СПОСОБ ГРАДУИРОВКИ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ МЕТОДОМ ВЗАИМНОСТИ (ЕГО ВАРИАНТЫ) Российский патент 1995 года по МПК H04R29/00 

Изобретение относится к акустическим измерениям, а конкретнее к способам абсолютной градуировки электроакустических преобразователей способом взаимности.

В гидроакустической измерительной технике широко распространена абсолютная градуировка электроакустических преобразователей способом взаимности, основанной на применении теоремы взаимности, определяющей взаимосвязь между электрическими и акустическими параметрами линейного обратного преобразователя.

Для реализации градуировок на основе способа взаимности нужны априорные данные об упругих параметрах среды, в которой ведутся эти измерения. В ряде случаев эти данные отсутствуют, особенно для гетерогенных газовых и жидких сред.

Известен способ градуировки электроакустических преобразователей путем сравнения с образцовым приемником [1]. Однако образцовый приемник в гетерогенной среде, особенно при повышенных давлениях, меняет свою градуировку и не может использоваться.

Способ-прототип абсолютной градуировки электроакустических преобразователей стандартным методом взаимности [2] заключается в определении параметра взаимности при расположении излучающего, приемного и линейного обратимого преобразователей на расстоянии друг от друга, возбуждении акустического поля излучающим преобразователем, приеме акустического сигнала приемным и линейным обратимым преобразователями, возбуждении акустического поля линейным обратимым преобразователем, приеме акустического сигнала приемным преобразователем, определении чувствительности преобразователей по результатам измерений токов, протекающих через преобразователи при их работе в режиме излучения и напряжений холостого хода на выходах преобразователей при их работе в режиме приема.

Недостатком способа-прототипа является то, что для определения чувствительности необходимы априорные данные о плотности среды ρ_ои скорости звука C, которые в гетерогенных средах при различных давлениях неизвестны. Определение их косвенными методами с помощью систем измерения плотности среды ρ_ои скорости звука C является сложной задачей, не позволяющей производить оперативные измерения. Таким образом, в средах, упругие характеристики которых неизвестны, измерения способом взаимности практически не реализуются из-за отсутствия информации о параметре взаимности C_вз, характеризующем линейную взаимную среду, в которой действуют электроакустические аппараты. Уравнений взаимности хватает только на определение чувствительности при известном параметре C_вз. Например, в способе стандартной взаимности имеется шесть уравнений, из которых можно найти шесть чувствительностей в режимах приема и излучения трех электроакустических преобразователей. В этих уравнениях параметр взаимности был бы седьмым неизвестным и его определить из шести уравнений невозможно.

Целью изобретения является одновременное определение чувствительностей электроакустических аппаратов и параметров взаимности с использованием в том числе аппаратов, чувствительность которых измеряется, действующих в средах с неизвестными упругими параметрами.

Предлагается два варианта способа, обеспечивающих требуемый технический результат, а именно градуировку электроакустических преобразователей в линейных взаимных средах с неизвестными упругими параметрами.

Это достигается в первом варианте за счет того, что перед определением параметра взаимности возбуждают сферическим излучателем поле сферической гармонической волны с частотой f, устанавливают комбинированный приемник давления и градиента давления на расстоянии r_o от сферического излучателя, регистрируют колебательную скорость V и акустическое давление P комбинированным приемником, измеряют сдвиг фаз ϕмежду колебательной скоростью V и акустическим давлением P, находят волновое число K для среды по формуле K = , помещают комбинированный приемник на расстояние r_oo= от сферического излучателя, регистрируют колебательную скорость V₁ и акустическое давление P₁ комбинированным приемником, находят V₁P₁= ρ_о˙C, находят скорость звука в среду как
C=2πfr_otgϕ (1) и плотность среды ρ_o=
(2)
После этого для расстояния r, на котором располагаются испытываемые электроакустические преобразователи, находят параметры взаимности
для сферических волн
C_вз,сф=
(3)
для цилиндрических волн
C_{вз,цикл}= 2L
(4) где L - высота излучателя цилиндрических волн;
для плоских волн
C_вз,пл.=
(5) S - площадь излучающей поверхности.

