СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНОЙ И ФАЗОЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИК ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПО ПОЛЮ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО ПРИЕМНИКА Российский патент 2016 года по МПК H04R29/00 

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для градуировки (определения амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик чувствительности) по полю векторного гидроакустического приемника.

К настоящему времени благодаря совершенствованию конструкции векторных гидроакустических приемников частотный диапазон векторно-фазовых измерений удалось расширить до 12,5 кГц, что потребовало соответствующего расширения частотного диапазона и разработки новых методов градуировки векторных приемников.

Известен способ градуировки векторного гидроакустического приемника в поле стоячей звуковой волны, которое создают в вертикальном столбе жидкости, колеблющемся в жесткой акустической камере, имеющей вид открытой сверху трубы [1, 2].

Возможности известного способа ограничены частотой 1-2 кГц (так называемой, критической частотой камеры). Попытки выполнить в камере градуировки на более высоких частотах приводят к значительному увеличению погрешности результата, что обусловлено как усложнением математической модели камеры, так и возрастающими с частотой искажениями звукового поля устанавливаемым в камеру градуируемым векторным приемником с его системой крепления. Недостатком известного способа является также то, что в результате градуировки не удается определить фазочастотную характеристику чувствительности векторного приемника.

За прототип принят способ определения чувствительности гидроакустического приемника звукового давления методом взаимности в свободном поле, который применяют на частотах от единиц килогерц и выше для градуировки гидрофона [3, 4].

Метод взаимности основан на использовании обратимого преобразователя, чувствительности которого на прием и излучение связаны известной зависимостью (параметр взаимности). Метод позволяет выполнять градуировку без использования опорного акустического приемника с известной чувствительностью, при этом дает возможность получать значения фазового угла чувствительности.

Прототип, например в [4], заключается в расположении в измерительном бассейне с водой излучателя Р, обратимого преобразователя T и градуируемого приемника R при известных расстояниях r_PR между излучателем и приемником, r_PT между излучателем и обратимым преобразователем и r_TR между обратимым преобразователем и приемником достаточно больших для формирования на приемнике локально-плоских сферических звуковых волн излучателя и обратимого преобразователя, а на обратимом преобразователе - локально-плоской волны излучателя, возбуждении излучателя электрическим сигналом, измерении тока через излучатель и выходных напряжений приемника и обратимого преобразователя, возбуждении обратимого преобразователя электрическим сигналом, измерении тока через обратимый преобразователь и выходного напряжения приемника, определении частотных зависимостей комплексных передаточных импедансов по полю Z_PR(ƒ) пары излучатель - градуируемый приемник, Z_PT(ƒ) пары излучатель - обратимый преобразователь, Z_TR(ƒ) пары обратимый преобразователь - градуируемый приемник, определении амплитудно-частотной $$\left|M_R(ƒ)\right|$$ и фазочастотной arg(Μ_R(ƒ)) характеристик чувствительности по полю градуируемого гидроакустического приемника к звуковому давлению по формулам

где ƒ - частота, ρ - плотность воды, |…| и arg(…) означают соответственно модуль и аргумент комплексной частотной зависимости, k=2π/λ - волновое число, λ - длина звуковой волны, с - скорость звука в воде.

Недостатком прототипа является то, что способ позволяет определить только амплитудно- и фазочастотную характеристики чувствительности приемника к звуковому давлению (скалярной величине гидроакустического поля). Возможности метода ограничены градуировкой гидрофонов (гидроакустических приемников звукового давления).

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является расширение возможностей известного способа определения чувствительности по полю гидроакустического приемника за счет обеспечения возможности градуировать по полю гидроакустический векторный приемник (приемник градиента и биградиента звукового давления, колебательной скорости и ускорения и т.п.) в расширенном до 12,5 кГц и выше частотном диапазоне.

