СПОСОБ КАЛИБРОВКИ ГИДРОФОНА ПО ПОЛЮ НА НИЗКИХ ЧАСТОТАХ Российский патент 2018 года по МПК H04R29/00 

Изобретение относится к гидроакустическим измерениям и может быть использовано для калибровки на низких частотах по полю гидрофонов и гидроакустических приемников в реверберационном звуковом поле, возникающем при непрерывном излучении звуковой волны в незаглушенном гидроакустическом бассейне.

Термин «калибровка гидрофона по полю» подразумевает определение чувствительности гидрофона по напряжению в свободном поле бегущей звуковой волны. Под свободным полем понимают поле сферической звуковой волны, распространяющейся в изотропной однородной среде, что на практике реализовать невозможно. Поэтому калибровку гидрофона по полю всегда выполняют при наличии отражений (в реверберационном поле), что обуславливает необходимость борьбы с отражениями.

Известен способ калибровки гидрофона по полю в незаглушенном бассейне [Боббер Р. Дж. Гидроакустические измерения. / Пер. с англ. под ред. А.Н. Голенкова. - М.: Мир. - 1974., CEI/IEC 60565: 2006. Underwater acoustics - hydrophones - calibration in the frequency range 0.01 Hz to 1 MHz. International Electrotechnical Commission. Geneva. Switzerland. - 2006.], в котором прямой сигнал излучателя и сигналы, отраженные поверхностями бассейна, разделяют методом временной селекции. При этом используют тонально-импульсный гидроакустический сигнал.

Недостатками известного способа являются искажения формы тонального импульса переходными процессами в узкополосном измерительном тракте, снижение эффективности временной селекции с уменьшением частоты и как следствие - ограничение нижней частоты калибровки по полю, большое время измерения подробной частотной характеристики, необходимость когерентного накопления тональных импульсов на приеме для повышения отношения сигнал/шум.

Известен способ калибровки гидрофона по полю при излучении ЛЧМ сигнала в незаглушенном бассейне, принятый за прототип [Исаев А.Е., Матвеев А.Н., Сильвестров С.В. Способ градуировки гидрофона по полю при излучении непрерывного сигнала в измерительном бассейне с отражениями. Патент РФ №2390968 С2. Кл. H04R 29/00. Опубликован 27.05.2010 в БИ №15], в котором измеряют частотную зависимость передаточного импеданса (ПИ) пары излучатель-гидрофон в реверберационном звуковом поле бассейна, частотную зависимость (ПИ) пары излучатель-гидрофон по свободному полю получают, подавляя реверберационные осцилляции измеренной частотной зависимости.

Прототип заключается в расположении в бассейне пар излучатель-гидрофон при известном расстоянии между излучателем и гидрофоном, определении для каждой пары излучатель-гидрофон временных задержек отраженных сигналов, возбуждении каждой пары излучатель-гидрофон линейно-частотно-модулированным сигналом с известными параметрами, измерении мгновенных значений тока излучателя и выходного напряжения гидрофона, определении по полученным значениям комплексной частотной зависимости передаточного импеданса пары излучатель-гидрофон в реверберационном звуковом поле бассейна, получении комплексной частотной зависимости передаточного импеданса пары излучатель-гидрофон в свободном поле скользящим комплексным взвешенным усреднением частотной зависимости передаточного импеданса пары в реверберационном звуковом поле с использованием взвешивающей функции, которая строится исходя из значений временных задержек отраженных сигналов, определении частотной зависимости чувствительности гидрофона по полю по полученным для каждой пары излучатель-гидрофон частотным зависимостям передаточного импеданса в свободном поле.

Прототип называют способом скользящего комплексного взвешенного усреднения (СКВУ). Недостатками способа являются невозможность калибровки гидрофона по полю на частотах меньших половины ширины частотного интервала взвешенного усреднения и большая погрешность калибровки на низких частотах, на которых амплитуда звукового давления прямой волны излучателя значительно изменяется в частотном интервале усреднения.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является обеспечение возможности калибровки гидрофона по полю в незаглушенном измерительном бассейне на частотах меньших половины ширины частотного интервала усреднения и повышение точности калибровки на низких частотах, на которых амплитуда звукового давления прямой волны излучателя значительно изменяется в частотном интервале усреднения.

