 6.1. Кратко опишите, как надо пользоваться ручным тонометром. Что является в данном случае объектом наблюдения? элементом влияния? чувствительным элементом? От чего зависит в данном случае точность отсчета систолического и диастолического давлений?

Упражнение 6.2. Кратко опишите, как надо пользоваться полуавтоматическим электронным тонометром. Попробуйте объяснить зависимость точности измерения артериального давления от скорости снижения давления в манжете.

Упражнение 6.3. Начертите эскиз функциональной схемы тонометра и объясните назначение каждого из его узлов:

Вариант 1. Функциональная схема ручного тонометра.

Вариант 2. Функциональная схема полуавтоматического электронного тонометра.

Вариант 3. Функциональная схема автоматического электронного тонометра.

Упражнение 6.4. Сравните интенсивности акустических волн, имеющих одинаковую амплитуду колебаний давления, но разную частоту.

Вариант 1. Инфразвуковых волн частотой 2 Гц и звуковых волн частотой 4 кГц.

Вариант 2. Звуковых волн частотой 20 Гц и звуковых волн частотой 10 кГц.

Вариант 3. Звуковых волн частотой 2 кГц и УЗ волн частотой 100 кГц.

Вариант 4. Звуковых волн частотой 1 кГц и УЗ волн частотой 1 МГц.

Вариант 5. УЗ волн низкочастотного диапазона частотой 40 кГц и УЗ волн высокочастотного диапазона частотой 400 МГц.

Упражнение 6.5. Принимая, что скорость распространения УЗ волн в воде составляет 1500 м/с, вычислите:

Вариант 1. Время запаздывания УЗ сигнала, отраженного от объекта, удаленного от гидролокатора на 30 м и на 1800 м.

Вариант 2. Максимальную длительность УЗ импульса, если требуется наблюдать подводную обстановку, начиная с расстояний в 30 м.

Вариант 3. Наименьший период генерирования зондирующих УЗ импульсов, если требуется наблюдать подводную обстановку на расстояниях до 4,5 км.

Вариант 4. Расстояние до подводного объекта, если отраженный от него УЗ сигнал запаздывает на 128 мс и на 2,4 с.

Вариант 5. Число полных колебаний давления в УЗ зондирующем импульсе длительностью 24 мс, если частота УЗ колебаний составляет 80 кГц.

Упражнение 6.6. Объясните, почему и как именно по размерам плавательного пузыря рыбы, обнаруженным рыбопоисковым эхолотом, можно оценить её массу.

Ответы

Ответы на вопросы

1. Тонометр – это сенсор артериального давления крови. Его относят к классу акустических сенсоров потому, что первичные информационные сигналы в нем появляются в форме звуковых колебаний, слышимых в фонендоскопе при колебаниях артериального давления крови. Активным его считают потому, что тонометр активно воздействует через манжету на артерии, изменяя внешнее давление на них, и позволяет прослушивать реакцию на это воздействие пульсаций крови в артериях.

2. Отличие электронного тонометра от ручного состоит в том, что в ручном тонометре все операции, необходимые для измерения артериального давления крови, производит пользователь (врач, медсестра или сам пациент). В электронном тонометре ручными остаются только операции наложения и снимания манжеты либо также операция нагнетания воздуха в манжету. Электронные тонометры разделяют на 2 основных вида: полуавтоматические и автоматические. В полуавтоматических тонометрах ручной остается только операция нагнетания воздуха в манжету (с помощью резиновой груши), а в некоторых – еще и операция постепенного снижения давления в манжете (с помощью ручного вентиля). В автоматических электронных тонометрах эти операции тоже автоматизированы. Кроме того, различают тонометры с манжетой на плечо, с манжетой на предплечье, на запястье и даже на палец руки.

3. Преимуществом автоматических электронных тонометров по сравнению с полуавтоматическими является то, что процесс нагнетания воздуха в этих тонометрах тоже автоматизирован. Пользователю остается лишь правильно наложить манжету на руку и нажать кнопку. Весь дальнейший процесс измерения происходит автоматически. Автоматический режим позволяет также повысить точность измерения. Запоминая типичное артериальное давление пользователя, микропроцессор при следующих измерениях сам регулирует уровень нагнетания воздуха, обеспечивая более комфортные условия измерения. Некоторые из автоматических тонометров имеют также интерфейс с внешним компьютером, выводят на свой дисплей текущие дату и время. Они могут быть запрограммированы на различные сервисные действия. Например, напоминать звуковым сигналом и значками на дисплее о необходимости приема лекарства или очередного измерения артериального давления и т.п.

