Результат интеллектуальной деятельности: Устройство контроля распространения акустического шума на селитебной территории

Заявленное техническое решение относится к областям метеорологии и экологии и может быть использовано для контроля акустошумового загрязнения урбанизированных (селитебных) территорий.

Из предшествующего уровня техники известны различные устройства контроля акустического шума, в частности измеритель шума и вибрации (шумомер) ВШВ-003, состоящий из измерительного микрофона, усилителя, набора корректирующих фильтров, детектора, интегратора и стрелочного индикатора [Измеритель уровня шума и вибрации ВШВ-003. - Режим доступа: http://www.pribortehsnab.ru/catalog/sound-level-meter/vshv-003m2.html].

Прибор является достаточно точным измерительным средством, однако имеет ряд недостатков, среди которых следует отметить отсутствие возможности коррекции получаемой информации с учетом локальных метеорологических условий.

Известно устройство контроля акустошумовых сигналов, включающее последовательно соединенные микрофон, усилитель, фильтр низких частот, аналого-цифровой преобразователь, цифровой сигнальный процессор и устройство обработки и представления информации [Патент ПМ №137977, МПК G01H 9/00. Устройство контроля акустошумовых сигналов / Булкин В.В., Кириллов И.Н. Опубл. 27.02.2014].

Устройство обеспечивает контроль акустического шума, но не обеспечивает возможности коррекции получаемой информации с учетом локальных метеорологических условий

Известно устройство для измерения скорости ветра и температуры воздуха, являющееся наиболее близким аналогом, включающее ультразвуковой термоанемометр, имеющий в своем составе измерительный тракт, состоящий из нескольких пар ориентированных навстречу друг другу ультразвуковых излучателей и приемников и соединенного с ними устройства измерения временных интервалов, подключенный к вычислительному устройству, вычисляющему скорость ветра и температуру воздуха [Региональный мониторинг атмосферы: коллективная монография / Под ред. М.В. Кабанова. Ч. 2. - Томск: Изд-во Ин-та оптики атмосферы, 2001. - С. 208-212].

Указанное устройство регистрирует два метеопараметра - скорость ветра и температуру воздуха, однако не обеспечивают контроль уровня акустошумового загрязнения.

Задача, на решение которой направлено заявленное устройство, заключается в расширении возможностей контроля акустошумового загрязнения урбанизированных территорий и, как следствие, повышении качества прогноза распространения этого загрязнения на селитебные зоны, такие как жилые районы, детские или медицинские учреждения и т.д.

Поставленная цель достигается за счет того, что в устройство контроля распространения акустического шума на селитебной территории, включающее ультразвуковой термоанемометр, состоящий из нескольких пар ориентированных навстречу друг другу ультразвуковых излучателей/приемников, и соединенное с ним каналом связи устройство обработки информации, дополнительно введены акустический датчик, вычислительное устройство и устройство отображения, причем выход акустического датчика соединен каналом связи с устройством обработки информации, которое, в свою очередь, соединено каналом связи с вычислительным устройством, а вычислительное устройство соединено с устройством отображения.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является обеспечение возможности прогнозирования характера распространения акустического шума вглубь селитебной территории при изменении метеорологических условий в зоне анализа.

Указанный технический эффект достигается за счет того, что устройство строится с использованием каналов контроля акустического шума и ветра. Ультразвуковой термоанемометр благодаря наличию пар ориентированных навстречу друг другу ультразвуковых элементов (излучателей/приемников), имеющих возможность в зависимости от работы алгоритма измерения выступать и в роли излучателя, и в роли приемника, обеспечивает измерение времени прохождения сигнала как в прямом, так и в обратном направлениях и на основании сопоставления полученных данных осуществляет вычисление вектора скорости ветра и температуры воздуха. Истинное значение температуры воздуха используется для коррекции значения скорости звука в конкретной зоне контроля. Акустический датчик обеспечивает получение информации о характере акустических шумов в зоне контроля. Данные о характере акустического шума (например, данные о доминирующих частотах или интенсивности сигнала) в сочетании с вычисленными значениями вектора скорости ветра и коэффициента затухания обеспечивают получение прогноза характера распространения акустического шума вглубь селитебной (урбанизированной) территории.

Схема системы представлена на фиг. 1.

Система состоит из ультразвукового термоанемометра (УТА) 1 и акустического датчика (АД) 2, соединенных каналами связи с устройством обработки информации (УОИ) 3, причем УОИ 3 в свою очередь соединено каналом связи с вычислительным устройством (ВУ) 4, а оно, в свою очередь, с устройством отображения (УО) 5.

Система работает следующим образом.

Ультразвуковой сигнал излучается одним из элементов пары излучателей/приемников (рассмотрим на примере любой из пар) УА 1, фиксируется с некоторой задержкой вторым элементом пары, после чего сигнал излучается вторым элементом и принимается первым, который к этому времени переведен в режим приемника, и в соответствии с выполняемыми функциями фиксирует этот сигнал. Время фиксации (прохождения) сигнала t₁ и t₂. При отсутствии ветра время зависит от расстояния между элементами пары (длины измерительной базы) L и скорости звука в воздухе с:

где V - скорость ветра.

Разность времени прохождения в прямом и обратном направлениях, определяемая УОИ 3, имеет вид

Аналогично проходит измерение по остальным парам элементов.

На основании полученных значений времени прохождения сигнала определяется значение температуры воздуха

где Т - температура воздуха, К.

Поскольку величина скорости распространения акустического сигнала с зависит от температуры воздуха, осуществляется вычисление величины с, соответствующей моменту измерения:

После уточнения величины с, по соотношению, полученному из (2), УОИ 3 осуществляет вычисление значений составляющих скоростей ветра, определяемых выбранной парой элементов УА 1:

где i - номер канала.

Полученные значения передаются в ВУ 4.

Одновременно посредством АД 2 осуществляется контроль акустического шума в зоне установки системы. Регистрируемые сигналы с АД 2 передаются в УОИ 3, где производится их анализ (например, определяются границы диапазона основных шумов, выявляются наибольшие уровни, определяются характеристики шума в границах октавных и долеоктавных диапазонов и т.д.). По соотношению

где f - частота звука, Гц, определяется коэффициент затухания в атмосфере α для доминирующих частот.

Полученные значения передаются в ВУ 4.

Затем в ВУ 4 по соотношению

где d - расстояние от источника шума, км, определяется величина затухания из-за звукопоглощения в атмосфере на расстоянии d от источника шума.

Затем с учетом значений составляющих скоростей ветра по (5), ВУ 4 определяет показатели вектора скорости ветра. С учетом полученных значений вектора скорости ветра и величины затухания устанавливается вероятное направление доминирующего направления распространения акустического шума вглубь селитебной территории.

УО 5 обеспечивает графическое представление результатов расчетов.

Применение данного устройства позволит повысить качество прогноза распространения акустошумового загрязнения вглубь селитебных территорий, что обеспечит выработку мер защиты жилых зон, зон расположения лечебных и дошкольных учреждений, школ и т.д.