Данный технический результат достигают за счет того, что в известном способе, заключающемся в расположении в бассейне пар излучатель-гидрофон при известном расстоянии между излучателем и гидрофоном, определении для каждой пары излучатель-гидрофон временных задержек отраженных сигналов, возбуждении каждой пары излучатель-гидрофон линейно-частотно-модулированным сигналом с известными параметрами, измерении мгновенных значений тока излучателя и выходного напряжения гидрофона, определении по полученным значениям комплексной частотной зависимости передаточного импеданса пары излучатель-гидрофон в реверберационном звуковом поле бассейна, получении комплексной частотной зависимости передаточного импеданса пары излучатель-гидрофон в свободном поле скользящим комплексным взвешенным усреднением частотной зависимости передаточного импеданса пары в реверберационном звуковом поле с использованием взвешивающей функции, которая строится исходя из значений временных задержек отраженных сигналов, определении частотной зависимости чувствительности гидрофона по полю по полученным для каждой пары излучатель-гидрофон частотным зависимостям передаточного импеданса в свободном поле для каждой пары излучатель-гидрофон частоту линейно-частотно-модулированного сигнала уменьшают от начального значения до нуля, затем, сохраняя непрерывность фазы сигнала, увеличивают до начальной частоты, по значениям тока и напряжения определяют комплексную частотную зависимость передаточного импеданса пары излучатель-гидрофон в реверберационном звуковом поле в интервале частот, симметричном относительно нулевой частоты, относя значения, полученные при уменьшении частоты, к отрицательным частотам, а при увеличении частоты к положительным частотам, полученную частотную зависимость корректируют на частотную зависимость параметра взаимности, частотную зависимость передаточного импеданса пары излучатель-гидрофон в свободном поле определяют скользящим комплексным взвешенным усреднением скорректированной комплексной частотной зависимости в интервале частот, симметричном относительно нулевой частоты, значения чувствительности гидрофона по полю определяют по полученным для каждой пары излучатель-гидрофон значениям частотных зависимостей передаточных импедансов в свободном поле.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена схема реализации способа; на фиг. 2, 3, 4 - диаграммы, поясняющие работу способа; на фиг. 5 - результаты калибровки гидрофона.

Гидрофон Г располагают в гидроакустическом бассейне ГАБ на известном расстоянии от излучателя И. В памяти ЭВМ 1 формируют цифровой ЛЧМ сигнал в частотном интервале, симметричном относительно нуля на оси частот. С помощью цифроаналогового преобразователя 2 цифровой ЛЧМ сигнал преобразуют в электрическое напряжение и подают на усилитель мощности 3. Сигналом с выхода усилителя мощности возбуждают излучатель и создают в бассейне реверберационное звуковое поле. При этом на гидрофон падают прямая звуковая волна излучателя и отраженные звуковые волны с амплитудами звукового давления Р₀ и Р_отр соответственно. С помощью переключателя 4 через усилитель 5 на вход аналого-цифрового преобразователя 6 подают выходное напряжение гидрофона или напряжение, падающее на калиброванном сопротивлении R в цепи излучателя. Мгновенные значения напряжений записывают в память ЭВМ 1, которая выполняет математическую обработку.

Обработка мгновенных значений напряжений включает в себя следующие операции: Определяют времена начала излучения и прихода прямой и отраженных волн. По мгновенным значениям напряжения, падающего на сопротивлении R, и значению сопротивления R определяют мгновенные значения тока излучателя. По мгновенным значениям тока излучателя и напряжения на выходе гидрофона рассчитывают комплексные частотные зависимости тока и напряжения (например, используя преобразование Фурье).

Частотную зависимость ПИ пары излучатель-гидрофон в реверберационном звуковом поле получают делением комплексной частотной зависимости напряжения на комплексную частотную зависимость тока с учетом времени распространения прямой волны. Получают скорректированную частотную зависимость ПИ умножением частотной зависимости ПИ пары излучатель-гидрофон в реверберационном звуковом поле на частотную зависимость параметра взаимности.

Частотную зависимость ПИ пары излучатель-гидрофон по свободному полю получают, подвергая зависимость обработке по методу СКВУ [1]:

где n - количество отражений, подлежащих подавлению, τ_i - запаздывание i-й отраженной волны в точке приема, - частотный интервал взвешенного усреднения, - взвешивающая функция, полученная сверткой n единичных прямоугольных окон шириной τ_i.

Изложенное выше проиллюстрировано зависимостями, представленными на фиг. 2-5.

На фиг. 2 представлены диаграммы мгновенных значений тока излучателя (а) и напряжения на выходе гидрофона (б) при возбуждении излучателя ЛЧМ сигналом в симметричном относительно нуля на оси частот интервале.

На фиг. 3 представлены амплитудно-частотная (а) и фазочастотная (б) зависимости ПИ пары излучатель-гидрофон в реверберационном звуковом поле бассейна, полученные в результате коррекции на частотную зависимость параметра взаимности.

На фиг. 4 представлены амплитудно-частотная (а) и фазочастотная (б) зависимости ПИ пары излучатель-гидрофон по свободному полю, полученные в результате обработки по методу СКВУ.

