Расчет оптимальных геометрических параметров акустических антенн в системах технического слуха

Расчет оптимальных геометрических параметров акустических антенн в системах технического слуха

Для систем технического слуха, устанавливаемых на борт малых мобильных роботов, построена модель акустической антенны с оптимальными геометрическими параметрами для среднего диапазона частот. Для систем технічного слуху, що встановлюються на борт малих мобільних роботів, побудовано модель акустичн...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2009
Hauptverfasser: Мануйленко, Р.И., Хашан, Т.С.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України 2009
Schlagworte:
Прикладные интеллектуальные системы
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8128
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Расчет оптимальных геометрических параметров акустических антенн в системах технического слуха / Р.И. Мануйленко, Т.С. Хашан // Штучний інтелект. — 2009. — № 3. — С. 392-396. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-8128
record_format dspace
spelling Мануйленко, Р.И.
Хашан, Т.С.
2010-04-30T15:27:01Z
2010-04-30T15:27:01Z
2009
Расчет оптимальных геометрических параметров акустических антенн в системах технического слуха / Р.И. Мануйленко, Т.С. Хашан // Штучний інтелект. — 2009. — № 3. — С. 392-396. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
1561-5359
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8128
004
Для систем технического слуха, устанавливаемых на борт малых мобильных роботов, построена модель акустической антенны с оптимальными геометрическими параметрами для среднего диапазона частот.
Для систем технічного слуху, що встановлюються на борт малих мобільних роботів, побудовано модель акустичної антени з оптимальними геометричними параметрами для середнього діапазону частот.
Specially for onboard technical hearing systems, which has been installed on small mobile robots, has been build a middle range frequency acoustical antenna with an optimal geometric settings.
ru
Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України
Прикладные интеллектуальные системы
Расчет оптимальных геометрических параметров акустических антенн в системах технического слуха
Розрахунок оптимальних геометричних параметрів акустичних антен в системах технічного слуху
Calculation of Optimal Geometric Parameters of the Acoustic Antenna in Technical Hearing Systems
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Расчет оптимальных геометрических параметров акустических антенн в системах технического слуха
spellingShingle Расчет оптимальных геометрических параметров акустических антенн в системах технического слуха
Мануйленко, Р.И.
Хашан, Т.С.
Прикладные интеллектуальные системы
title_short Расчет оптимальных геометрических параметров акустических антенн в системах технического слуха
title_full Расчет оптимальных геометрических параметров акустических антенн в системах технического слуха
title_fullStr Расчет оптимальных геометрических параметров акустических антенн в системах технического слуха
title_full_unstemmed Расчет оптимальных геометрических параметров акустических антенн в системах технического слуха
title_sort расчет оптимальных геометрических параметров акустических антенн в системах технического слуха
author Мануйленко, Р.И.
Хашан, Т.С.
author_facet Мануйленко, Р.И.
Хашан, Т.С.
topic Прикладные интеллектуальные системы
topic_facet Прикладные интеллектуальные системы
publishDate 2009
language Russian
publisher Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України
format Article
title_alt Розрахунок оптимальних геометричних параметрів акустичних антен в системах технічного слуху
Calculation of Optimal Geometric Parameters of the Acoustic Antenna in Technical Hearing Systems
description Для систем технического слуха, устанавливаемых на борт малых мобильных роботов, построена модель акустической антенны с оптимальными геометрическими параметрами для среднего диапазона частот. Для систем технічного слуху, що встановлюються на борт малих мобільних роботів, побудовано модель акустичної антени з оптимальними геометричними параметрами для середнього діапазону частот. Specially for onboard technical hearing systems, which has been installed on small mobile robots, has been build a middle range frequency acoustical antenna with an optimal geometric settings.