Недостатком автоматических электронных тонометров по сравнению с полуавтоматическими является то, что на работу электронасоса расходуется значительно больше энергии, чем на измерение. Поэтому в автоматических тонометрах запас энергии встроенных аккумуляторов исчерпывается значительно быстрее, их приходится чаще заряжать. Да и цена их выше.

4. "Эхолокация" – это метод определения расположения предметов в пространстве, основанный на излучении звуковых импульсов, приёме и анализе отраженных от предметов эхо-сигналов. "Эхолот" – это интеллектуальный акустический сенсор, реализующий метод эхолокации. Понятия "гидролокация" и "гидролокатор" несколько уже. Они обозначают эхолокацию только в водной или в другой жидкой среде и сенсор, работающий в жидкой среде.

5. Гидролокаторы применяют для дистанционного наблюдения подводной обстановки, обнаружения подводных объектов, определения их координат и расстояний до них, для оценки их размеров. Их устанавливают на кораблях для обеспечения безопасности движения, на рыболовных судах для изучения рыбной обстановки и обнаружения косяков рыбы. В технических целях гидролокаторы используют для поиска затонувших кораблей, самолетов, обломков ракет-носителей и других конструкций, для наблюдений за состоянием подводных сооружений, газо- и нефтепроводов, конструкций ГЭС, опор мостов, для исследований шельфа морского и океанического дна и т.д.

6. "Индикатор кругового обзора" в гидролокации представляет собой экран, на котором отображается подводная обстановка вокруг корабля, на котором установлен гидролокатор. На нем можно увидеть все подводные объекты, расположенные в зоне наблюдения. Можно определить расстояния до них, их координаты относительно корабля, оценить их размеры.

7. "Рыбопоисковый эхолот" – это упрощенный гидролокатор, специализированный для применения рыбаками-любителями при изучении водоема (определение глубины, рельефа и структуры дна) и поиске рыбы. Он должен быть портативным, удобным для использования, рассчитанным на работу в жару и в мороз (для зимней рыбалки), водостойким, недорогим, обеспечивать понятное рыбакам отображение подводной обстановки на небольшом индикаторе.

8. Увидеть рыбу на экране эхолота позволяет, в основном, плавательный пузырь. Заполненный воздухом, он хорошо отражает и рассеивает УЗ волны и дает контрастный отраженный сигнал. На экране эхолота плавательный пузырь имеет форму овала. Для лучшего восприятия встроенный в рыбопоисковый эхолот микрокомпьютер сам формирует на экране изображение рыбы, соответствующее размерам её плавательного пузыря.

9. Связь акустического антенного и основного электронного блока в рыбопоисковых эхолотах осуществляется либо с помощью кабеля, либо с помощью микроволновой радиосвязи. Последняя преимущественно используется в эхолотах, ориентированных на рыбную ловлю с берега.

10. Многопучковые акустические антенны применяют для того, чтобы совместить более детальное "видение" подводной обстановки с одновременным наблюдением за значительным подводным пространством. Такие антенны состоят из нескольких излучателей и приёмников УЗ волн. Каждый канал в них может работать независимо и отдельно управляется от микропроцессора. Боковые пучки позволяют "видеть" то, что происходит в воде под крутым нависшим берегом или под скалой. Пучки с более высокой частотой УЗ волны обеспечивают более высокую разрешающую способность, а с более низкой частотой позволяют "видеть" дальше.

11. "Цифровые технологии" эхолокации состоят в том, что технические параметры УЗ зондирования водного пространства не устанавливаются однозначно заранее, а делаются перестраиваемыми. Микрокомпьютер автоматически подбирает именно такие мощность УЗ пучка, продолжительность, структуру импульсов и периодичность их излучения, которые лучше всего отвечают конкретным условиям функционирования. А с ними автоматически согласовываются работа и чувствительность приемника. Вместо аналогового фильтра применяется цифровая фильтрация, которая адаптируется к текущим обстоятельствам на всех глубинах. Адаптивное регулирование позволяет получать значительно более качественные данные о рыбе, о структуре дна и обстановке в воде.