Поставленная цель достигается во втором варианте за счет того, что перед определением параметра взаимности возбуждают сферическую волну сферическим излучателем при протекании через него тока I_сф частоты f, принимают акустический сигнал сферическим приемником и сферическим линейным обратимым преобразователями, находящимися друг от друга и от сферического излучателя на равных расстояниях r, измеряют напряжения U_сф1 и U_сф2 на выходах сферического приемника и сферического линейного обратимого преобразователей соответственно, возбуждают сферическую волну сферическим линейным обратимым преобразователем при протекании через него тока I_сф, измеряют напряжение холостого хода U_сф3 на выходе сферического приемника, устанавливают цилиндрический излучатель и линейный обратимый преобразователь, имеющие высоту на расстоянии r друг от друга и от сферического приемника, возбуждают цилиндрическую волну с помощью цилиндрического излучателя при протекающем через него токе I _цил, измеряют напряжение U_цил.1 и U_цил.2 на выходах сферического приемника и обратимого линейного цилиндрического преобразователя, возбуждают цилиндрический обратимый преобразователь током I_цил и измеряют напряжение U_цил.3 на выходе сферического приемника, находят скорость звука в среде в виде C = · находят волновое число для среды K = , устанавливают комбинированный приемник на расстоянии, не меньшем, чем r_oo= от сферического излучателя, возбуждают сферическую волну сферическим излучателем, измеряют напряжение U_пд на выходе акустического давления и напряжение U_пгд на выходе градиента давления комбинированного приемника, определяют параметр взаимности для сферических волн по формуле
C_вз.сф.= · , где d - расстояние дополнительного пробега волны при регистрации градиента давления, находят плотность среды по формуле
ρ_o= ·
По данным о C и ρ_о находят параметры взаимности для цилиндрических и плоских волн.

Кроме того, для любого из вариантов способа возможно проведение приема градиента давления двумя идентичными приемниками акустического давления. После преобразования акустических сигналов с этих приемников в электрические один из сигналов поворачивают по фазе на 180^о и суммируют с неповернутым сигналом, а для приема акустического давления используют один из приемников.

На фиг. 1 приведено расположение электроакустических преобразователей при реализации первого варианта способа (выбор расстояний r одинаковым не является обязательным, при разных расстояниях r₁, r₂, r₃ необходимо их учитывать в параметрах взаимностей); на фиг. 2 приведено расположение электроакустических преобразователей при реализации второго варианта способа; на фиг. 3 - структурная схема для реализации способа.

Устройство содержит последовательно-параллельно соединенные генератор монохроматических сигналов 1, амперметр 2, переключатель 3, акустически соединенные излучатель 4, обратимый преобразователь 5, приемник 6, комбинированный приемник 7 давления и градиента давления, усилитель 8, вольтметр 9, измеритель 10 фазы, вычислитель 11 чувствительности, индикатор 12.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 1 возбуждает излучатели и обратимые преобразователи поочередно токами, протекающими через них и регистрируемыми амперметром 2. Акустические поля, создаваемые излучателем 4 и обратимым преобразователем 5, принимаются приемником 6 и комбинированным приемником 7. Сигналы усиливаются усилителем 8 и регистрируются вольтметром 9, а также измерителем 10 фазы. Обработка информации в соответствии с операциями предложенного способа осуществляется в вычислителе 11. Данные о чувствительности отображаются на индикаторе 12. Во втором варианте способа к переключателю 3 дополнительно подключается цилиндрический излучатель и обратимые цилиндрический преобразователь.

Использование: акустические измерения. Сущность изобретения: по сравнению с классическим методом градуировки электроакустических преобразователей методом взаимности заявленные варианты способа позволяют определить плотность неизвестной среды и скорость звука в ней. Для этого перед определением параметра взаимности возбуждают сферическим излучателем поле сферической гармонической волны с частотой f, устанавливают комбинированный приемник давления и градиента давления на расстоянии r_o от сферического излучателя, регистрируют колебательную скорость v₁ и акустическое давление P комбинированным приемником, измеряют сдвиг фазы между ними, находят волновое число K, помещают комбинированный приемник на расстоянии r_oo=3/K от сферического излучателя, регистрируют колебательную скорость v₁ и акустическое давление F₁ комбинированным приемником, находят отношение этих параметров и приравнивают его к произведению ρ_oc. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

СПОСОБ ГРАДУИРОВКИ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ МЕТОДОМ ВЗАИМНОСТИ (ЕГО ВАРИАНТЫ).