Данный технический результат достигают за счет того, что в известном способе, заключающемся в расположении в измерительном бассейне с водой излучателя Р, обратимого преобразователя T и градуируемого приемника R при известных расстояниях r_PR между излучателем и приемником, r_PT между излучателем и обратимым преобразователем и r_TR между обратимым преобразователем и приемником достаточно больших для формирования на приемнике локально-плоских сферических звуковых волн излучателя и обратимого преобразователя, а на обратимом преобразователе - локально-плоской волны излучателя, возбуждении излучателя электрическим сигналом, измерении тока через излучатель и выходных напряжений приемника и обратимого преобразователя, возбуждении обратимого преобразователя электрическим сигналом, измерении тока через обратимый преобразователь и выходного напряжения приемника, определении частотных зависимостей комплексных передаточных импедансов по полю Z_FR(ƒ) пары излучатель - градуируемый приемник, Z_PT(ƒ) пары излучатель - обратимый преобразователь, Z_TR(ƒ) пары обратимый преобразователь - градуируемый приемник, определении амплитудно-частотной $$\left|M_R(ƒ)\right|$$ и фазочастотной arg(MR(ƒ)) характеристик чувствительности по полю градуируемого гидроакустического приемника к звуковому давлению по формулам

где ƒ - частота, ρ - плотность воды, |…| и arg(…) означают соответственно модуль и аргумент комплексной частотной зависимости, k=2π/λ - волновое число, λ - длина звуковой волны, с - скорость звука в воде, амплитудно-частотную $$\left|M_R^{\text{'}}(ƒ)\right|$$ и фазочастотную $$\arg (M_R^{\text{'}}(ƒ))$$ характеристики чувствительности по полю гидроакустического приемника к векторным величинам гидроакустического поля определяют по формулам

где для гидроакустического приемника градиента звукового давления $$\left|\theta (r)\right|=\frac{\sqrt{k^2{r}^2+1}}{r}$$ и arg(θ(r))=arctg(kr), для приемника колебательной скорости частиц воды

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема расположения преобразователей в измерительном бассейне при градуировке гидроакустического векторного приемника.

Обратимый преобразователь Т, векторный гидроакустический приемник R и излучатель P располагают в измерительном бассейне на одной прямой, как это показано на чертеже с излучателем. Расстояния r_PT между излучателем и обратимым преобразователем, r_PR между излучателем и векторным приемником, r_TR между обратимым преобразователем и векторным приемником выбирают такими, чтобы падающие в измерительном эксперименте на обратимый преобразователь и векторный приемник сферические волны можно считать локально плоскими.

Возможность комплексной градуировки по полю векторного приемника с использованием метода взаимности поясним на примере приемника градиента звукового давления (ПГД).

Комплексное напряжение U_PR на выходе ПГД, находящегося в поле сферической волны на расстоянии r_PR от излучателя, пропорционально градиенту звукового давления:

где $$M_R^{\text{'}}$$ - комплексная чувствительность к градиенту звукового давления, $$\frac{\partial p}{\partial r}=p_{sph}(r)\theta (r)$$ и $$p_{sph}=\frac{p_0{r}_0}{r}{e}^{-jk(r-r_{{}_0})}$$ - соответственно градиент звукового давления и звуковое давление в сферической волне на расстоянии r от излучателя, [1].

Комплексный передаточный импеданс Z_PR пары излучатель - градуируемый ПГД получают как отношение комплексного выходного напряжения канала U_PR к комплексному току излучателя I_P:

где r_PR - расстояние между ПГД и излучателем, S_P - комплексная чувствительность на излучение к току.

Запись комплексного передаточного импеданса Z_TR пары обратимый преобразователь - ПГД имеет аналогичный вид:

где r_TR - расстояние между ПГД и обратимым преобразователем, где S_T и I_T - соответственно комплексные чувствительность на излучение к току и ток через обратимый преобразователь.

В общепринятой записи комплексный передаточный импеданс Z_PT пары излучатель - обратимый преобразователь (преобразователей звукового давления) имеет вид:

где r_PT - расстояние между излучателем и обратимым преобразователем.

