Группа акустических технологий лаборатории акустической томографии (6/2)

Гидроакустика и технические средства исследования океана

 

Лаборатория акустической томографии

Научный руководитель группы:  Коренбаум В.И., д.т.н., профессор, гл. н.с.

 

Состав группы:

При участии:

к.т.н. Тагильцева А.А., к.т.н. Бородина А.Е., д.т.н., проф. Фершалова Ю.Я., д.м.н. проф. Кулакова Ю.В., засл. врача РФ Кудрявцевой В.А.

Сотрудничество с:

 

Компетенции группы:

  • акустика дыхания (респираторная акустика),
  • векторные гидроакустические приемники,
  • сочетание респираторной акустики и гидроакустики.

 

Основные направления исследований

1. Контроль местоположения водолазов по излучаемым ими шумам

Рисунок 1.1. Водолаз-аквалангист готовится к погружению.

 

Рисунок 1.2. Компактная антенная решетка в транспортном контейнере.

 

Рисунок 1.3. Дыхательные шумы водолаза-аквалангиста: верхний график – на удалении 10 м, нижний график – 3 м;
1 – шумы отрыва пузыря от загубника, 2 – шумы всплывающих пузырей, 3 – шум регулятора высокого давления.

 

Рисунок 1.4. Траектория перемещения водолаза-аквалангиста: сплошная линия траектория по данным GPS,
стрелки указывают направление движения водолаза; кружочки – позиции водолаза в фиксированные моменты времени 1–8 по данным GPS; 
звездочки с номерами 1’–8’ указывают локализацию водолаза по акустическим данным, точки – позиции гидрофонов антенной решетки.

 

Новизна исследований

  • выявление не известных ранее акустических эффектов излучения шумов водолазами в дыхательных аппаратах различных типов;
  • разработка оригинальных методов обработки сигналов и оценки местоположения водолазов.

 

2. Акустический контроль состояния дыхательной системы человека в экстремальных условиях

Рисунок 2.1. Размещение регистратора дыхательных шумов естественного дыхания под мокрым водолазным костюмом

 

Рисунок 2.2. Фильтрация шумов для выделения вдоха и выдоха водолаза-аквалангиста.

 

Рисунок 2.3. Временные диаграммы шумов дыхания водолаза-аквалангиста: верхний график – шумы дыхания,
средний график – огибающая с маркерами максимумов, нижний график – дыхательный ритм.

 

Рисунок 2.4. Процедура записи шумов форсированного выдоха у испытателя при постуральном моделировании невесомости.

 

Рисунок 2.5. Продолжительности трахеальных шумов форсированного выдоха FETa (средние арифметические с границами 95% доверительного интервала)
в группах испытателей по дням эксперимента при постуральным моделировании невесомости и лунной гравитации:
синий – модель невесомости, красный – модель лунной гравитации, * – статистически значимые различия.

 

Новизна исследований

  • разработка оригинальных методов и технических средств для мониторинга состояния вентиляционной функции легких в экстремальных условиях при использовании шумов форсированного выдоха;
  • разработка оригинальных методов и технических средств для мониторинга дыхательного ритма у водолазов под водой при использовании шумов, связанных с естественным дыханием;
  • выявление не известных ранее акустических и физиологических эффектов, характеризующих состояние человека при воздействии экстремальных условий (водолазные погружения, моделирование космических полетов).

 

3. Акустико-биомеханические взаимосвязи форсированного выдоха

Рисунок 3.1. Коэффициенты корреляции Спирмена (r) между продолжительностью трахеальных шумов форсированного выдоха в полосе частот 200-2000 Гц
и бодиплетизмографическими показателями (сопротивления и объемы) в группах здоровых и больных обструктивными заболеваниями легких.