1. Способ градуировки электроакустических преобразователей методом взаимности, заключающийся в определении параметра взаимности при расположении излучающего, приемного и линейного обратимого преобразователей на расстоянии r друг от друга, возбуждении акустического поля излучающим преобразователем, приеме акустического сигнала приемным и линейным обратимым преобразователями, возбуждении акустического поля линейным обратимым пребразователем, приеме акустического сигнала приемным преобразователем, определении чувствительности преобразователей по результатам измерений токов, протекающих через преобразователи при их работе в режиме излучения и напряжений холостого хода на выходах преобразователей при их работе в режиме приема, отличающийся тем, что перед определением параметра взаимности возбуждают сферическим излучателем поле сферической гармонической волны с частотой f, устанавливают комбинированный приемник давления и градиента давления на расстоянии r₀ от сферического излучателя, регистрируют колебательную скорость v и акустическое давление P комбинированным приемником, измеряют сдвиг фаз ϕ между колебательной скоростью v и акустическим давлением P, находят волновое число K для среды по формуле

помещают комбинированный приемник на расстояние r₀₀ = 3/K от сферического излучателя, регистрируют колебательную скорость v₁ и акустическое давление P₁ комбинированным приемником, находят отношение колебательной скорости v₁ к акустическому давлению P₁, приравнивают его к произведению плотности среды ρ_o и скорости звука c в среде, находят скорость звука в среде:
c = 2πfr_otgϕ ,
и определяют плотность среды по формуле

2. Способ градуировки электроакустических преобразователей методом взаимности, заключающийся в определении параметра взаимности при расположении излучающего, приемного и линейного обратимого преобразователей на расстоянии r друг от друга, возбуждении акустического поля излучающим преобразователем, приеме акустического сигнала приемным и линейным обратимым преобразователями, возбуждении акустического поля линейным обратимым преобразователем, приеме акустического сигнала приемным преобразователем, определении чувствительности преобразователей по результатам измерений токов, протекающих через преобразователи при их работе в режиме излучения и напряжений холостого хода на выходах преобразователей при их работе в режиме приема, отличающийся тем, что перед определением параметра взаимности возбуждают сферическую волну сферическим излучателем при протекании через него тока I_сф частоты f, принимают акустический сигнал сферическим приемником и сферическим линейным обратимым преобразователями, находящимися друг от друга и от сферического излучателя на равных расстояниях r, измеряют напряжения на выходах сферического приемника и сферического линейного обратимого преобразователей соответственно, возбуждают сферическую волну сферическим линейным обратимым преобразователем при протекании через него тока I_сф, измеряют напряжение холостого хода на выходе сферического приемника, устанавливают цилиндрические излучатель и линейный обратимый преобразователь, имеющие высоту L, на расстоянии r друг от друга и от сферического приемника, возбуждают цилиндрическую волну цилиндрическим излучателем при протекании через него тока I_цил, измеряют напряжения на выходах сферического приемника и цилиндрического линейного обратимого преобразователя, возбуждают цилиндрическую волну цилиндрическим линейным обратимым преобразователем при протекании через него тока I_цил, изменяют напряжение на выходе сферического приемника, находят скорость звука в среде по формуле

находят волновое число для среды

устанавливают комбинированный приемник давления и градиента давления на расстоянии не меньшем чем r₀₀ = 3/K от сферического излучателя, возбуждают сферическую волну сферическим излучателем, измеряют напряжение U_п.д на выходе акустического давления и напряжение U_п.г.д на выходе градиента давления комбинированного приемника, определяют параметр взаимности для сферических волн по формуле

где d - расстояние дополнительного пробега волны при регистрации градиента давления,
находят плотность среды ρ_o по формуле

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что прием градиента давления производят двумя идентичными приемниками акустического давления и после преобразования акустических сигналов с этих приемников в электрические один из сигналов поворачивают по фазе на 180^o и суммируют с неповернутым сигналом, а для приема акустического давления используют один из приемников.