issn 1561-5359
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8128
citation_txt Расчет оптимальных геометрических параметров акустических антенн в системах технического слуха / Р.И. Мануйленко, Т.С. Хашан // Штучний інтелект. — 2009. — № 3. — С. 392-396. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT manuilenkori rasčetoptimalʹnyhgeometričeskihparametrovakustičeskihantennvsistemahtehničeskogosluha
AT hašants rasčetoptimalʹnyhgeometričeskihparametrovakustičeskihantennvsistemahtehničeskogosluha
AT manuilenkori rozrahunokoptimalʹnihgeometričnihparametrívakustičnihantenvsistemahtehníčnogosluhu
AT hašants rozrahunokoptimalʹnihgeometričnihparametrívakustičnihantenvsistemahtehníčnogosluhu
AT manuilenkori calculationofoptimalgeometricparametersoftheacousticantennaintechnicalhearingsystems
AT hašants calculationofoptimalgeometricparametersoftheacousticantennaintechnicalhearingsystems
first_indexed 2025-11-25T22:42:32Z
last_indexed 2025-11-25T22:42:32Z
_version_ 1850569461816360960
fulltext «Искусственный интеллект» 3’2009 392 8М УДК 004 Р.И. Мануйленко, Т.С. Хашан Институт прикладной математики и механики НАН Украины, г. Донецк, Украина khashan@mail.ru Расчет оптимальных геометрических параметров акустических антенн в системах технического слуха Для систем технического слуха, устанавливаемых на борт малых мобильных роботов, построена модель акустической антенны с оптимальными геометрическими параметрами для среднего диапазона частот. Введение Одним из важных направлений искусственного интеллекта является моделиро- вание и разработка систем очувствления робототехнических систем (РТС). Системы очувствления роботов можно разделить на следующие группы: локационные (в том числе и системы технического слуха – СТС), системы технического зрения, тактильные, силомоментные, внутренней информации [1-3]. Данная работа рассматривает вопросы, связанные с моделированием оптимальных геометрических форм антенн для СТС. Теоретические и экспериментальные работы по созданию СТС можно разде- лить по двум направлениям: точное воссоздание (копирование) геометрических форм органов слуха человека и животных [4-6]; моделирование оптимальных гео- метрических форм, отличных или приближенных к «живому миру» [1], [7-9]. Первое направление развивается по принципу «все наилучшее создано самой природой». Второе ищет новые альтернативные геометрические формы и размеры акустических антенн для искусственных систем слуха. Форма антенны от вида к виду очень сильно варьируется, что оказывает большое влияние на ее функцио- нальные возможности. При использовании этих двух подходов ученые решают следующие проблемы: выбор оптимальной формы и размера акустической антенны для обеспечения наилучшего качества и дальности приема принимаемой акусти- ческой информации, расширение рабочего диапазона частот, выбор требуемых диаграммы направленности и чувствительности. В зависимости от размеров РТС накладываются также ограничения и на параметры проектируемых антенн, геомет- рические размеры которых могут быть меньше принимаемой длины волны. Поэтому построение модели акустических антенн с оптимальными геометриическими пара- метрами с учетом предъявляемых требований к СТС, устанавливаемых на борту малых РТС, является важной и актуальной задачей. Постановка задачи Целью исследования данной работы является моделирование оптимальных геометрических параметров акустических антенн для обеспечения требований, предъявляемых к СТС, устанавливаемых на малых РТС. Для достижения постав- ленной цели необходимо решить следующие задачи: – рассчитать оптимальную форму и размеры акустических антенн, при которых уси- ление давления в точке приема звука будет максимальным при заданных ограничениях; – провести численные исследования геометрических форм антенн. Расчет оптимальных геометрических параметров акустических антенн... «Штучний інтелект» 3’2009 393 8М Для расчета оптимальных геометрических параметров антенны рассматри- вается задача, когда в нее поступает плоская волна. Относительно колебательных процессов, происходящих внутри антенны, делаются следующие допущения: ее стенки предполагаются абсолютно твердыми и неспособными колебаться. Для решения рассматриваемой задачи необходимо найти и рассчитать такую форму антенны и ее геометрические параметры, при которой усиление давления p в точке приема (т.