 

Рисунок 3.2. Геометрия 3-х уровневой биомеханической модели продуцирования среднечастотных (СЧ) и высокочастотных (ВЧ) шумов форсированного выдоха:
S – совокупные сечения ветвей бронхиального дерева (БД) в диапазоне ветвлений,
l – совокупная длина ветвей БД в диапазоне ветвлений, V – доступный объем, F – приложенное усилие,
Q – объемный расход, v – линейная скорость газа.

 

Новизна исследований

  • получение новых знаний по акустике шумообразования при форсированном выдохе за счет сочетания акустических данных и результатов исследования вентиляционной функции легких (спирометрия, бодиплетизмография) на обширной выборке добровольцев;
  • разработка оригинальных акустико-биомеханических моделей шумообразования при форсированном выдохе;
  • разработка, акустическое и физиологическое обоснование новой перспективной технологии акустической функциональной диагностики дыхательной системы человека.

 

4. Акустическая визуализация легких

Рисунок 4.1. Акустическая установка (стенд) для многоканального исследования генерации дыхательных звуков и звукопроведения искусственных сигналов в легких человека: 1 – ноутбук, с которого осуществляется подача зондирующего сигнала через внешнюю звуковую карту TransitUSB (M-Audio); 2 – усилитель мощности PHONICMAX 860; 3 – система излучения НЧ диапазона для подачи сигнала в рот; 4 – патрубок, в который устанавливается одноразовый загубник; 5 – стерильный герметичный контейнер с одноразовыми загубниками с фильтрами; 6 – трубка отвода воздуха; 7 – вибростенд 4810 (Брюль и Къер); 8 – референсный акселерометр KD-35 (RFT); 9 – комплект акселерометрических датчиков на основе 333B52 (PCBPiezotronics) на технологической опоре; 10 – блоки питания акселерометрических датчиков от аккумуляторов UPS24 В; 11 – 16-канальный электронный самописец PowerLab (ADInstruments); 12 – ноутбук, на котором осуществляется запись сигналов; 13 – зажим надеваемый обследуемым на нос при зондировании через рот.

 

Рисунок 4.2. Характерный вид сигналов при зондировании высокочастотным сигналом 10-19 кГц при спокойном дыхании:
канал 1 – реплика излученного виброизлучателем ЛЧМ сигнала, канал 7 – отклик датчика № 7, Rxy– коэффициент взаимной корреляции откликов (синий)
и его огибающая – свертка (зеленый), красные точки – выделенные пики огибающей, черные цифры – групповая скорость звука, м/с.

 

Рисунок 4.3. Схема зондирования легких человека сложным сигналом с поверхности грудной клетки и получаемые результаты.

 

Рисунок 4.4. Схема зондирования легких человека сложным сигналом через рот и получаемые результаты.

 

Новизна исследований

  • получение новых знаний по распространению акустических волн в легких человека новым для респираторной акустики инструментом (сжатие импульсов);
  • разработка оригинальных акустических моделей звукопроведения и шумообразования в дыхательной системе человека;
  • разработка подходов к новой перспективной технологии акустической визуализации легких звукового диапазона частот.

 

5. Векторные приемники для мобильных носителей

Рисунок 5.1. Устройство 2-х компонентного векторного приемника силового типа с компенсационной виброзащитой (патент РФ 2624791).

 

Рисунок 5.2. Конструкция векторного приемника силового типа повышенной эффективности (патент РФ 2568411).

 

Рисунок 5.3. Конструкция 3-х компонентного векторного приемника инерционного типа в защитном экране.

 

Рисунок 5.4. Устройство 3-компонентного векторного приемника силового типа с компенсационной виброзащитой (Патент РФ 2679931).

 

Новизна исследований

  • разработка оригинальных конструкций малогабаритных векторных приемников силового, инерционного и разностного типов для мобильных носителей;
  • разработка оригинального метода компенсационной виброзащиты векторных приемников силового и разностного типов;
  • получение новых знаний о воздействии вибраций и помех обтекания на векторные приемники;
  • разработка физических и математических моделей функционирования векторных приемников, в том числе при воздействии вибраций и помех обтекания.