Эхолот. Окончательный вариант.  >>  Выбор датчика приёмника

Выбор датчика приёмника.

Исследование канала приём-передача при несовпадающих резонансах излучателя и приёмника.

При изготовлении эхолота для работы в грунте (геолокатора) практически невозможно подобрать излучатель и приёмник таким образом, чтобы резонансная частота приёмника совпадала с антирезонансной частотой излучателя. Однако, в эхолоте используются пачки импульсов, спектр которых отличается от спектра чисто синусиодального сигнала. Этот факт допускает возможность передачи сигнала при несовпадении вышеуказанных резонансов. Ясность в этом вопросе может внести только эксперимент.

Описание эксперимента

В эксперименте используется геолокатор, в котором устанавливаются различные комбинации излучателя и приёмника. При изменении несущей частоты от внешнего генератора, в приёмнике производятся измерения амплитуды сигнала, отражённого от потолка. Результаты измерений заносятся в таблицу 1. В таблице буква Р обозначает резонансную частоту датчика, буква А - его антирезонансную частоту. Измерения в комбинациях 2 и 3 - после фильтра, 4, 5, и 6 до фильтра (потому, что фильтр на 40 кГц).

Таблица 1. Амплитуда выходного сигнала, В, от несущей частоты.

* Наблюдаются сильные биения с частотой порядка 5 кГц, то есть, на разности частот резонанса.

Результаты несколько неожиданные. Во-первых, полоса пропускания всего тракта гораздо шире, чем при измерении на синусоидальных сигналах. Во вторых, из сравнения комбинаций 1 и 2, следует, что совпадение частоты резонанса излучателя с частотой антирезонанса приёмника не имеет никакого значения. Непонятно также, почему фильтр оказался не столь эффективным. Но это не значит, что он не нужен. Фильтр, прежде всего, отсекает звуковой диапазон, и не следует забывать, что датчик приёмника, это микрофон.

Из просмотренных осциллограмм следует, что самое большое влияние на результат имеет соотношение резонансных частот излучателя и приёмника. Для сравнения рассмотрим две осциллограммы. На рисунке 1 представлена осциллограмма комбинации 6, в которой частоты резонанса излучателя и приёмника различаются минимально.

Рис. 1. Осциллограмма приёмника в комбинации 6.

На рисунке 2 показана осциллограмма комбинации 4, в которой частоты резонанса излучателя и приёмника различаются максимально.

Рис. 2. Осциллограмма приёмника в комбинации 4.

Главное различие между осциллограммами в том, что на второй осциллограмме присутствуют биения. И частота биений равна разности частот резонанса излучателя и приёмника. К чему это приводит, видно на следующих двух рисунках. На рисунках 3 и 4 наряду с осциллограммами приёмника приведены осциллограммы выходных импульсов. На рисунке 4, для большего эффекта, мощность сигнала излучателя немного увеличена (включением напряжения 24 В).

Рис. 3. Совмещённая осциллограмма приёмника комбинации 6.

Рис. 4. Совмещённая осциллограмма приёмника комбинации 4.

Видим, что на рисунке 4 на выходе присутствует ложный импульс. Сам по себе он не сильно искажает расстояние до отражающего объекта, но если учесть, что прибор обрабатывает всего пять импульсов в одном измерении, понятно, что в этом цикле будет обработано не более четырёх отражений.

Это явление усугубляется при увеличении коэффициента усиления приёмника, как показано на следующих двух осциллограммах, снятых с коэффициентом усиления х6. На рисунке 5 показана совмещённая осциллограмма комбинации 2, в которой частоты резонанса излучателя и приёмника почти равны.           

Рис. 5. Совмещённая осциллограмма приёмника комбинации 2.

На рисунке 6 показана совмещённая осциллограмма комбинации 1, в которой частоты резонанса различаются почти на 1 кГц.

Рис. 6. Совмещённая осциллограмма приёмника комбинации 1.

Выходные импульсы показаны в канале L4 с порогом 4 В. Понятно, что в каналах с меньшим порогом выходных импульсов будет больше 5 и никакие следующие отражения обработаны не будут.

В результате работы мы выяснили, что частоты антирезонанса при выборе приёмника нас не должны интересовать вообще. Важным является, чтобы частота резонанса приёмника была как можно ближе к частоте резонанса излучателя. 

Для устранения проблемы разности частот резонанса измерителя и приёмника, необходимо использовать нерезонансный датчик в приёмнике.

Самое простое решение – попытаться использовать широко распространённый и дешёвый электретный микрофон. Проверили. Работает. Но пока только на воздухе, для использования в грунте серийные микрофоны не предназначены.

На рисунках 7 – 9 представлены осциллограммы с использованием микрофона диаметром 10 мм вместо пьезоэлектрического датчика, с излучателями на 25160, 28150 и 39400 Гц, соответственно. Все осциллограммы сняты с коэффициентом усиления усилителя х6.

Рис. 7. Совмещённая осциллограмма с микрофоном в качестве приёмника, для излучателя с резонансной частотой 25160 Гц.

Рис. 8. Совмещённая осциллограмма с микрофоном в качестве приёмника, для излучателя с резонансной частотой 28150 Гц.

Рис. 9. Совмещённая осциллограмма с микрофоном в качестве приёмника, для излучателя с резонансной частотой 39400 Гц.

Очень импонирует отсутствие шумов при коэффициенте усиления х6.

На частоте 40 кГц амплитуда с микрофона в шесть раз ниже амплитуды с пьезодатчика. Но на частотах 25 и 28 кГц она в три раза выше. А если учесть, что на частоту 28 кГц приёмные пьезоэлектрические датчики совсем не выпускаются, микрофон – единственный вариант.

Микрофон – отличная замена пьезоэлектрическим датчикам. Осталось только решить проблему согласования воздушного микрофона с грунтом.

=В.С.= 15 июня 2026 г

^ ^ ^