Анализ факторов, влияющих на распространение звуковых волн в проводниках при идентификации проводников с помощью акустического сигнала

Введение. Персонал, эксплуатирующий электрическое хозяйство того или иного предприятия, объекта, зачастую сталкивается с проблемой идентификации проводов. Поиск необходимого проводника среди проводов это трудоемкая операция, занимающая продолжительное время.

Проведенный анализ существующих способов и средств идентификации проводов и кабелей показал, что способы и средства идентификации являются недоработанными и не способны в полной мере выполнить поставленную задачу, а именно безошибочно идентифицировать необходимые проводники [1, 9].

Поэтому было разработано устройство идентификации проводов, кабелей и других линейных объектов с использованием акустического сигнала, устраняющее указанные недостатки. В статье [16] подробно описаны устройство и принцип идентификации проводников, кабелей и других линейных объектов с использованием акустического сигнала.

Акустические волны находят широкие применения в науке и технике, в том числе в таких практически значимых областях как ультразвуковая дефектоскопия и неразрушающий контроль материалов, акустическая микроскопия, акустоэлектроника и акустооптика.

Развитый математический аппарат акустики твердых тел позволяет определять условия распространения различных типов волн и описывать их свойства и сопутствующие физические эффекты.

Однако многие задачи решаются лишь численно или с применением комбинированных численно-аналитических методов. Это связано со сложностью геометрических и физических условий многих интересных для практики задач, а также с попытками учесть как можно большее число так называемых вторичных факторов – тонких физических эффектов, влияющих на количественные изменения тех или иных физических величин в реальных условиях.

В процессе идентификации проводов, кабелей и других линейных объектов с использованием акустического сигнала [2] на распространение звуковых волн в металле и изоляционных оболочках влияет множество факторов: отражение, рефракция, дифракция, поглощение.

Результаты. Как показало математическое моделирование распространения звука в проводниках и изоляции по мере удаления расчетной точки от источника звука наблюдается падение уровня звукового давления.

Уровень звукового давления L p в дБ в воздушной среде на расстоянии r (в метрах) от источника вычисляется по формуле [3]:

L р = L w - 20 lg(r) (1)

г де L p – уровень звукового давления L p , дБ;

Lw – мощность звукового давления источника звука, дБ;

r– расстояние от источника звука, м.

В проводниках уровень звукового давления на расстоянии от источника определяется по формуле:

Рисунок 1 – Зависимость звукового давления от расстояния в проводниках

Падение уровня звукового давления в проводниках при удалении расчетной точки от источника звука обусловлено влиянием на акустические волны множества факторов: отражения, рефракции, дифракции, поглощения.

Распространения звуковых волн в открытом и закрытом пространстве. Поведение звуковых волн в открытом и закрытом пространстве кардинально отличается. В открытом пространстве теоретически ничем не ограниченным звуковая волна распространяется, не встречая на своем пути никаких препятствий. Единственное, что с ней происходит это естественное затухание вследствие трения.

Рисунок 2 – Зависимость амплитуды звуковой волны от времени

Совсем другая ситуация складывается при распространении звука в закрытом пространстве. В этом случае со звуковой волной может происходить множество различных явлений.

Поглощение акустических волн в проводниках. При взаимодействии звуковой волны с поглощающими поверхностями часть или вся энергия звуковой волны поглощается. Не все материалы поглощают звуковые волны с одинаковой эффективностью. Более того, поглощающая способность материала колеблется от частоты звуковой волны и характеризуется коэффициентом поглощения от 0 до 1, где 1 это 100% поглощения (рис. 3).

частота

Рисунок 3 – Зависимость коэффициента поглощения от частоты звуковой волны

При идентификации проводников с помощью акустического сигнала часть акустической волны поглощается из-за контакта проводника с соседними проводниками, стенами, трубами и другими материалами с которыми проводник находятся в непосредственном контакте в зависимости от способа монтажа электропроводки.

Один и тот же материал поглощает различные частоты с разной эффективностью. Все материалы можно разделить на пористые и однородные. При этом пористые такие, например как ткани и волокна обладают более высоким коэффициентом поглощения, чем однородные - бетон или стекло.

Высокочастотные звуковые волны распространяются направлено. Низкочастотные волны распространяются сферически, то есть во всех направлениях.

