Защита акустических устройств от ближних полей собственных помех

Список наиболее употребимых сокращений
СТЗП - спектральная трансформация звукового поля. БПФ - быстрое преобразование Фурье.
КП - комбинированный приемник.
ППМ - приемник потока мощности.
ПКС - приемник колебательной скорости.
ПКУ - приемник колебательного ускорения.
ПКСМ - приемник колебательного смещения.
ПГД - приемник градиента давления.
ПД - приемник звукового давления.
ПДС - приемник динамической силы.
КАД - комбинированный акустический датчик.
ГБПУ - гибкое буксируемое приемное устройство. БСА - буксируемая сейсмоакустическая антенна.
ХН - характеристика направленности.
ДШ - дыхательные шумы.
ОДШ - основные дыхательные шумы.
ДДШ - дополнительные дыхательные шумы.
ДП - дыхательные пути.
ФВ - форсированный выдох.
ТРД - точка равного давления.
МОС - мгновенная объемная скорость дыхания.
МО - математическое ожидание.
СКО - средне квадратическое отклонение.
3
СОДЕРЖАНИЕ
Введение. 8
1. Состояние вопроса и постановка задачи. 9
1.1. Акустическая интенсиметрия. 10
1.2. Векторно-фазовые методы обработки сигналов. 14
1.3. Структурная интенсиметрия. Т9
1.4. Собственные помехи обтекания гибких буксируемых приемных 21 устройств.
1.5. Собственные помехи акустических устройств для диагностики дыхательных
звуков человека. 23
1.5.1. Происхождение дыхательных звуков. 27
1.5.1.1. Бронхиальные звуки. 29
1.5.1.2. Везикулярные звуки. 20
1.5.1.3. Дополнительные дыхательные звуки. 22
1.5.2. Проведение дыхательных звуков. 23
1.6. Постановка задачи. 35
2. Анализ особенностей метода. 37
2.1. Воздействие ближнего поля протяженного цилиндрического
37
источника на приемник спектральной плотности потока мощности °{
мультипликативного типа.
до
2.2. Внутренняя фокальная область.
2.3. Внешняя область. 49
2.4. Воздействие ближнего поля протяженного цилиндрического источника
с;о
на акустические датчики, размещенные на свободной границе.
2.5. Формулировка метода. 61
2.6. Выводы по 2 разделу. 62
4
3. Исследование возможностей защиты акустических датчиков гибких буксируемых приемных устройств от воздействия помех обтекания. 63
3.1. Исследование воздействия помех обтекания на приемники колебательной скорости и комбинированные приемники
гибких буксируемых приемных устройств. 63
3.1.1. Исследовательский инструмент. 64
3.1.1.1. Макеты гибких буксируемых приемных устройств. 64
3.1.1.2. Акустические датчики. 68
3.1.1.3. Характеристики акустических датчиков. 70
3.1.1.4. Резонанс подвеса акустических датчиков в макетах гибких буксируемых приемных устройств. 76
3.1.2. Особенности воздействия помех обтекания на приемники колебательной скорости и комбинированные приемники, установленные в макетах гибких буксируемых приемных устройств. 83
3.1.2.1. Экспериментальные данные. 85
3.1.2.2. Физическая модель. 89
3.2. Возможности защиты комбинированных приемников, установленных в гибких буксируемых приемных устройствах от помех обтекания. 92
3.2.1. Сравнительная помехозащищенность одиночных приемников потока мощности, колебательной скорости и
звукового давления. 94
3.2.2. Возможности дальнейшего увеличения эффективности подавления помех обтекания. 166
3.3. Особенности обработки сигналов, регистрируемых комбинированными приемниками, установленными в гибких
буксируемых приемных устройствах. ^68
5
3.3.1. Формирование однонаправленности в направлении перпендикулярном оси гибких буксируемых
приемных устройств. 108
3.3.2. Метод обнаружения на основе оценки повторяемости знаков спектральных отсчетов. III
3.3.3. Возможности формирования однонаправленности вдоль оси гибких буксируемых приемных устройств. 115
3.4. Выводы по 3 разделу. 121
4. Исследование возможностей защиты акустических устройств для диагностики дыхательных звуков от взаимных помех
воздушного и структурного проведения. 124
4.1. Исследование проведения голоса на стенку грудной клетки человека путем разделения воздушной и структурной составляющих звуков. 124
4.1.1. Исследовательский инструмент. 125
4.1.2. Экспериментальные данные. 125
4.1.3. Физическая модель. Х38
4.1.3.1 Влияние используемого датчика на регистрируемые
поля. 141
4.1.3.2. Влияние поверхностных волн. Х44
4.1.3.4. Особенности калибровки измерительного инструмента. Х45
4.1.4. Математическая модель. Х46
4.1.5. Анализ результатов. Х49
4.2. Исследование особенностей образования и распространения дыхательных шумов человека. 1^2
4.2.1. Уточнение физической модели распространения дыхательных звуков. 152
4.2.2. Генерирование дыхательных шумов. 156
6
4.2.3. Происхождение основных дыхательных шумов, 177 регистрируемых на грудной сгенке.
4.2.4. Акустические особенности основных дыхательных шумов, выявляемые при дыхание гелиевой смесью. 186
4.2.5. Математическая модель проведения основных дыхательных шумов на стенку грудной клетки. 190
4.2.6. Генерирование и проведение дополнительных
дыхательных шумов. 193
4.2.6.1. Оценка средней скорости звука в тканях грудной
клетки человека. 194
4.2.6.2. Математическая модель источника свистов в виде квадруполя. 204
4.3. Новые возможности построения акустической аппаратуры для диагностики звуков в дыхательной системе человека. 209
4.3.1. Способ исследования голосовых звуков с разделением воздушной и структурной составляющих. 209
4.3.2. Способ исследования основных дыхательных шумов с разделением воздушной и структурной составляющих. 218
4.3.3. Эмиссионная акустическая томография источников дополнительных дыхательных шумов в легких. 219
4.3.4. Ударно-резонансный способ. 222
4.3.5. Анализ шумов форсированного выдоха. 222
4.4. Вывода по 4 разделу. 223
5. Другие применения разработанных решений к борьбе с собственными помехами акустических устройств. 226
5.1. Некоторые возможности разработки сейсмоакустической
аппаратуры высокого разрешения. 225
7
5.1.1. Особенности построения приемных устройств для сейсмоакустической аппаратуры высокого разрешения. 229
5.1.2. Некоторые возможности построения сейсмоакустической аппаратуры высокого разрешения на основе техники 239 сжатия импульса.
