СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК G01H11/08 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения мощности гидроакустических излучателей разного типа, входящих в состав гидролокаторов, систем гидроакустической связи, телеметрии, комплексов гидроакустического телеуправления и т.д., в реальных условиях эксплуатации.

Известен способ градуировки гидроакустических излучателей по чувствительности путем использования образцового измерительного гидрофона (приемника гидроакустических сигналов) [Л1, стр. 38…40].

Образцовый гидрофон устанавливается в среде распространения (воде) на калиброванном расстоянии от контролируемого излучателя (не менее 1 м). В процессе градуировки с использованием дополнительной измерительной аппаратуры, измеряется отклик образцового гидрофона на тестовый сигнал гидроакустического излучателя, по которому рассчитывается чувствительность излучателя S_u. Поскольку чувствительность излучателя есть отношение излучаемой гидроакустической мощности Р_а к вызвавшему ее напряжению возбуждающего электрического сигнала U, то по найденному значению S_u и известному значению U можно определить мощность гидроакустического сигнала излучателя

P_a=S_u⋅U.

Для диагностики гидроакустических излучателей в реальных условиях их эксплуатации с целью контроля мощности такой способ неприемлем. Кроме того, измерительная установка, реализующая такой способ, громоздка [Л1, с. 159, рис. 3.26].

Известен способ измерения мощности низкочастотного гидроакустического излучателя с внутренней воздушной полостью по патенту на изобретение [Л2]. Особенностью такого способа является то, что измерительный гидрофон устанавливается во внутреннюю воздушную полость контролируемого излучателя, который погружают в жидкость. Измерительный гидрофон, находясь в воздушной полости внутри контролируемого излучателя, фиксирует воздушный акустический сигнал, который значительно слабее гидроакустического сигнала излучателя, поскольку воздух как среда распространения обладает существенно меньшими, чем вода, плотностью и упругостью, поэтому и чувствительность такого способа низкая. Кроме того, способ применим только для гидроакустических излучателей больших размеров, имеющих внутри себя воздушные полости с объемом, достаточным для размещения измерительного гидрофона. Поскольку размеры излучающей поверхности излучателя соизмеримы с длиной волны излучаемого сигнала, то это в основном длинноволновые, т.е. низкочастотные излучатели диапазона до 1 кГц.

Известен способ измерения мощности гидроакустического излучателя, и устройство для его осуществления по патенту на изобретение [Л3] в котором установленным на излучающей поверхности акселерометром измеряют колебательное ускорение излучающей поверхности излучателя, колеблющейся под влиянием тестового сигнала, а мощность определяется по формуле

где, А - среднеквадратическое значение ускорения в м/с², измеренное акселерометром;

ω=2πF (F - частота излучения в Гц, для конкретного излучателя, она является заданной);

R_W - механическое сопротивление нагрузки на излучатель со стороны жидкости (для воды 1,5⋅10⁶ кг/м²с), умноженному на площадь излучающей поверхности излучателя.

Недостатки прототипа. Этот способ измерения мощности предполагает вмешиваться в конструкцию излучателя, устанавливая на поверхности акселерометр, а также применять тестовый синусоидальный сигнал, отличающийся от реальных сигналов на которых должен работать гидроакустический излучатель.

Прототипом устройства, в котором может быть реализован предлагаемый способ, является установка для автоматической градуировки гидроакустических излучателей с помощью образцового гидрофона [Л 1, с. 159, рис. 3.26].

Установка содержит:

- канал передачи, в котором сигнал генератора, проходя через предварительный усилитель, модулятор, усилитель мощности, схему согласования импедансов, поступает на контролируемый гидроакустический излучатель, излучающий акустический сигнал в воду;

- канал приема, в котором сигнал, принятый образцовым гидрофоном из воды, через усилители и фильтры, поступает на регистрирующие устройства;

- дополнительные приборы для измерения параметров электрических сигналов и устройства синхронизации.

Установка измеряет чувствительность контролируемого излучателя в диапазоне частот, но, как указывалось выше, позволяет косвенным путем рассчитать и акустическую мощность излучателя. Однако, она очень сложна и громоздка, использование такой установки для контроля работоспособности гидроакустических излучателей, установленных на объектах, в процессе их диагностики в реальных условиях эксплуатации, практически невозможно.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в возможности измерения в дальней зоне акустической мощности различных типов гидроакустических излучателей, в том числе и установленных на подвижных объектах, в реальных условиях их эксплуатации, с использованием рабочего сигнала излучателя, без вмешательства в его конструкцию и в создании устройства для реализации данного способа. Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена схема способа, на фиг. 2 устройство, его реализующее. Для схемы способа фиг. 1:

1 - калиброванный гидрофон;

2 - дополнительный гидрофон;

3 - расстояние между излучателем и вторым гидрофоном;

4 - гидроакустический излучатель;

5 - расстояние между излучателем и калиброванным гидрофоном;

6 - аппаратура приема и обработки;

7 - аппаратура формирования сигнала для излучения излучателем.

