СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАЗОВОГО УГЛА КОМПЛЕКСНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ГИДРОФОНА МЕТОДОМ ВЗАИМНОСТИ Российский патент 2014 года по МПК H04R29/00 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для абсолютной комплексной градуировки гидрофонов (Г) по полю, в результате которой получают модуль и фазовый угол чувствительности Г для акустического центра Г.

При определении фазового угла чувствительности Г методом взаимности неизбежно возникает задача точного измерения расстояний между Г, обратимым преобразователем (ОП) и излучателем (И). Задача возникает из-за того, что Г, ОП и И представляют собой физические тела определенных размеров и формы, а не геометрические точки. С другой стороны, градуировка методом взаимности предполагает обязательное ориентирование градуируемого Г опорным направлением на ОП и И, что требует разворота Г на 180°. Чтобы обеспечить точное измерение фазового угла Г необходимо, чтобы Г не смещался относительно исходного положения при вращении (переориентировании). Такое смещение может вызвать малая прецессия в механизме поворота (влияние которой "усиливает" протяженная штанга позиционирования Г), либо кривизна штанги, или любое смещение оси Г относительно оси вращения, возникающее при установке Г на штангу системы позиционирования.

Известен способ того же назначения, принятый за прототип [1], заключающийся в том, что Г, ОП и И располагают на одной прямой в измерительном бассейне, оборудованном прецизионной системой перемещения Г, ОП и И, оптическим окном и системой юстировки положения Г на основе лазера. Г размещают между И и ОП и ориентируют опорным направлением на ОП.

Лазер устанавливают так, чтобы его луч коснулся ближайшей к ОП кромки Г. Формируют тонально-импульсный сигнал излучения заданной частоты, которым возбуждают ОП. Облучают Г сигналом ОП, принимают Г сигнал ОП и выполняют действия метода взаимности, в результате которых получают фазовый сдвиг φ_ОП-Г сигнала ОП, принятого Г, относительно тока через ОП. Затем поворачивают Г на 180° и ориентируют его опорным направлением на И. Чтобы избежать смещения Г вследствие его переориентирования, после разворота Г с помощью системы позиционирования перемещают вдоль прямой ОП-И до тех пор, когда луч лазера вновь коснется ближайшей к ОП кромки Г.

Таким образом, в прототипе фазовый угол чувствительности φ_Г измеряют для геометрического, а не акустического центра Г. Это приводит к погрешностям измерений фазового угла чувствительности Г в случаях несовпадения акустического и геометрического центров Г.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является устранение отмеченного недостатка прототипа, т.е. повышение точности определения фазового угла комплексной чувствительности Г.

Данный технический результат достигают за счет того, что в известном способе определения фазового угла комплексной чувствительности гидрофона методом взаимности, заключающемся в том, что в измерительном бассейне на одной прямой располагают гидрофон, излучатель и обратимый преобразователь, при этом гидрофон размещают между излучателем и обратимым преобразователем и ориентируют на обратимый преобразователь, формируют тонально-импульсный сигнал излучения заданной частоты, которым возбуждают обратимый преобразователь, облучают гидрофон сигналом обратимого преобразователя, принимают гидрофоном сигнал обратимого преобразователя и измеряют фазовый сдвиг φ_ОП-Г принятого гидрофоном сигнала, относительно тока через обратимый преобразователь, затем поворачивают гидрофон вокруг его оси на 180° и ориентируют гидрофон на излучатель, повторно возбуждают обратимый преобразователь, облучают гидрофон сигналом обратимого преобразователя, принимают гидрофоном сигнал обратимого преобразователя, определяют изменение временной задержки Δt сигналов обратимого преобразователя, принятых гидрофоном до и после поворота на 180° вследствие изменения направления приема гидрофона с исходного на противоположное, и вычисляют набег фазы Δφ, соответствующий измеренной временной задержке на частоте эксперимента по формуле

$$\Delta \phi =\frac{\omega \Delta t}{2},$$

где ω - круговая частота сигнала излучения, затем возбуждают излучатель сигналом излучения, облучают сигналом излучателя гидрофон и принимают гидрофоном сигнал излучателя, после чего выводят гидрофон из зоны облучения, облучают сигналом излучателя обратимый преобразователь, принимают сигнал излучателя обратимым преобразователем и определяют фазовый сдвиг φ_И-Г,ОП сигнала излучателя, принятого гидрофоном, относительно сигнала излучателя, принятого обратимым преобразователем, при этом фазовый угол φ_Г комплексной чувствительности гидрофона определяют из математического соотношения

$${\phi }_{Г}=\frac{1}{2}\left({\phi }_{ОП-Г}+{\phi }_{И-Г,ОП}\right)+\raisebox{1ex}{$\pi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$4$}\right.+\Delta \phi .$$

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема эксперимента по определению фазового угла комплексной чувствительности Г методом взаимности.

Существо способа заключается в том, что в измерительном бассейне (на чертеже не показан) на одной прямой располагают Г, ОП и И. При этом Г размещают между ОП и И и ориентируют опорным направлением на ОП.