5.2. Некоторые возможности выделения сигналов от глубокорасположенных сейсмических источников на фоне приповерхностных помех. 243
5.3. Выводы по 5 разделу. 246
Заключение. 247
Приложение. 1. Дополнительные иллюстрации. Временные и спектральные диаграммы откликов каналов комбинированного акустического датчика. 275
Приложение. 2. Документы, подтверждающие практическое использование результатов работы. 303
8
Введение
Данная работа посвящена исследованию некоторых возможностей защиты акустических устройств от собственных помех. Под термином собственные помехи понимаются воздействия шумовых полей носителей акустических датчиков, а также помехи, связанные с паразитным проникновением "полезных” сигналов. Собственные помехи являются одним из важнейших факторов, затрудняющих работу акустических устройств, используемых в различных отраслях акустики, включая акустику океана, физиологическую акустику, сейсмоакустику, воздушную акустику и т.д. Наиболее трудноустранимыми компонентами собственных помех является ближнеполевые составляющие. Перспективными для использования в рассматриваемом назначении оказываются методы акустической интенсиметрии и, в частности так называемый принцип Спектральной трансформации звукового поля (СТЗП), известный в зарубежной литературе как Spectral Transfonnation of Sound Fields (STSF) technique. Данный принцип предполагает взаимноспектральную обработку откликов датчиков, регистрирующих линейно независимые параметры анализируемого поля. На его основе и развит предлагаемый метод защиты акустических устройств от составляющих ближнего поля собственных помех, который затем применен в различных практических приложениях. В результате экспериментальных исследований с использованием разработанного метода получены не только подтверждения возможностей подавления собственных помех, но и выявлены новые акустические закономерности, существенно уточняющие общепринятые представления о воздействии помех на акустические устройства. Для объяснения указанных акустических закономерностей предложены физические и математические модели, с учетом которых разработаны оригинальные технические решения, обепечивающие улучшение помехозащищенности акустических устройств. Полученные
9
результаты имеют очевидную практическую направленность, часть из них уже нашла применение в различных сферах производственной деятельности.
1. Состояние вопроса и постановка задачи
Одним из факторов, существенно затрудняющих работу акустических систем является воздействие собственных помех [1]. Последние, чаще всего, связаны с шумами носителей аппаратуры либо с паразитным проникновением полезных сигналов [2]. Отличительными особенностями данных помех являются: близкое расположение их источников к приемным элементам акустических систем, и как следствие, высокий уровень и сложный (нетривиальный [3]) характер поля, связанный с необходимостью учета неволновых составляющих (ближнего по;ш [4]), в дальней зоне, обычно в силу их малости не рассматриваемых. Именно высокий уровень и нетривиальность нолей создают специфические проблемы при разработке методов защиты акустических систем от собственных помех. Решение указанной задачи допускает различные подходы (см., например, [5, 6)). В данной работе рассматривается, в основном, применение с этой целью одного из
интснсиметрических подходов - принципа Спектральной Трансформации Звукового Поля (СТЗП) [7].
Принцип СТЗП [7] предложен его авторами для исследования
нетривиальных акустических полей в ближней зоне (зоне Френеля) сложных колебательных систем и заключается в разложении нетривиального
акустического поля на малое число взаимно некоррелированных элементарных составляющих, воспринимаемых датчиками различных типов. При разложении звукового поля требуется адекватное число
10
опорных каналов, в качестве которых рекомендуется использовать микрофоны, акселерометры, бесконтактные датчики скорости. Производится взаимноспектральная обработка откликов указанных датчиков, результаты которой используются для реконструкции положения источников излучения в ближней зоне или вычисления излучения объекта в дальней зоне.
Судя по работе [7], ее авторы не предполагали прямого применения разработанного ими принципа для решения задач подавления помех. Однако, усматриваемый возможный физический смысл процедуры - ортогонализация компонент сложного ноля - позволил автору диссертации предположить, что использование базирующегося на принципе СТЗП метода может обеспечить достижение искомого эффекта - подавления составляющих ближних полей собственных помех. В пользу этого предположения свидетельствует и то обстоятельство, что с точки зрения борьбы с составляющими ближних полей собственных помех, частными случаями предлагаемого метода оказываются акустическая интенсиметрия и мультипликативная ветвь так называемых векторно-фазовых методов обработки сигналов, идеи об использовании которых в рассматриваемом назначении высказывались ранее.
1.1. Акустическая интенсиметрия
Хотя измерения акустической интенсивности производились еще Рэлеем, акустическая интенсиметрия в ее нынепшем (мультипликативно -вычислительном) виде оформилась в течение последних 2 десятилетий. Первоначально развитие получила так называемая воздушная интенсиметрия [8-10]. Приборы на основе 2-микрофонных зондов и измерителей интесивности [8], осуществляющие операции вычисления звукового давления, приближенного значения градиента звукового давления и их взаимного спектра, появившиеся в конце 70х годов, быстро получили широкое распространение, поскольку' позволяли существенно упростить многие метрологические задачи воздушной акустики. В носящей постановочный характер работе известного
II
ученого Дж. Тихи [10] отмечается перспективность использования акустической интснсиметрии для:
- измерения звуковой мощности источников,
- определения характеристик звукоизоляции,
- определения характеристик звукопоглощения,
- идентификации источников и исследования ближнего поля,
- исследования распространения звуковых волн и дифракции.