Ответы к упражнениям

Упражнение 6.1. Перед измерением манжету накладывают на плечо пациента так, чтобы она охватила весь обвод руки, и застегивают. Наушники фонендоскопа вставляют в ухо измеряющего (врача, медсестры или самого пациента), а слуховой элемент фонендоскопа (стетоскоп) вставляют под край манжеты у сгиба локтя над артерией. Манометр ставят так, чтобы его шкала была видна пользователю. Перекрывают вентиль и с помощью резиновой "груши" нагнетают в манжету воздух до тех пор, пока в наушниках фонендоскопа не исчезнет звук пульсации крови в артерии. Затем с помощью вентиля понемногу "стравливают" давление в манжете со скоростью примерно 1-5 мм рт. ст. за один удар сердца. Когда в фонендоскопе возобновляются пульсации, надо сразу же считать значение давления на манометре. Это – систолическое давление. Продолжая стравливать давление и слушая звуки пульсации крови через фонендоскоп, надо теперь уловить момент, когда интенсивность этих звуков резко уменьшается. Давление, которое в этот момент показывает манометр, и принимают за диастолическое значение. Объектом наблюдения является в данном случае переменное артериальное давление крови. Элементом влияния служит манжета, с помощью которой пользователь меняет внешнее давление на артериальные сосуды. Чувствительным элементом являются слуховой элемент фонендоскопа и человеческое ухо. Точность отсчета систолического и диастолического давлений зависит от скорости снижения давления в манжете и от своевременности отсчета значений давления на манометре, а также от точности самого манометра. Чем быстрее стравливается давление, и чем медленнее реакция пользователя, тем больше погрешность. Точность зависит также от дыхания пациента, поскольку при этом изменяется давление внутри грудной клетки, которое является "опорным" давлением для сердца.

Упражнение 6.2. При использовании полуавтоматического электронного тонометра надо надеть манжету на плечо пациента так, чтобы она охватила весь обвод руки, застегнуть манжету и нажать кнопку старта на электронном блоке. После появления на экране жидкокристаллического дисплея соответствующей пометки, надо с помощью резиновой "груши" нагнетать воздух в манжету. Микропроцессор непрерывно следит за нарастанием давления в манжете и может отображать его значение на экране. Когда давление достигает нужного уровня, микропроцессор подает звуковой сигнал, после которого нагнетание воздуха надо прекратить. Дальше все происходит автоматически.

Пусть за период между последовательными ударами сердца давление в манжете снижается на величину $$\Delta p$$. Возобновление пульсаций крови можно услышать только после очередного удара сердца (систолы). Поэтому и погрешность отсчета систолического и диастолического артериального давления не может быть меньше $$\Delta p$$. Таким образом, между точностью измерения артериального давления и скоростью снижения давления в манжете имеется прямая зависимость.

Упражнение 6.3.

Вариант 1. Функциональная схема ручного тонометра выглядит так, как показано на рисунке.

Манжета 1 предназначена для создания всестороннего давления на ткани руки и кровеносные артерии. Резиновая "груша" 4 служит для нагнетания воздуха в манжету. С помощью вентиля 3 можно понемногу стравливать воздух из манжеты или полностью выпустить его. Манометр 5 используется для измерения давления в манжете. Соединительные резиновые трубки 2 пневматически соединяют манжету, вентиль, резиновую "грушу" и манометр. Слуховой элемент 6 служит для съёма звуковых сигналов, вызываемых пульсациями давления крови в артерии. Пользователь 7 вручную выполняет все действия, необходимые для измерения.

Вариант 2. Функциональная схема полуавтоматического электронного тонометра выглядит так, как показано на рисунке.

Манжета 1 предназначена для создания всестороннего давления на ткани руки и кровеносные артерии. Резиновая "груша" 4 служит для ручного нагнетания воздуха в манжету. Микрокомпьютер МК организует всю остальную работу тонометра. Управляемый от МК вентиль 3 понемногу стравливает воздух из манжеты или полностью выпускает его. Миниатюрный датчик давления 5 измеряет давление в манжете и передает результат в МК. Соединительные резиновые трубки 2 пневматически соединяют манжету 1, вентиль 3, резиновую "грушу" 4 и датчик давления 5. Клавиатура Кл позволяет пользователю управлять работой тонометра. На дисплей выводится вся необходимая пользователю информация. Звуковой сигнализатор Зв служит для подачи сигналов пользователю – о прекращении нагнетания воздуха, о сбоях в работе.