Формируют тонально-импульсный сигнал излучения заданной частоты, с помощью которого возбуждают ОП и облучают Г сигналами ОП.

Сигнал ОП принимают Г и измеряют фазовый сдвиг φ_ОП-Г принятого сигнала относительно тока через ОП.

Затем Г поворачивают вокруг его оси на 180° и ориентируют Г опорным направлением на И. На чертеже указанный поворот изображен стрелкой.

Вновь возбуждают ОП сигналом излучения, облучают Г сигналом ОП и принимают Г сигнал ОП. Определяют изменение временной задержки Δt сигналов ОП, принятых Г до и после поворота на 180°, вследствие изменения направления приема Г с исходного на противоположное.

Вычисляют набег фазы Δφ, соответствующий измеренной временной задержке на частоте эксперимента по формуле

$$\Delta \phi =\frac{\omega \Delta t}{2},$$

где ω - круговая частота сигнала излучения.

Возбуждают И сигналом излучения, облучают Г сигналом И и принимают Г сигнал И.

Выводят Г из зоны облучения, облучают ОП сигналом И и принимают ОП сигнал И.

Определяют фазовый сдвиг φ_И-Г,ОП сигнала И, принятого Г, относительно сигнала И, принятого ОП.

Фазовый угол φ_Г комплексной чувствительности Г определяют из математического соотношения

$${\phi }_{Г}=\frac{1}{2}\left({\phi }_{ОП-Г}+{\phi }_{И-Г,ОП}\right)+\raisebox{1ex}{$\pi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$4$}\right.+\Delta \phi .$$

Определенный подобным способом фазовый угол не будет содержать погрешности, обусловленной несовпадением геометрического и акустического центров Г. Этим достигается поставленный технический результат.

Литература

1. Hayman G., Robinson S. Phase calibration of hydrophones by the free-field reciprocity method / Proc. of the 11th European Conference on Underwater Acoustics // Edinburgh, 2012, p.1437-1444.

Использование: изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для абсолютной комплексной градуировки гидрофонов (Г) по полю, в результате которой получают модуль и фазовый угол чувствительности Г для акустического центра Г. Сущность: известный метод взаимности дополняется повторением действий метода взаимности для пары обратимый преобразователь (ОП) - градуируемый Г после поворота Г на 180°. В результате этого измеряют изменение временной задержки сигнала ОП, принятого Г, при изменении направления приема гидрофона с исходного на противоположное, и вычисляют набег фазы, соответствующий измеренной временной задержке на частоте эксперимента. Затем Г и ОП облучают излучателем и вновь повторяют известные действия метода взаимности. Полученное значение набега фазы вносят как поправку при определении фразового угла комплексной чувствительности Г. Технический результат: устранение погрешности фазовой градуировки Г, возникающей вследствие несовпадения геометрического и акустического центров Г. 1 ил.

Способ определения фазового угла комплексной чувствительности гидрофона методом взаимности, заключающийся в том, что в измерительном бассейне на одной прямой располагают гидрофон, излучатель и обратимый преобразователь, при этом гидрофон размещают между излучателем и обратимым преобразователем и ориентируют на обратимый преобразователь, формируют тонально-импульсный сигнал излучения заданной частоты, которым возбуждают обратимый преобразователь, облучают гидрофон сигналом обратимого преобразователя, принимают гидрофоном сигнал обратимого преобразователя и измеряют фазовый сдвиг φ_ОП-Г принятого гидрофоном сигнала, относительно тока через обратимый преобразователь, затем поворачивают гидрофон вокруг его оси на 180° и ориентируют гидрофон на излучатель, отличающийся тем, что повторно возбуждают обратимый преобразователь, облучают гидрофон сигналом обратимого преобразователя, принимают гидрофоном сигнал обратимого преобразователя, определяют изменение временной задержки Δt сигналов обратимого преобразователя, принятых гидрофоном до и после поворота на 180° вследствие изменения направления приема гидрофона с исходного на противоположное, и вычисляют набег фазы Δφ, соответствующий измеренной временной задержке на частоте эксперимента по формуле
$$\Delta \phi =\frac{\omega \Delta t}{2},$$
где ω - круговая частота сигнала излучения, затем возбуждают излучатель сигналом излучения, облучают сигналом излучателя гидрофон и принимают гидрофоном сигнал излучателя, после чего выводят гидрофон из зоны облучения, облучают сигналом излучателя обратимый преобразователь, принимают сигнал излучателя обратимым преобразователем и определяют фазовый сдвиг φ_И-Г,ОП сигнала излучателя, принятого гидрофоном, относительно сигнала излучателя, принятого обратимым преобразователем, при этом фазовый угол φ_Г комплексной чувствительности гидрофона определяют из математического соотношения
$${\phi }_{Г}=\frac{1}{2}\left({\phi }_{ОП-Г}+{\phi }_{И-Г,ОП}\right)+\raisebox{1ex}{$\pi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$4$}\right.+\Delta \phi .$$