В плане определения звуковой мощности уже с 1989г. имеется [И] стандартная методика 150/Г)Р9614, основанная на определении мощности источника по измерению интенсивности в выборочных дискретных точках приборами фирмы "Вгие1&К[ег" (В&К): 2-микрофонным зондом 3545, 2-канальным анализатором 2133 и устройством графического изображения 2319.
В плане локализации источников, примечательна работа [12], в которой описаны теоретические основы и практическая реализация 6-микрофонного метода измерения вектора интенсивности звука и приведены примеры нахождения локализации источников шума на двигателях и автомобилях. Аналогичный метод описан в работе [13], где применение 4 близкорасположенных гидрофонов и взаимноспектральной обработки позволяет достигнуть хорошего пространственного разрешения источников сигналов в присутствии некоррелированных шумов.
Значительное развитие получили также вопросы теории измерений акустической интенсивности [9]. Так, например, в работе [14] на основе анализа понятий мгновенной и средней интенсивностей делается вывод о важности для практики именно средней величины, поскольку иначе не удается осреднить помехи, вектор интенсивности которых знакопеременен. В работе [15] в результате теоретического анализа отмечается фундаментальная роль таких величин как: потенциальная энергия поля, кинетическая энергия поля, плотность потока мощности, которая заключается в том, что они определяют тонкую энергстичсскуя структуру акустического шумового поля. В следующей
12
работе тех же авторов (16] высказанные выше идеи нашли экспериментальное воплощение. С помощью 4-элементного зонда проведены измерения в заглушенной камере, результаты которых подтверждают формулы для определения расстояния до монопольного и дипольного источников в неограниченнм поле. Экспериментально доказана возможность оценки порядка мультипольности источника для монополя и диполя по частотной зависимости отношения вещественной и мнимой частей плотности потока мощности.
Результаты работ, подобных [15, 16], привлекли особое внимание
исследователей к возможностям акустической интенсиметрии в изучении тонкой структуры звуковых полей сложных колебательных систем [17-20].
Значительный прогресс наблюдается в развитии самой измерительной аппаратуры, что особенно наглядно проявилось применительно к акустическим зондам. Вместо 2-микрофонных [8] разработаны 4- [16] и даже 6-микрофонные [12], что позволяет прямо измерять векторные значения энергетических характеристик полей. Появились акустические датчики альтернативных типов. Так;фирмой "Ыогуе^ап е1есгготс$" выпущен зонд типа 216 [21], измеряющий в воздухе не градиент давления, а непосредственно колебательную скорость. Зонд имеет рабочую полосу 20 - 5000 Гц. В работе [22] предложен датчик интенсивности на двух встречных параметрических решетках с частотой накачки 385 кГц. Решетки разнесены на 2,5-1 см и позволяют одновременно измерять давление и колебательную скорость в полосе до 10 кГц. Обсуждаются возможности создания оптических датчиков (см., например [23]).
Следует отметить, что при проведении практических измерений акустической интенсивности почти сразу была выявлена существенность воздействия помех различного происхождения на данную процедуру. Исследованию и учету воздействий данных помех посвящено большое количество работ, среди которых можно выделить как наиболее интересные [24-27].
ІЗ
ір
В работе (24{ исследовалось общее влияние шумого фона на измерение акустической интенсивности в воздухе. Эксперименты с 2-микрофонным зондом и процессором быстрого преобразования Фурье (БПФ) фирмы В&К показали, что маскировка шумом, не более чем на 5-Ю дБ превышающим уровень сигнала, еще позволяет определять локализацию источника удовлетворительно.
В работе [25] обсуждаются ошибки, обусловленные интерференцией основного сигнала с полем вторичных источников и отражениями от границ.
В работе (27] исследуется влияние плоской стоячей волны на ошибки измерения интенсивности.
Полученные результата нашли отражение в рекомендациях но проведению измерений. Например, в уже упоминавшемся стандарте КО/ОР9614 отмечается (11] необходимость измерения стандартных индикаторов звукового поля, среди которых в качестве наиболее важных выделяются: индикатор сильного постороннего шума, индикатор
неоднородности звукового поля. Измерения мощности источника считаются корректными, если вышеуказанные параметры удовлетворяют рекомендуемым критериям. В противном случае требуется уменьшение фазового рассогласования микрофонов, выбор большего числа точек измерений.
Что касается фазового рассогласования микрофонов, то данный параметр, вообще говоря, является "Ахиллесовой пятой" в помехозащищенности 2-микрофонных зондов, в особенности, в области низких частот. Более подробно этот вопрос будет рассмотрен ниже, пока же отметим, что, согласно (26), попытки корректировки фазовой ошибки микрофонов 2-микрофонного зонда с целью снижения помех чрезвычайно затруднены с метрологической точки зрения.