В поле сферической волны комплексные чувствительность обратимого преобразователя на прием и на излучение связаны между собой через комплексный параметр взаимности, полученный Беранеком [3, 4]:

Используя выражения (1), (2), (3), (4) аналогично тому, как это сделано в прототипе [4] для комплексной чувствительности гидрофона, получим формулы, позволяющие вычислять модуль $$\left|M_R^{\text{'}}\right|$$ и фазовый угол $$\arg (M_R^{\text{'}})$$ комплексной чувствительности ПГД с использованием параметра взаимности обратимого преобразователя звукового давления:

где

Гидроакустический векторный приемник градуируют, основываясь на устанавливаемой теоретически и подтверждаемой экспериментально связи между звуковым давлением и измеряемой приемником векторной величиной гидроакустического поля, реализуемого в эксперименте. При измерениях в море векторный приемник находится на достаточном удалении от источника звука, и на него падает плоская бегущая звуковая волна. Поэтому при градуировке векторного приемника определяют чувствительность по полю, пересчитывая полученный результат к условиям, как если бы приемник находился в поле плоской бегущей звуковой волны.

Этим достигается поставленный технический результат.

Литература

1. Гордиенко В.А. Векторно-фазовые методы в акустике. М.: Физматлит, 2007. 480 с.

2. В.А. Гордиенко, Б.И. Гончаренко, С.С. Задорожный, М.В. Старкова. Расширение диапазона градуировки векторных приемников в неоднородном поле измерительных камер в сторону высоких частот // Акуст. журн. 2012, том 58, №5, с. 623-627.

3. L.D. Luker and A.L. Van Buren, "Phase calibration of hydrophones," J. Acoust. Soc. Am. 70, 516-519 (1981).

4. МЭК 60565:2006 Гидроакустика. Гидрофоны. Калибровка в частотном диапазоне от 0,01 Гц до 1 МГц (IEC 60565:2006 Underwater acoustics - Hydrophones - Calibration in the frequency range 0,01 Hz to 1 MHz) - прототип.

Изобретение относится к гидроакустике. Стенд содержит излучатель, обратимый преобразователь и градуируемый гидроакустический приемник, которые расположены в измерительном бассейне на одной прямой и разнесены в пространстве относительно друг друга на определенное расстояние. Излучатель и обратимый преобразователь поочередно возбуждают электрическим сигналом и определяют передаточные импедансы по полю пары излучатель - градуируемый приемник, пары излучатель - обратимый преобразователь и пары обратимый преобразователь - градуируемый приемник. Вычисляют амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики чувствительности по полю градуируемого гидроакустического приемника к звуковому давлению по формуле метода взаимности. Амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики чувствительности по полю гидроакустического приемника к векторным величинам гидроакустического поля определяют по формулам

. Технический результат - расширение функциональных возможностей. 1 ил.

Способ определения амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик чувствительности по полю гидроакустического приемника, заключающийся в расположении в измерительном бассейне с водой излучателя P, обратимого преобразователя T и градуируемого приемника R при известных расстояниях r_PR между излучателем и приемником, r_PT между излучателем и обратимым преобразователем и r_TR между обратимым преобразователем и приемником достаточно больших для формирования на приемнике локально-плоских сферических звуковых волн излучателя и обратимого преобразователя, а на обратимом преобразователе - локально-плоской волны излучателя, возбуждении излучателя электрическим сигналом, измерении тока через излучатель и выходных напряжений приемника и обратимого преобразователя, возбуждении обратимого преобразователя электрическим сигналом, измерении тока через обратимый преобразователь и выходного напряжения приемника, определении частотных зависимостей комплексных передаточных импедансов по полю Z_PR(f) пары излучатель - градуируемый приемник, Z_PT(f) пары излучатель - обратимый преобразователь, Z_TR(f) пары обратимый преобразователь - градуируемый приемник, определении амплитудно-частотной |M_R(f)| и фазочастотной arg(M_R(f)) характеристик чувствительности по полю градуируемого гидроакустического приемника к звуковому давлению по формулам


где f - частота, $$\rho$$ - плотность воды, k=2 $$\pi$$ / $$\lambda$$ - волновое число, $$\lambda$$ - длина звуковой волны, c - скорость звука в воде, отличающийся тем, что амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики чувствительности по полю гидроакустического приемника к векторным величинам гидроакустического поля определяют по формулам


где для гидроакустического приемника градиента звукового давления и arg( $$\theta$$ (r))=arctg(kr), для приемника колебательной скорости частиц воды и arg( $$\theta$$ (r))=-arctg(1/kr).