Для устройства фиг. 2:

1 - калиброванный гидрофон;

2 - дополнительный гидрофон;

8 - аналого-цифровой преобразователь;

9 - аналого-цифровой преобразователь;

10 - процессорный блок.

Указанный технический результат достигается тем, что в предложенном способе измерения мощности гидроакустического излучателя, заключающимся в том, что измерение мощности гидроакустического излучателя осуществляется следующим образом. С морской платформы или с судна излучатель 4 самостоятельно или в составе необитаемого подводного аппарата погружают в жидкость на глубину на которой предполагают измерить его акустическую мощность. С другой части судна на такую же глубину в дальней зоне, определяемой по формуле: r1>D²/λ, где: от r1 - расстояние между геометрическим центром излучателя и измерительным гидрофоном; D - максимальный размер излучателя;

λ - длина волны излучаемого сигнала, на расстоянии 5 погружают калиброванный гидрофон 1. От аппаратуры формирования сигнала 7, которая может находится как на судне, так и на необитаемом подводном аппарате, на излучатель 4 подают электрический сигнал, который преобразуется в гидроакустический сигнал. В калиброванном гидрофоне 1 давление жидкости, вызванное гидроакустическим сигналом преобразуется в электрический сигнал, который по кабелю подают на аппаратуру приема и обработки 6, расположенную на судне. На известном расстоянии от излучателя 3 которое может составлять 1-2 метра помещают дополнительный второй гидрофон 2. Расстояние 3 выбирается из возможности жесткой фиксации гидрофона 2 относительно акустического центра излучателя 4. Электрический сигнал с дополнительного гидрофона по кабелю подают на аппаратуру приема и обработки 6. В аппаратуре приема и обработки производят измерение напряжения сигнала с калиброванного гидрофона и измеряют задержку между сигналами принятыми гидрофонами. По измеренной задержке (разности фаз) сигналов и известной скорости распространения звука в жидкости определяют и контролируют расстояние между излучателем и калиброванным гидрофоном, которое может меняться в зависимости от глубины погружения, подводных течений, положения и дрейфа судна и т.д.

Измеряемая задержка между сигналами принятыми гидрофонами

где: Т_гф1=r1/c; Т_гф2=r2/с, времена задержки сигналов принимаемых гидрофонами относительно излученного сигнала;

r1, r2 - расстояние от излучателя до первого и второго гидрофонов, соответственно;

с - скорость распространения звука в жидкости.

После подстановки в (1) значений Т_гф1 и Т_гф2

откуда

Таким образом, измеряя задержку между сигналами, принятыми гидрофонами однозначно определяем расстояние между излучателем и калиброванным гидрофоном.

Акустическую мощность излучателя определяют по формуле:

W[BT]=4πР²/Rρс,

где: ρ - плотность воды [кг/м³];

Р=U_gr1/γ - приведенное к одному метру звуковое давление [Па];

где: U_g - напряжение на выходе гидрофона [мкв];

γ - чувствительность гидрофона [мкв/Па];

R - коэффициент концентрации. Для изотропного излучателя R=1.

Предлагаемое устройство, состав которого показан на фиг. 2, для осуществления способа измерения мощности гидроакустического излучателя работает следующим образом. Излучаемый гидроакустическим излучателем сигнал на калиброванном гидрофоне 1 и дополнительном гидрофоне 2, создает давление жидкости которое преобразуется в электрические сигналы. Каждый из этих сигналов по электрическим кабелям передается на входы двух аналого-цифровых преобразователей 8 и 9, выходы которых по шине данных соединены с процессорным блоком 10. В качестве процессорного блока может быть использован микропроцессор, ЭВМ, или персональный компьютер. В процессорном блоке реализуют алгоритмы измерения напряжения с калиброванного гидрофона, измерения времени задержки (разности фаз) между сигналами с калиброванного и дополнительного гидрофонов, расчета расстояния между излучателем и калиброванным гидрофоном, расчета акустической мощности излучателя.