Частотные зависимости ПИ пар излучатель-гидрофон по полю используют для определения чувствительности гидрофона, например, при калибровке методом сравнения с опорным гидрофоном используют формулу:

где - чувствительность опорного гидрофона, r_и-г - расстояние между излучателем и калибруемым гидрофоном, r_и-о - расстояние между излучателем и опорным гидрофоном, - ПИ по полю пары излучатель - опорный гидрофон, - ПИ по полю пары излучатель - калибруемый гидрофон, - означает модуль комплексной величины.

На фиг. 5 показаны результаты калибровки гидрофона В&К8104 методом сравнения с опорным гидрофоном с использованием предложенного способа. Для гидрофона В&К8104 на частотах ниже 1 кГц чувствительность, полученная в камере малого объема, совпадает с чувствительностью по полю.

Рядом 2 представлена частотная зависимость чувствительности гидрофона В&К8104, полученная в камере малого объема. Рядами 1 и 3 представлены частотные зависимости чувствительности, полученные предложенным методом в бассейне при расстоянии 3 м и 1,5 м до ближайшей отражающей поверхности, при этом частотные интервалы взвешенного усреднения составляли 500 Гц и 1000 Гц соответственно.

На частотах меньших 500 Гц отклонения чувствительности по полю, полученной в бассейне с использованием предложенного способа, от чувствительности, полученной в камере малого объема, не превосходят 0,3 дБ, что доказывает эффективность предложенного способа.

Способ может быть использован для калибровки на низких частотах гидрофона, размеры которого не позволяют определять его чувствительность в камере малого объема.

Литература

1. Исаев А.Е., Матвеев А.Н. Градуировка гидрофонов по полю при непрерывном излучении в реверберирующем бассейне // Акустический журнал. 2009. Том 55. №6. С. 727-736.

Изобретение относится к метрологии, в частности к гидроакустическим измерениям. Гидрофон располагают в бассейне на определенном расстоянии от излучателя. Излучатель возбуждают линейно-частотно-модулированным сигналом, частоту которого уменьшают от начального значения до нуля, затем, сохраняя непрерывность фазы сигнала, увеличивают до начальной частоты. Регистрируя мгновенные значения тока излучателя и выходного напряжения гидрофона, определяют комплексную частотную зависимость передаточного импеданса пары излучатель-гидрофон в реверберационном звуковом поле бассейна в интервале частот, симметричном относительно нулевой частоты. Полученную частотную зависимость корректируют на частотную зависимость параметра взаимности. Частотную зависимость ПИ пары излучатель-гидрофон в свободном поле определяют скользящим комплексным взвешенным усреднением скорректированной частотной зависимости. Технический результат – обеспечение возможности калибровки гидрофонов на частотах, меньших половины ширины частотного интервала, и повышение точности калибровки на низких частотах. 5 ил.

Способ калибровки гидрофона по полю в реверберационном звуковом поле не заглушенного бассейна, заключающийся в расположении в бассейне пар излучатель-гидрофон при известном расстоянии между излучателем и гидрофоном, определении для каждой пары излучатель-гидрофон временных задержек отраженных сигналов, возбуждении каждой пары излучатель-гидрофон линейно-частотно-модулированным сигналом с известными параметрами, измерении мгновенных значений тока излучателя и выходного напряжения гидрофона, определении по полученным значениям комплексной частотной зависимости передаточного импеданса пары излучатель-гидрофон в реверберационном звуковом поле бассейна, получении комплексной частотной зависимости передаточного импеданса пары излучатель-гидрофон в свободном поле скользящим комплексным взвешенным усреднением частотной зависимости передаточного импеданса пары в реверберационном звуковом поле с использованием взвешивающей функции, которая строится исходя из значений временных задержек отраженных сигналов, определении частотной зависимости чувствительности гидрофона по полю по полученным для каждой пары излучатель-гидрофон частотным зависимостям передаточного импеданса в свободном поле, отличающийся тем, что для каждой пары излучатель-гидрофон частоту линейно-частотно-модулированного сигнала уменьшают от начального значения до нуля, затем, сохраняя непрерывность фазы сигнала, увеличивают до начальной частоты, по значениям тока и напряжения определяют комплексную частотную зависимость передаточного импеданса пары излучатель-гидрофон в реверберационном звуковом поле в интервале частот, симметричном относительно нулевой частоты, относя значения, полученные при уменьшении частоты, к отрицательным частотам, а при увеличении частоты - к положительным частотам, полученную частотную зависимость корректируют на частотную зависимость параметра взаимности, частотную зависимость передаточного импеданса пары излучатель-гидрофон в свободном поле определяют скользящим комплексным взвешенным усреднением скорректированной комплексной частотной зависимости в интервале частот, симметричном относительно нулевой частоты, значения чувствительности гидрофона по полю определяют по полученным для каждой пары излучатель-гидрофон значениям частотных зависимостей передаточных импедансов в свободном поле.