14
1.2. Векторно-Фазовые методы обработки сигналов
Векторно-фазовые методы, предусматривающие регистрацию скалярных (звуковое давление) и векторных параметров (колебательная скорость) звуковой волны в воде как одно из направлений теории обработки гидроакустических сигналов, интенсивно развивались в течение более 5 десятилетий (281. Становление данного направления у нас в стране связано с именами известных отечественных ученых: С.Н. Ржевкина, JI.H. Захарова, В.И. Ильичева, (см. [29, 30]) В. И. Клячкина. Подробное изложение состояния рассматриваемого направления в период до конца 80х годов нашло отражение в известной работе [30]. По этой причине, не вдаваясь в подробности, которые заняли бы слишком много места, отметим организации и ученых, внесших наиболее заметный вклад в развитие указанных работ в 80х - 90х годах. Это сотрудники МГУ (В.А. Гордиенко, Б.И. Гончаренко с коллегами [30, 31], В.А. Буров), сотрудники Киевского НИИ Гидроприбор (В.И. Маяцкий, А.Г. Лейко с коллегами), сотрудники АКИН (В.И. Сизов, В.Д. Воробьев [32], В.З Галутин и др.), сотрудники ТОЙ ДВО РАН (Е.Ф. Орлов, В.А. Щуров, B.II. Дзюба [33] и др.), сотрудники ЦНИИ Морфизприбор (В.И. Клячкин, Г.К. Скребнев [34] и др.), сотрудники ЦНИИ Гидроприборов (Кочедыков В.Н., Квятковский O.A. и др.), сотрудники НПО "Квант” (Гаврилов В.А. с соавторами), сотрудники ОКБ "Шторм" (С.В. Пасечный с соавторами [35]). Сотрудники НПО "Альтаир", "Кристалл" (К.Л. Захаров, Г.Н. Кузнецов и др.). Данное направление охватывает широкий круг вопросов [30], связанных с физикой (см., например [31, 32|), построением конструкций (см., например, [33]), систем обработки (см., например, 136]), разработкой конкретных гидроакустических систем, подробный анализ которых не входит в задачу данной работы. Ограничимся, по этой причине, рассмотрением вопросов, наиболее тесно связанных с темой исследования.
Неоднократно отмечалось (см., например, [29]), что датчики колебательной скорости, обычно используемые при векторно-фазовых
15
измерениях в воде, обладают повышенной чувствительностью к неоднородным волнам, вибрациям - то есть проявлениям ближних полей помех. Для борьбы с этим недостатком предлагались различные рецепты.
Часть из них была связана с использованием компенсационной вибразащиты приемников колебательной скорости (ИКС). Обзор данного направления, с учетом собственных ранних исследований, наиболее полно отражен в кандидатской диссертационной работе автора, защищенной в 1989г. (ТОВВМУ им. С.О. Макарова). Виброкомпенсация, к сожалению, обладает ограниченной сферой применения, поскольку в большинстве практических ситуаций, помимо структурных вибраций, имеет место и осциллирующие воздействие среды (турбулентные пульсации давления, неоднородные волны [37]), против которых данное решение не эффективно.
Неоднократно предлагалось (см., например [28, 38, 39\\ использовать для измерения колебательной скорости 2-гидрофонные разностные датчики, аналогичные 2-микрофонным зондам, применяемым в воздушной интеисиметрии с той же целью. Действительно, поскольку каждый из гидрофонов вследствии симметрии в значительной степени нечувствителен к воздействию вибраций и неволновых составляющих ближних полей (кроме псевдозвука), такой датчик обладает значительно меньшей, чем ПКС, восприимчивостью к данным видам помех. Однако, разностные датчики градиента давления, к сожалению, имеют другой существенный недостаток, не позволяющий использовать их в большинстве практических задач
гидроакустики. Действительно, у разностного приемника градиента давления (ПГД), в связи с неизбежной технологической нсидентичностью двух гидрофонов, всегда остается паразитная чувствительность к звуковому давлению, независящая от частоты. В то же время, как известно, чувствительность ПГД имеет спад 6 дБ/октава в область низких частот [28]. В результате, рано или поздно, при понижении частоты (точнее уменьшении отношения расстояния между гидрофонами <1 к длине волны А.) основная и
16
паразитные чувствительности становятся соизмеримыми, что приводит к развалу дипольной характеристики направленности (ХН) ГІГД. Таким образом, разностный ІІГД вырождается в обычный приемник давления (ПД). Как показывают многочисленные исследования (см., например, [401) разностные ПГД технически реализуемы при соотношениях, не превосходящих существенно с1/Х~10“1. В то же время, ПКС силового и инерционного типов [34] (соколеблющегося [30]), получившие распространение в гидроакустике, применимы (вследствии отсутвия паразитной чувствительности к звуковому давлению) при соотношениях й/Ху на несколько порядков меньших ( <1Д~ 10'4-10_6). Обратим внимание на то, что в воздухе, например, 20-сантиметровый 2-микрофонный зонд в соответствии с условием (І/АМО“1 может свободно использоваться до частот порядка 100 Гц. Для регистрации более низких частот, как раз, и требуется процедура компенсации фазовых погрешностей [26]. Как уже указывалось, весьма сложная метрологически, она добавляет к рабочему диапазону зонда еще 1-2 октавы). В воде же, из-за примерно в 5 раз более высокой скорости звука, для этого же диапазона частот уже необходим размер зонда около 1 м. Для более низких частот данный размер возрастает до значений, за редким исключением (одно из таких исключений будет рассмотрено в п.п. 3.4), на практике неприемлемых. Можно еще также отметить, что пресловутая идентичность [38] направленных свойств ПКС и разностного ПГД даже при выполнении требований к дипазону частот имеет место только в тривиальных полях. В следующем разделе будет показано, что в сложных полях дело обстоит несколько иначе. Таким образом, использование данного решения в борьбе с помехами ближних полей имеет весьма ограниченное применение.
Значительно большей общностью отличается подход, связанный с переходом к измерению потока мощности. Данное предложение применительно к защите гидроакустических антенн, как известно, было высказано В.И. Клячкиным еще в конце 60х годов. Позднее им же были выполнены
17
теоретические оценки, из которых следует, что по сравнению с приемником давления возможный выигрыш приемника потока мощности (ППМ) соответствует отношению скорости звука в среде к 1рупловой скорости переноса энергии помех. Сходные соображения применительно к воздействию турбулентных пульсаций давления, связанных с обтеканием высказывались также в [30] и в [41]. В соответствии с данными предположениями, поток мощности турбулентных пульсаций давления должен стремиться к нулю. К сожалению, экспериментальных исследований, подтверждающих данные оценки, в отношении помех ближних полей почти не имеется. Исключение составляет работа [42], в которой Г.К. Скребневым показано теоретически, что вычисление интесивносги (потока мощности) в виде взаимнокорреляционной функции давления и скорости позволяет ослабить структурные вибрационные помехи за счет ортогонализации последних при интегрировании сигнала акселерометра (Г1ГД) с целью получения колебательной скорости. Кроме того, обращается внимание на то, что за счет низкой виброчувствительности ПД (3-5% от уровня чувствительности к давлению) достигается дополнительное ослабление структурных вибрационных помех. Изложенное иллюстрируется, в качестве примера, записями диаграмм направленности: ПГД, ПД,
предлагаемого интенсиметра (ППМ корреляционного типа), из которых следует, что структурные вибрации поворотного устройства хорошо видны на записях ПГД, но не видны на записях ПД и ППМ. Работа [42], пожалуй, в наибольшей степени близка к теме данного исследования, однако из собственных помех в ней рассматриваются только структурные вибрации и не приводится каких либо оценок полученного экспериментально выигрыша даже по средним уровням, не говоря уже об индикаторном отношении сигнал/помеха.