е. в той точке, где расположен микрофон) будет максимальным при следующих ограничениях: 0x – длина антенны, 0r – радиус максимального отверстия, 1r – радиус минимального отверстия,  – рабочий диапазон частот. Расчет оптимальных геометрических параметров антенн При расчете оптимальных геометрических форм считается, что колебания всех точек, принадлежащих одному нормальному сечению антенны, являются одинаковыми, а именно поверхности волны внутри антенны принимаются плоскими и нормальными к оси рупора. Вследствие последнего допущения весь колебательный процесс представляется функцией лишь двух переменных – координаты x и времени t. Площадь сечения рупора является функцией координаты  xSSx : . Скорость монохромной волны , излучаемой источником, выражается через потенциал  следующим образом: x     . (1) Потенциал  является функцией, удовлетворяющей дифференциальному уравнению Вебстера [10]:                 x xs x C t  2 2 2 2 2 , (2) где     dx xdSxs  , С – скорость звука в невозмущенной среде, constC  и 340C м/с. Комплексный потенциал представляется в виде произведения функции координаты x и простых колебаний:    , i tx t x e   . (3) Физический смысл имеет только вещественная часть потенциала (реже – мнимая). Давление p представляется в виде суммы давления в невозмущенной среде 0p и давления ,p вызванного звуковыми волнами. Величина 0p является постоянной, а p выражается формулой [10]:  xeip ti   , (4) где  – исходная плотность среды. Как и в случае с потенциалом  , ,x t физи- ческий смысл имеет вещественная часть. Таким образом, амплитуда давления пропорциональна амплитуде потенциала. Подставив представление (3) в (2), получим для  x следующее обыкновенное дифференциальное уравнение:   02 2 2   k dx dxs dx d , (5) где C k   . Мануйленко Р.И., Хашан Т.С. «Искусственный интеллект» 3’2009 394 8М Из уравнения (5) следует, что для решения поставленной задачи необходимо найти функцию  xs , при которой значение потенциала в точке 0x имеет экстремум. Это задача на условный экстремум. Если требуется найти экстремум функционала    b a yyyxf ,,, при условии  , , , , b a x y y y    то искомая кривая должна быть экстремалью [11]:     , , , , , , . b b a a f x y y y x y y y dx Fdx ext       (6) Это уравнение сводится к дифференциальному уравнению Эйлера: 2 2 0.F d F d F y dx y dx y           (7) В данном случае для функции  x имеются следующие начальные условия:    00 ; 0 ,     (8) для функции  xS – краевые условия:    2 2 0 0 10 ; .s r s x r   (9) Экстремум функции  x является экстремалью функционала   0 0 . x x dx  Уравнение          0 2 0 0 x x s x x k x dx      можно рассматривать как условие на функции. Таким образом, необходимо найти экстремум функционала:            0 2 0 . x x dx x s x x k x dx ext          (10) Так как в интегральное уравнение входят две неизвестные функции, то производные необходимо находить по обеим функциям, то есть следует записать систему двух дифференциальных уравнений: 0 02 2                s F dx d s F F dx dF dx dF  (11) Первое уравнение запишется таким образом:   02  xsk  . (12) Следовательно, 2 2( ) ( ) ,s x k s x k x      (13) где  – константа. Так как     dx xSdxs ln  , то, проинтегрировав, найдем 2 )(ln 2 2 xkxxS   2 2 2 2 0( ) . k xx S x r e     (14) . Расчет оптимальных геометрических параметров акустических антенн... «Штучний інтелект» 3’2009 395 8М Константу  находим из граничных условий (9). Теперь найдем решение уравнения (5), оно записывается через специальные функции Куммера [12]. Решениями уравнения Куммера, которое представлено   02 2  nw dz dwzm dz wdz , (15) являются независимые функции Куммера  znmM ,, и  znmU ,, , которые определяются следующим образом:                     1 0 1 0 0 1 , , , ! , , 1 , 2 , , , . sin 1 2 j j q j j q n z m q M m n z j n q M m n z M m n n z U m n z z n m n n m n                               (16) Решение уравнения (5) записывается через функции Куммера:      2 22 2 1 22 2 2 2 1 1 1 1, , , , . 