Вариант 3. Функциональная схема автоматического электронного тонометра выглядит так, как показано на рисунке. Манжета 1 предназначена для создания всестороннего давления на ткани руки и кровеносные артерии. Микрокомпьютер МК организует всю работу тонометра. Управляемый от МК вентиль 3 понемногу стравливает воздух из манжеты или полностью выпускает его. Миниатюрный электронасос 4 служит для нагнетания воздуха в манжету.

Миниатюрный датчик давления 5 измеряет давление в манжете и передает результат в МК. Соединительные резиновые трубки 2 пневматически соединяют манжету 1, вентиль 3, насос 4 и датчик давления 5. Клавиатура Кл позволяет пользователю управлять работой тонометра. На дисплей выводится вся необходимая пользователю информация. Звуковой сигнализатор Зв служит для подачи сигналов пользователю – о прекращении нагнетания воздуха, о сбоях в работе и т.д.

Упражнение 6.4.

Вариант 1. Интенсивности акустических волн, имеющих одинаковую амплитуду колебаний давления, но разную частоту, относятся как квадраты их частот. Поэтому интенсивность звуковых волн частотой 4 кГц больше интенсивности инфразвуковых волн частотой 2 Гц в (4000 : 2)² = 4 млн. раз!

Вариант 2. Интенсивность звуковых волн частотой 10 кГц больше интенсивности звуковых волн частотой 20 Гц с такой же амплитудой колебаний давления в (10000 : 20)² = 250000 раз.

Вариант 3. Интенсивность УЗ волн частотой 100 кГц больше интенсивности звуковых волн частотой 2 кГц с такой же амплитудой колебаний давления в (100 : 2)² = 2500 раз.

Вариант 4. Интенсивность УЗ волн частотой 1 МГц больше интенсивности звуковых волн частотой 1 кГц с такой же амплитудой колебаний давления в (1000 : 1)² = 1000000, т.е. в миллион раз!

Вариант 5. Интенсивность УЗ волн высокочастотного диапазона частотой 400 МГц больше интенсивности УЗ волн низкочастотного диапазона частотой 40 кГц с такой же амплитудой колебаний давления в (400000 : 40)2 = 108 раз.

Упражнение 6.5.

Вариант 1. Время запаздывания УЗ сигнала, отраженного от объекта, который удален от гидролокатора на 30 м, составляет (30 : 1500)x2 = 0,04 с = 40 мс. Время запаздывания УЗ сигнала, отраженного от объекта, удаленного от гидролокатора на 1800 м, составляет (1800 : 1500)x2 = 2,4 с.

Вариант 2. Если требуется наблюдать подводную обстановку, начиная с расстояний в 30 м, то максимальную длительность зондирующего УЗ импульса можно вычислить по формуле (6.1): $$\tau = 2\times 30 / 1500 = 0,04 \text{ с} = 40 \text{ мс}$$.

Вариант 3. Если требуется наблюдать подводную обстановку на расстояниях до 4,5 км, то период генерирования зондирующих УЗ импульсов должен быть не меньше, чем $$Т = 2\times 4500 / 1500 = 6 \text{ с}$$.

Вариант 4. Если отраженный от подводного объекта УЗ сигнал запаздывает на 128 мс, то расстояние до него составляет 0,128x1500/2 = 96 м. Если же отраженный от подводного объекта УЗ сигнал запаздывает на 2,4 с, то расстояние до него составляет 2,4x1500/2 = 1800 м.

Вариант 5. Найдем сначала период УЗ колебаний с частотой 80 кГц:

1/80000 = 0,000125 с = 0,125 мс. Число полных колебаний давления в УЗ зондирующем импульсе длительностью 24 мс составляет 24 : 0,125 = 192.

Упражнение 6.6. Рыба свободно плавает в воде (не тонет и не всплывает), если её вес точно компенсируется подъёмной силой Архимеда. Последняя равна весу вытесненной рыбой жидкости. Поскольку плотность живых тканей рыбы близка к плотности воды, то подъёмную силу создаёт в основном именно её плавательный пузырь. Плотностью находящегося внутри него воздуха по сравнению с плотностью воды можно пренебречь. Получается, что масса плавающей рыбы приблизительно равна массе воды в объеме её плавательного пузыря. Этот объём можно оценить по видимым эхолотом размерам плавательного пузыря.