С другой стороны мультипликативная ветвь векторно-фазовых методов, начиная с работы [43], интенсивно использовалась для увеличения помехоустойчивости стационарных приемных систем к помехам дальних полей.
18
Данное применение получило как теоретическое (см., например, [30, 44, 45[), так и экспериментальное развитие [46-50]. В этой связи следует отметить наиболее мощные исследования, проводившиеся В.А. Гордиенко с соавторами [49, 50], из которых следует, что по отношению к дальним полям помех, в качестве которых рассматриваются изотропная модель удаленных шумов океана и анизотропная модель шумов поверхностного волнения, применение стационарно установленных ППМ горизонтальной ориентации дает выигрыш в помехоустойчивости по сравнения с ПД не менее 11-15 дБ. Более того, обеспечивается возможность определения угла пеленга на источник удаленного сигнала.
Обратим при этом внимание на то, что как по сути применяемых методов - определение взаимнокорреляционных или взаимноспектральных характеристик давления и колебательной скорости (градиента давления), так и по терминологии, используемой в последних работах ]46, 49, 50), данное направление практически смыкается с акустической интенсиметрией. Последние различия в типе используемых датчиков с появлением ПКС [21] в воздушной акустической интенсиметрии сходят на нет. Даже задачи, решаемые исследованиями тонких энергетических свойств полей [46, 511, удивительно напоминают аналогичные формулировки в (10, 15]. Таким образом, не рискуя впасть в существенную ошибку, можно констатировать, что мультипликативная ветвь так называемых векторно-фазовых методов обработки сигналов в значительной мере сводится к акустической интенсиметрии в воде.
Здесь же необходимо остановиться еше на одной особенности мультипликативных методов обработки сигналов. Широко распространено мнение о принципиальной "невыгодности” мультипликативной обработки по сравнению с аддитивной с точки зрения помехоустойчивости к помехам дальнего поля. Следует, однако, обратить внимание на то, что данное утверждение теоретически обосновано (см., например, |1]) только для модели дальнего поля изотропных помех. Уже для анизотропного поля помех (близкого
19
по типу к модели Крона-Шермана [52]) М.Д. Смарьпиевым и ЕЛ. Шендеровым [53, 54], скептическое отношение которых к векторно-фазовому буму 80хгг. общеизвестно, показано, что, по крайней мере, для линейных антенн (плоских антенн, высота которых существенно меньше длины антенны и волны), мультипликативная обработка каналов давления и колебательной скорости если и проигрывает оптимальной аддитивной, то не более 1-1,5 дБ. Однако, оптимальную аддитивную обработку реализовать зачастую затруднительно (55]. Погрешности же оптимизации аддитивной обработки могут привести к существенному перекрытию проигрыша, характерного для мультипликативной обработки. В то же время, поскольку в рассматриваемых далее приложениях поместить монопольные приемники (ПД) в жесткий экран [53, 54] не представляется технически возможным, то линейная антенна из ПД проигрывает аналогичной мультипликативной антенне 4-5 дБ. Сходные результаты для одиночных систем, как уже отмечалось, получены экспериментально [49].
Что касается учета воздействия ближних полей помех, то результаты теоретического рассмотрения отдельных идеализированных случаев [56-59] носят противоречивый характер. Таким образом, заранее сказать окажется ли предлагаемый метод защиты от ближних полей помех выгодным или невыгодным, в конкретных применениях, с точки зрения помех дальнего поля, не представляется возможным. Более того, поскольку в рассматриваемых далее приложениях ближние поля собственных помех не устранимы технически, а уровень помех от них намного превышает дальние поля, то и сама дискуссия на эту тему представляется в данном случае бесплодной, т.к., не защитившись от ближних помех, невозможно даже зарегистрировать присутствие дальних.