2 2 2 2 2 2 k x k x x C M C U k k k k                       (17) Константы 1C и 2C определяются из начальных и граничных условий. Из уравне- ния (17) найдем выражения для компонент скорости  и давления p : )],()([ )],()([ 210 21 xCxCeipp xCxCe ti ti       (18) где             2 22 2 2 , 2 1, 2 1)( k xk k Mx  ,             2 22 2 2 , 2 1, 2 1)( k xk k Wx  . (19) На основании предложенных выше расчетов проведем численные исследования для оптимальной формы рупоров. Численные исследования для задачи проводились при следующих ограничениях: 0 0,2x  м, 0 0,1r  м, 1 0,025r  м, [100; 2500] Гц, 340C м/с. Для расчета оптимальных геометрических параметров рупоров исполь- зовались пакеты программ Excel 2007 и Maple 8. На рис. 1 построен график функции )(xr – радиуса сечения рупора для указанных частот. Как видно из рис. 1, предложенная в работе модель антенны является оптимальной и устойчивой на исследуемом диапазоне частот. При этом основное отличие построенной модели антенны – ее геометрические размеры, которые меньше либо совпадают с длиной принимаемой волны. Рисунок 1 – График сечения рупора )(xr для [100; 2500] Мануйленко Р.И., Хашан Т.С. «Искусственный интеллект» 3’2009 396 8М Заключение Согласно цели исследования решена задача моделирования оптимальной фор- мы и размеров акустических антенн для СТС, устанавливаемых на борту малых РТС. Оптимальные параметры антенн рассчитаны при заданных ограничениях с учетом анализа давления среды в антенне в точке приема звука. Численные исследования показали адекватность построенной модели и «близость» параметров модельных ан- тенн для достаточно широкого диапазона исследуемых частот. Дальнейшее развитие указанной работы заключается в решении следующих задач: экспериментальные исследования акустических свойств антенн на макетных СТС, их внедрение на борт малых РТС, а также построение модели и численное исследование оптимального расположения антенн в СТС. Литература 1. Попов Е.П. Очувствление робототехнических систем [Электронный ресурс] / Е.П. Попов. – Режим доступа : www.ras.ru/FStorage/download.aspx?Id=b7a1b781-3773-4fff-bcdf-4483c737d488. 2. Лопота В. Закономерности развития мехатроники и робототехники / В. Лагота, Е. Юревич // Защита и безопасность. – 2008. – № 2 (45). – Режим доступа : http://faki.fizteh.ru/pub/a_3mhdk9.html. 3. Huang J. Building Ears for Robots: Sound Localization and Separation / J. Huang, N. Ohnishi, N. Sugil // Artificial Life and Robotics (Springer-Verlag). – 1997. – Vol.1, № 4. – Р. 157-163. 4. A Model Based Sound Localization System and Its Application to Robot Navigation / J. Huang, T. Supaangprapa, I. Tenakuna [та ін.] // Robotics and Autonomous Systems (Elsevier Science). – 1999. – Vol. 27, № 4. – Р. 199-209. 5. Xiaoling Lv. A Service Robot System Based on Hearing / Lv. Xiaoling, Zhang Minglu // CSSE – 2008. – Vol. 1. – P. 1123-1126. 6. Gustavsson L. Directional Hearing in a Humanoid Robot [Электронный ресурс] / L. Gustavsson, E. Marklund, E. Klintfors, F. Lacerda // Lund University, Centre for Languages & Literature, Dept. of Linguistics & Phonetics. Working Papers 52, 2006. – P. 45-48. – Режим доступа : http://www.ling.su.se/fon/perilus/2006_03.pdf. 7. Guangming Yuan. Design of Mending Robot Based on Hearing and Virtual Reality / Yuan Guangming, Lv. Xiaoling, Zhang Minglu // CSSE – 2008. – Vol. 1. – P. 1115-1118. 8. Vladimir E. Pavlovsky. Simulation and Experimental Elaboration of Acoustic Sensors for Mobile Robots / Vladimir E. Pavlovsky, Tatyana S. Khashan // Paper presented at the RTO SET-092 Symposium on «Advanced Sensor Payloads for UAV», (Lisаbon, (Portugal). – 2 – 3 May, 2005). 9. Поливцев С.А. Исследование геометрических и акустических свойств сенсоров для системы технического слуха роботов / С.А. Поливцев, Т.С. Хашан // Проблемы бионики. – 2004. – № 60. – С. 63-69. 10. Головин Н.Я. Акустические артиллерийские приборы / Головин Н.Я. – М. : Военное из-во народного комиссариата обороны СССР, 1941. – Ч. 1, 2. 11. Гельфанд И.М. Вариационное исчисление / И.М. Гельфанд, С.В. Фомин. – М., 1961. – 228 c. 12. Абрамовиц М. Справочник по специальным функциям / М. Абрамовиц, И. Стиган. – М. : Наука, 1979. – 830 c. Р.І. Мануйленко, T.С. Хашан Розрахунок оптимальних геометричних параметрів акустичних антен в системах технічного слуху Для систем технічного слуху, що встановлюються на борт малих мобільних роботів, побудовано модель акустичної антени з оптимальними геометричними параметрами для середнього діапазону частот. R.I. Manuilenko, T.S. Khashan Calculation of Optimal Geometric Parameters of the Acoustic Antenna in Technical Hearing Systems Specially for onboard technical hearing systems, which has been installed on small mobile robots, has been build a middle range frequency acoustical antenna with an optimal geometric settings. Статья поступила в редакцию 11.06.2009.

Ähnliche Einträge