Примененный в способе измерения мощности гидроакустического излучателя и устройстве для его осуществления режим измерения напряжения калиброванного гидрофона, размещенного в дальней зоне от излучателя и временной задержки сигналов калиброванного гидрофона и дополнительного гидрофона, который расположен на фиксированном расстоянии от излучателя, позволит проводить измерения акустической мощности излучателей разнообразных конструкций, а также излучателей, расположенных на подводных аппаратах в реальных условиях эксплуатации на глубинах их функционирования. Измерения проводят без вмешательства в конструкцию излучателей, с использованием рабочего сигнала излучателя и на глубинах, где слабо выражены дестабилизирующие факторы и низкий уровень окружающего шума.

Источники информации.

1. Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения. М., Мир. 1974.

2. Патент Российской Федерации RU №1140571 С, 27.10.1995.

3. Патент Российской Федерации RU №2492431 С1, 08.02.2012.

Использование: изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для определения мощности гидроакустических излучателей, расположенных на подводных и надводных средствах. Сущность изобретения: в способе измерения мощности гидроакустического излучателя и устройстве для его осуществлении с помощью калиброванного гидрофона измеряют звуковое давление излучаемого гидроакустического сигнала в дальней зоне от излучателя. Для измерения в схему введен второй гидрофон, расположенный на фиксированном расстоянии от излучателя, а мощность рассчитывают по формуле W=4πP²/ρс, где ρ - плотность воды; с - скорость звука в воде; P=U_gr1/γ - приведенное к одному метру звуковое давление; где U_g напряжение на выходе гидрофона; γ - чувствительность гидрофона; r1=(ΔТ_задс+r2) - расстояние между геометрическим центром излучателя и измерительным гидрофоном; r2 - расстояние между геометрическим центром излучателя и вспомогательным гидрофоном; ΔТ - временная задержка между сигналами, принятыми гидрофонами. Предлагаемое устройство для осуществления способа измерения мощности гидроакустического излучателя работает следующим образом. Излучаемый гидроакустическим излучателем сигнал на калиброванном гидрофоне и дополнительном гидрофоне создает давление жидкости, которое преобразуется в электрические сигналы. Каждый из этих сигналов по электрическим кабелям передается на входы двух аналого-цифровых преобразователей, выходы которых по шине данных соединены с процессорным блоком. В процессорном блоке реализуют алгоритмы измерения напряжения с калиброванного гидрофона, измерения времени задержки (разности фаз) между сигналами с калиброванного и дополнительного гидрофонов, расчета расстояния между излучателем и калиброванным гидрофоном, расчета акустической мощности излучателя. Технический результат: возможность измерения в дальней зоне акустической мощности различных типов гидроакустических излучателей в реальных условиях эксплуатации на рабочем сигнале излучающего гидроакустического излучателя без вмешательства в его конструкцию и без привлечения дополнительных измерительных устройств. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения мощности гидроакустического излучателя, заключающийся в том, что испытуемый излучатель в составе необитаемого подводного аппарата погружают в жидкость, подают на него сигнал, который преобразуют в акустический сигнал, калиброванным гидрофоном измеряют величину этого сигнала, отличающийся тем, что калиброванный гидрофон устанавливают в дальней зоне излучения сигнала, а в ближней зоне на известном расстоянии от излучателя помещают дополнительный второй гидрофон, измеряют временную задержку между сигналами, принятыми гидрофонами, и рассчитывают акустическую мощность по формуле

где ρ - плотность воды [кг/м³];

с - скорость звука в воде [м/с];

Р=U_gr1/γ - приведенное к одному метру звуковое давление [Па*м];

где U_g - напряжение на выходе гидрофона [мкВ];

r1=(ΔТ_задc+r2) - расстояние между геометрическим центром излучателя и гидрофоном [м];

r2 - расстояние от излучателя до второго гидрофона;

ΔТ_зад - временная задержка между сигналами, принятыми гидрофонами;

γ - чувствительность гидрофона [мкВ/Па];

R - коэффициент концентрации.

2. Устройство для осуществления способа измерения мощности гидроакустического излучателя, содержащее калиброванной гидрофон, амплитуда сигнала на выходе которого пропорциональна давлению жидкости, измеритель амплитуды сигнала, отличающееся тем, что в схему дополнительно вводят второй гидрофон, расположенный на известном фиксированном расстоянии от излучателя, два аналого-цифровых преобразователя и вычислительный блок (микропроцессор), где реализуют алгоритмы измерения напряжения с калиброванного гидрофона, измерения времени задержки между сигналами гидрофонов, расчета акустической мощности излучателя.