1.3. Структурная интенсиметрия
Помимо рассмотренных выше случаев акустической интенсиметрии в газах (воздухе) и жидкостях (воде) возможна еше и акустическая интенсиметрия
20
в твердых телах. Структурная интенсиметрия (см.? например; (60]), т.е. измерение плотности потоков вибрационной энергии в упругих конструкциях значительно сложнее интенсиметрии в воздухе или воде. Если в воздухе для определения потока энергии достаточно измерить давление и скорость частиц в данной точке поля, то в твердом теле, в общем случае, нужно измерять компоненты тензора напряжений и вектора скорости - задача практически трудно осуществимая. Тем не менее; заманчивость перспективы получения мощного исследовательского инструмента для изучение вибраций "структурного интснсиметра" [601 привлекает пристальное внимание исследователей. В последние годы резко увеличился поток публикаций на эту тему (более 200 - по оценке автора |60]). Международные конгрессы по интенсиметрии в 1990 |61) и 1993 (62) гг. были посвящены исключительно проблеме измерения потоков вибрационной энергии в конструкциях. Большинство работ, начиная со статьи (63], считающейся пионерской, посвящены исследованию энергетических характеристик в сравнительно простых системах: тонких стержнях, однородных пластинках и оболочках. Так, например, в работе |64] исследуются ударные волны в стрежне, иммитирующем буровой инструмент. На основе применения структурной интенсиметрии делается вывод о преобладании вклада изгибных, а не продольных (как предполагалось) волн. Что касается методов измерений в структурной интенсиметрии, то наиболее широкое распространение получил метод прямого измерения потока энергии на поверхности твердых конструкций за счет использования последовательно соединенных преобразователя динамической силы (выпускаемых промышленно, например, фирмой "Вшеї & Кіег") и акселерометра (65]. При этом плотность потока мощности рассчитывается с помощью 2-канального анализатора интенсивности (фирмы В&К). В работе [66] развивается метод измерения интенсивности в тонких пластинах двумя акселерометрами - до некоторой степени аналог двухмикрофонной методики в воздушной интенсиметрии. В работе (671 изложены основы 4-канального
21
способа измерения одномерных вибраций и расчет положения акселерометров в зонде. В работе [60] предлагается вычислительный метод связанный с определением трех компонент вибрационных смещений (скорости, ускорений) участка поверхности и численное восстановление потоков энергии через решение математической задачи синтеза методом сингулярных разложений. Аналитическому и экспериментальному сравнению различных методов измерения структурной интенсивности в одномерных структурах посвяшена работа [68].
Следует отметить, что отдельными исследователями [64, 66) поднимаются вопросы разделения различных типов колебаний (например, изгибных и продольных воли (64]) - постановка, методологически достаточно близкая к предлагаемой. В этом ряду следует особо выделить работу [65), знакомство с которой в виде пленарного доклада, сделанного II. Брюлем на Всесоюзной акустической конференции 1991 г., стимулировало интерес автора к
использованию интенсиметрических методов в задачах по исследованию колебаний тела человека.
Проведенный анализ методологически близких к предлагаемой работе вопросов, таким образом, свидетельствует о том, что хотя идеи использования интенсиметрических методов для защиты от ближних полей помех и высказывались ранее, данное направление осталось весьма малоисследованным. Еще менее изученными оказываются основные практические приложения предлагаемого метода защиты от помех, рассматриваемые автором далее.
1.4. Собственные помехи обтекания гибких буксируемых приемных УСТРОЙСТВ.
Гибкие буксируемые приемные устройства (ГБПУ) нашли в последние годы широкое распространение (см., например, [69]). Традиционно ГБПУ строились на основе приемников звукового давления. По этой причине имеется обширная литература по исследованию помех обтекания ГБПУ данного вида.
22
Многочисленные работами, начиная с 50х годов (701, экспериментально исследованы особенности обтекания осесимметричных тел большого относительного удлинения. Показано, что? несмотря на выраженный турбулентный характеру оно характеризуется наличием кольцевых вихревых осесимметричных структур, называемых иногда солитонами (711, перемещающихся по направлению потока. В связи с применением специальных виброзащишенных конструкций приемников давления в современных ГБПУ именно данные вихревые образования, характеризуемые значительной кольцевой когерентностью [72, 73], оказывают наибольшее влияние в качестве собственных помех акустических систем. Количественным и качественным оценкам данных воздействий, а также совершенствованию конструкций ГБГТУ на основе приемников давления в последнее десятилетие были посвящены продуктивные исследования сотрудников ЦНИИ Морфизприбор (В.И. Зархин с коллегами), ЦНИИ им. А.Н. Крылова (Ткаченко В.М. с коллегами), сотрудников КНИИ Гидроприбор (Ю.Д. Божок с коллегами), сотрудников Института гидромеханики АН УССР (В.Т. Гринченко и др.) и ряда других организации. В частности, в наиболее мощной из современных работ данного направления (72] отмечается, что для движении с нулевыми углами атаки при продольном обтекании цилиндра большой относительной длины устанавливается асимптотический пограничный слой, толщина которого близка к радиусу цилиндра. Перемещающиеся в пределах данного пограничного слоя кольцевые вихри имеют конвективную скорость, равную 0,83 от скорости буксировки. Кольцевые ПД в силу своей конструкции из всех мод разложения поля выделяют лишь нулевую - кольцевая в данном случае, осредняя более высокие моды. Показано, что вклад кольцевых мод в общую энергию турбулентных пульсаций составляет около 10%. С точностью до гипотезы Тейлора о "замороженной турбулентности" показано, что частота среза вклада кольцевых мод соответствует условию соизмеримости длины волны этих компонет поля по потоку с диаметром цилиндра. Для более мелкомасштабных
вихрей величина вклада убывает пропорционально уменьшению их размеров, последний факт может трактоваться как следствие разрушения кольцевых вихрей, продольный размер которых меньше диаметра цилиндра из-за их неустойчивости. Отклонение от соосного обтекания цилиндра также приводит к частичному разрушению кольцевых структур. За счет этого происходит обогащение энергией мелкомасштабных компонент поля давлений, некогерентных по дуге окружности цилиндра, и увеличение спектральной плотности помех в области высоких частот. Отмечаемое экспериментально увеличение уровня помех при угле атаки свыше 8° связывается с развитием отрывных явлений. Хотя данная физическая трактовка и не затрагивает характерных помех возникающих при использовании в составе ГБПУ приемников колебательной скорости, она оказывается чрезвычайно полезной для развиваемой автором далее физической модели воздействия помех на каналы приемника спектральной плотности потока мощности мультипликативного типа.
Что касается применения приемников колебательной скорости в составе ГБПУ, то, хотя такие идеи известны с 50х годов, ряд нерешенных технических проблем, к основным из которых относится, как раз, защита от собственных помех обтекания, не позволил осуществить данные предложения. Тем не менее нельзя не отметить вклад Г.К Скребнева с коллегами (ЦНИИ Морфизприбор) и В.И. Маяпкого с коллегами (КНИИ Гидроприборов), исследования которых, хотя и не увенчались успехом, в значительной мере подготовили почву для рассматриваемых далее (раздел 3) решений.