Высокие частоты теряют намного больше акустической энергии при распространении, чем низкие частоты. Волне с частотой 100 герц необходимо проделать 100 циклов для преодоления расстояния в 340 м, затратив на это секунду. В тоже время волне с частотой 10 килогерц необходимо проделать 10000 циклов при равных условиях (рис. 4).

В связи с этим для идентификации проводников с помощью акустического сигнала используется три вида звуковых волн с частотами 80, 90, 100 Гц.

Рисунок 4 – Зависимость циклов акустической волны при прохождении расстояния от частоты звуковой волны

При этом энергия тратится на потери трения. Ведь колебания давления это не что иное, как столкновение молекул среды распространения. Чем чаще эти столкновения, то есть выше частота, тем больше тратится на это энергия.

Отражение акустических волн в проводниках. Это другое физическое явление, происходящее с акустической волной в проводнике и изоляции при распространении, если она встречает на своем пути преграды. Отражающими поверхностями, как правило, являются однородные плотные материалы с гладкой поверхностью. При взаимодействии с такой поверхностью, звуковая волна отражается от нее с углом равным углу падения. При этом она меняет свое направление и теряет часть энергии. Потери энергии зависит от нескольких факторов: структуры поверхности, массы, материала, а также от частоты звуковой волны.

Если звуковая волна L, распространяющаяся в некоторой среде 1 , достигает границы раздела этой среды с другой средой 2 , то возникают отраженная волна L и преломленная волна L (рис. 5).

Отраженная волна распространяется от границы раздела в этой же среде 1 , что и первичная (падающая) волна. Преломленная волна распространяется в среде 2 .

Рисунок 4 – Отражение и преломление звуковой волн ы

При идентификации проводников с помощью акустического сигнала звуковая волна распространяется как в изоляции, так и в токопроводящей жиле. Распространяясь по токопроводящей жиле, звуковая волна отражается и преломляется от изоляционного материала, и наоборот, распространяясь по изоляционному материалу, звуковая волна отражается и преломляется от токопроводящей жилы.

Дифракция акустических волн в проводниках . Дифракция – способность акустической волны огибать малые препятствия. Это способность зависит от двух факторов: габаритов препятствия, и длина волны. Длина волны определяет расстояние, за который происходит один полный цикл.

Чтобы узнать это расстояние необходимо скорость звука в данной среде разделить на частоту волны.

л = - _f (3)

Чем ниже частота, тем больше будет длина звуковой волны, так как скорость остается неизменной. Чем ниже частота волны, а соответственно больше ее длина, тем проще ей огибать препятствия.

Рефракция акустических волн в проводниках. Это процесс, происходящий со звуковой волной при переходе из одной среды в другую. Например, распространяясь в воздухе, звуковая волна встречает на своем пути бетонную стену, то есть совсем другую среду. При этом волна меняет свое направление, интенсивность и как правило, теряет часть энергии. На практике звуковая волна, встречая на своем пути препятствие, переживает все четыре явления одновременно: отражение, поглощение, дифракцию, и рефракцию.

Выводы.

По итогам выполненного исследования можно сделать следующие выводы:

• 1.    Исследовано влияние факторов влияющих на распространение звуковых волн в проводниках при идентификации проводник с помощью акустического сигнала.

• 2.    Падение уровня звукового давления в проводниках при удалении расчетной точки от источника звука обусловлено влиянием на акустические волны множества факторов: отражения, рефракции, дифракции, поглощения.

• 3.    При идентификации проводников с помощью акустического сигнала часть акустической волны поглощается из-за контакта проводника с соседними проводниками, стенами, трубами и другими материалами с которыми проводник находятся в непосредственном контакте в зависимости от способа монтажа электропроводки.

• 4.    При идентификации проводников с помощью акустического сигнала звуковая волна распространяется как в изоляции, так и в

• 5.    Для идентификации проводников с помощью акустического сигнала необходимо использовать звуковые волны с низкими частотами, так как они теряют меньше энергии при распространении.

токопроводящей жиле. Распространяясь по токопроводящей жиле, звуковая волна отражается и преломляется от изоляционного материала, и наоборот, распространяясь по изоляционному материалу, звуковая волна отражается и преломляется от токопроводящей жилы.

FSBEI HE Orel State Agrarian University named after N.V.

Parakhin