1..^Собственные.помехи акустических устройствлда.диагностики дыхательных звуков человека
Респираторная акустика, в сфере интересов которой находятся рассматриваемые здесь вопросы, как отрасль физиологической акустики, занята изучением особенностей происхождения и распространения звуков,
сопровождающих процесс дыхания. Несмотря на почти двухвековое эмпирическое использование дыхательных звуков в медицине (741, респираторная акустика как научная дисциплина, начала оформляться сравнительно недавно - в середине 50-х годов нашего века, что было связано с появлением совершенной аппаратуры для записи и анализа акустических сигналов. Новый всплеск работ по респираторной акустики наблюдается в 70-х - 90-х гг. К этому времени (1978г.) относится создание Международной ассоциации легочных звуков (1Ц$А), объединившей в своих рядах акустиков, врачей, специалистов био-медицинского инжениринга. В рамках 1Ь5А проводятся ежегодные конференции. Специалистами ІІ^А постоянно анализируются и обобщаются все научные публикации в области респираторной акустики, выделен список из наиболее существенных работ в данной области, начиная с 1966г., насчитывающий более 500 наименований, доступный через ШТЕКМЕТ. В 80х - 90х годах ІЬБА оказала значительное влияние на координацию и уровень научных работ по респираторной акустике.
Однако, несмотря на блестящие экспериментальные исследования, появившиеся в последние 2 десятилетия, понимание акустики дыхательных звуков остается неполным, что констатируется всеми без исключения авторитетами в рассматриваемой области [74-79]. Данное обстоятельство объясняет, в частности, тот факт, что, несмотря на значительные усилия, до сих пор не удается объективизировать рутинную медицинскую диагностику дыхательных шумов. В то же время простые и безвредные акустические методы являются весьма удобными для обследования легких и, несмотря на бурное развитие рентгенологических, химических, ультразвуковых, ядерно-магнитно-резонансных, иозитронных и оптических методов диагностики, по мнению специалистов-медиков,не утратили своей высокой диагностической ценности.
Неоднократно высказывались предположения [80, 81] о том, что сложность объективной регистрации акустических процессов в легких связана с маскировкой одних акустических эффектов другими - т.е. присутствием
собственных помех мультипликативного типа. Аналогичные гипотезы выдвигались и в чисто медицинских источниках [76], например, в качестве объяснения аномального проведения хрипов из одной зоны легкого в другую.
Современное понимание акустических проявлений легочных звуков в паразительно большой мере опирается на интерпретации предложенные Р. Лаенеком еще в начале прошлого века [74, 75]. При этом в попытках уточнить происхождение легочных звуков в норме и в связи с патологией врачами и физиологами в течении всего XIX и начала XX веков предпринимались значительные усилия, носившие клинический и экспериментальнофизиологический характер [77, 78]. С 20х годов XX века, после того как П. Мартини и X. Мюллер [82] впервые осуществили запись дыхательных шумов, к данным исследованиям подключились физики и инженеры. Наиболее существсшгый качественный сдвиг в этом процессе произошел в 1955 г., когда В. Мак Кузиком с соавторами [83] к исследованию дыхательных шумов был впервые применен спектральный анализ. Более того, авторами [83] были предложены и квази-трехмерные спектрально-временные методы анализа, базирующееся на принципах водоладного (рельефного) спектра и сонограммы. Большое количество экспериментальных работ 60х - 70х годов, цитируемых в [78], были уже связаны с использованием спектральных представлений. На рубеже 80х годов, начиная с работ (84, 85], в аппаратуру для записи и анализа дыхательных звуков начали активно внедряться компьютеры. При этом в качестве спектральной обработки основное место заняла процедура быстрого преобразования Фурье. К настоящему времени анализирующая аппаратура этого типа [79] использует уже рабочие станции 1ВМ, а мощность ее достигла такого уровня, который позволяет производить сложную обработку сигналов в реальном масштабе времени. Данное обстоятельство в сочетании с неясностью физических аспектов подталкивает многих исследователей к использованию всевозможных автоматических классифицирующих программных средств, в том числе и экспертных систем (см., например [86, 87)). Существенное развитие
26
претерпели и акустические датчики измерительных систем, в качестве которых основное применение нашли микрофоны со стетоскопическими насадками (например (85J), контактные акселерометры [88, 89], и даже оптические лазерные датчики смешения (90]. Появились серьезные работы, связанные со сравнительным анализом акустических характеристик датчиков (среди которых примечательна [91], являющаяся плодом совместного сотрудничества и консенсуса самых известных Североамериканских экспериментаторов в области дыхательных шумов: С.С. Крамана, X. Пастеркампа, Дж. Р. Водички).
В результате столь бурной научно-исследовательской деятельности (только в 90х годах опубликовано несколько сот работ, выявленных поиском через систему MEDLINE) казалось бы возможным добиться широкого внедрения объективных методов аускультации легких в практическое здравоохранение. Однако, все указанные работы носят пока сугубо исследовательский характер. Единственным инструментом, получившим хоть какое-то распространение на практике, остается элетронньш стетоскоп, всего лишь усиливающий и фильтрующий сигналы, воспринимаемые врачом на слух. Но и электронные стетоскопы используются преимущественно в целях обучения молодых специалистов и не могут вытеснить обыкновенные стето-фонендоскопы из врачебной практики, хотя новейшие исследования [92] показывают, что средние врачи плохо различают особенности дыхательных звуков. Все это только укрепляет подозрение о том, что корни данного состояния вопроса следует искать в физике акустических явлений, протекающих в легких человека.
Действительно, респираторная акустика характеризуется двумя группами процессов, связанными с образованием (генерацией и излучением) дыхательных звуков и их распространением (проведением) к различным участкам наружной поверхности тела, где они могут восприниматься сгето-фонендоскопом или акустическими датчиками.
27
1.5.1. Происхождение дыхательных звуков
То, что природа возникновения дыхательных шумов связана с движением потоков воздуха, определяемым механизмами вентиляции легких (93, 94], считается общепризнанным (77, 78]. Поэтому понимание акустических
процессов, происходящих в легких, невозможно без краткого описания
характеристик дыхательной системы человека (93, 94].
Воздух поступает по системе легочных дыхательных путей -
бронхиальному дереву - к альвеолам (эластичные мешочки, в которых
происходит газообмен), образующим паренхиму легкого. В основе строения бронхиального дерева лежит принцип дихотомии. Суть его состоит в том, что каждый дыхательный путь (ДП) разветвляется на два, чаще неодинаковых ДП, причем соотношения их геометрических размеров являются случайными величинами. С атмосферой дыхательная система система соединена единым ДП - носоглоткой и трахеей, разветвляющейся на два главных бронха (первая генерация), каждый из которых делится на два долевых (вторая генерация), далее следуют сегментарные (3 генерация), субсегментарные (4 генерация) и т.д. бронхи. Бронхи 16-го порядка (терминальные бронхиолы), которыми заканчивается чисто транспортная часть дыхательной системы, также делятся на два неодинаковых ДП 17-го порядка, уже содержащие в своих стенках альвеолы. Данная и все последующие генерации ДП, образующие собственно паренхиму', до 23-й включительно, содержат в своих стенках альвеолы. Бронхиолы 23-го порядка не разветвляются, а оканчиваются альвеолами, которые контактируют с наружной плеврой и внутренней поверхностью грудной клетки (часть альвеол контактирует с внутренней плеврой). В целом, воздушный тракт легких имеет ветвистое строение с миллионами мельчайших ветвей.
Распределение воздуха по отделам легких при дыхании зависит от множества различных факторов, поэтому количественные характеристики, отражающие функциональное состояние ДП и участков паренхимы,
28
геометрические размеры бронха, обьем, вентиляция разных участков различны как в норме, так и при патологии. Патологические изменения в участке паренхимы (первичные либо вследствие уменьшения проходного сечения приводящего бронха) приводят к уменьшению эластичности участка, снижению вентиляции и воздухонаполценности, а в некоторых случаях, к полному прекращению вентиляции. Одновременно происходит увеличение вентиляции неизмененных участков паренхимы. Аналогичное воздействие на участки паренхимы оказывают изменения в других участках, "внешних” по отношению к рассматриваемому. Например, опухоль бронха, не закрывающая проходного сечения, вызывает деформацию соседних участков бронхиального дерева и паренхимы, так как все элементы воздушного тракта легких расположены компактно. Таким образом, патологические состояния легких, вызываемые многочисленными причинами, в ранней стадии развития характеризуются изменениями локального функционирования воздушного тракта, в частности, устойчивой гипо- и гипервентиляцией отдельных участков, увеличением неравномерности вентиляции и воздухонаподненности, изменением геометрических размеров участков бронхиального дерева, что не может не сказываться на акустических параметрах наблюдаемых дыхательных звуков.
Имеются определенные особенности щумообразования для легочных звуков различных типов. К таким типам принято относить (см., например, 176)) основные дыхательные шумы (ОДШ), характерные для нормального состояния дыхательной системы и дополнительные (добавочные) дыхательные шумы (ДДШ), появляющиеся при отклонениях от нормы. Помимо этого, в качестве побочных дыхательных шумов в медицинской литературе рассматривают звуки, создаваемые голосом. ОДШ в соответствии с общепринятой классификацией принято разделять на бронхиальные (трахеобронхиальные [79]) и везикулярные. Под бронхиальными шумами принято понимать звуки, регистрируемые над трах’ей и проекциями наиболее крупных дыхательных путей - главных бронхов. Проводившиеся рядом авторов эксперименты по определению характерных
29
частотных дипазонов бронхиальных звуков дают довольно противоречивые результаты. Так, это: 710 -1400 Гц по данным [951, от 500 до 1000 Гц по данным [75], 100 - 800 Гн 179), 60 -700 Гц - 183), 75 - 900 Гц - 196). Под везикулярными шумами принято понимать звуки, регистрируемые над нижними отделами легких. По своему частотному диапазону они заметно ниже бронхиальных звуков, однако экспериментальные оценки разных лет также противоречивы. Это: 80 - 400 Гц по данным (97), 180 -355 Гц [95J, 50 - 600 Гц (79), 100 - 130 Гц (75). ОДШ, как мы видим, представляют собой широкополосные процессы. ДЦШ подразделяются на две основные группы: продолжительные (более 250 мсек) узкополосные процессы - хрипы (rhonchus (78)), свисты (wheeze [78)), в зависимости от тональности, и короткие взрывные звуки - щелчки (crackles 178]).
У. S. 1. У. Бронхиальные звуки
Полагают, что трахеобронхиальные звуки возникают вследствие прохождения воздушной струи через трахею и крупные бронхи. Интересно отметить, что еще в 20-х годах [82] экспериментами на модели из резиновых труб и наблюдениями на людях показано возникновение шумов, похожих на шумы бронхиального дыхания, в бронхах с диаметром не менее 4 мм, т.е. не ниже 3-4 генераций бронхиального дерева [78, 79). При этом диапазон регистрируемых частот и вид спектра сильно зависит от мгновенной объемной скорости (МОС) потока воздуха, т.е. интенсивности дыхательного маневра 185]. В частности, в [98] показано, что уровни шумов на трахее связаны линейно с потоками до значений МОС порядка 0,75 л/сек; далее наблюдаются нелинейные эффекты. Предпринимались определенные попытки найти теоретическую связь между характеристиками потока воздуха и шумообразованием (см., например?[99]), успехом, однако, не увенчавшиеся.
Точки зрения большинства исследователей на природу бронхиальных шумов в основном схожи. Наиболее вероятным механизмом являются